神华黄骅港煤码头中央控制系统设计及实现_图文

1、神华黄骅港煤码头中央控制系统设计及实现乔朝起(大连理工大学系统工程研究所 , 辽宁 大连 116024摘要 :神 华黄骅港煤码头是自动化程度要求很高的专业性码头 , 也是第一 个由国内总承包、系统集成的大型煤 炭装卸港口工程。文章从其控制中枢 中央控制系统着眼 , 对整个控制系 统的硬件、软件方面的设计如何满足 工艺系统的总体要求进行了阐述 , 并对设计中的难点 、重点进 行了分析。关键词 :神华黄骅港 ; 煤码头 ; 中央控制系统 ; 软件 ; 硬件中图分类号 :T P 271. 5文献标识码 :A 文章编号 :1003-3688(2004 05-0020-05Design and Real

2、ization of Central Control System forShenhua Coal Terminal in Huanghua PortQIAO Chao-qi(System Eng ineering Instit ute o f Dalian U niv ersit y o f T echno lo gy andEngineer ing , Dalian 116024, ChinaAbstract :Shenhua Coal T er minal in Huang hua Po rt is a pro fessional ter minal demanding high aut

3、omat icity and also the fir st lar ge sy st em -integ rat ed coal-handling term inal that w as built by domestic fir ms as t he g eneral co ntra cto r. Star ting for m the contr ol pivo t of the ter minal-centr al co nt ro l system , the paper ex po unds how the desig ns of the hardw are and so ftw

4、are of the o ver all co nt ro l sy stem w er e made t o meet t he gener al r equir ement s of the techno log ical sy st em and also analyzes t he difficulties and key issues encounter ed in the designs .Key words :Huanghua Po rt ; coal ter minal; centr al co nt ro l sy st em; soft war e; hardw are1工

5、艺系统概述神华黄骅港煤码头工程是国家 “ 九五” 计划重点 工程 建设项目 神华 集团神府煤炭出口 第一期系统工程的 重 要组成部分 , 是神府煤出口境内外的门户。 在十五大时 被中 央定为跨世纪建设的煤炭出口大港。黄骅 港位于河北 省沧州 市以东 约 90km 的渤海 之滨 , 漳卫新河与宣 惠河交汇的大口河 以北海域 , 是我国西煤 东 运的第二条大通道的出海口。 工程分三期进行 , 一期工 程建 设 规模 为 1个 3. 5万 吨级 和 2个 5万吨 级肥 大 型装 船 泊 位 , 完成后年吞吐量为 3000万 t , 二期达到 6000万 t, 远 期将达到 1亿 t 。 这样一 个大

6、港 , 需要有 稳定可靠、 高 度自 动化的先进的控制系统和高可用性、 高扩展性、 安全可 靠的 计算机信息管理系统的支持。目前 , 一期工程已经投产运行 42个 月 , 完成煤炭 吞吐 总量为 7600万吨 ; 现在进行的二期工程也正在重载试车、 性能考核阶段。如此大型散货装卸码头由国内总 承包、自收稿日期 :2004-09-07作者简介 :乔朝起 (1970- , 女 , 硕士研究生 , 高级工程师 , 工 主设计 , 在本行业尚不多见。 本文就神华黄骅港二期中央控 制系统的设计和实现 给予阐述 , 以期与同行 进行交流和共 勉。神华黄骅港二期煤码头装卸设备共计 20条皮带机 , 总 长约

7、 15km ; 堆场单 机 8台 , 其中 4400t /h 堆料机 3台 , 6000t /h 取料机 3台 , 另外 2台为 3000t/h 混煤用的取料 机 ; 3台 6000t /h 装船机 , 3套 4400t/h 翻车机系统。 系统工艺流程为 36个 , 其中翻堆作业流程 10个 , 取装 作业流程 18个 , 混煤作业 8个流程。为适应环保要求 , 系 统在皮带机每个落 料转接点处设 计安装了共计 14套干式除尘器 , 用来抑制扬尘 ; 此外 , 系 统还有独立的洒水除 尘系统 , 主要用于翻车 机系统及堆场 的洒水抑 尘 , 堆场共计 安装喷枪 300套 , 各单机 供水槽 7

