基于FactoryTalk平臺的黃驊港煤中控系統(tǒng)改造

張延軍 崔樹輝 白棟材

（神華黃驊港務(wù)公司信息中心，河北省黃驊市，061113）

神華黃驊港務(wù)公司 （黃驊港）是國家大型能源企業(yè)集團——神華集團的重要組成部分，是北煤南運的第二大通道和出?？?，是國家能源戰(zhàn)略規(guī)劃的重要組成部分。黃驊港煤炭碼頭工程目前分四期進行，一、二期工程設(shè)計年吞吐量各為3000萬t，后經(jīng)擴建使一、二期吞吐能力達(dá)到7600 萬t。隨著2013年年底三期工程的成功投產(chǎn)，2013年黃驊港吞吐量達(dá)到了1.2億t規(guī)模；四期工程完成后，有望實現(xiàn)1.7～2 億t的產(chǎn)能。這樣一個煤炭大港，需要有穩(wěn)定可靠、管理先進、高度自動化的先進的管控一體化系統(tǒng)的支撐來實現(xiàn)。它的安全平穩(wěn)運行，對神華集團的整體效益，對緩解國內(nèi)能源緊張、維護社會穩(wěn)定、促進國民經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

為了更好地承接神華集團日益增長的煤炭吞吐量的要求，提升港口的自動化、智能化水平，進而打造 “數(shù)字化港口”的需要，神華黃驊港務(wù)公司提出了煤炭碼頭要實現(xiàn)管控一體化的總要求。為了能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)管控一體化系統(tǒng)，必須對煤碼頭一、二期控制系統(tǒng)進行升級改造，打造管控一體化控制系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺，使之成為全港管控一體化系統(tǒng)的一個組成部分，從而為一、二期煤炭系統(tǒng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動化采集、調(diào)度指令的即時執(zhí)行和管理系統(tǒng)各類報表及數(shù)據(jù)分析的形成打下堅實的基礎(chǔ)。通過與管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的無縫連接，并同三、四期工程一起，共同形成黃驊港生產(chǎn)操作、調(diào)度指揮、智能管理于一體的智能化管控一體化平臺，最終成為全港乃至神華集團信息化系統(tǒng)的重要組成部分。

1 主要工作內(nèi)容

本項目主要包括以下內(nèi)容：

（1）基于羅克韋爾自動化FactoryTalk平臺，對一、二期中央控制系統(tǒng)進行改造。根據(jù)羅克韋爾自動化三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，合理規(guī)劃和布局控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將系統(tǒng)劃分成管理以太網(wǎng)層、控制網(wǎng)層和設(shè)備網(wǎng)層結(jié)構(gòu)；架設(shè)交換機和服務(wù)器，創(chuàng)建管控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)；優(yōu)化并重新設(shè)計流程工藝，升級一、二期控制系統(tǒng)軟、硬件，重新編寫程序；實現(xiàn)基于FactoryTalk平臺的服務(wù)器／客戶端 （S／C）操作模式，人機界面更加親和，內(nèi)容更加豐富，并實現(xiàn)監(jiān)控界面的遠(yuǎn)程發(fā)布。

（2）一、二期堆場堆、取料機 （以下簡稱單機）差分定位及防碰撞系統(tǒng) （D-GPS定位系統(tǒng)）建設(shè)，包括一套基準(zhǔn)站、40 套移動站和防碰撞應(yīng)用軟件等。

（3）單機司機室操作終端息化改造，實現(xiàn)管控一體化系統(tǒng)計劃和指令的終端化。

本文重點對第一項內(nèi)容進行闡述。

2 總體功能和結(jié)構(gòu)

根據(jù)神華黃驊港管控一體化系統(tǒng)設(shè)計要求，一、二期控制系統(tǒng)改造分為中央控制系統(tǒng)改造、GPS定位及單機防碰撞系統(tǒng)建設(shè)、單機司機室操作終端信息化改造三個部分。本項目通過對中控控制程序、操作軟件以及一期單機以太網(wǎng)的全面改造實現(xiàn)了作業(yè)指令的實時下發(fā)、全自動流程啟停、作業(yè)數(shù)據(jù)的實時采集和上傳；通過在堆場單機上安裝GPS差分定位系統(tǒng)實時提供單機行走位置和大臂旋轉(zhuǎn)角度等數(shù)據(jù)，同時提供8m 范圍的防碰撞預(yù)警及停機保護等功能。本項目總體功能如下：

