（控制科学与工程专业论文）营口港矿石装卸自动控制系统研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 论文营口港矿石装卸自动控制系统研究来源于“营口港鲅鱼圈港区一港 池深水泊位工程及矿石堆场工程”项目，论文作者在自控系统理论基上，充分利 用当前最新发展的自动控制技术，主持设计和调试了营口港矿石装卸自动控制系 统。该系统实现了港口矿石装卸作业流程的全自动控制、报警和故障保护，以及 设备状态的动态显示。 论文研究了以m o d b u sp l u s 为主干网的分布式网络控制系统。系统共有三级 网络，上一级为管理信息系统的以太网，主干为m o 曲u sp l u s 控制网络，下一级 为p m s 0 0 、s e p a m 的r s 4 8 5 通信网络。本文重点研究了主干网的双网冗余结构 的特点和各级网络的控制原理；研究了系统软件设计的分布式控制设计思想及利 用系统软硬件实现矿石码头作业系统的自动流程控制方法；研究了利用i n t o u c h 开发的流程控制软件和图形监控软件、采用d f b 和e f b 编程的p l c 控制软件、 各设备之间通信软件的设计方法；采取系统供电和驱动、软启动器分时启动的实 现方法以及系统现场信号检测和各种设备的控制方法，系统的可靠性设计和采取 的抗干扰措施。 本系统充分利用了计算机和p l c 各自的特点，实现其优势互补，使系统达 到完美统一，在营口港鲅鱼圈港区一港池深水泊位工程及矿石堆场工程中已投产 运营近两年，运行状况良好，实现了港口系统装卸作业的自动化操作和管理。本 系统的研究与实旌将对我国港口建设中散货装卸系统的自动化提供技术支持和 案例参考。 关键词：p l c ；双网冗余网络；港口自动化；图形监控 营口港矿石装卸自动控制系统的研究 s t u d yo fo r el o a d i n ga n du n l o a d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m a ty i n g k o up o r t a b s t r a c t n 圮t h e s i s “s t u d yo fo r el o a d i n ga n du n l o a d i n ga u t o m a t i o ns y s t e ma t n g i 【o up o r t c a m ef r o mt h e “p r o j e c to fd e e pw a t e rb e r t ha n dt h ep r o j e c to ft h e o r es t o c kf i e l da tt h ed e e pw a t e rb e r t ho fb a y u q u a nh a r b o ro fy m g k o up o 盯n 地 t i t l e ds y s t e mw a st h ek e r n e li i lt h ep r o j e e t b a s e du p o nt h ep e r t i n e n t t h e o r yo f a u t o m a t i o n , t h ea u t h o rd e s i g n e da n dd e b u g g e dt h ep o r to r el o a d i n ga n du n l o a d i n g a u t o m a t i o ns y s t e mf o r n g k o up o r t , t h r o u g hw h i c ht h eo r el o a d i n ga n dt m l o a d i n g f l o wc o u l db ef u l l yd y n a m i c a l l ym o n i t o r e d , c o n t r o l l e d ，a l a r m e da n df a u l tp r o t e c t e d t h ea u t h o ra p p l i e dt h ed i s t r i b u t e dn e t w o r kc o n t r o ls y s t e mb a s e do nm o d b u sp l u s b a c k b o n en e t w o r ki n t ow h o l es y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t e do ft h r e el e v e l so f s u b - n e t w o r k s 。