8、套。依据工艺需求 , 神华 黄骅港二期煤码头 中央控制系统 将负责完成 20条皮带机及其 附属设备单体控制、与 14台 大型装卸设备和信息管理 系统的数据交换及 港口所有工艺 设备的共计 36个流程运转控制。 下面就中央控制系统设计2004年 10月第 5期总第 132期 中国港湾建设China Harbour EngineeringO ct. , 2004 T ota l 132, N o. 52中央控制系统网络拓扑结构中央控制系统 (以下简 称 “ 中控系统” 作为神华 黄骅 港二期煤码头 控制系统中枢 , 除主要 负责皮带机及其附 属 设备的运转、与各单机信息交换、工艺流程的顺序起停外

9、, 同时作为控制 系统与信息管理系 统信息交换的桥梁 , 它 将 各个生产设备的运行状况、 运转时间、 装卸作业量、 堆 场堆 存情况等基础 信息上传给信息管 理系统 , 同时根据信息 管理系统下达的作业指令 , 控制各个工艺流程的起停作业。 系统主要包 括与生产管理系统 连接的 Ether net , 网络 通讯速率为 100M /10M bps ; 与各 I /O 站、各 单机通讯连接的 Contr olN et , 网络通讯速率为 5M bps ; 分布在现场的 I /O 站点采用 RI /O (Allen-Br adely 公司设备网络结构 通 讯 , 速率为 57. 6bps, 参见

10、图 1 。图 1中央控制系统网络拓扑图 本工程控 制系统主 要采用 美国 R ockWell 公 司的新 一 代的 P L C (可编程逻辑控制器 A BL o gix5555, 通过 5M bps 带宽的 Co nt ro lN et 网络实现 中控系统与 网段中各 节 点的数据交换。控制网分 布在中控室的主网 段拓扑结构为总线型 , 网 络通讯介质为 R G6同轴电缆。各网段间拓扑结构为星形结 构 , 网络通讯介质为多模光缆。 这种星形结构满足了高 可靠 性工艺要求 , 即任何 1套独立的 PL C 控制单体系统与 中央 控制系统的通 讯中断 , 不会影响到系 统其它设备的正常 运 行。控

11、制 网上的 每台设 备都有 其唯 一的标 识 节 点号 , 由中控 P LC 系统作为管理者 , 与各单体设备进行 I/O 扫描 和信息传递 , 从而 实现整个装卸工艺 设备根据下达的作 业 指令进行运转。3中央控制系统的设计功能中控系统设计实现了以下主要功能 :来监控各执行机构动作。(2 被控设备具备三种工作方 式 :“ 机侧”控制、中控 室集中 “ 手动”和 “ 自动” 。设备的就地操作箱设有 “ 机侧 /远程” 位置转换开关。 机 侧位置 , 设备可以脱离 P LC 系统而单独运转 , 且不加入流 程联锁 ; 远程状 态 , 由 PL C 控制 , 中控系统操作员可以在 两种控制方式下选

12、择 “ 手动”或 “ 自动” , 按工艺流程的顺 序起停设备。 通常情况下 , 机侧操作仅作为设备调试 、 维修 时使用 , 正常生产应采用 “ 自动”或 “ 手动”作业方式。(3 满足 36个工艺流程的控制要求 , 操作员选择对应 的流程号后 , 流程中涉及到的设备按 逆煤流顺序起动、 顺煤 流顺序停止的原则参与流程 ; 允许多 个流程同时运转 ; 流程 起动后 , “ 手动 /自动” 操作方式的转换 , 不影响整个流程的 运行 , 即自动 方式下起动的流程 , 可以 通过手动方式停止 , 手动起动的流程 , 也可以通过自动方 式停止 , 这种设计方式 可以方便操作员进行 运行流程间的转换

13、, 即 如果要转换的 , 21 2004年第 5期 乔朝起 :神华黄 骅港煤码头中央控 制系统设计及实现 式停止其它不需要的设备 , 起动其它新加入的设备 , 缩 短转 换时间 , 节约能源。(4 负责与各单机 PL C 信息交换。 由于 5M bps 通 讯带 宽的应用 , 信息交换内容可以极大扩充。单机的行走位置、 俯仰角度、 回转角度、 故障代码、 运行时间等信息传递 给中 控系统 , 中控系统综合处理各单机信息后 , 向各单机发 送起 动 /停止命令、 移舱 /移堆指示、 作业位置、 作业量等 , 同时 比较计算各单机行走位置、 回转角度等数值 , 向单机发 碰撞 报警及碰撞急停命令。

