现代港口物流系统的监控及网络通信

1 引言

        进入20世纪90年代后，为了适应现代物流的发展趋势，采用自动控制技术和网络通信技术对港口码头实现货物的装卸、输送、存储作业，有效地提高生产效率，降低劳动强度，使装卸作业连续化、高效化，提高企业的现代化程度已经成为企业生存和保持旺盛竞争力的必要条件。对于同类企业中发展较为缓慢的煤炭专用码头更是如此。
        本文以煤炭专用码头物流系统为例，介绍选用SIEMENS 的ET200S分布式I/O及SIMATIC PCS 7控制系统实现其网络化集散控制的方案及特点。

2 煤炭专用码头物流系统的结构配置
        煤炭物流作业系统包括翻车机子系统、皮带机子系统、堆取料机子系统、装船机子系统以及洒水除尘子系统。系统框图如图1所示。

图1 物流系统框图


        该物流系统设有中控室（CCR），其控制、监视、管理范围包括定位车牵引重车、翻车机翻转重车、漏斗振动给料、出料口调节、皮带机传送流程、堆取料机运行状态、装船机工作控制、除尘洒水系统流量压力监控及喷头选择等主要作业流程。在中控室对整个作业流程进行监控，从而达到使作业设备稳定可靠运行的目的。

3 监控系统方案介绍
3.1监控系统配置
         根据作业流程控制系统要求，设1#本地站和2#、3#、4#、5#、6#五个远程站，分别设置在中控室、翻车机作业现场、皮带机作业现场、堆取料机作业现场、装船机作业现场以及洒水泵站。本地站控制整个装卸系统的流程作业，各远程站则对其所在作业现场的流程进行监测和控制。
        现场控制站具有闭环控制、顺序联锁控制以及数据采集、数据处理、储存、故障报警等功能；拥有数字量和模拟量控制的全部功能，可有效地对生产过程进行控制，同时通过数据高速通道与中央控制室操作站进行过程数据和信息传输，接受来自操作人员的各种控制命令，完成检测控制要求；另外还具有在线/离线组态功能、自诊断等功能。
3.2监控系统方案介绍
        基于本方案的研究对象是现代港口中的流程作业PLC控制系统，并且要在企业内部实现远程通讯、分布式控制，设计者选择具有良好发展基础与前景的PROFIBUS来构成本方案的控制网络。

        该设计方案选择SIEMENS公司的SIMATIC PCS7。SIMATIC PCS7为SIEMENS公司的新集散控制系统（DCS），是一个全集成的、结构完整、功能完善、面向整个生产过程的过程控制系统。SIMATIC PCS7采用优秀的上位机软件WinCC作为操作和监控的人机界面，利用开放的现场总线和工业以太网实现现场信息采集和系统通讯，采用S7自动化系统作为现场控制单元实现过程控制，以灵活多样的分布式I/O接收现场传感检测信号。

注 ： --OLM 光纤链路模块
图2 控制系统结构图

4 监控系统的通讯网络
        在工业控制领域，尤其是大型企业（如港口码头）的控制系统将是一个功能多样而完善的通讯网络，不但具有控制信号的采集、传输、控制输出，还要具有故障报警、信息查询、打印输出、视频监控等功能。这样一个控制网络还必须具有与企业管理网络甚至国际互联网络相连的接口，以备将来实现整个企业内部的信息交互或远程诊断功能。基于这些要求，该工业过程控制系统采用双环容错光纤网络构成企业局域网的超干网，网络性能要求传输速率达到10Mbps。
        中控室PLC主站是系统控制站的信息处理中心。它的主要功能是将其它远程PLC从站采集到的数据进行处理与存储，并通过网络送到各操作员站或工程师站的显示屏上进行显示；同时，接受操作员站或工程师站的操作指令进行处理后发送到PLC从站。
         PLC主站主要由2套互为热备份的S7-400H型PLC控制器组成，这是SIMATIC系列产品中性能最高、可靠性最好的一种PLC控制器。每个PLC控制器均设有1个PS407电源模块、一个CPU-416H中央处理器模块和一个CP443-1工业以太网通讯模块，它们安装在一个特殊紧凑的UR2-H机架上。这两个CPU模块上各插有Syne（同步）模块，并通过光缆相互连接，实现了2个PLC控制器的相互数据通讯。在系统运行过程中，2个PLC 控制器能自动更新数据，确保数据的一致性。当某个PLC控制器出现故障时，另一个PLC控制器能自动在中断处接管后续所有信息处理工作，不会丢失任何数据，保证了系统正常运行及与上位中控室计算机的通讯。
中控室S7-400H型主站的2个CPU模块上各有1个PROFIBUS-DP通讯接口，它们通过光纤网络与远程PLC从站相连接；远程PLC 选用S7-200，通过现场总线与现场分布式I/O进行单工通讯，对现场设备进行信号的处理与控制。分布式I/O采用SIEMENS的ET200S。ET200S系统具有较好的诊断功能。不仅模块上的状态和故障指示灯可提供当前运行状态信息，而且模块中的每个通道都能自动生成清晰的文本信息，这些信息，如传感器连线的短路或开路等故障信息，可通过PROFIBUS网络送到系统主站，在系统操作员或工程师站的显示屏上进行告警提示，以便及时处理。
         每个PLC主站通过CP443-1工业以太网通讯模块连接的双重容错高速工业以太网与操作员计算机和工程师计算机相连。这样冗余连接的网络拓扑结构，当系统某一网络通道发生故障时，能自动激活另一网络通道，以确保系统通讯的可靠性。PLC主站具有自诊断功能，系统在错误对过程产生影响前就可探测错误并发出警报。通过扩展的PROFIBUS-DP诊断功能可以对故障进行快速定位，诊断信息在总线上传输并由主站采集。
本地PLC主站与远程PLC从站之间以及各远程PLC从站之间的室外通讯电缆采用多模光纤电缆，这样不仅可预防雷击，而且具有可靠的抗静电、抗磁场干扰能力。选用先进的OLM/S4光链路转换器，各PLC控制器间形成环形的光纤网络，实现了室外通讯网络的容错设计，光纤中的任意一根出现故障时，网络通讯均不会中断，并能及时进行故障告警，进一步提高了系统网络通讯的可靠性。

5、结束语
        本方案技术先进，结构简单。S7-400与分布式I/O ET200S功能强、体积小，因此控制柜内部结构简单，便于检查与维修。使用了PROFIBUS-DP现场总线，减少了电缆的铺设量，实现了数字通信，提高了数据传送精度。所有部件在运行过程中都能热插拔，在更换CPU模块时，系统将自动更新为当前程序和数据，因此系统具有很好的联机维修功能。
         该控制网络系统以独立的、单体的、分散的测量与控制设备为网络节点，以现场总线为纽带，并把它们连接成为可以互相沟通信息，共同完成自动化控制任务的控制与网络系统。具备高度的实时性、安全性和可靠性，系统容错性能好。易于实现与信息网络的互联和集成，从而为管理信息网络系统和自动化控制网络系统的一体化集成奠定了基础。