基于工業(yè)以太網(wǎng)的散糧連續(xù)式卸船機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈小楠（天津臨港港務(wù)集團(tuán)有限公司糧油籌建組，天津，300452）

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基于工業(yè)以太網(wǎng)的散糧連續(xù)式卸船機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賈小楠
（天津臨港港務(wù)集團(tuán)有限公司糧油籌建組，天津，300452）

摘 要：工業(yè)以太網(wǎng)是為工業(yè)應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的基于IEEE 802.3（以太網(wǎng)）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的開放式、多用戶、高性能的局域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。本文通過工業(yè)以太網(wǎng)的通訊技術(shù)、PLC硬件技術(shù)、軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了散糧碼頭卸船機(jī)與碼頭中央控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。在天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)大沽口港區(qū)2-3號(hào)糧油碼頭項(xiàng)目中，取得了良好的效果，運(yùn)行可靠穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)想的設(shè)計(jì)使用要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法的科學(xué)性和有效性。

關(guān)鍵詞：散糧碼頭；連續(xù)式卸船機(jī)；工業(yè)以太網(wǎng)

引言

目前我國(guó)散糧專用港口散糧卸船設(shè)備主要分為：抓斗門座卸船機(jī)、帶斗門機(jī)和橋式抓斗卸船機(jī)、間歇式卸船機(jī)等，卸船方式有氣力式、夾帶式、埋刮板式、螺旋式等多類。其中連續(xù)式卸船機(jī)以能耗小、輸送能力大、卸船效率高、物料的破碎率低、震動(dòng)和噪音小、自動(dòng)化程度高、卸船速率連續(xù)可調(diào)、封閉性好、可防止粉塵產(chǎn)生和擴(kuò)散等特點(diǎn)，在大宗散貨裝卸作業(yè)中具有廣泛應(yīng)用。連續(xù)式卸船機(jī)在裝卸作業(yè)中對(duì)故障的診斷、安全性能等方面都有完善的裝置，有利于港口的安全生產(chǎn)，適合于大型船舶對(duì)卸船效率要求較高的專用散糧碼頭泊位。

本文針對(duì)天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)大沽口港區(qū)2-3號(hào)糧油碼頭連續(xù)式卸船機(jī)與中控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，以PLC為基礎(chǔ)，工業(yè)以太網(wǎng)［1］為核心組成網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，通過PLC軟件編程及人機(jī)交互界面組態(tài)技術(shù)模塊設(shè)計(jì)，一是實(shí)現(xiàn)了卸船機(jī)與中控生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)交換；二是確保卸船機(jī)在工藝系統(tǒng)流程中安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，還可對(duì)卸船機(jī)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 總體框架設(shè)計(jì)

一般散糧專用碼頭工藝設(shè)計(jì)要求：第一是接卸物料，需通過碼頭帶式輸送機(jī)等設(shè)備直接輸運(yùn)到后方糧食筒倉(cāng)或配套糧油加工廠內(nèi)；第二是前后端緊密配合，連續(xù)式卸船機(jī)作為前端設(shè)備，是整個(gè)裝卸工藝流程的重要組成部分，卸船機(jī)除單機(jī)內(nèi)部各機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)行外，其裝卸輸送需根據(jù)后方輸送流程的運(yùn)行選擇狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的啟?？刂?；第三是實(shí)時(shí)監(jiān)控，需卸船機(jī)控制系統(tǒng)與碼頭中控控制系統(tǒng)進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)信號(hào)連鎖，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，服從生產(chǎn)調(diào)度控制系統(tǒng)的統(tǒng)一控制管理。才可以確保下游設(shè)備及流程故障時(shí)卸船機(jī)的自動(dòng)停機(jī)，防止物流堆積，實(shí)現(xiàn)卸船機(jī)及全輸送工藝流程的可靠運(yùn)行。

目前卸船機(jī)與碼頭中央控制系統(tǒng)連接普遍采用多芯控制電纜、光纖以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸及處理［2］。光纖通訊以其傳輸速度快、工作性能可靠、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)損耗低等優(yōu)點(diǎn)，在卸船機(jī)與碼頭中控通訊中應(yīng)用較多。

天津臨港大沽口港區(qū)2-3糧油碼頭總平面布置如圖1所示。

圖1 臨港大沽口港區(qū)2-3#糧油碼頭平面圖

2 碼頭卸船工藝配置、卸船機(jī)及中控系統(tǒng)

2.1 工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)

工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)控制中，有三層結(jié)構(gòu)，其物理層數(shù)據(jù)傳輸適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，其所具有的實(shí)時(shí)性、互操作性、可靠性、抗干擾性和數(shù)據(jù)安全等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需要［3］。

在工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對(duì)ISO/OSI七層通信模型的應(yīng)用層到第七層用戶層，制定層間接口通信協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層以TCP/ IP協(xié)議為主，結(jié)合各廠商中間件技術(shù)，改善原有以太網(wǎng)性能，針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境，如高溫、低溫、粉塵及干擾等，選用以太網(wǎng)。結(jié)合通信速率的要求，采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、交換技術(shù)以及全雙工通訊方式可有效避免因碰撞而引起的通信相應(yīng)不確定性，保障通信的實(shí)時(shí)性。

