工業(yè)以太網(wǎng)港口生產(chǎn)輔助控制系統(tǒng)范文

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摘要:設計以西門子Profinet協(xié)議為基礎的工業(yè)以太網(wǎng)通信控制平臺，實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)連接港口設備設施，以及生產(chǎn)輔助設備設施的遠程集中控制和對現(xiàn)場大部分運行設備的數(shù)據(jù)實時采集。該系統(tǒng)的應用可降低勞動強度和生產(chǎn)能耗，提高港口設備設施的管理水平，為港口數(shù)字化和智能化的轉型發(fā)展奠定基礎。

關鍵詞:工業(yè)以太網(wǎng);遠程集中控制;泛在連接;數(shù)據(jù)采集

1引言

隨著綠色智慧港口建設的發(fā)展，迫切需要對現(xiàn)場原基礎自動化控制系統(tǒng)進行改造和升級。除裝船機、卸船機、堆取料機、皮帶輸送機等主生產(chǎn)設備外，還應該對環(huán)保設備(除塵器、抑塵噴霧裝置等)、照明設施(高桿燈、通廊燈等)、給排水設施、消防設施等生產(chǎn)輔助設備設施實現(xiàn)遠程集中智能控制;同時也需要實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣采集層采集大量數(shù)據(jù)信息的要求(設備的溫度、振動、電流等信息)［1］。目前，揚州某港口已建成一套生產(chǎn)輔助控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了現(xiàn)場大部分生產(chǎn)輔助設備的遠程集中控制，初步完成了以泛在連接和數(shù)據(jù)采集為特征的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣級的建立。

2系統(tǒng)設計

2．1系統(tǒng)的目的和特點

生產(chǎn)輔助控制系統(tǒng)按照總體配齊、預留擴展的原則進行設計。在設計時充分考慮其成熟性、兼容性、開放性。主要具有3個特點。(1)實現(xiàn)現(xiàn)場各分散的單體除塵器、噴灑系統(tǒng)、照明等生產(chǎn)輔助配套設施的自動化遠程控制功能;滿足全區(qū)域所有設備的各種安全狀態(tài)、過程狀態(tài)等數(shù)據(jù)在線采集和檢測，從而保證設備的連續(xù)穩(wěn)定運行和進一步智能化的提升。(2)系統(tǒng)的所有供配電、電氣自動化(電氣、儀表、計算機)、計量、通訊、監(jiān)控等設備選用技術成熟、性能可靠的產(chǎn)品，原則上選型與原工控系統(tǒng)保持一致，盡量保證其備件的通用和互換性。(3)在系統(tǒng)結構上采用開放式的結構，具有較大的靈活性和可擴展性;采用以太網(wǎng)通信方式，網(wǎng)絡設計成環(huán)網(wǎng)的拓撲形式，保證系統(tǒng)通信的持續(xù)穩(wěn)定性。

2．2系統(tǒng)的結構和原理

生產(chǎn)輔助控制系統(tǒng)的操作包括:程序聯(lián)動操作(HMI自動操作方式)、集中手動聯(lián)鎖和解鎖操作(HMI手動操作方式)、機旁手動操作(現(xiàn)場操作)。通過各分散的工業(yè)以太網(wǎng)交換機以及有線和無線通信介質實現(xiàn)現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)的實時在線采集，具體結構形式見圖1。

2．2．1生產(chǎn)輔助控制系統(tǒng)主站系統(tǒng)主站設置在工程師室內，根據(jù)程序容量和運行速度的要求，同時考慮到與原工控系統(tǒng)保持一致性，系統(tǒng)主站采用了S7-400系列模塊，配置2塊CP443-1(6GK7443-1EX20-0XE0)通信處理模塊，實現(xiàn)以工業(yè)以太網(wǎng)形式與2個網(wǎng)段的實時通訊，其中一個通訊處理模塊用于生產(chǎn)輔助系統(tǒng)各站點之間的通信，另一個通訊處理模塊則用于與原工控14系統(tǒng)的通信。

2．2．2生產(chǎn)輔助控制系統(tǒng)分站在區(qū)域內的13個輸送流程轉運站旁邊或其內部各新建1個電氣室，除將各轉運站單體除塵器的電氣控制系統(tǒng)移入電氣室外，還分別在各轉運站的電氣室內設置1個PLC分站控制柜，另在原料場的東側和西側電氣室以及碼頭電氣室也各設置1個分站。各分站PLC除配置必要的S7-300系列的DI、AI、DO模塊外，接口模塊采用了支持Profinet現(xiàn)場總線通信的ET200M模塊(6ES7153-4AA00-0XB0)。在16個分站控制柜中分別配置了1臺cis-co工業(yè)以太網(wǎng)交換機(IE-3000-8TC)，分別實現(xiàn)與PLC分站、相應的單體除塵器控制系統(tǒng)和抑塵噴灑水系統(tǒng)等的通信。考慮到各分站和主站之間的距離較長，所有控制站之間的通信訊介質均采用單模光纖傳送，且按照環(huán)網(wǎng)拓撲形式進行連接