（1）全自動流程控制操作。

（2）流程連鎖和邏輯控制。

（3）故障診斷及報警，自動收集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)并指示設(shè)備運行和設(shè)備故障狀態(tài)。

（4）實時數(shù)據(jù)采集和處理，并通過接口上傳至服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。

（5）系統(tǒng)與各相關(guān)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。

（6）接收管理信息系統(tǒng)的生產(chǎn)計劃與船舶、煤種等數(shù)據(jù)，并提供人工錄入接口。

（7）實現(xiàn)一期單機的以太網(wǎng)通訊，一、二期管控網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。

（8）堆場作業(yè)單機上安裝GPS 差分定位設(shè)備，為計算單機位置和大臂角度提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（9）通過定位數(shù)據(jù)、編制程序，建立防碰撞系統(tǒng)，在兩單機相近時發(fā)出防碰撞報警，必要時急停單機動作。

（10）為單機司機室提供操作終端及大屏幕顯示設(shè)備。

本項目總體結(jié)構(gòu)：

在原有環(huán)境基礎(chǔ)上，對一期大機進行以太網(wǎng)改造 （二期大機已實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊）；構(gòu)建基于FactoryTalk平臺的S／C 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；架設(shè)交換機和服務(wù)器，增強網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性；上位機操作環(huán)境由原來的單機版改為SE 網(wǎng)絡(luò)版，提高了PLC 的運行效率和監(jiān)控界面的穩(wěn)定性和統(tǒng)一性；在控制以太網(wǎng)和管理以太網(wǎng)之間增加防火墻，使控制系統(tǒng)在安全環(huán)境下，能夠從管理系統(tǒng)獲取作業(yè)指令信息，同時將生產(chǎn)過程中自動采集的作業(yè)信息上傳到管理系統(tǒng)；在作業(yè)單機上部署管理以太網(wǎng)和客戶端，全過程顯示GPS定位數(shù)據(jù)和大機作業(yè)信息。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3 一、二期控制系統(tǒng)改造

3.1 中央控制系統(tǒng)改造

中央控制系統(tǒng)改造是本項目的核心工作，通過對中央系統(tǒng)的改造，能夠?qū)崿F(xiàn)作業(yè)指令的下發(fā) （管理系統(tǒng)-＞控制系統(tǒng)）、作業(yè)數(shù)據(jù)的自動采集和上傳 （控制系統(tǒng)-＞管理系統(tǒng)），控制網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定架設(shè)、程序和上位機監(jiān)控界面的編制和實現(xiàn)等，是實現(xiàn)管控一體化的基礎(chǔ)，主要包括：一、二期中央控制程序改造 （PLC 控制程序）、一、二期上位機操作系統(tǒng)監(jiān)控界面 （HMI）改造和管控信息化等3個部分。

