基于PLC控制的自动卸船机系统

基于PLC控制的自动卸船机系统摘要在我国，早期的大型港口多为综合性质，装卸货物的种类繁多，码头仓储堆场能力比较落后，用于装卸的机械设备设施也老化严重。各类大型专业深水码头的缺乏使得在专业货物尤其是散货的卸载上一直面临瓶颈。本论文详细介绍了各类装卸机械及设备设施，通过对可编程控制器(PLC)及工业控制网络的介绍，将码头的各个控制子系统相连，使整个码头的各类系统做到分散控制和集中管理。PLC控制的自动卸船机系统通过计算机辅助生产管理来提高管理人员的运营能力，以此达到提高生产效率，增加经济效益的目标。关键词：PLC；自动卸船机系统；设计目录绪论11 自动卸船机的相关概述12 PLC和工业以太网控制网络22.1 可编程控制器（PLC）22.2 工业以太网23 自动卸船系统的设计与应用33.1 控制系统的设计33.2 控制系统的工艺流程33.3 控制系统功能的实现44 自动卸船机系统的调试54.1 现场装置的调试54.2 PLC系统调试54.3 系统联合调试6结语7致谢8参考文献9附录10绪论随着工业自动控制和工业信息化技术的迅猛发展，人们的生产、生活发生了翻天覆地的变化。工业自动控制技术是一种运用相关专业控制知识、检测元件、主体运行设备、计算机、工业传输网络和其它相关信息技术，在实际生产过程中实现全自动检测、控制、运行、监测并为生产决策提供基础数据，从而满足生产高效率和生产零事故等目的，其主要组成包括软件、硬件和系统三大部分。在不断地引进、消化和吸收国外先进技术过程中，也进行了具有自主知识产权的二次开发和应用，目前相关技术和整体自动化控制领域都有了很大的发展。但是，随着计算机网络的迅猛发展，控制系统的智能化和网络化己成为自动卸船机领域的主要研究方向。工业自动化控制根据控制方式区分，可以分为如下几个层次，依次是基础控制自动化、过程控制自动化和管理控制自动化，实际工业控制领域基础自动化和过程自动化为主。传统自动化系统的基础基本由PLC和集散控制系统DCS实现，而过程自动化和管理自动化则由是由PC-based的工业计算机(简称工业PC)来实现。1969年，美国数字设备公司研制出第一台工业PLC控制设备，并于同年在美国通用公司的自动装配线上成功试用。这种新型的工业控制装置由于其具有原理简单易懂、实际操作方便、系统可靠性高、通用灵活、体积小、使用寿命长等优点，很快在整个工业领域得到了推广应用。最初的PLC控制系统只是简单的“0或者1”的开关量逻辑控制，随着工业控制理论的高速发展和PLC控制技术的不断进步，其应用领域也不断地扩大。目前广泛应用的模拟量到数字量转换(A/D或D/A)的控制是从最初的简单的“0或者1”的开关量逻辑控制发展而来的，他可以实现对数据的采集与和存储，也可对整个控制系统进行监控，工业控制实现跨区域的远程控制与管理是通过工业总线或无线网络进行联网和通讯。PLC控制系统运用在石油化工、机器制造、工业装配、电力、轻工纺织以及电子信息产业等各行各业，而且根据工业生产的实际需求，并伴随着大规模甚至超大规模集成电路技术的迅猛发展，已经PLC控制系统逐步发展到了工业PC，并且实现了多处理器多通道PLC控制系统。如今的PLC系统己经发展的相当成熟，不仅各项控制功能得到了增强，而且PLC本身的体积、功耗、成本、可靠性及灵活性也得到了大幅度提高。如今的PLC己经成为工业连续生产过程控制领域的一个重要支柱。PLC的互联通讯功能适应了当前控制系统模块化等先进技术发展的需要和生产规模不断扩大的必然趋势，使现场设备控制、生产控制和生产管理以及决策连成一体，甚至实现大范围和跨区域的控制。由于PLC控制系统具有通信性强、灵活性强、可靠性高，抗干扰的能力强，设计、安装时间短等优点，其应用范围也相当宽广，己经广泛的应用子钢铁制造、石油化工、机械制造等各行业。根据统计，目前实际工业生产过程有80%以上是通过PLC控制系统实现的。因为实际的生产过程控制是按照预先设定步骤进行的，因此PLC的顺序控制功能在此得到了广泛的应用。1 自动卸船机的相关概述自动卸船机是一种动作多样的专用机械，主要有周期式和连续式两种。