2．2．3集中控制和維護開發(fā)平臺在工程師室內配置1臺主服務器(I/OSERV-ER)和1臺主交換機，系統(tǒng)網(wǎng)段內設備均通過主交換機與主服務器、EWS工程師站進行連接;在主控制室內配置2臺操作員站，也與主交換機進行網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)C/S分布結構模式，從而提高設備的利用率。PLC系統(tǒng)主站通過其通信處理模塊與主交換機、主服務器(I/OSERVER)進行通信，且上層網(wǎng)絡所需的數(shù)據(jù)全部可通過主服務器進行提取。主服務器(I/OSERVER)采用3網(wǎng)卡形式，其中工業(yè)以太網(wǎng)卡(2塊)用于同基礎控制級的以太網(wǎng)連接，且預留向上層網(wǎng)絡、其他終端設備、服務器等提供數(shù)據(jù)通信的功能。

2．3系統(tǒng)功能設計

生產(chǎn)輔助控制系統(tǒng)直接面向生產(chǎn)過程，完成各輔助設施的遠程自動化控制，提高其安全性并降低勞動強度;完成生產(chǎn)輔助設備設施操作運行所需要的各種數(shù)據(jù)的采集和設定，實現(xiàn)設備狀態(tài)監(jiān)視、故障報警顯示、故障分析診斷等功能，主要包括以下功能。

2．3．1人機界面(HMI)主要功能HMI畫面采用WINCCV7．3組態(tài)軟件平臺進行開發(fā)，實現(xiàn)上位機與輔助系統(tǒng)內每一臺PLCCPU的實時通訊。因除塵器等輔助設備的控制系統(tǒng)部分采用了CPU315-2PN/DP型CPU，而另一部分采用了小型的S7-200smartPLC，所以在與上位機進行通信時分別建立了TCP/IP通道和OPC通道，且分別進行數(shù)據(jù)庫存儲區(qū)間數(shù)據(jù)的映射。其主要功能為:①控制系統(tǒng)總體及局部的工作狀態(tài)顯示;②主要設備過程的設備操作及故障處理記錄;③過程控制的數(shù)據(jù)處理及趨勢圖顯示;④系統(tǒng)故障及報警信號的顯示、記錄及打印［2-3］。

2．3．2單體除塵器和噴灑水設備的遠程集中控制功能對原13套單體除塵器和3套噴灑抑塵裝置的控制系統(tǒng)進行改造，使其具有以太網(wǎng)通信功能并兼容生產(chǎn)輔助控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)現(xiàn)場單機控制和主控室集中控制功能。每一臺除塵器控制系統(tǒng)與上位機進行信息交換，主要包括如下內容:①設備故障信息;②設備狀態(tài)(包括電流、電壓等)信息;③命令信號(機旁/遠程、啟動、停止、急停、連鎖/解鎖);④計量能耗以及流量壓力等信息。

2．3．3照明和給排水的遠程集中控制功能以每個轉運站為單位，各設置1套照明/換氣裝置控制箱，并將每套照明/換氣裝置控制箱與相應轉運站的PLC分站連接。為保證功能質量和安全，控制箱采用了分組設計的方式。每一套控制箱設計6組回路，并按照功率的大小平均分配到每一相。照明/換氣裝置控制箱控制了通廊燈、轉運站內燈、高桿燈等所有照明，以及設備現(xiàn)場的通風換氣裝置。對污水泵、強排泵、增壓泵等的控制箱進行改造，使其具有就地/遠程控制的功能，以就近的原則，將水泵控制箱與最近的轉運站PLC分站相連接。PLC分站采集控制箱的控制和狀態(tài)信號(包括開關、接觸器反饋、水泵的浮球和壓力等信息)，并通過PLC輸出中繼控制相應的接觸器，從而實現(xiàn)照明、換氣裝置、水泵等設備的現(xiàn)場手動控制和遠程集中控制。圖2為碼頭1號轉運站照明/換氣裝置控制箱的設計。