a m o n gw h i c ht h et o pi e v e lw a se t h e r n e tn e t w o r kf o ri n f o r m a t i o n m a n a g e m e n t , t h eb a c k b o n en e tw a sm o d b u sp l u sc o n t r o in e ta n dt h es u b l e v e lw a s r s 4 8 5c o m m u n i c a t i o nn e to fp m 5 0 0a n ds e p a m t h ea u t h o r a n a l y z e dt h e c h a r a c t e r i s t i c sa n de s s e n t i a l i t yo ft h ed u a l - n e t w o r kr e d u n d a n c ys t r u c t u r ei nt h e b a c k b o n en e ta n dt h ec o n t r o lp r i n c i p l ei ne a c hs u b 1 e v e ln e t w o r k t h ea u t h o rs t u d i e d a n do p t i m i z e dt h ed e s i g no ft h ec o n t r o ls y s t e m , i n c l u d i n gt h ef l o w - c o n t r o lm o d u l e s a n d g r a p h i c a lm o n i t o t i n gs o f t w a r e ，t h e c o n t r o ls o f t w a r eo fp l c sa n dt h e c o n l m u n i c a l i o ns o f t w a r em o d u l e sa m o n gm a n yd e v i c e s s p e c i a lc o n s i d e r a t i o n s s u c h a s s y s t e mp o w e rs u p p l i e s ，h a r dd r i v e s ，s o f td r i v e s ，r e l i a b i l 毋d e s i g n sa n d a n t i - j a m m i n gm e t h o d s ，w e r et a k e nf o rs a f e t y i n s t a l l a t i o no f t h es y s t e ma n dd e b u g g i n g r e s u l t sw e r ea l s od e s c r i b e di nt h et h e s i s 1 1 1 ea p p l i c a t i o no fs u c hd i s t r i b u t e dn e t w o r k c o n t r o ls y s t e me m p o w e r e dt h er e a l i t yo ft h ef u l l yf l o w - c o n t r o l l e do r eh a r b o rl o a d i n g a n du n l o a d i n gb u s y w o r k 1 1 1 i si n t e g r a t e ds y s t e m , w h i c ht o o kf u l la d v a n t a g e so ft h ec o m p u t e r sa n dp l c s h a sb e e na p p l i e ds u c c e s s f u l l yi nt h eo r es t o c kf i e l da tt h ed e 印w a t e rb e r t ho f b a y u q u a nh a r b o ro fy i n g k o up o r tf o ra b o u tt w oy e a r s a p p l i c a t i o no fs u c hs y s t e m w i l l p r o v i d et e c h n i c a ls u p p o r t sa n daw e l le s t a b l i s h e dr e f e r e n c ec a s e i nt h e r o b o t i z a t i o nc o n s t r u c t i o n so fb u l kc a r g ol o a d i n ga n du n l o a d i n gs y s t e mi i lc i v i lh a r b o r c o n s t r u c t i o n si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：p l c ；d u a l - n e t w o r kr e d u n d a n c yn e t w o r k ；h a r b o ra u t o m a t i o n ； g r a p h i cm o n i t o r i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 易、 口 奎垄垄三奎堂童些兰垡堕主兰垡笙壅 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名：岛弋删 、夕 勿矽石年垡月2 3e 大连理工大学专业学位硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 论文营口港矿石装卸自动控制系统的研究来源于“营口港鲅鱼圈港区 一港池深水泊位工程及矿石堆场工程”项目。 