传统的卸船机械是周期性动作的各种带抓斗的“门座式”起重机和桥式卸船机。这种机械稳定性比较高，但因为是露天作业扬尘较大不利于环保。近年来，随着技术的发展，全封闭的连续卸船机逐渐成为装卸码头的主要选择。连续卸船机主要分为两类:移动式和浮式。其中移动式卸船机整机安装在码头岸边的固定轨道上，可以沿轨道行走，其臂架装有输送装置，可以旋转及变幅，臂架前部的取料机构根据船舶的不同还具有伸缩、摆动、旋转等机构。按照卸载货物所使用的装置不同可以分为:斗轮式、双带式、“链斗式”、螺旋式、悬链斗、埋刮板式、“绳斗式”卸船机等。本项目中所选的卸船机是埋刮板卸船机(见附录)。该机具有生产效率高(最高卸船效率达到1200t/h)、自重轻、能耗低，环境污染小(整个机构全封闭)、对货物的适应性强等优点。2 PLC和工业以太网控制网络2.1 可编程控制器（PLC）可编程控制器采用一种可以编程的存储器来执行内部程序的存储，并执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和其它算术操作等面向用户的指令。可编程控制器通过数字量或模拟量的输入/输出来控制各种类型机械的生产过程。它具有方便使用、易于编程、可靠性高、控制功能强以及扩展方便等优点。可编程逻辑控制器硬件一般包括:中央处理单元(CPU)、存储器、输入输出模块、可编程器及电源。PLC是一个利用数字采样的控制系统，它与处理流量、压力、温度等模拟参数的DCS系统有很大差别。它依靠中央处理单元与存储器的配合，来完成控制以及运算功能。PLC的扫描周期采用的是快速往复巡回的方式，其采样时间一般在10毫秒到20毫秒之间，同时也可以使用更短的扫描周期来适应现场不同被控对象的需求。现在某些新型的PLC，其扫描周期的精度可以达到十分之一个毫秒的级别。PLC的CPU是以分时操作的方式处理各项任务，运算速度高，从PLC的外部输入、输出过程来看，处理几乎是瞬时完成的。经过20多年工业生产上的应用，PLC己经渗透到工业控制的各个领域，越来越为广大业界人士认识和接受，包括从单机到工厂自动化，从机器人、制造系统到工业控制网络等等。目前，PLC在国内外广泛应用于钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、轻纺、交通运输、环保及文化娱乐等各个行业。按照应用领域仔细来分，PLC大致有如下几个方面:1.开关量的逻辑控制:PLC可以取代传统的继电器控制系统实现逻辑控制。例如:机床电器控制，冶金企业的高炉上料系统、轧机、连铸机、飞剪的控制，化工系统中各种泵和电磁阀的控制等等。2.运动控制:PLC可以控制直线运动或圆周运动，在金属成型机械、金属切削机床、机械装配等机械行业有广泛的应用。3.闭环过程控制:过程控制是指对压力、温度、流量和速度等连续变化的模拟量的闭环控制。PLC在模拟量控制功能上的强大作用，使其广泛应用于热处理炉、加热炉、塑料挤压成型机、锅炉等设备上。4.机器人控制。机器人作为工业过程自动生产线中的重要设备己成为未来工业生产自动化的支柱之一。现在许多机器人制造公司选用PLC作为控制器来控制各种机械动作。相信随着体积的进一步缩小，功能的进一步增强，PLC在机器人控制领域中将会发挥出更大的作用。2.2 工业以太网以太网是一种标准开放的网络标准，主要基于TCP/IP协议。经过20多年的发展以太网己经成为一种国际通用的主流技术，在企业网络信息系统、建造信息高速公路和现代智能建筑中均有高速以太网的身影。因为通信协议是一致的，以太网可以将工业控制网络和办公自动化网络进行无缝的连接。相信随着嵌入式平台和实时嵌入式操作系统的共同发展，智能现场测控仪表和各类嵌入式的控制器将可以很简单容易的接入以太网的控制网络，然后与Internet相通讯联系，并同时和信息网络进行集成，以此来构建统一整体的的企业级网络。这样的企业网络可以使用户超越时空和地域的界限，无论何时何地，也无论资源的实际位置在哪里，用户都可以访问网络中的共享数据，使用共享的设备及享受到同样的服务。以太网支持的传输介质有多种，包括同轴电缆、双绞线，光缆、无线等。