3.1.1 原中央控制系統(tǒng)的缺陷和弊端

黃驊港煤碼頭 （以煤一期為例）中央控制系統(tǒng)為ControlLogix 系統(tǒng)，現(xiàn)場各單機控制系統(tǒng)為羅克韋爾自動化早期產(chǎn)品PLC5-40C 和PLC5-80C。中央控制系統(tǒng)通過控制網(wǎng)網(wǎng)橋模塊 （1756-CNB）與1＃變電所控制室和3＃變電所控制室I／O 模塊機架相連，時時通信，相互之間傳輸?shù)男畔閷鬏敃r間片要求較高的確定性信息。另外，現(xiàn)場各單機通過光纖以節(jié)點的形式，掛靠在系統(tǒng)總線上，與中央控制系統(tǒng)時時傳輸單機數(shù)據(jù)，如單機的行走位置、俯仰角度、回轉(zhuǎn)角度、故障報警及聯(lián)鎖控制信息等，同時也傳遞皮帶秤等信息。因現(xiàn)場有17臺單機，節(jié)點眾多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)很大。而一期中央控制系統(tǒng)建設(shè)在2001年，現(xiàn)場大量應(yīng)用的是以PLC5為主體的控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也被設(shè)計成了單一的總線型控制網(wǎng)結(jié)構(gòu)?？刂凭W(wǎng)的帶寬僅有5Mb／s，對大量非確定性信息的傳輸以及報文數(shù)據(jù)的傳輸支持的不是很好，數(shù)據(jù)量大時會有數(shù)據(jù)擁塞現(xiàn)象發(fā)生，可引起瞬時斷網(wǎng)。更有甚者，也會累及整個機架的掉線，對生產(chǎn)影響極大。運用羅克韋爾自動化提供的處理器監(jiān)控軟件Logix5000 Task Monitor Tool對處理器運行情況進行分析，可以非常清晰地看出處理器的各項工作指標(biāo)已經(jīng)處于非常高的負(fù)荷狀態(tài)，有的已經(jīng)到達(dá)臨界狀態(tài)。

由參數(shù)performance項可見，physical memory使用率已接近100%的滿負(fù)荷狀態(tài)，如圖2 所示。 隨著港口吞吐量的增加，對中央控制網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性要求也越來越高，不允許有大量的停機更新參數(shù)時間，對穩(wěn)定性、可靠性的要求顯得日益突出。根據(jù)管控一體化的需要，必須對中央控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重新構(gòu)建和升級。

3.1.2 中央控制系統(tǒng)的升級改造

中央控制系統(tǒng)改造總體結(jié)構(gòu)說明：

一期：I／O、實時服務(wù)器采用NEC 容錯服務(wù)器，安裝FactroyTalk SE Server（上位機操作服務(wù)器端軟件）和TranscationManager（數(shù)據(jù)采集接口軟件），該服務(wù)器通過100M 網(wǎng)線與工業(yè)以太網(wǎng)交換機連接，工業(yè)以太網(wǎng)交換機通過100M 網(wǎng)線與一期管控交換機 （Cisco 4503）連接，一期管控交換機通過網(wǎng)線與一期PLC 連接；通過光纖與二期的管控交換機 （Cisco 4503）連接；通過網(wǎng)線與管控防火墻連接。

圖2 Logix5000Task Monitor內(nèi)存使用情況監(jiān)測

二期：同一期基本相似。

一、二期中央控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 一、二期中央控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

一、二期中央控制系統(tǒng)機柜布置如圖4所示。

中央控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)改造的實現(xiàn)：

（1）分層設(shè)計。依據(jù)羅克韋爾自動化經(jīng)典的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖5所示，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)規(guī)劃為三層。

最上層為信息交互層。中控監(jiān)控站 （HMI）作為管理層和控制終端通過中控交換機掛靠在工業(yè)交換機上，同時，也為管控一體化系統(tǒng)的管理系統(tǒng)留有接口。數(shù)據(jù)之間通過以太網(wǎng)傳輸。

中間層為控制網(wǎng)絡(luò)層。中央控制系統(tǒng)處理器通過工業(yè)交換機與現(xiàn)場各單機進行組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式為以太網(wǎng)。傳輸介質(zhì)為光纖及網(wǎng)線，各介質(zhì)之間用光電轉(zhuǎn)換模塊連接。中央控制系統(tǒng)處理器與各機架之間仍設(shè)計成控制網(wǎng)連接，各機架之間為同軸纜連接，1＃變電所和3＃變電所之間為光纖直連，為增加安全性，不進入工業(yè)交換機組成的網(wǎng)路傳輸。各單機由于當(dāng)時采用的是PLC5C，為實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，必須增加一塊以太網(wǎng)卡，1785-ENET模塊，由于此模塊必須緊鄰PLC5安插 （須與處理器直連），故各單機PLC程序需要進行必要的重新組態(tài)和更改。中央控制系統(tǒng)也需要重新組態(tài)和編程。