辽宁的钢铁基地除了鞍钢、本钢、抚钢，还有北台钢厂和新抚钢等众多的 钢铁企业，每年需大量的进口矿粉，主要交通就是海运。建于1 9 8 4 年营口鲅鱼 圈新港为东北第二大港，吞吐能力已达2 5 0 0 万吨年，现有生产泊位4 个，厂区 占地面积2 4 0 万平方米，与世界上1 0 0 多个国家和地区通航。东北地区是我国重 工业生产基地，钢铁生产十分发达。随着钢铁工业的进一步发展，对生产原料的 数量和质量要求日益提高，需从国外进口大量高品质的铁矿石来弥补原料不足问 题。营口港腹地内有鞍钢、本钢、北台、通抚、通钢等众多大型钢铁工业，预测 2 0 0 5 年和2 0 1 0 年东北地区需进口铁矿石8 0 0 万吨和1 0 0 0 万吨，金属矿石是营 口港鲅鱼圈港区的主要货种之一。由于港区泊位吨级低、无专业化设备、堆场能 力不足等原因，只能接卸5 万吨以下的运输船舶，给钢厂增加了成本。随着铁矿 石进口量进一步增加，建设大型专业化矿石码头是十分必要的。“营口港鲅鱼圈 港区一港池深水泊位工程及矿石堆场工程”卸载的矿石主要是进口来自澳大利亚 的铁矿粉。鞍钢集团投资2 2 6 亿元人民币在营口兴建年产5 0 0 万吨的精品钢材基 地，二期规划年产1 3 0 0 万吨，为东北经济的振兴发挥了很大的作用。 本论文工作是“营口港鲅鱼圈港区一港池深水泊位工程及矿石堆场工程” 的重要组成部分，是整个工程的中枢神经。该系统在工业以太网和现场总线的基 础上，采用统一的网络平台和软件平台，互连码头各个控制子系统，实现整个码 头系统的分散控制、集中监控和管理。系统所建立的集中管理结构，在综合运用 实时在线数据采集功能及相关的业务信息的同时，实现计算机辅助生产管理以帮 助生产管理人员提高码头的运营能力，缩短车船在港停留时间，加快堆场周转次 数，提高设备利用率，降低能耗，从而达到提高经济效益的目的。本系统的成功 应用实现了矿石系统的1 0 0 自动流程作业，系统提供的控制灵活性和可靠性，保 证了系统的高效可靠运行。 1 2 矿石港口装卸技术现状 现代高科技对港口产生了重要影响，运输方式的现代化，港口装卸工艺的 合理化和装卸机械设备的自动化、电气化，可提供良好信息与通信技术基础设施 的港口在未来竞争中将更能显示优势。现代化港口码头必须满足自动化装卸、堆 营口港矿石装卸自动控制系统的研究 场、转场和管理信息化等要求，否则只能起到支线与喂给港的作用 i - 6 。 近年来，国内钢铁行业出现快速发展的势头，由于国内铁矿资源相对紧张， 铁矿石进口急骤增加。2 0 0 4 年沿海各主要港口接卸进口矿石2 0 8 亿吨，比2 0 0 3 年增长4 0 5 。面对进口矿石的急剧增长，港口铁矿石疏运能力出现紧张，部分 港口进口铁矿石船舶集中到港，压船情况比较严重，影响了港口正常生产。青岛 港和宁波港是目前国内仅有的两个铁矿石年吞吐量突破3 0 0 0 万吨的港口，但其 接卸量的增幅还是远远低于国内进口铁矿石的增幅。从2 0 0 3 年下半年开始铁矿 石压港时间平均要l o 一2 0 天。船只一天的滞港费就要l o 万美元，导致原材料成 本大增。其中港口接卸能力有限是导致铁矿石压港的直接原因。 在这种环境下，各大港口纷纷建设大型矿石专用码头，2 0 0 4 年6 月大连港 3 0 万吨专业矿石码头建成投产，2 0 0 4 年8 月营口港2 0 万吨级矿石码头建成投产， 两个矿石专用码头的建成，使我国北方港口矿石接卸能力大大提高，缓解了东北 地区进口矿石的压力，降低了东北地区进口矿石的成本。本论文完成的工作就是 营口港2 0 万吨级矿石码头的核心系统。 目前建设的专业码头，其特点是： ( 1 )向大吨位泊位发展，矿石泊位为2 0 万吨级以上，散粮泊位均为8 万 吨级以上，油运泊位也达到2 0 万吨以上： ( 2 )存储能力不断增加，矿石堆场至少几百万吨，散粮仓储能力2 0 万吨 以上甚至达几百万吨，油运储罐容量几百万立方； ( 3 ) 配备装船、卸船、存储、装车和卸车等全自动生产控制和管理系统： ( 4 ) 设备分布范围广，系统控制要求高。 国内早期的港口设备控制系统以继电器控制为主，调速系统以直流调速为 主，用l e d 指示灯和数码管进行简单的状态显示，输送线设备之间只能做到简单 的连锁，故障保护用简单的继电器逻辑进行停机保护，排查故障点很困难，这种 情况一直延续到上个世纪八十年代后期 7 - 1 4 。 随着p l c 在制造业的成功应用和交流调速技术的不断发展，p l c 控制和变 频调速先后在港口起重设备的技术改造和专业码头设备引进系统中得到应用，其 程序控制功能的灵活性及较低的故障率，逐步为港口用户所接受，九十年代中期 各大型起重设备的生产厂家也逐步接受了p l c 控制方案，设备出厂时直接配备 p l c 控制系统。