这使得用户可以根据距离、带宽、价格等不同的因素作自由的选择。此外，以太网还同时支持星型拓扑结构和总线型两种不同的结构，具有良好的扩展性，同时还可利用多种冗余的连接方式，提高网络系统的稳定和安全性能。然而，以太网在通讯的同步性、确定性，以及物理层的各方面仍然存在着不少问题，使得其无法直接应用在工业控制的现场。针对这些问题，在同步和确定这些实时性的问题方面可以通过更新网络拓扑结构、调整网络通讯速度、改进协议调度策略来解决;至于物理层方面的问题，可以增加以太网物理连接设备的物理强度以及增加以太网系统应用的防护等级来实现。经过上述的改进后，可以大大增强以太网的各项性能，使其在工业控制的现场能更加稳定和高效的应用。3 自动卸船系统的设计与应用3.1 控制系统的设计本项目的控制系统利用PLC实现设备之间连锁和顺序控制，并与卸船机、装船机、计量秤等成套设备或智能设备通讯和连锁。项目工艺设备分布范围较大，PLC系统按配电间相应分为4个分站，就近对设备进行控制和采集信号。在2号配电间中控室配置一个处理器主站，分别在1号配电间、2号配电间、3号配电间、4号配电间各配置相应的远程站。处理器主站与各分站之间通讯链路采用冗余光纤链路。主站中配置处理器模块、控制网模块和以太网通讯模块等，各分站配置控制网模块及I/O模块。主站和分站分别配置光纤中继器，主站和2号配电间分站采用RG-6同轴电缆(冗余)通讯，主站和其它配电间分站通过光纤中继器、光纤组成星型网络结构。各分站内各机架之间采用冗余的RG-6同轴电缆网络。主站和监控系统服务器采用1OOM以太网通讯。筒仓上层、筒仓下层、计量秤、空压机等通过总线通讯方式和硬接点信号的方式与总控制系统连锁。生产过程监控的结构采用双服务器冗余的Server/Client结构。服务器(Server)检测事件、处理报警、采集数据并处理其它运行过程。Serve与PLC进行通讯，数据和画面都存储在服务器上，Client通过以太网从服务器调用现场数据和画面。生产过程数据自动记录到硬盘，并通过实时数据库接口，自动传到信息管理系统数据库。3.2 控制系统的工艺流程流程包括两种基本的控制方式，分别是流程启动的时候要逆向物料流动的顺序启动，而流程停止的时候则需要按照顺向物料流动的方向停止。这样做的目的是如果物料在运输的过程中出现堵料、堆料、紧急停车等突然事故时，不会对设备造成第二次的损害。在流程运行的过程中，当流程中的某一个设备突然出现故障时，其上游的设备应该及时紧急停止，而下游的设备则继续运行，直到把现有的物料清理完，以免发生堵塞，从而造成设备损坏或者粮食撒漏;直到故障解除后，再按照逆向物料流动的顺序来起动流程里的各个设备。在物料输送的过程中会产生出大量的粉尘，为防止这些粉尘爆炸而导致安全事故，在所有大型输送机械设备的两两连接处均安装有除尘设备。这些除尘设备在流程启动前的10分钟就要提前启动，而在流程设备全部停止运行后还需要接着运行10分钟，以达到除尘的目的。如果流程启动、流程停止或者流程运行的时候，除尘设备发生了故障，要求所有与除尘设备相关联的设备马上停止运行，并且其上游设备也要立刻停止运行。除尘设备在控制上的主要特点是其中的每个除尘器的启动和停止都是由某一个确定的大型设备的运行状态(选中状态)来选择。这个过程主要靠控制闸阀来实现，这其中包括开关阀、“三通闸”以及与整个除尘系统相关联的各类电动、起动阀门。利用闸阀控制的特点是任意除尘器或者上游和下游两个不同的大型设备确定某个闸阀的开启或者开闭方向。根据整个系统设备以及工艺流程的要求，合理的编制运行流程，保证流程的合理性、实用性。系统的流程是按照自编自动的操作方式，即选择了流程的首尾设备后，系统推荐出几个优化的流程供操作员选择。自动控制方式运行:系统提供四种控制方式:现场手动、MCC柜集中手动、PLC集中单动、PLC自动。1.现场手动运行这是一种只有在进行单机设备调试的时候使用的辅助运行方式。在现场设备旁安装有操作箱，箱内设有启停按钮。当MCC柜里面的切换开关打到“机侧”控制的位置时，可以现场启动或者停止该设备，并且此时中控室与MCC柜里都没有办法控制该设备。设备在手动状态下不具备连锁关系，仅靠传感器对单机作保护，因此使用的时候要格外小心。