一種基于PLC的現(xiàn)場總線控制器的 港口控制系統(tǒng)優(yōu)化

鄭凜然

中交第二航務工程勘察設計院有限公司

1 引言

常規(guī)散貨港口設計項目中，工作人員基本都集中在陸域的辦公區(qū)，且輸運控制系統(tǒng)的設備控制點不多，因此在散貨港口項目的控制系統(tǒng)設計中，采用一般的PLC集中控制方案即可滿足要求。

在第三世界國家的海外港口設計中，其設計基礎條件較差，現(xiàn)場情況較為惡劣，在很多情況下僅使用PLC控制系統(tǒng)已無法滿足設計要求。具有現(xiàn)場智能化控制功能的現(xiàn)場總線控制器可以結(jié)合PLC系統(tǒng)使用，將控制層與設備層更加完美地結(jié)合在一起，有著更高的適用性和可靠性。

2 項目概況

孟加拉某電廠電站機組配套的燃煤儲運基地項目位于孟加拉國Rabnabad河西側(cè)河岸，工程主要控制對象有輸運皮帶機8條(共計約4 200 m)、卸船機4臺、除鐵器2臺、除塵器6臺、電子皮帶秤校驗裝置2套、轉(zhuǎn)運站噴霧抑塵裝置6套及工程電氣系統(tǒng)。項目平面布置見圖1。

圖1 項目平面布置圖

3 PLC控制系統(tǒng)在散貨港口中的問題分析

3.1 PLC設計方案

常規(guī)控制系統(tǒng)基于PLC設計，根據(jù)項目特點，控制系統(tǒng)平面布置見圖2。

圖2 控制平面示意圖

系統(tǒng)在主建筑區(qū)域設置1套PLC主站，在3個分散區(qū)域各設1套I/O站，I/O站距離主站平均距離較長且交通不便，現(xiàn)場設備采用單點并聯(lián)的方式，通過硬接線與就近的I/O站或者主站單對單連接[1]?？刂凭W(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

3.2 設計方案存在的問題

3.2.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性

PLC系統(tǒng)采用集中控制，控制單元布置在中央控制室。該項目設置了1個PLC站和3個IO站，整個散貨港口的裝卸管理流程都在辦公區(qū)的PLC主站完成，遠程IO站不在辦公區(qū)且交通不便，若某一區(qū)域的系統(tǒng)網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，且該區(qū)域沒有長期值守的工作人員及時去檢修，整個港口的輸運系統(tǒng)都會依次發(fā)生聯(lián)鎖停機，直到系統(tǒng)修復或者完成檢修才能恢復輸運控制功能，對港口的生產(chǎn)效率會造成較大的影響。

3.2.2 系統(tǒng)兼容性

大型項目中PLC一般采用國際品牌產(chǎn)品，多數(shù)國際品牌公司都有自己的專用通信協(xié)議，例如Rockwell AB公司的DF1協(xié)議，GE的FNP協(xié)議，西門子的MPI協(xié)議，施耐德的MODBUS協(xié)議，選定產(chǎn)品品牌后只能采用該品牌對應的通信模塊與現(xiàn)場設備進行信息交互。若現(xiàn)場設備通信模塊出現(xiàn)故障，只能找產(chǎn)品供應商進行售后維修替換，在交通和信息落后的國家，設備的維護和更換往往要付出不小的成本。

3.2.3 施工成本

PLC采用單點并聯(lián)的設備儀表接線方式，項目中儀表點分散且距離較長，電纜使用量很大，且橋架敷設利用率不大。

圖3 PLC網(wǎng)絡系統(tǒng)圖

4 現(xiàn)場總線控制器在PLC控制系統(tǒng)中的應用

4.1 現(xiàn)場總線控制器方案設計

現(xiàn)場總線控制器基于PLC的現(xiàn)場總線整體控制方案，基本設計理念為采用成熟、標準、開放的全分布式的總線控制體系，將被控對象的I/O信號就近接入轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，并通過現(xiàn)場總線傳輸至輸煤總線控制系統(tǒng)。為此，在每臺設備旁邊就近設置帶現(xiàn)場總線功能的基地式智能控制器，基地式智能控制器除具備I/O采集功能外，還具備冗余的工業(yè)級標準現(xiàn)場總線通訊接口。每臺基地式智能控制器可向程控室提供更多的輸入信息和智能化判斷功能，系統(tǒng)具有自擴展能力。

根據(jù)項目特點，控制系統(tǒng)平面布置見圖4。

圖4 控制平面示意圖

4.2 現(xiàn)場總線控制器方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸煤控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)對整個輸煤系統(tǒng)中的設備進行數(shù)據(jù)采集和控制，通過上位計算機對系統(tǒng)設備發(fā)出控制命令，同時各設備的運行狀態(tài)信息在上位機LED上直觀、動態(tài)地顯示。輸煤控制系統(tǒng)采用3層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，即站控層、區(qū)域控制層和現(xiàn)場設備控制層[2]。

