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工业以太网港口生产辅助控制系统

2019/09/23 阅读:

摘要:设计以西门子Profinet协议为基础的工业以太网通信控制平台,实现工业以太网连接港口设备设施,以及生产辅助设备设施的远程集中控制和对现场大部分运行设备的数据实时采集。该系统的应用可降低劳动强度和生产能耗,提高港口设备设施的管理水平,为港口数字化和智能化的转型发展奠定基础。

关键词:工业以太网;远程集中控制;泛在连接;数据采集

1引言

随着绿色智慧港口建设的发展,迫切需要对现场原基础自动化控制系统进行改造和升级。除装船机、卸船机、堆取料机、皮带输送机等主生产设备外,还应该对环保设备(除尘器、抑尘喷雾装置等)、照明设施(高杆灯、通廊灯等)、给排水设施、消防设施等生产辅助设备设施实现远程集中智能控制;同时也需要实现工业互联网边缘采集层采集大量数据信息的要求(设备的温度、振动、电流等信息)[1]。目前,扬州某港口已建成一套生产辅助控制系统,实现了现场大部分生产辅助设备的远程集中控制,初步完成了以泛在连接和数据采集为特征的工业互联网边缘级的建立。

2系统设计

2.1系统的目的和特点

生产辅助控制系统按照总体配齐、预留扩展的原则进行设计。在设计时充分考虑其成熟性、兼容性、开放性。主要具有3个特点。(1)实现现场各分散的单体除尘器、喷洒系统、照明等生产辅助配套设施的自动化远程控制功能;满足全区域所有设备的各种安全状态、过程状态等数据在线采集和检测,从而保证设备的连续稳定运行和进一步智能化的提升。(2)系统的所有供配电、电气自动化(电气、仪表、计算机)、计量、通讯、监控等设备选用技术成熟、性能可靠的产品,原则上选型与原工控系统保持一致,尽量保证其备件的通用和互换性。(3)在系统结构上采用开放式的结构,具有较大的灵活性和可扩展性;采用以太网通信方式,网络设计成环网的拓扑形式,保证系统通信的持续稳定性。

2.2系统的结构和原理

生产辅助控制系统的操作包括:程序联动操作(HMI自动操作方式)、集中手动联锁和解锁操作(HMI手动操作方式)、机旁手动操作(现场操作)。通过各分散的工业以太网交换机以及有线和无线通信介质实现现场设备数据的实时在线采集,具体结构形式见图1。

2.2.1生产辅助控制系统主站系统主站设置在工程师室内,根据程序容量和运行速度的要求,同时考虑到与原工控系统保持一致性,系统主站采用了S7-400系列模块,配置2块CP443-1(6GK7443-1EX20-0XE0)通信处理模块,实现以工业以太网形式与2个网段的实时通讯,其中一个通讯处理模块用于生产辅助系统各站点之间的通信,另一个通讯处理模块则用于与原工控14系统的通信。

2.2.2生产辅助控制系统分站在区域内的13个输送流程转运站旁边或其内部各新建1个电气室,除将各转运站单体除尘器的电气控制系统移入电气室外,还分别在各转运站的电气室内设置1个PLC分站控制柜,另在原料场的东侧和西侧电气室以及码头电气室也各设置1个分站。各分站PLC除配置必要的S7-300系列的DI、AI、DO模块外,接口模块采用了支持Profinet现场总线通信的ET200M模块(6ES7153-4AA00-0XB0)。在16个分站控制柜中分别配置了1台cis-co工业以太网交换机(IE-3000-8TC),分别实现与PLC分站、相应的单体除尘器控制系统和抑尘喷洒水系统等的通信。考虑到各分站和主站之间的距离较长,所有控制站之间的通信讯介质均采用单模光纤传送,且按照环网拓扑形式进行连接

2.2.3集中控制和维护开发平台在工程师室内配置1台主服务器(I/OSERV-ER)和1台主交换机,系统网段内设备均通过主交换机与主服务器、EWS工程师站进行连接;在主控制室内配置2台操作员站,也与主交换机进行网络连接,实现C/S分布结构模式,从而提高设备的利用率。PLC系统主站通过其通信处理模块与主交换机、主服务器(I/OSERVER)进行通信,且上层网络所需的数据全部可通过主服务器进行提取。主服务器(I/OSERVER)采用3网卡形式,其中工业以太网卡(2块)用于同基础控制级的以太网连接,且预留向上层网络、其他终端设备、服务器等提供数据通信的功能。

2.3系统功能设计

生产辅助控制系统直接面向生产过程,完成各辅助设施的远程自动化控制,提高其安全性并降低劳动强度;完成生产辅助设备设施操作运行所需要的各种数据的采集和设定,实现设备状态监视、故障报警显示、故障分析诊断等功能,主要包括以下功能。

2.3.1人机界面(HMI)主要功能HMI画面采用WINCCV7.3组态软件平台进行开发,实现上位机与辅助系统内每一台PLCCPU的实时通讯。因除尘器等辅助设备的控制系统部分采用了CPU315-2PN/DP型CPU,而另一部分采用了小型的S7-200smartPLC,所以在与上位机进行通信时分别建立了TCP/IP通道和OPC通道,且分别进行数据库存储区间数据的映射。其主要功能为:①控制系统总体及局部的工作状态显示;②主要设备过程的设备操作及故障处理记录;③过程控制的数据处理及趋势图显示;④系统故障及报警信号的显示、记录及打印[2-3]。

