工業以太網港口生產輔助控制系統范文

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摘要:設計以西門子Profinet協議為基礎的工業以太網通信控制平臺，實現工業以太網連接港口設備設施，以及生產輔助設備設施的遠程集中控制和對現場大部分運行設備的數據實時采集。該系統的應用可降低勞動強度和生產能耗，提高港口設備設施的管理水平，為港口數字化和智能化的轉型發展奠定基礎。

關鍵詞:工業以太網;遠程集中控制;泛在連接;數據采集

1引言

隨著綠色智慧港口建設的發展，迫切需要對現場原基礎自動化控制系統進行改造和升級。除裝船機、卸船機、堆取料機、皮帶輸送機等主生產設備外，還應該對環保設備(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、消防設施等生產輔助設備設施實現遠程集中智能控制;同時也需要實現工業互聯網邊緣采集層采集大量數據信息的要求(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輔助控制系統，實現了現場大部分生產輔助設備的遠程集中控制，初步完成了以泛在連接和數據采集為特征的工業互聯網邊緣級的建立。

2系統設計

2．1系統的目的和特點

生產輔助控制系統按照總體配齊、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)實現現場各分散的單體除塵器、噴灑系統、照明等生產輔助配套設施的自動化遠程控制功能;滿足全區域所有設備的各種安全狀態、過程狀態等數據在線采集和檢測，從而保證設備的連續穩定運行和進一步智能化的提升。(2)系統的所有供配電、電氣自動化(電氣、儀表、計算機)、計量、通訊、監控等設備選用技術成熟、性能可靠的產品，原則上選型與原工控系統保持一致，盡量保證其備件的通用和互換性。(3)在系統結構上采用開放式的結構，具有較大的靈活性和可擴展性;采用以太網通信方式，網絡設計成環網的拓撲形式，保證系統通信的持續穩定性。

2．2系統的結構和原理

生產輔助控制系統的操作包括:程序聯動操作(HMI自動操作方式)、集中手動聯鎖和解鎖操作(HMI手動操作方式)、機旁手動操作(現場操作)。通過各分散的工業以太網交換機以及有線和無線通信介質實現現場設備數據的實時在線采集，具體結構形式見圖1。

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

2．2．2生產輔助控制系統分站在區域內的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工業以太網交換機(IE-3000-8TC)，分別實現與PLC分站、相應的單體除塵器控制系統和抑塵噴灑水系統等的通信。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，且按照環網拓撲形式進行連接

2．2．3集中控制和維護開發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，系統網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絡連接，實現C/S分布結構模式，從而提高設備的利用率。PLC系統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，且上層網絡所需的數據全部可通過主服務器進行提取。主服務器(I/OSERVER)采用3網卡形式，其中工業以太網卡(2塊)用于同基礎控制級的以太網連接，且預留向上層網絡、其他終端設備、服務器等提供數據通信的功能。

2．3系統功能設計

生產輔助控制系統直接面向生產過程，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;完成生產輔助設備設施操作運行所需要的各種數據的采集和設定，實現設備狀態監視、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組態軟件平臺進行開發，實現上位機與輔助系統內每一臺PLCCPU的實時通訊。因除塵器等輔助設備的控制系統部分采用了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，且分別進行數據庫存儲區間數據的映射。其主要功能為:①控制系統總體及局部的工作狀態顯示;②主要設備過程的設備操作及故障處理記錄;③過程控制的數據處理及趨勢圖顯示;④系統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進行改造，使其具有以太網通信功能并兼容生產輔助控制系統，從而實現現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(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，從而實現照明、換氣裝置、水泵等設備的現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對設備設施進行監控報警的功能原工控系統必須保證生產流程的連續不間斷運轉，其PLC容量不足很難進行二次再開發，所以利用生產輔助控制系統的第二塊通信處理模塊與原工控系統進行通信連接，將原工控系統的設備運行數據發送映射至輔助系統的相應數據塊，在輔助系統的PLC和上位機上進行二次開發。實現了各皮帶機主電機電壓、電流、溫度等在線實時采集，并形成趨勢監測，同時對采集的數據利用PLC程序和組態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據分析包括:①通過溫度和電流闕值比較，實現過載預警和報警;②對單皮帶機多驅動電機的電流進行比較，提早發現因液力耦合器故障等原因造成的出力不均問題。該系統還實現了對現場所用轉運站、電氣室、空壓機室等的火災和溫濕度的檢測，從而實現有效的預警和報警功能，保證了現場設施的安全性。

3功能的進一步延伸和擴展

對于數字化、智慧化港口的建設，將主要分成3個步驟去實現:①最大限度地實現數字化，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字;②最大可能地實現一體化，通過網絡信息技術將各種實物、數據等連接起來，進行通信和數據的交換;③最大可能地進行數據的加工處理分析，通過計算機技術實現數據的“增值”，從而實現對現實事物的幫助或者控制。生產輔助控制系統作為基礎環節，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，擴大網絡的覆蓋范圍。由于散貨堆場碼頭的區域較大，設備設施較為分散，考慮其特性，生產輔助控制系統規劃采用有線通信和無線通信相結合的通信網絡。在主干網絡中采用有線通信，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)上的無線網橋技術，另一種是采用GPRS通信技術將區域內分散的儀表、傳感器等連入網絡。(2)提升采集能力，完善提高數據采集層。最大限度地實現和規劃港區內數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，對完善和提高數據的采集能力和規模，起到了極大的推動作用。(3)建立上層大數據服務平臺，優化生產營運管理。隨著“信息化、系統化、精益化”目標計劃的推進，從港口設備管理角度出發，實現現場設備狀態監測和在線診斷的功能，對設備的智能遠程運維和健康狀態進行大數據管理。通過大數據服務平臺建設，對港口的各種數據信息進行系統整合，共享、交換、增值數據信息，將極大提高港口的生產和管理效率。

4結語

生產輔助控制系統實現了港口設備設施的連接，并在此基礎上進行了初步的開發，經過近半年的使用，極大地降低了勞動強度和生產的能耗。隨著系統范圍和功能的進一步擴展和延伸，將會進一步優化港口生產流程，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:機械工業出版社，2018．

［2］陸青，方立，吳海然，等．港口起重機健康保障系統的研究與應用［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設計［J］．港口裝卸，2018(5):6-8．

作者：華杰 賀戰 單位：揚州泰富港務有限公司