九十年代初，随着电子技术和计算机通信技术的迅猛发展，p l c 的性能得到了迅速提高，p l c 网络功能也得到逐步加强和完善，为其应用在大型 控制系统中提供了可能。正是利用了p l c 的网络扩展功能，九十年代中期国内相 继建成的散货自动装卸码头均采用了以p l c 系统作为控制核心 1 5 - 2 1 。九十年 代后期国内建设的几个矿石码头、粮食装卸及仓储码头、油运码头均采用了p l c 大连理工大学专业学位硕士学位论文 控制系统，同时上位机采用工业控制计算机( i p c ) 作为人机图形监控界面和装 卸管理终端，实现了管理、控制和系统维护一体化，大大提高了港口作业的自动 化水平和设备管理的现代化水平 7 - 1 9 。 我国早期建设的散货码头，如1 9 8 5 年建成投产日照港煤一期工程生产控制 达到半自动化。随着生产任务的迅速增长，人工信息处理的弊端逐渐暴露出来。 一是数据传递速度慢，主要靠电话和车带人取方式传递信息，不便于上下工序间 的协调，影响作业效率：二是同一数据多次人工抄写，也容易出现错误，给生产 管理人员协调指挥增加了困难：三是数据共享性和时效性较差，生产统计数据次 日才能送到管理部门，管理部门很难及时全面掌握生产现场情况，使生产指挥的 有效性受到影响。这些问题表明落后的信息处理手段已成为生产发展的重要障 碍。为解决这一问题，提高煤炭装卸生产管理现代化水平，日照港自1 9 8 8 年开 始在煤炭码头自动化控制改造项目 “ 。秦皇岛煤码头二、三、四期，广州西基 煤码头、青岛湾煤码头等相继从德国、日本等国成套引进自控设备、软件开发和 系统调试等主要技术关键全部由国外总承包。 近几年来国内码头装卸自动化系统逐步由成套引进方式转化为自主开发的 阶段。通过由局部到整体开发方式，对由日本成套引进的西基煤码头自控系统进 行技术改造，并相继对厦门港等煤码头以自主研发和设备引进相结合方式，逐步 开发自控系统【7 - 9 ，l l 】，取得一定的实际成效，但在系统模块化、网络化和管理 功能等方面与国外当代技术水平存在一定差，在总体水平与经济发达国家相比仍 有较大差距，工艺系统主要硬件仍需进口，国产化率较低。先进国家在系统网络 化和完善的管理软件功能上具有明显的优势。在系统管理软件方面，生产调度、 船舶配载管理系统、库场管理系统、货运则务管理系统，先进工业国家专业码头 上己被广泛应用，并迸一步发展信息系统技术，取得良好的经济效益，这些方萄 我国仅处于开发阶段 2 2 3 4 ，急需加强研究开发。这正是本论文的研究重点，即 在充分利用计术含量高、性能可靠的进口硬件设备基础上，大力加强自主开发软 件系统和总体设计水平，快速提升我国港口散货作业的装卸、转场等自动化作业 系统和生产调度、船舶配载和库场等系统管理水平和信息化水平。 1 3 课题意义 通过本论文的研究，自主开发了“营日港矿石装卸自动控制系统”，采用以 太网方式连接计算机管理系统，在中控室配电间的c p u 主站上装设以太网模块， 使计算机管理系统共享控制系统全部实时数据，从而自动生成生产管理和设备管 理所需的数据信息。本系统充分利用了计算机和p l c 各自的特点，实现其优势 互补，使系统达到完美统一，2 0 0 4 年8 月正式交付使用，在营口港鲅鱼圈港区 1 一 营口港矿石装卸自动控制系统的研究 一港池深水泊位工程及矿石堆场工程中已投产运营近两年，运行状况良好，实现 了港口系统装卸作业的自动化操作和管理，年接卸能力超过1 0 0 0 万吨，大大的 提高了港口的卸载速度。 本系统的研究与实施将对我国港口建设中散货装卸系统的自动化提供技术 支持和案例参考。本论文的研究工作也为现有港口散货码头陈旧技术改造提供了 技术支持，可以广泛用于煤炭、散粮、化肥等码头装卸、转场系统的更新换代。 1 4 本课题的主要内容 本课题的主要研究内容如下： a ) 港口矿石装卸自动控制系统整体设计 b ) 系统硬件设计 c ) 系统软件设计 d ) 系统可靠性设计 e ) 系统硬件、软件调试及实际投入使用 大连理工大学专业学位硕士学位论文 第二章港口矿石装卸自动控制系统分析 2 1 工程概况 营口港鲅鱼圈港区一港池深水泊位及矿石堆场工程，从2 0 0 2 年开 始投资建设，形成拥有一个2 5 万吨卸船泊位、5 条自动堆取料线、2 条自动装 车线、9 个共计2 7 0 万吨堆存能力的堆场，年接卸能力超过1 0 0 0 万吨。下图为 图l 营口鲅鱼圈港区矿石系统概貌 f i g u r e1o v e r v i e wo ft h eo r es y s t e ma tb a y u q u a nh a r b o ro fy i n g k o up o r t 工程概貌： 图l 为营口鲅鱼圈港区矿石系统工程概貌，其中涉及的主要工艺设备有： ( i ) 3 台四卷筒差动补偿牵引小车桥式抓斗卸船机 ( 2 ) 5 台臂式斗轮堆取料机 ( 3 ) 2 台装车机 ( 4 ) 2 2 条带式输送机 ( 5 ) 1 3 条可逆带式输送机 ( 6 ) 1 条可逆移动带式输送机 ( 7 ) l 条移动带式输送机 ( 8 ) 2 台卸船计量秤 营口港矿石装卸自动控制系统的研究 ( 9 ) 1 2 台干式除尘器 ( 1 0 ) 堆场洒水除尘系统 ( 儿) 栈桥照明系统 ( 1 2 ) 商检采样系统 该系统共有卸船进场、出场装车、倒场共3 种作业方式，作业流程多达i 0 0 多个。