目前主流工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議主要有羅克韋爾公司推出的Ethernet/IP、基金會(huì)總線推出的HSE、施耐德公司推出的Modus TCP以及西門子公司推出的ProfiNet等。

2.2 碼頭散糧接卸工藝配置

天津臨港大沽口港區(qū)2-3號(hào)糧油碼頭岸線總計(jì)542米，設(shè)計(jì)大豆散糧年吞吐量600萬(wàn)噸，碼頭前端散糧接收設(shè)備為2臺(tái)連續(xù)式卸船機(jī)、2臺(tái)帶斗門機(jī)。其中連續(xù)式卸船機(jī)的卸率為額定1000T/H，分別可以與碼頭兩臺(tái)相同速率順岸皮帶輸送機(jī)銜接，實(shí)現(xiàn)連續(xù)卸船作業(yè)，通過卸船機(jī)尾部?jī)膳_(tái)給料裝置閥門，選擇確定料流走向。

2.3 連續(xù)式卸船機(jī)設(shè)備配置

碼頭連續(xù)式卸船機(jī)采用比利時(shí)威港（Vigan）公司Simporter夾帶式卸船機(jī)，配置行走、俯仰、旋轉(zhuǎn)、踢擺、頭部喂料、臂架及水平輸送機(jī)構(gòu)，包括供電照明、通訊控制、除塵及壓縮空氣系統(tǒng)，采用單模12芯光纖介質(zhì)與碼頭中控室通訊，光纖通過采用動(dòng)力、通信二合一撓性電纜上機(jī)，供電電纜及光纖通過同一個(gè)電纜卷筒卷取上至卸船機(jī)，電纜卷筒內(nèi)配置光纖滑環(huán)裝置，在卸船機(jī)轉(zhuǎn)軸部位電氣房?jī)?nèi)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)送至卸船機(jī)上部MCC控制室，卸船機(jī)與碼頭控制系統(tǒng)光纖在卸船機(jī)地面接線箱內(nèi)進(jìn)行兩側(cè)光纖跳接。

2.4 碼頭控制系統(tǒng)及卸船機(jī)控制系統(tǒng)

連續(xù)式卸船機(jī)控制系統(tǒng)采用PLC控制，根據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)，分別設(shè)置機(jī)上部分控制主站及機(jī)下部分控制從站，卸船機(jī)內(nèi)部采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行主-從通訊，分別負(fù)責(zé)卸船機(jī)轉(zhuǎn)軸以上臂架及水平輸送、旋轉(zhuǎn)及踢擺等結(jié)構(gòu)，以及轉(zhuǎn)軸以下大車行走、尾部刮板輸送以及下料口閘閥門連鎖操作［4，5］。

碼頭控制系統(tǒng)采用分布式PLC控制，負(fù)責(zé)碼頭順岸皮帶機(jī)、油管線儀表閥門、照明控制以及前端門機(jī)、卸船機(jī)接口控制，支持Profubus-DP及工業(yè)以太網(wǎng)等多種通訊方式。

3 卸船機(jī)與中控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

碼頭控制系統(tǒng)與兩臺(tái)卸船機(jī)采用一對(duì)一工業(yè)以太網(wǎng)通訊，物理通訊介質(zhì)分別采用兩根單模12芯光纖與兩臺(tái)卸船機(jī)光纖對(duì)接；碼頭控制系統(tǒng)及卸船機(jī)控制系統(tǒng)各配置一個(gè)100M級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)光電轉(zhuǎn)換器，并將兩臺(tái)卸船機(jī)通訊網(wǎng)絡(luò)接入碼頭控制系統(tǒng)核心交換機(jī)，以供碼頭控制系統(tǒng)主站CPU數(shù)據(jù)交換及上位調(diào)度操作員界面人機(jī)交互。卸船機(jī)側(cè)將光電轉(zhuǎn)換模塊以太網(wǎng)信號(hào)直接接入至PLC以太網(wǎng)通訊模塊，以供卸船機(jī)與碼頭控制系統(tǒng)運(yùn)行連鎖信息采集及控制信號(hào)接收。卸船機(jī)與碼頭控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 卸船機(jī)與碼頭控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊結(jié)構(gòu)

3.2 卸船機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)設(shè)備配置

連續(xù)式卸船機(jī)采用S7-300系列PLC CPU 315-2PN/DP，帶有工業(yè)以太網(wǎng)及Profibus-DP接口；在具備連鎖信號(hào)及機(jī)上通訊能力的同時(shí)，可配置相應(yīng)的可擴(kuò)展數(shù)字量及模擬量輸入輸出模塊，以滿足機(jī)上數(shù)據(jù)采集及控制信號(hào)擴(kuò)充要求。根據(jù)光線接入通訊要求，選用赫斯曼公司Spider系列以太網(wǎng)光電轉(zhuǎn)換器，配置10-100M自適應(yīng)以太網(wǎng)RJ-45接口，100M光纖網(wǎng)絡(luò)接口，24V DC供電，支持熱插拔，導(dǎo)軌式安裝，卸船機(jī)CPU與光電轉(zhuǎn)換器采用以太網(wǎng)連接。