2.3.2单体除尘器和喷洒水设备的远程集中控制功能对原13套单体除尘器和3套喷洒抑尘装置的控制系统进行改造,使其具有以太网通信功能并兼容生产辅助控制系统,从而实现现场单机控制和主控室集中控制功能。每一台除尘器控制系统与上位机进行信息交换,主要包括如下内容:①设备故障信息;②设备状态(包括电流、电压等)信息;③命令信号(机旁/远程、启动、停止、急停、连锁/解锁);④计量能耗以及流量压力等信息。

2.3.3照明和给排水的远程集中控制功能以每个转运站为单位,各设置1套照明/换气装置控制箱,并将每套照明/换气装置控制箱与相应转运站的PLC分站连接。为保证功能质量和安全,控制箱采用了分组设计的方式。每一套控制箱设计6组回路,并按照功率的大小平均分配到每一相。照明/换气装置控制箱控制了通廊灯、转运站内灯、高杆灯等所有照明,以及设备现场的通风换气装置。对污水泵、强排泵、增压泵等的控制箱进行改造,使其具有就地/远程控制的功能,以就近的原则,将水泵控制箱与最近的转运站PLC分站相连接。PLC分站采集控制箱的控制和状态信号(包括开关、接触器反馈、水泵的浮球和压力等信息),并通过PLC输出中继控制相应的接触器,从而实现照明、换气装置、水泵等设备的现场手动控制和远程集中控制。图2为码头1号转运站照明/换气装置控制箱的设计。

2.3.4对设备设施进行监控报警的功能原工控系统必须保证生产流程的连续不间断运转,其PLC容量不足很难进行二次再开发,所以利用生产辅助控制系统的第二块通信处理模块与原工控系统进行通信连接,将原工控系统的设备运行数据发送映射至辅助系统的相应数据块,在辅助系统的PLC和上位机上进行二次开发。实现了各皮带机主电机电压、电流、温度等在线实时采集,并形成趋势监测,同时对采集的数据利用PLC程序和组态脚本进行简单的过滤和分析,例如皮带输送机驱动电机的运行数据分析包括:①通过温度和电流阙值比较,实现过载预警和报警;②对单皮带机多驱动电机的电流进行比较,提早发现因液力耦合器故障等原因造成的出力不均问题。该系统还实现了对现场所用转运站、电气室、空压机室等的火灾和温湿度的检测,从而实现有效的预警和报警功能,保证了现场设施的安全性。

3功能的进一步延伸和扩展

对于数字化、智慧化港口的建设,将主要分成3个步骤去实现:①最大限度地实现数字化,通过传感器技术将复杂的设备设施信息转化为可度量的数字;②最大可能地实现一体化,通过网络信息技术将各种实物、数据等连接起来,进行通信和数据的交换;③最大可能地进行数据的加工处理分析,通过计算机技术实现数据的“增值”,从而实现对现实事物的帮助或者控制。生产辅助控制系统作为基础环节,目前已完成了初步的建立工作,对于范围和功能还需要进一步进行延伸和扩展。(1)提升通信功能,扩大网络的覆盖范围。由于散货堆场码头的区域较大,设备设施较为分散,考虑其特性,生产辅助控制系统规划采用有线通信和无线通信相结合的通信网络。在主干网络中采用有线通信,在分散的小终端和移动设备上采用无线通信。有线通信主要采用光纤通信方式,而无线通信主要有2种:一种是用在港口移动设备(卸船机、装船机、堆取料机)上的无线网桥技术,另一种是采用GPRS通信技术将区域内分散的仪表、传感器等连入网络。(2)提升采集能力,完善提高数据采集层。最大限度地实现和规划港区内数字化和传感器技术的投用。除了加大温度、振动、压力等传感器设备的投用外,针对港口皮带机设备保护的需要,引进了皮带机激光扫测和X光探测防撕裂设备。大量的传感技术的投用,对完善和提高数据的采集能力和规模,起到了极大的推动作用。(3)建立上层大数据服务平台,优化生产营运管理。随着“信息化、系统化、精益化”目标计划的推进,从港口设备管理角度出发,实现现场设备状态监测和在线诊断的功能,对设备的智能远程运维和健康状态进行大数据管理。通过大数据服务平台建设,对港口的各种数据信息进行系统整合,共享、交换、增值数据信息,将极大提高港口的生产和管理效率。

4结语

生产辅助控制系统实现了港口设备设施的连接,并在此基础上进行了初步的开发,经过近半年的使用,极大地降低了劳动强度和生产的能耗。随着系统范围和功能的进一步扩展和延伸,将会进一步优化港口生产流程,提升港口设备设施管理模式。

参考文献

[1]陈雪峰,訾艳阳.智能运维与健康管理[M].北京:机械工业出版社,2018.

[2]陆青,方立,吴海然,等.港口起重机健康保障系统的研究与应用[J].起重运输机械,2018(3):69-75.

[3]贺贯举,吕崇晓,石凤杰.基于WINCC的港口智能照明控制系统设计[J].港口装卸,2018(5):6-8.

作者:华杰 贺战 单位:扬州泰富港务有限公司

工业以太网港口生产辅助控制系统

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