其作业流程设计如下图所示： 晓() 内所示为已建或预留设施 图2 营口鲅鱼圈港区矿石系统作业流程图 f i g u r e2f l o wc h a r to fo ft h eo r es y s t e ma tb a y u q u a nh a r b o ro fy i n g k o up o r t 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 2 控制系统设计思想 本系统根据业主管理要求的需要将中心控制室( c e n t r a lc o n t r o lr o o m ，c c r ) 设置在原煤机控制室，与原控制室合二为一。中心控制室设有6 台图形监控及数 据采集计算机，9 台2 1 英寸液晶显示器，2 块6 3 英寸等离子显示器。中心控制 室如下图所示： 图3 矿石码头中心控制室 f i g u r e3c e n t r a lc o n t r o lf o o mo ft h eo f ep o r ts y s t e m 本系统p l c 控制输入偷出量近3 0 0 0 点，控制对象分布在方圆近l 平方公里 范围内，控制设备分布在1 群变电所 4 并变电所、洒水除尘泵房，中心控制室等六 个变配电间中。 由于矿石装卸作业工艺要求各设备之间必须实行自动流程控制和联锁保护， 如果出现前端设备运行而后续设备停止情况将造成洒料甚至堵料，严重时造成相 关设备损坏，因此必须进行集中控制。如果采用传统集中控制方式，将控制信号 全部连接到中心控制室，则一方面控制线路太长，可靠性差；另一方面施工调试 工作量巨大，维护也相当复杂。因此系统采用以施耐德m o d i c o nq u a n t i u m 系列 的p l c 为核心的分布式结构f 2 3 - 2 6 。q u a n t u m 是具有强大处理能力的大型控制 营口港矿石装卸自动控制系统的研究 系统，可以满足大部分离散和过程控制的经济和灵活的硬件控制平台，具备了强 大的过程控制功能和离散控制功能。 系统选择施耐德m o d b u sp l u s 网络作为主干网络 2 7 1 ，首先m o 曲u sp l u s 网 络是较成熟的高速控制网络，通讯速率为i m b p s ，第二其令牌环式通信调度方式 保证系统的通信可靠性和实时性，第三其环网冗余结构进一步保证系统可靠性。 在目前以太网逐步成为业界推崇的网络形式情况下 2 8 3 3 1 ，选择m o d b u s p l u s 除了有工程本身历史的原因外，当一个系统不需要有较强的开放性要求时， 安全性更加重要，无疑m o d b u sp l u s 比以太网有更好的安全性和稳定性 3 4 3 6 】。 桥式抓斗卸船机、斗轮堆取机和装车机属于移动设备，其控制系统也采用 了p l c 控制系统，由分别的供应商提供，主控系统在大机上机动力电缆中增加 了光缆通信联网。另外为了保证大机和主系统通信连锁的可靠性 3 7 4 0 1 ，又增 设了一根6 芯控制电缆硬接线用以联结必须的连锁信号。商检采样系统的控制自 成系统，通过p l c 的i o 和中控系统进行连锁运行。 本控制系统与计算机管理系统的联网采用以太网方式，在中控室配电间的 c p u 主站上装设以太网模块，使计算机管理系统共享控制系统全部实时数据， 从而自动生成生产管理和设备管理所需的数据信息。 本系统上位机操作系统采用w i n d o w sx p ，控制软件采用组态开发软件 i n t o u c h 8 0 编程，p l c 软件采用c o n c e p t2 5 的d f b 和e f b 功能块编程。 2 3 系统具备的主要功能设计 2 3 1 自动流程控制 实现设备自动流程的选择、确认、启动、故障自动保护和停止，c c r 操作 员只需选择需要作业的流程，选中后控制系统自动将相关的闸阀门开关到位，启 动流程时自动判断流程是否具备启动条件，自动控制流程设备顺序启动，流程运 行过程中对每一个设备根据现场的失速、跑偏、急停、堵塞、拉绳及过载等检测， 自动对流程设备进行自动停机或延时停机或报警等处理，真正实现现场无人值守 的自动化作业。 流程的停止分为三种方式： 隧宠羹完镶燕德势j 蚓当系卸船或取料作业完成后，末端设备发出停止信号， 流程自动按顺料流方向顺序停止。 陵灞滋圆缁隐穗嬲瓣謦l b 。 须停止未达到设定量的流程时，c c r 操作员 发出指令将流程按顺料流方向顺序停止。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 匿熏夏j i i 孓c r 操作台设有紧急停止按钮，发生紧急情况时，按下紧急停 止按钮，所有运行设备立即停止。 2 3 2 集中手动控制 当设备不进行流程自动作业时，c c r 操作员在计算机屏幕上可使用设备控 制窗口中的陲基蔓亘匦萎i i 匿圄实现单台设备独立启动停止，用于作业过程应急 处理或设备试验。 2 。3 。3 现场本地手动 当现场机旁控制箱的匿壹i 垂围开关置于“本地”位置时，现场人员可 就地启动和停止该设备，本地启动除急停外不受各种保护条件的限制，主要用于 现场设备维修。 