14、(5 负责与翻车机系统 PL C 信息交换 。 翻车机 PL C 系 统提供作业状态、车节数、 已翻车节数、 故障状态、 洒 水请 求等信息 ; 中控系统向翻车机发送可以给料指令、 下游 皮带 运行信号、皮带秤瞬时流量、累积量等信号。(6 负责与洒 水除尘 PL C 系统信息交换。中控系 统向 洒水除尘系统传送堆场大机位置、 堆场垛位堆存量、 翻 车机 洒水请求、码头供水槽给水电动阀开闭、液位高低等信息 , 洒水除尘控制系统 根据上述数据决定 堆场洒水各组喷枪 的 起动、 低压供水系统的开启、 码头供水槽电动阀的打开 或关 闭等。(7 与各单机、 翻车机系统的硬联锁连接。 为防止 光缆 通讯中

15、断后 , 各设备仍然可以依据工艺流程生产作业 , 中控 系统提供与上 述设备的硬联锁通 讯方式 , 即通过控制电 缆 连接传递数字 量信息 , 保证满足工艺 流程能够顺序起停 的 基本要求。(8 与商检取制样系统的硬联锁连接。 中控系统提 供被 取样皮带机运行、故障、 料流、 皮带秤累积量、 瞬时量 等信 号 , 商检取制样系统提供采样机运行、故障等信号。 (9 负责采集安装在皮带机系统上的各皮带秤的信号 , 包括瞬时量和累积量。(10 向信息管理系统提供 各设备的作业时间、 故 障情 况、装卸作业量、堆场堆存量等。 M I S (计算机信息管 理系 统 向中控系统提供装卸盈亏、堆场盘清等数据

16、。4中央控制系统硬件组成中控系 统硬件主要包 括 2套互为 备份的主机 机架 , 10个远程 I /O 站 , 6台监控工作站。2套 主机 机架 配置 完全 相同 , 都 包括 2个 1756-CN B Contr olN et 通 讯 模 块 , 1个 1757-SRM 冗 余 模 块 和 1个 L og ix 5555PL C 处 理器。 当 1台 PL C 处理器出现故障后 , 系 统 可以自 动切换 到另 1台 P L C 运 行。冗余 机架上 的 2个 1756-CN B 模块 , 1个负 责与其它 PL C 处 理器间 的通讯 连 接 , 1个负责与 10个远程 I /O 站的通讯

17、连接。10个远程 I /O 站负责采集现场皮带机驱动装置、各种 保护装置、 附属设备的信号 , 每条皮带机都配有拉线急 停开 关、 跑偏开关、 纵向防 撕裂开关、 皮带打滑开关、 料流开关、 溜槽堵塞开关、 液力耦合器防喷开关、 制动器打开限位、 翻 板位置限位开关等 , 这些保护、 位置检测装置的状态通 过数 字量输入模块传输给 P L C, PL C 根据编制的程序来确 定被 , 输出模块输出信号至 M CC 柜 (电机控制中心 来控制设备 运转。为防止干扰信号及控制回路一相接地 , 现场保护装置、 位置检测装置信号通过 DC110V 控制电压经 继电器隔离后 由 1756-IB 16模块

18、传递给 PL C , P L C 发送的指令通过 1756-O B16I 经 继电器隔离 后发送 给执行 结构的 M CC 或 通过控 制网传送给各单体 PL C 系统。皮带秤的瞬时流量和累积量 信 号 经 1756-DHRI O 遵 循 远 程 RI /O 通 讯 协 议 传 送 给 P L C 。5中央控制系统软件组成控制功能的实现 除有硬件结构平台 保证外 , 还需要有 应用软 件的 支持 和 设计 者依 据工 艺要 求对 应用 程序 的开 发。我们在中控系统配置开发了如下系统 :(1 P L C 程序利用 R SL og ix 5000编程软件 , 采用梯形图编程语言 , 开 发编制中