3.3 碼頭控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備配置

碼頭控制系統(tǒng)主站采用西門子S7-400系列PLC，配置電源模塊PS407、CPU模塊412-2以及通訊擴(kuò)展模塊CP443-1，具備工業(yè)以太網(wǎng)及DP總線通訊功能，配置赫斯曼Hirschmann公司Spider系列以太網(wǎng)光電轉(zhuǎn)換器，分別與碼頭兩臺(tái)卸船機(jī)接駁。配置摩莎Moxa公司EDS-510A網(wǎng)管型交換機(jī)作為控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)核心交換，接入兩臺(tái)卸船機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)至中央控制PLC和中控室網(wǎng)絡(luò)管理層。

3.4 通訊協(xié)議及網(wǎng)絡(luò)組態(tài)配置

卸船機(jī)及碼頭控制系統(tǒng)之間的S7-300/400 P L C采用西門子S 7通訊，S 7系列P L C基于MPI、Profibus和工業(yè)以太網(wǎng)的一種優(yōu)化的通訊協(xié)議。S7通訊服務(wù)集成在所有SIMATIC S7控制器中，屬于ISO參考模型第7層（應(yīng)用層）的服務(wù)，采用客戶端——服務(wù)器原則，服務(wù)器只能被訪問。

S7通訊可選單邊或雙邊通訊，本項(xiàng)目采用S7單邊通訊。單邊通訊只需在通訊一方編寫通訊程序，通訊雙方分別作為客戶機(jī)及服務(wù)器，通訊過程中，客戶機(jī)是主動(dòng)的，需要編寫通訊程序，服務(wù)器是被動(dòng)的，無(wú)需編寫通訊程序。卸船機(jī)PLC作為客戶機(jī)，碼頭PLC作為服務(wù)器，S7通訊通過西門子Step7軟件NetPro進(jìn)行建立，可選擇Unspecified類型伙伴連接方式，在正確指向伙伴IP通訊地址及CPU槽號(hào)后，即可激活S7連接。

3.5 卸船機(jī)連鎖控制接口程序

卸船機(jī)及碼頭控制系統(tǒng)主站分別采用LD梯形圖、FBD功能模塊圖及STL結(jié)構(gòu)化文本語(yǔ)言組成全部程序結(jié)構(gòu)，雙方發(fā)送并接受接口控制及狀態(tài)信號(hào)采集數(shù)據(jù)，用以進(jìn)行接口邏輯控制，數(shù)據(jù)流向如表1所示。

表1 卸船機(jī)與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向表

中控調(diào)度根據(jù)流程運(yùn)行，需要通過生產(chǎn)流程界面，給定卸船機(jī)卸料閥門開啟流向。在卸船機(jī)反饋閥門開啟到位后，碼頭中控系統(tǒng)自動(dòng)給出卸船機(jī)允許運(yùn)行指令，卸船機(jī)才能進(jìn)行卸料作業(yè)；同時(shí)卸船機(jī)可將控制模式選擇狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)以及整機(jī)故障狀態(tài)反饋至中控調(diào)度操作界面，便于及時(shí)掌握卸船機(jī)工作狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)，結(jié)合PLC硬件技術(shù)及軟件編程，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了散糧碼頭卸船機(jī)與碼頭中央控制系統(tǒng)建設(shè)，在2016年2月天津臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)大沽口港區(qū)2-3號(hào)糧油碼頭卸船機(jī)重載試運(yùn)行過程中，網(wǎng)絡(luò)通訊可靠穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了碼頭調(diào)度中心與卸船機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊及流程連鎖功能，達(dá)到了預(yù)想的設(shè)計(jì)使用要求，取得了良好的運(yùn)行效果?？傊?，這種設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)方法不僅可廣泛應(yīng)用于其他散貨專業(yè)碼頭及物料輸送系統(tǒng)項(xiàng)目，也適用于類似工業(yè)以太網(wǎng)控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中。

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Design and Application of Control System Network Communication of Grain Continuous Ship Unloader Based on Industrial Ethernet

Xiaonan Jia
（Tianjin Lingang Port Group Co.Ltd.， Foodstuff Oil Group， Tianjing， 300452， China ）

Abstract：Industrial Ethernet is an open， multi user and high performance local area network system based on IEEE 802.3 （Ethernet，nternational standard），it was designed specifically for industrial applications.In this paper， through the industrial Ethernet communication technology， PLC hardware technology，and software design， has achieved a bulk grain dock on-unloading machine and terminal central control system of real-time data exchange.In Tianjin Port Economic Zone Dagu port， 2-3 grain oil terminal project.At the end，this program achieved good effect， stable and reliable operation to the expected design requirements，the design and implementation of scientific and effective method has been verified.

Key words：Bulk Grain Wharf； Continuous on-unloading Machine； Industrial Ethernet

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8412 （2016） 02-195-05

DOI：工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.021

作者簡(jiǎn)介：

賈小楠（1984-），男，碩士研究生。研究方向網(wǎng)絡(luò)控制與智能控制，工程師。