2 3 4 故障报警功能 当运行设备发生故障时，c c r 中的c g p 上将弹出报警画面，显示故障设备 编号、故障类型、故障发生时间等报警信息；并有中文语音提示，通知操作员进 行相关处理。故障设备及上游设备立即停止，下游设备顺序停止。 2 3 5 历史记录 系统自动记录每个设备的每次动作，包括设备的启动停止，阀门的开关，故 障的发生，并存储到历史数据库中，可进行当天和历史数据的查询。 2 3 6 除尘系统控制 在转接机房输送料设备的各落料点设有除尘器。除尘系统设备随所选工艺流 程一同控制，并与工艺设备相互联锁。除尘系统在流程设备启动前先行启动，在 流程设备停止后延时停止。 2 3 7 动画及子窗口方式显示设备状态 系统采用独特的方式动画显示系统设备的正常运行、带故障运行、故障停机、 上电准备状态和未上电状态，在画面上点击设备将弹出设备全部的供电状态、相 关的开关状态、现场保护状态、流程控制命令及集中控制按钮。 2 4 系统的主要特点 ( 1 ) 本系统是以m o d b u sp l u s 为主干网的分布式网络控制系统，共有三级 - 9 - 营口港矿石装卸自动控制系统的研究 网络，上一级为管理信息系统的以太网，主干为m o d b u sp l u s 控制网络，下一级 为r s 4 8 5 设备通信网络。 ( 2 ) 系统采用分布式网络结构，具有良好的扩展性，同时保证网络的通信 速度。 ( 3 ) 系统的分布式结构，亦体现在软件上，计算机与p l c 的运行控制也是 独立的，计算机负责流程的选择、顺序启动和停止，但设备的保护是由p l c 独 立完成的，流程运行中即使计算机关机也不影响流程的正常运行，从而大大提高 了系统的可靠性。 ( 4 ) 充分利用计算机和p l c 各自的优势，实现最优控制方案，本系统有近 百个流程，如果用p l c 来判断、顺序启动和停止这些流程，程序很难实现，设 计中我们充分了用了计算机软件计算功能和判断功能强的特点，将流程的分解判 断经整理形成一个小型知识数据库，计算机软件根据操作员选择的流程作业方 式，给出将已经选择流程占用的设备进行排他处理，筛选出供选择的流程，选择 流程后，从数据库中获得本流程使用的设备和其启动停止顺序用于控制流程启动 和停止，获得本流程设备之间的连锁关系写入p l c 中用于p l c 对流程设备故障 保护。这样使系统具有强大的流程选择和控制功能，同时又保证在发生故障时 p l c 在第一时间实现故障保护，使系统灵活性与可靠性兼备。在此系统中计算机 不仅仅是人机界面和图形监控，它是流程控制的一部分。 ( 5 ) 本系统的驱动部分采用软启动器分时启动技术，根据本系统工艺流程 的特点采用几台设备共用l 台软启动器的方法从而节省了投资，设备启动时由 p l c 控制相应的接触器将软启动器接到设备电机上，由软启动器启动，p l c 根据软 启动器的返回信号决定何时将软启动器断开并将电机切换到电网运行，同时p l c 软件设置了使用同一软启动器的设备间的保护程序，以防止手动操作时两台设备 同时使用一台软启动器启动。 2 5 系统组成 本系统共有p l c 控制柜1 6 面，进线供电柜2 2 面，中低压m c c 柜2 3 l 面， 现场控制箱1 0 0 多个，实现装卸流程、除尘、照明等全面自动控制。 2 5 1 网络组成 本系统是以m o d b u sp l u s 为主干网的分布式网络控制系统，系统构成示意图 如下图4 所示： 由于篇幅所限这里仅给出了主要网络设备示意图，一个图示的i o 站可能是 若干个m o d b u s 分布式i o 站。这里m o d b u sp l u s 网络介质为光缆和屏蔽双绞线， 10 - 大连理工大学专业学位硕士学位论文 物理位置相距较远的p l c 站间采用双光缆m o d b u sp l u s 中继器4 9 0 n r p 2 5 4 0 0 连 接，提高了网络的可靠性。 监控计算机选用研华公司的i p c6 1 0 系列p i v 计算机，监控计算机安装施耐 德公司m o d b u sp l u s 网卡s a 8 5 0 0 2 ，使监控计算机成为m o d b u sp l u s 网络的一站， p l c 的c p u 采用1 4 0 c p u 4 3 4 1 2 ，带有1 个m o d b u sp l u s 网络端口，c p u 通过分 支网络管理其分布式f o 站，分布式f o 站网络模块为1 4 0 c r a 2 1 1 1 0 ，采用 m o d i c o nm + 专用屏蔽双绞线连接。 考虑m o d b u sp l u s 网络的传输效率，主要根据c p u 本身的处理速度和系统 工艺要求，由于矿石装卸工艺的复杂性，目前最长的c p u 程序扫描时间在5 0 m s 左右，将2 台监控计算机和c p u 主站均放在主干网上，由于监控计算机需要采 集大量的实时数据，这样可保证其能直接采集到数据而不必由p l c 的c p u 来用 程序组织，从而提高网络运行效率，有利于系统开发调试和系统维护。 