2.MCC柜集中手动这也属于一种辅助方式运行，只有当自动控制系统发生故障时或者设备调试的时候用来临时救急使用。当设备MCC柜里面的切换开关打到“本地”控制的位置时，使用MCC柜上的按钮完成设备的启停操作。同样，此时设备间不具备连锁关系，需要小心使用。3.中控室单动运行在上位监控软件设转换开关，当开关切换至“单动”方式时，可通过操作计算机完成单机及所有阀门的操作。该方式必须在MCC柜切换开关设为“遥控”时才能实现，且设备间不具备连锁关系。4.中控室自动运行当控制室操作转换开关切换至“自动”方式且MCC柜切换开关均在“遥控”方式下，可在操作计算机上完成作业流程的智能选择，流程设定，流程启动与停止。设备间具有连锁保护功能，并能自动监视记录流程运行过程中设备发生的故障情况。3.3 控制系统功能的实现在整个工艺流程中最先进行的部分是流程选取，只有先选取出要运行的流程，相对应的设备才能按照工艺要求进行运转。流程选取通常有两种方法:向导式选取法和流程表智能选取法。前者即根据选取的首尾设备由程序自动选择首尾设备之间的中间设备;后者即根据选取的首尾设备在流程表中选取相应的流程来确定启动的设备。其中，向导式选取法适合于流程中设备数量少，设备相关性唯一且工艺流程路径少的流程;流程表智能选取法适合于流程中设备数量多，设备相关性复杂且工艺流程路径多的流程。本项目中包含粮食进仓、粮食出仓、粮食倒仓、装船机、卸船机、阀门控制、汽车发放、直取流程这八大类的工艺流程，总共有多达两百多条流程可供选择。为了使系统设备的利用率得到充分的发挥，在流程路径的选取方面，系统使用了智能流程表选取。首先将同一流程内包含的各个大型设备按照顺向物料流动的方向排序，将每个设备所在的流程按流程的顺序排列，然后根据流程的类型将所有流程制作成流程表。上位机将选取的流程传送给PLC后，PLC的处理器选择一维数组，在这个数组中上位机选定的流程首尾两端的设备及流程包含的唯一关键设备标识出来。在系统内部，接收到流程选择命令之需要判断流程是否唯一，具体做法是将接收到的流程选择的一维数组内的数据，与二维流程表按位进行逐条流程对比，然后选出相对应的流程。如果流程不是唯一，则标志出流程不是唯一，并立即停止流程选取，同时将把消息传送到人机用户操作界面，提醒操作员，流程选取存在错误，然后重新选取流程。如果流程选取唯一，流程选取程序将判断所选的流程设备是否存在设备占用、设备故障或其它情况，如果有则流程将不能运行，并把这些消息反馈给操作人员并显示在人机用户操作界面。如果此时流程里的设备全部正常，选取程序就会把被选中的设备标识出来，将其“选中标志”置1，然后此设备就会收到选中命令。至此流程选取部分结束。系统每一条流程都包含7种状态，分别是流程选择中、流程选中、流程启动中、流程运行、流程停止中、流程故障以及流程停止。由于整个系统最多可以同时运行4条相同或者不同类型的流程，所以操作人员对每一个流程状态的确定，对于整个系统的全面了解和运行状况的好坏非常重要。从开始选择好流程，就需要对该条流程的所有状态进行实时跟踪，这其中包括各个设备在流程中的状态，以及除尘器运行情况、各个保护开关的状态记忆闸阀的到位情况等等，并同时向各个大型装卸设备发出流程启动或者停止信号。当流程被选取后，流程状态控制程序就会向被选中的设备标识其是被第几条流程(流程1-4)选中的，被选择的设备可以按照流程的设定顺序来运行。4 自动卸船机系统的调试4.1 现场装置的调试开始调试之前，首先需要确认现场设备的接线完好、高压柜和低压柜内的出线是断开的设备不会启动、控制软件系统断开，然后开始进行调试。调试的时首先进行控制系统线路自检，所有以下自检要在确认不加电的情况下进行。“自检”包括以下几点:PLC柜内线路自检，PLC柜与高低压开关柜连线自检，PLC柜与现场连接电缆线路自检，机侧操作箱、接线箱、皮带机监测开关等现场接线自检。接着进行控制系统加电测试，所有以下调试过程必须在确认MCC柜不在动力输出的情况下进行。确认以上的供配电及控制系统调试过程己经完成，出现的问题己经处理。确认系统故障或发生危险时能够切断电源。