2．3．4對設備設施進行監(jiān)控報警的功能原工控系統(tǒng)必須保證生產(chǎn)流程的連續(xù)不間斷運轉，其PLC容量不足很難進行二次再開發(fā)，所以利用生產(chǎn)輔助控制系統(tǒng)的第二塊通信處理模塊與原工控系統(tǒng)進行通信連接，將原工控系統(tǒng)的設備運行數(shù)據(jù)發(fā)送映射至輔助系統(tǒng)的相應數(shù)據(jù)塊，在輔助系統(tǒng)的PLC和上位機上進行二次開發(fā)。實現(xiàn)了各皮帶機主電機電壓、電流、溫度等在線實時采集，并形成趨勢監(jiān)測，同時對采集的數(shù)據(jù)利用PLC程序和組態(tài)腳本進行簡單的過濾和分析，例如皮帶輸送機驅動電機的運行數(shù)據(jù)分析包括:①通過溫度和電流闕值比較，實現(xiàn)過載預警和報警;②對單皮帶機多驅動電機的電流進行比較，提早發(fā)現(xiàn)因液力耦合器故障等原因造成的出力不均問題。該系統(tǒng)還實現(xiàn)了對現(xiàn)場所用轉運站、電氣室、空壓機室等的火災和溫濕度的檢測，從而實現(xiàn)有效的預警和報警功能，保證了現(xiàn)場設施的安全性。

3功能的進一步延伸和擴展

對于數(shù)字化、智慧化港口的建設，將主要分成3個步驟去實現(xiàn):①最大限度地實現(xiàn)數(shù)字化，通過傳感器技術將復雜的設備設施信息轉化為可度量的數(shù)字;②最大可能地實現(xiàn)一體化，通過網(wǎng)絡信息技術將各種實物、數(shù)據(jù)等連接起來，進行通信和數(shù)據(jù)的交換;③最大可能地進行數(shù)據(jù)的加工處理分析，通過計算機技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)的“增值”，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實事物的幫助或者控制。生產(chǎn)輔助控制系統(tǒng)作為基礎環(huán)節(jié)，目前已完成了初步的建立工作，對于范圍和功能還需要進一步進行延伸和擴展。(1)提升通信功能，擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍。由于散貨堆場碼頭的區(qū)域較大，設備設施較為分散，考慮其特性，生產(chǎn)輔助控制系統(tǒng)規(guī)劃采用有線通信和無線通信相結合的通信網(wǎng)絡。在主干網(wǎng)絡中采用有線通信，在分散的小終端和移動設備上采用無線通信。有線通信主要采用光纖通信方式，而無線通信主要有2種:一種是用在港口移動設備(卸船機、裝船機、堆取料機)上的無線網(wǎng)橋技術，另一種是采用GPRS通信技術將區(qū)域內分散的儀表、傳感器等連入網(wǎng)絡。(2)提升采集能力，完善提高數(shù)據(jù)采集層。最大限度地實現(xiàn)和規(guī)劃港區(qū)內數(shù)字化和傳感器技術的投用。除了加大溫度、振動、壓力等傳感器設備的投用外，針對港口皮帶機設備保護的需要，引進了皮帶機激光掃測和X光探測防撕裂設備。大量的傳感技術的投用，對完善和提高數(shù)據(jù)的采集能力和規(guī)模，起到了極大的推動作用。(3)建立上層大數(shù)據(jù)服務平臺，優(yōu)化生產(chǎn)營運管理。隨著“信息化、系統(tǒng)化、精益化”目標計劃的推進，從港口設備管理角度出發(fā)，實現(xiàn)現(xiàn)場設備狀態(tài)監(jiān)測和在線診斷的功能，對設備的智能遠程運維和健康狀態(tài)進行大數(shù)據(jù)管理。通過大數(shù)據(jù)服務平臺建設，對港口的各種數(shù)據(jù)信息進行系統(tǒng)整合，共享、交換、增值數(shù)據(jù)信息，將極大提高港口的生產(chǎn)和管理效率。

4結語

生產(chǎn)輔助控制系統(tǒng)實現(xiàn)了港口設備設施的連接，并在此基礎上進行了初步的開發(fā)，經(jīng)過近半年的使用，極大地降低了勞動強度和生產(chǎn)的能耗。隨著系統(tǒng)范圍和功能的進一步擴展和延伸，將會進一步優(yōu)化港口生產(chǎn)流程，提升港口設備設施管理模式。

參考文獻

［1］陳雪峰，訾艷陽．智能運維與健康管理［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2018．

［2］陸青，方立，吳海然，等．港口起重機健康保障系統(tǒng)的研究與應用［J］．起重運輸機械，2018(3):69-75．

［3］賀貫舉，呂崇曉，石鳳杰．基于WINCC的港口智能照明控制系統(tǒng)設計［J］．港口裝卸，2018(5):6-8．

作者：華杰 賀戰(zhàn) 單位：揚州泰富港務有限公司