图4 系统构成示意图 f i g u r e4s c h e m a t i cd r a w i n go ft h es y s t e m 营口港矿石装卸自动控制系统的研究 由于堆取料机和装车机厂家配备p l c 系统也为m o d i c o n 的，我们选用单光 缆m o d b u sp l u s 中继器4 9 0 n r p 2 5 3 0 0 连接，将其连入m o d b u sp l u s 网络，使其成 为系统一部分。而卸船机厂家配备p l c 系统为a b b 的，提供m o d b u s 通信协议， 我们采用m o d b u s 转以太网的网关i - 7 1 8 8 e x 将其转换成工业以太网以后，通过 工业以太网交换机和它交换控制和管理信息 中压电机接触器柜采用施耐德公司的中压电机综合保护单元 s e 队m 1 0 0 0 + m 2 0 和电参数测量仪p m 5 0 0 ，均配备了r s 4 8 5 接口，支持的m o d b u s 通信协议，与卸船机联网思想相同，我们采用m o d b u s 转以太网的网关i 。7 1 8 8 e x 将其转换成工业以太网以后，通过工业以太网交换机和它们交换控制和管理信 息，从而实现综保系统和电量管理系统远程监控。 、 2 5 2 现场监测与控制 p l c 网络是系统的核心，它是通过外围器件对现场进行监测与控制的。 l 、p l c 通过c p u 底板上或本c p u 控制的分布式i o 站上的数字量输入模 块1 4 0 d d l 3 5 3 0 0 检测各种输入状态，主要包括： ( 1 )现场操作箱各种按钮状态： ( 2 )移动或可逆皮带机的限位状态； ( 3 )皮带机失速、跑偏、堵塞、拉绳等保护检测； ( 4 )除尘器隔火阀限位、现场急停、差压检测； ( 5 )软启动器输入状态检测、空开辅触检测、接触器辅触检测； ( 6 )栈桥照明接触器辅触检测； 以上输入均采取2 4 v 直流输入来检测其状态是否符合控制条件，以便决定 是否进行或继续控制动作。 2 、p l c 通过c p u 底板上或本c p u 控制的分布式i o 站上的模拟量输入模块 1 4 0 a c l 3 5 3 0 0 检测各低压设备工作电流： 3 、p l c 通过c p u 底板上或本c p u 控制的分布式1 0 站上的数字量输出模块 1 4 0 d d 0 3 5 3 0 0 输出指示或控制信号，输出信号为2 4 v 直流信号，驱动中间继电 器，由中间继电器控制设备的接触器线圈或电磁阀的线圈实现控制； p l c 系统的现场检测点，除用于本p l c 进行逻辑控制外通过网络传送给监 控计算机用于画面状态显示和记录。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 5 3 系统的管理和控制功能 2 5 3 1 班组管理功能 作为作业控制系统，其管理基本单位为作业班，本班登陆后，系统将纪录本 班的基本登陆信息，包括各岗位人员、登陆时间等信息，本班所有设备的启动停 止事件、阀门等的开关事件、故障纪录、流程启动停止等事件均按班进行纪录并 图5 流程选择与控制画面 f i g u r e5g r a p h i c a li n t e r f a c ef o rf l o ws e l e c t i o na n dc o n t r o l 长期保存，可通过设定的窗口进行实时或历史查询，并可进行打印，班组功能同 时为管理系统提供完整的班组为基础的作业管理信息。 2 5 3 2 自动流程控制功能 操作员在登陆后，即可用自动流程进行作业，由于矿石系统物料流动要求连 续性的特点，作业必须由自动流程完成，操作员通过流程控制终端完成流程控制 作业。图5 是本系统矿石堆场堆料流程的流程画面： 当中控室操作员所设定的作业量达到时，控制系统使首端机器停止给料，其 信号应在相关单机司机室和中控室显示。 1 3 营口港矿石装卸自动控制系统的研究 ( 1 ) 流程选择：中控室操作员根据卸船信息报告，( 作业船舶、作业品种 等) ，通过监控操作站的用户键盘和鼠标将有关信息输入控制系统，系统根据堆 场堆存情况、带式输送机及各单机的设备完好情况等综合信息并根据与其他已经 选择流程的设备不争用的原则筛选出的流程中选择满足要求的最佳工作流程，操 作员选定流程后，中央控制系统的p l c 将把矿种、堆存位置、流程信息等信号送 至有关的单机，并在司机室内显示出来。 流程选中后，流程控制终端将设备的流程选择信息写入本设备的主控p l c ， 设备的流程选择信息包括此设备是否被流程选中，前端与那个设备连锁等，移动 皮带机被选中时同时给出其位置，p l c 据此自动将其按照流程要求移动到正确 的位置，如果无法满足流程要求将发出故障报警并等待修复复位后再尝试打开， 直至满足流程要求。 ( 2 ) 流程启动：启动流程作业，操作员点击流程控制画面的障程瘗铡按钮， 计算机将根据流程选择逐一核对各设备是否满足启动条件，单机是否准备完毕， 皮带机等等将判断是否合闸、选择开关是否置于集中、是否有故障等，移动皮带 机等分叉装置看是否到位，如有不符合的将报警，正常开始按工艺顺序启动，首 先计算机向各p l c 写入除尘器运行信号，p l c 据此启动流程相关除尘器，然后顺 序启动工艺设备，计算机向相应的p l c 写入要启动的设备运行指令，启动前带式 输送机沿线扬声器播放流程预告二遍完毕，报警铃给出3 0 秒报警。