操作机侧操作箱，检查相关控制系统动作是否正确无误。强制现场保护开关动作，检查是否能够满足控制要求。最后按照如下顺序进行测试:1.皮带机侧测试。确认控制电源柜里面所有的空气开关都是处于“断开”的位置，然后将低压开关柜里面的控制电源合闸，接着检查进线电源端子和总的空气开关“进线侧”输出的电压值是否正常，最后根据施工设计图要求和控制电源柜的指示说明，依次合上相对应的空气开关，此时注意观察指示灯的指示是否正确，同时观察控制电源电压是不是一切正常。然后将现场操作箱切换到就地操作，按下起动按钮，此时现场的警铃会响，等待20秒铃声停止后，制动器将会打开，然后皮带机开始启动。皮带机运行一段时间后，按下停止的按钮，此时皮带机停止工作。2.翻板机侧测试。确认控制电源柜里面所有的空气开关都是处于“断开”的位置，然后将低压开关柜里面的控制电源合闸，接着检查进线电源端子和总的空气开关“进线侧”的电压是否都正常。最后根据施工设计图要求和控制电源柜的知识说明要求，依次合上相对应的空气开关，此时注意观察指示灯的指示是否正确，同时观察控制电源电压是不是一切正常。现场操作箱切换到就地，其它同皮带机测试相同。4.2 PLC系统调试在操作启动前，确认安装工具等其它杂物没有在可移动运转设备上;需要足够长的空载运行时间，以检测设备性能，并且让操作员应在操作过程中逐步熟悉新设备的操作方法;程序中强制点可能在调试中使用，但是一定要在正常条件下复原强制;检查设备是否符合安装手册上的规范;确认每个设备中每项正确功能都运转正常;在调试前确认每一个设备都经过认真检测;在重载测试前，检查每一个设备的螺丝松动等状况，再次确认安全无误。调试时，根据调试流程图，按照如下顺序依次进行:首先检查并确认上位计算机和PLC之间的接线，然后对上位计算机和PLC进行加电测试，利用PLC输入输出模块点测试尚未主机与各个远程站通讯、各个大型设备的通讯。然后分别对上位机算计和PLC系统的软件进行测试，如果没有问题就进行二者的联动调试。调试时要注意：首先，要确保在安全的情况下进行调试。这些条件包括:供配电及其控制系统没有问题，并且MCC柜输出己经被切断;现场的各类保护开关经过强制检测后确保能正常工作。如果是带负载的调试，应该确保皮带机极其附属的相关设备己经安装并且检测合格。4.3 系统联合调试在确认所有的硬件设备准备完毕后，分别给主回路及控制回路送电。利用现场操作箱的“手动”按钮来起动和停止设备，观察设备运行的状况，同时注意相关控制信号的显示是否准确。将现场的转换开关打动到“遥控”的位置，PLC设置成“单动”的方式，由PLC来强制“启动”、“停止”各个设备，同时观察设备的运行状况及相关信号。然后将PLC设置成“自动”的方式，由PLC按照工艺流程的要求“启动”、“停止”各个工艺流程，观察设备运行状况及相关信号。检查流程在启动、停止及故障时的连锁配合情况是否正常，同时要检查数据显示情况是否正确。以下每条流程在系统调试期间都要调试:起动、停止、现场急停;对于一类典型流程在系统调试期间至少一次:切换、中控急停;对于流程调试情况要按以下具体流程做好记录:初调试情况、故障情况、修复情况及最终结果。经过调试试验检验，系统能正常高效运行，该系统设计成功。结语本文设计的自动卸船机系统是将PLC控制系统、网络传输系统、信息系统和硬件设备等结合在一起，构成了一个完整的输送系统。通过该系统可以完成对现实生产中控制指令下达，设备状态检测，流程选择，流量控制和信息反馈等过程的有机结合，随着港口转运量的不断加大和输送设备数量的增加，以及工艺流程的标准化和输送工作流程复杂化的大背景下，实现了卸船机设备全自动控制，达到了质量优、速度快、机动灵活的控制管理要求，大大的提高了企业竞争力。从今后的发展趋势来看，大致可以分为两个层面。一方面大力升级控制系统在自动卸船机方面的应用，使整个系统更趋于智能化。另一方面，在现有的PLC控制系统上深入研究具体工艺改进方式和PLC与PLC之间、PLC与人机界面之间的高速数据传输技术。致谢本毕业论文得到了指导老师的大力支持。他不仅给我们提供了优雅的学习环境和先进的工作设备，而且他在百忙当中抽出大量时间和精力给我细心的指导