19、控系统 PL C 程序 , 它是实现整个控制功能的最核 心部件 , 是监控组态软件 操作员终 端程序开发的基础。 (2 操作员终端程序利用 RSV iew 32Wo r ks 平台开发操作员 终端人机交换 接口 HM I 的程序。 通过该软件 , 建立与 PL C 程序间对 应的标签数据库 , 组态报警 , 组态事件 , 创建图形 , 组态图 形的各种属性等。开发完成的软件 运行在中控室的监 控终端 , 可以直观 地监控设备的运行状 况 , 智能化的人机交互 界面简化了传 统方式下大量使用的 按钮及信号指示 , 操作 员只要鼠标轻 轻一点 , 就可以控制 36个作业流程的起停 , 设备的运行信

20、 号、 故障状态全部显示在监控主机上 , 可以即时对设备进行 调整维护。监控程序由 50多个界面组成 , 各 界面可以互相跳 转。 主要包括流程选择主画面、控制主画面、 20条皮带机及其 附属装置运转状态、 各单机工作状态 等。 通过画面上不同颜 色和实时数据显示设备的不同状态和工况 (见图 24 。 (3 控制网络组态配置程序它是保证整个 Contr olN et 网络正常运行的关键 , 是组 态网络各种参数的重要工具 , 包括网络更新时间 N U T , 最 大确定性节点地址、 非确定性节点地 址 , 网络介质分配情况 等。 只有正确组 态网络各参数以及中控 P L C 与其他 PL C

21、系 统的数据传输的方式 , 才 能保证整个控制系 统稳定可靠的 工作。另外 , 正确设定网络更新时间 N U T 和包传送周期 RP I 之间的参数比和各智 能模块之间的数据链 路关系 , 也是保 证系统稳定、可靠运行的关键。本 系 统 采 用 了 两 种 开 发 工 具 :RSNetw orx for DeviceNet , R SNet wo rx fo r Co ntr o lN et.(4 工控数据和生产数据源的连接 开发及报表 系统程 序22 中国港湾建设 2004年第 5期 图 2 工艺流程选择主画面图 3 单条皮带机监控画面图 4单机监控画面的一个新的趋 势 , 港口控制的自动化

22、 和管理模式的信息 化 要求二 者之间能够进行无 介入传送。本工程通 过 RSsql 软 件 平台 顺利地 实现 了二者 之间 的桥 接 , 并利 用 M icro soft A 生成作业报表。6中央控制系统设计的重点和难点中控系统是整个 煤码头装卸工艺系 统的指挥中心 , 因 此中控系统的设计除了保 证实现控制皮带机 系统内的监控 设备 外 , 同 样重 要的 是要 实现 与各 装卸 设备 的网 络 通讯 信息共享。结合设计和调试经验 , 有如下几点 :(1 线路设计从抗干扰及防故 障角度出发 , 控制回路 最好选用直流 电源 , 如果是现场分散式 I/O 设计或控制距 离较短可以采 用 D

23、C24V , 如果是相对集中控制 , 如 I /O 设备集中布置在 各变电所内 , 为防止 线路过长引起的电 压衰减 , 建议采用 D C110V 。采用现场分散式 I /O 还 是控制室 集中式 I /O , 也要进行认真斟酌。 前者节约线缆 , 但由于 I/O 设 备放置现场 , 对 控制箱体的防护等级 有较高的要求 ; 后者电 缆的耗费量增 大 , 但放置室内 , 且处理故 障相应集中。 因此两种方案 , 各 有利弊 , 设计者要综合考虑。(2 冗余系统对于本系统采用的 Contr olL og ix 冗余系统 , 要注意 :a 两个冗余机架除配置主处理器模块 1756-Lo gix 5

24、555, 控制网通讯模块 1756-CN B, 冗余模块 1756-SRM 外 , 不要 配置其它模块 , 以态网模块 1756-EN BT 要放置在远程机架 内。b 硬件 F ir mw are 版本要进行 更新 , 保证和冗 余系统 匹配。系统软件版本也要保证一致。c 节点号的分配上要把远程 I/O 设置在前面 , 这样可 以保证系统切换时各 系统连接正常执行 , 同 时防止整个系 统掉电重新运行后 , 不会丢失网络的 配置信息 , 保证系统快速投入运行。d 冗余机架上的 1756-CN B 节点号的配置要相同。如 本系统 中 2个机架中的 1756-CN B 指定节点号均为 24, 26