站控層，主要是實現(xiàn)輸煤程控主站與上位機監(jiān)控系統(tǒng)、全廠DCS系統(tǒng)的連接，采用以太網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)，在輸煤綜合樓設置操作員站。

區(qū)域控制層，采用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)，通過光纖實現(xiàn)區(qū)域網(wǎng)絡智能控制器與程控室CPU之間的通訊。

區(qū)域控制層，根據(jù)工藝系統(tǒng)的設備布置及流程將輸煤系統(tǒng)劃分為多個相對獨立的控制區(qū)域，每個區(qū)域設1個或多個區(qū)域網(wǎng)絡智能控制器。

區(qū)域控制層之間、區(qū)域控制層與站控層之間采用PROFINET工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)通訊，介質(zhì)采用光纖，通訊速率最大可達100 Mbps。

現(xiàn)場設備控制層，從就地測控裝置到各具體被控設備之間的連接，屬現(xiàn)場設備控制層，此層采用冗余的PROFIBUS-DP現(xiàn)場總線產(chǎn)品。

系統(tǒng)在主建筑區(qū)設1套控制總站，以皮帶機為單位將控制區(qū)域分成8個部分，各控制區(qū)域分別設1臺區(qū)域控制器，區(qū)域控制器通過光纖以環(huán)形冗余的方式接至控制總站。各現(xiàn)場設備需配置智能現(xiàn)場控制器，智能現(xiàn)場控制器通過總線以多點串聯(lián)的方式與就近的區(qū)域控制站連接，控制網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.3 現(xiàn)場總線控制器對PLC系統(tǒng)的優(yōu)化成果

4.3.1 系統(tǒng)穩(wěn)定性

SSPCU2630盤裝式智能控制器的處理器采用先進架構(gòu)CORTEX內(nèi)核的ARM芯片32位的RISC處理器，專門面向數(shù)字信號處理(DSC)和高級微控制器(MCU)應用的處理器，具有高效率的信號處理能力，同時還有低功耗、低成本、簡單易用等特點?？梢浦矘?gòu)架雙處理器系統(tǒng)，IO處理器和通信處理器之間分工協(xié)同工作。控制器以雙實時操作系統(tǒng)模式運行，2個處理器的內(nèi)存采用虛擬重疊，實現(xiàn)上行和下行的數(shù)據(jù)同步。內(nèi)核運行自主研制的集中控制和遠程就地控制自主轉(zhuǎn)換的智能控制模型，邏輯機實現(xiàn)IEC61131-3標準指令集，無縫融入控制系統(tǒng)功能。

若某一區(qū)域的系統(tǒng)網(wǎng)絡出現(xiàn)故障，現(xiàn)場總線智能控制器可以自動獨立接管現(xiàn)場設備的流程控制和管理，可以有效減少因為系統(tǒng)故障導致的生產(chǎn)損失。

4.3.2 系統(tǒng)兼容性

SSPCU1612(1618)控制器可實現(xiàn)對8路的數(shù)字量輸入信號的處理、4路的數(shù)字量輸出信號的處理。模擬量通道按需配置，與區(qū)域網(wǎng)絡智能控制器的通信和數(shù)據(jù)交換采用PROFIBUS-DP通信協(xié)議。

PROFIBUS通信協(xié)議作為業(yè)界應用最廣泛的現(xiàn)場總線通信協(xié)議，不依賴于設備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。若設備通信模塊出現(xiàn)故障，可以就近購買相關(guān)滿足要求的儀表設備既可以進行維護和更換，降低了后期的維護難度和成本。

4.3.3 施工成本

現(xiàn)場總線控制器方案系統(tǒng)不同于PLC系統(tǒng)的控制層與設備之間必須通過單對單的硬接線連接，而是采用多點串聯(lián)的總線連接。以皮帶機控制設備接線為例，1條皮帶機沿線設有多種保護開關(guān)，所有的保護開關(guān)需連接至設置在皮帶機頭部的控制箱。2種系統(tǒng)設計具體接線對比見圖6和圖7。

圖6 PLC系統(tǒng)皮帶機設備接線示意圖

圖7 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)皮帶機設備接線示意圖

假設皮帶機長度為1 km，若采用PLC單對單硬接線方式，控制線纜總長度約3 km(不含冗余)，而應用現(xiàn)場總線器的設計方式的總線控制線纜總長度約2 km(含冗余)。

具體工程量對比見表1。

表1 方案工程量對比表

在實際項目中應用現(xiàn)場總線控制器系統(tǒng)設計，不但減少了電纜使用量，提高了電纜橋架的利用率，還間接地減少了橋架敷設量，在一定程度上減小了施工難度，縮短了施工時間，節(jié)省了施工成本。

5 結(jié)語

通過本工程實例的設計方案優(yōu)化，分析了PLC系統(tǒng)在非常規(guī)散貨港口設計中的局限性和存在的問題，提出了應用SSPCU系列現(xiàn)場總線控制器的方案設計并總結(jié)了其優(yōu)化成果，確認了項目設計優(yōu)化方案的可行性，可供相關(guān)專業(yè)設計人員參考。