最下層為以繼電器和變頻器等設(shè)備及開關(guān)組成的設(shè)備網(wǎng)結(jié)構(gòu)。黃驊港現(xiàn)場保護開關(guān)等每一個設(shè)備作為一個獨立的點，通過繼電器隔離后進入I／O模塊及PLC系統(tǒng)。

（2）分段組網(wǎng)。將整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分成三段式結(jié)構(gòu)。1＃變的1～6號機架和3＃變的1～5號機架獨立成兩段，但相對于整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來說是一段，中間靠終端電阻終結(jié)；取料裝船線的所有單機（R0、1、2、3、4、10、SR）獨立成為一段；翻車及堆料線單機 （CD1、2、3、S1、2、3）獨立成為一段。如此設(shè)計的目的就是分化風(fēng)險，增加可操作性和可維護性。

（3）遠(yuǎn)程控制。因為整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基本為工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)管控一體化系統(tǒng)的要求，合理規(guī)劃各節(jié)點的ip地址，使網(wǎng)絡(luò)及單機的遠(yuǎn)程維護和管理成為可能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程接入和控制。

改造后的一期控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)效果圖如圖5 所示。

圖5 羅克韋爾自動化AB公司的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.2 基于FactoryTalk 平臺的程序編寫及人機界面

一、二期中央控制程序改造是根據(jù)數(shù)字化港口的要求對一、二期的控制程序進行重新規(guī)劃、編制，使作業(yè)生產(chǎn)更加安全、穩(wěn)定。一、二期上位機HMI改造根據(jù)新開發(fā)的控制程序和需求，增加了流程操作、流程替換、指令操作、GPS 定位及防碰撞等功能，同時將原有的單機環(huán)境操作模式改為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境操作，減少了控制以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)量，提高了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性。管控一體化是以控制數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ) （Oracle 10G），實時讀取管理系統(tǒng)下發(fā)的作業(yè)指令，同時將作業(yè)數(shù)據(jù) （流程信息、計量信息、設(shè)備狀態(tài)及故障信息等）上傳到管理系統(tǒng)中。

黃驊港一、二期中央控制系統(tǒng)采用羅克韋爾自動化FactoryTalk 全套軟件包，采用FactoryTalk View Site Edition （簡稱SE）開發(fā)，主要完成以下工作：獲取、刪除指令，流程啟、停（含流程替換和暫停），單機設(shè)備啟、停，設(shè)備狀態(tài)實時顯示，計量數(shù)據(jù)實時顯示，故障實時顯示，堆場大機防碰撞狀態(tài)顯示。

黃驊港一、二期HMI為S／C 結(jié)構(gòu)，服務(wù)器從PLC的地址中讀寫相應(yīng)的數(shù)據(jù)，客戶端 （操作終端）再從服務(wù)器中讀寫所需的數(shù)據(jù)。一、二期中控操作軟件共有三級畫面，其中一級畫面為主要功能畫面包括：裝卸工藝流程畫面、裝船工藝畫面、卸車工藝畫面、計劃顯示畫面、系統(tǒng)畫面、報警記錄畫面、堆場大機位置和趨勢圖組成，二級畫面由流程作業(yè)畫面、作業(yè)指令自編畫面、各單機 （皮帶機、堆、取料機、翻車機和裝船機）畫面組成，三級畫面由輔助設(shè)備 （除鐵器、排水器等）畫面組成。監(jiān)控整個現(xiàn)場設(shè)備的運行，主要畫面是工藝流程主畫面，故障報警的顯示和清除、在主畫面上紅框查看故障信息等。煤一期改造控制網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

通過以上改造，成功實現(xiàn)了一、二期中央控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定高效運行，并為管控一體化的整體實施打下了堅實的基礎(chǔ)。

根據(jù)生產(chǎn)需要，對一、二期網(wǎng)絡(luò)和程序進行重新設(shè)計和編寫，使中控操作更加直觀、便捷、高效和準(zhǔn)確。同時，利用實時服務(wù)器和歷史服務(wù)器采集到的數(shù)據(jù)，成功實現(xiàn)了全港設(shè)備的動態(tài)監(jiān)控和維修信息的時時更新，為生產(chǎn)和維修創(chuàng)造了監(jiān)控條件。如圖7、圖8、圖9所示。