25、, 系统运行后主机架节点后将显示为 24, 26, 而后备机架则自 动识别为 25, 27。(3 与第三方产品的匹配a 与 R AM SEY 皮带秤的通讯连接本系统地面皮带机配置 6套 R AM SEY 公司的皮带秤 , 要求采集流量及累积量信号 , 考虑到 线路较长 , 且信号源为 电流环和快速通断的吨 /脉冲信号 , 因此采用了在皮带秤集 算 器中 安装 RI /O 适配 器模 板 , 在 控制 室 端配 置 1756-D HR IO , 通过 R I /O 通讯协议来实现二 者之间的通讯连接 , 皮带秤集算器的数据包括 流量和累积量可全 部编程设定读 入到 PL C 。要注意到该 RI/

26、O 模板采用 1/4RA CK 寻址方式 , 且起 始地址为 1而不是 0; 程序采用 M SG 的块读写命令时对应 的 R ACK 、 G RO U P 、 SL O T 一定要和现场端的设定统一 , 否 则通讯建立不起来。b 与安川 PL C CP 315的通讯实现堆场单 机系统 中 2台 3000t/h 的斗 轮取料 机采 用的 23 2004年第 5期 乔朝起 :神华黄 骅港煤码头中央控 制系统设计及实现 系统增加了一套 CP 215和一块 1756-D NB, 由 CP 215作 为 桥接 , 一面通过 安川自身通讯协议 与上述 2台取料机进 行 通讯连接 , 一面通过 Dev ic

27、eNet 与中控系统 PL C 通讯 , 从而 实现了不同 P L C 产品之间的通讯。设计 中要注意 D eviceN et 的线路连 接一定要 在末端 加 入 终 端 电 阻 和 D C24V 的 电 源 激 励 , 中 控 系 统 要 通 过 RSN etw or x for Dev iceN et 组 态 软 件 读 取 安 川 CP 215的 EDS 文档 , 对其进 行识别 , 并 配置输入、 输 出映射字段。 同 时在中 控的程序编制中 , 要 通过软件实 现对 1756-D NB 发 布 运行命 令 , 而且应 考虑到中 控端采 用的是 32位 数据 格 式 , 而安川 P L

28、C 内部数据格式为 16位 , 要对二者进行 编程 转换。(4 语音警示系统流程启 动、皮带启动的广 播信号通过 RSV iew 32中 的 事件触发功能进行编程实现 , 外部回路采用 HM I 工控 机的 音频输出与广播系统的功放连接 , 简单可靠 , 省却了以 往模 式中外挂的语音模块。7结束语在神华黄 骅港煤码头控制及 管理系统的设计中 , 我 们 吸取了以往同 类型港口控制方面 好的理念 , 弥补了一些 方 面的欠缺 , 同时引进工控领域新的技术和产品 , 使黄骅 港煤 码头控制系统成为我国目前最先进的煤 炭装卸系统。 (1 P LC 系统 I /O 寻址能力提高 , 可扩充性增强。

29、中央 控制 系统 P L C 采 用美国罗 可韦尔 公司 的新一 代的 可编 程 控制器 Co ntro lLo gix 系统 , 寻址 最多可达 128000个数 字 量 I /O ; 模块化的通讯设 计解决了 多种通讯方 式并存的 问 题 , 可以同时在 Et hernet, Contr olN et, DeviceN et , D H+和 普通的 Remo te I/O 链路之间 进行通讯。而传统的 P L C 通 讯方式内置于处理器内 , 当你选定一种 P LC 处理器时 , 意 味着你的通讯方式也将 是不可改变的。这充分 满足了神华 黄骅港煤码头的可扩充性、增容性的需要。(2 工控网络传送 速率达 5M bps, 系统性能得 到整体 提高。 Contr olN et 控制网络的应用 , 极大地提高了网络的吞 吐量 ; 生产者 /客户网络模式保证了对时间有苛求要求的控 制信息的及时传递 , 避免了 将以太