然后开始启 动，启动顺序为逆料流启动，即从下游设备到上游设备顺序启动。启动过程中流 程画面将显示流程启动的步骤即正在启动哪个设备，监控画面显示设备状态，包 括流程状态和设备详细状态和故障信息。启动完成流程进入运行状态。 ( 3 ) 流程自动保护：无论在流程启动或运行中，只要工艺设备出现急停故 障，p l c 将根据出现的故障和计算机写入的保护关系，故障设备和上游设备立即 停机，下游设备待物料排清后顺序停机。流程将回到选中状态或停机状态，操作 员可根据具体情况急停或排除故障后再次启动流程，再次启动时计算机将自动判 断并越过已经运行的设备，顺序启动需要再次启动的设备，过程与正常启动相同， 当现场发生故障停机时流程控制计算机将对发生的故障进行弹出窗口式和中文 语音报警并存入历史数据库备查。 除尘器跟随流程自动启动和停止，但除尘器发生故障时系统将只报警并停 止这个设各本身，不影响流程和其他除尘器的正常运行。 ( 4 ) 流程停止：流程作业结束，操作员点击流程控制画面的停止按钮，流 程的停止顺序为顺料流停机，即从上游设备到下游设备顺序停机。计算机将根据 流程选择，首先停止供料，卸船时禁止卸船机排料、出场时禁止斗轮堆取料机供 料，然后逐一按设定的延时时间延时停止工艺流程设备，最后延时停止除尘器。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 停止完成流程进入选中状态。 ( 5 ) 急停停止：遇到紧急情况时，操作员点击流程控制画面的急停按钮， 计算机将根据流程选择，写入急停指令，停止全部工艺流程设备和除尘器，流程 直接进入选中状态。停机信号在中控室和相关单机司机室显示。 2 5 3 3 集中手动控制 设备的手动集中控制，作为本系统的辅助控制功能，主要用于作业过程中的 应急处理和系统维护，由于流程控制连锁关系要求高，集中控制可提供较灵活的 控制手段。 当作业过程中发生过载停机时，可以根据现场需要分别手动启动设备，将矿 石输送出去，排除故障。 另一种情况用于维修保养，由于矿石系统的作业线较长，现场维修人员走到 维修箱距离较远，利用无线对讲系统，有操作员在中心控制室操作，进行设备的 试验或保养非常方便。 集中手动条件时，自动流程没有选择这个设备，现场机旁箱集中本地开关置 于集中位置，操作员在设备监控窗口，点击启动按钮，监控计算机将启动指令写 入此设备的主控p l c 中，由p l c 启动该设备，停止时点击停止按钮，监控计算 机将停止指令写入此设备的主控p l c 中，由p l c 停止该设备。集中手动控制方 式除流程连锁条件外，其他保护条件与流程自动控制完全一样。 2 5 3 4 现场手动控制 设备的现场手动控制，用于设备的维修，条件是现场机旁箱集中本地开关置 于本地位置，用操作箱中的启动或停止按钮启停该设备，本地手动控制方式只检 测急停按钮是否按下，其他保护条件不起作用。 本地启动时，监控画面仍然实时显示设备运行状态，并进行记录。 2 5 3 5 系统的图形显示功能 系统的图形监控功能体现在3 个方面： ( 1 ) 流程监控：系统对流程的选择、控制和报警提示，为操作员提供了完 备的流程和设备信息，主要显示流程选择、流程状态、流程启动过程、流程停止 过程等。 ( 2 ) 故障报警及历史记录：故障报警和时间记录是系统的重要组成部分， 对流程的选择、启动、停止、换仓等进行记录，设备的启停、故障的发生、阀门 15 营口港矿石装卸自动控制系统的研究 的开关等均进行记录，为设备的维护，作业的管理等非常重要， ( 3 ) 图形监控画面：图形监控画面是系统的重要部分，共有四类：工艺设备 图形监控、除尘图形监控、设备电流图形显示，由于系统工艺较复杂，因此工艺 和消防设备图形监控按流程作业方式显示，每一种作业方式对应一个监控画面， 画面动态显示设备供电、运行、故障和阀门的开关限位状态，是操作员直观准确 的掌握现场运行情况；电流显示画面是系统重要组成部分，本系统2 2 k w 以上 的电机驱动设备均设有电流检测，通过电流操作人员可掌握目前设备的负载情 况，从而有效的控制流量，使设备处于最佳的工作状态，防止因设备过载停车。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 第三章系统硬件设计 在本控制系统设计中，系统共有三级网络，上一级为管理信息系统的以太网， 主干为m o d b u sp l u s 控制网络，下一级为p m 5 0 0 、s e p a m 的r s 4 8 5 通信网络。控 制系统与计算机管理系统的联网采用以太网方式，在中控室c p u 主站通过管理 系统共享控制系统全部实时数据，从而自动生成生产管理和设备管理所需的数据 信息：以m o d b u sp l u s 网络作为主干网络，采用以m o d i c o nq u a n t i u m 系列的p l c 为核心的分布式结构，兼顾大部分离散控制和过程控制的经济性和灵活性；桥式 抓斗卸船机、斗轮堆取机和装车机等移动设备采用了p l c 控制系统，通过p l c 的v o 和中控系统进行连锁运行。本系统p l c 控制输入输出量近3 0 0 0 点，控制 对象分布在方圆近l 平方公里范围内。 系统的硬件设计主要包括系统网络设计、p l c 硬件