圖6 煤一期改造控制網(wǎng)絡(luò)效果圖

3.3 管控數(shù)據(jù)接口軟件

黃驊港一、二期管控數(shù)據(jù)接口軟件采用Factory Talk 平臺的Transaction Manager （簡稱TM）作為作業(yè)數(shù)據(jù)采集軟件；采用Oracle 10G 為數(shù)據(jù)庫軟件；采用Factory Talk Historian作為歷史數(shù)據(jù)庫；使用Visual Basic 2010編寫管控數(shù)據(jù)接口程序，主要完成以下工作：

（1）接收管理系統(tǒng)下發(fā)的作業(yè)指令 （含換倉指令），并返回指令狀態(tài) （分為已獲取、執(zhí)行、結(jié)束和刪除）。

圖7 管控一體化系統(tǒng)管理界面

圖8 一期中控操控畫面

圖9 FactoryTalk平臺網(wǎng)頁發(fā)布 （二期中控）

（2）記錄作業(yè)各時間節(jié)點 （流程啟停時間、切換和換倉時間），并上傳到管理系統(tǒng)。

（3）記錄各計量稱的數(shù)值到歷史數(shù)據(jù)中。

（4）記錄設(shè)備的運行狀態(tài) （停止、運行和故障）。

（5）記錄翻車機的作業(yè)時間節(jié)點 （允許對車、鐵路鎖定、鐵路解鎖、開始工作、停止等）。

管控數(shù)據(jù)接口結(jié)構(gòu)圖如圖10所示。

4 D-GPS定位及大機防碰撞改造

DGPS定位及大機防碰撞改造主要是在一、二期堆場的堆料機、取料機上加裝GPS差分定位設(shè)備 （每臺大機安裝兩套GPS定位設(shè)備，分別在大臂前端和靠近大機的中心位置），根據(jù)GPS定位數(shù)據(jù)利用三角函數(shù)計算出每臺大機的行走位置和大臂位置、旋轉(zhuǎn)角度。根據(jù)相鄰大機的行走位置和大臂位置，計算相對距離，在距離小于設(shè)定值時 （報警為10m，急停為8m），向相關(guān)大機發(fā)出動作 （前進、后退，左旋、右旋）報警和急停。主要包括：DGPS定位系統(tǒng)、全場原點及皮帶機定位、DGPS數(shù)據(jù)解算／防碰撞計算等3個部分。

圖10 管控數(shù)據(jù)接口結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)論

通過上述基于FactoryTalk平臺對一、二期控制系統(tǒng)的改造和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)，使得黃驊港管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)實現(xiàn)了有機結(jié)合。管理系統(tǒng)信息和指令能時時有效地發(fā)布到控制系統(tǒng)中；控制系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)調(diào)度指令能快速準(zhǔn)確地自動執(zhí)行流程操作，同時將生產(chǎn)需要的流程信息、垛位信息、單機數(shù)據(jù)、故障狀態(tài)、報警記錄和統(tǒng)計等時時快速的傳送到管理服務(wù)器，進而可以加工形成各種需要的數(shù)據(jù)報表，實現(xiàn)了安全、高效、穩(wěn)定的生產(chǎn)運行和生產(chǎn)信息的透明。

黃驊港通過管控一體化系統(tǒng)的建設(shè)，實現(xiàn)了生產(chǎn)企業(yè)管理信息化、信息資源化、傳輸網(wǎng)絡(luò)化、管理科學(xué)化的現(xiàn)代企業(yè)目標(biāo)，實現(xiàn)了黃驊港務(wù)公司內(nèi)部生產(chǎn)、管理信息系統(tǒng)的流程再造，達(dá)到了提高黃驊港安全、快速、高效發(fā)展最終目的，形成了黃驊港生產(chǎn)操作、調(diào)度指揮、智能管理于一體的智能化管控一體化平臺，最終成為全港和神華集團信息化系統(tǒng)的重要組成部分。

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