一種基于PLC的現場總線控制器的 港口控制系統優化

鄭凜然

中交第二航務工程勘察設計院有限公司

1 引言

常規散貨港口設計項目中，工作人員基本都集中在陸域的辦公區，且輸運控制系統的設備控制點不多，因此在散貨港口項目的控制系統設計中，采用一般的PLC集中控制方案即可滿足要求。

在第三世界國家的海外港口設計中，其設計基礎條件較差，現場情況較為惡劣，在很多情況下僅使用PLC控制系統已無法滿足設計要求。具有現場智能化控制功能的現場總線控制器可以結合PLC系統使用，將控制層與設備層更加完美地結合在一起，有著更高的適用性和可靠性。

2 項目概況

孟加拉某電廠電站機組配套的燃煤儲運基地項目位于孟加拉國Rabnabad河西側河岸，工程主要控制對象有輸運皮帶機8條(共計約4 200 m)、卸船機4臺、除鐵器2臺、除塵器6臺、電子皮帶秤校驗裝置2套、轉運站噴霧抑塵裝置6套及工程電氣系統。項目平面布置見圖1。

圖1 項目平面布置圖

3 PLC控制系統在散貨港口中的問題分析

3.1 PLC設計方案

常規控制系統基于PLC設計，根據項目特點，控制系統平面布置見圖2。

圖2 控制平面示意圖

系統在主建筑區域設置1套PLC主站，在3個分散區域各設1套I/O站，I/O站距離主站平均距離較長且交通不便，現場設備采用單點并聯的方式，通過硬接線與就近的I/O站或者主站單對單連接[1]。控制網絡系統結構見圖3。

3.2 設計方案存在的問題

3.2.1 系統穩定性

PLC系統采用集中控制，控制單元布置在中央控制室。該項目設置了1個PLC站和3個IO站，整個散貨港口的裝卸管理流程都在辦公區的PLC主站完成，遠程IO站不在辦公區且交通不便，若某一區域的系統網絡出現故障，且該區域沒有長期值守的工作人員及時去檢修，整個港口的輸運系統都會依次發生聯鎖停機，直到系統修復或者完成檢修才能恢復輸運控制功能，對港口的生產效率會造成較大的影響。

3.2.2 系統兼容性

大型項目中PLC一般采用國際品牌產品，多數國際品牌公司都有自己的專用通信協議，例如Rockwell AB公司的DF1協議，GE的FNP協議，西門子的MPI協議，施耐德的MODBUS協議，選定產品品牌后只能采用該品牌對應的通信模塊與現場設備進行信息交互。若現場設備通信模塊出現故障，只能找產品供應商進行售后維修替換，在交通和信息落后的國家，設備的維護和更換往往要付出不小的成本。

3.2.3 施工成本

PLC采用單點并聯的設備儀表接線方式，項目中儀表點分散且距離較長，電纜使用量很大，且橋架敷設利用率不大。

圖3 PLC網絡系統圖

4 現場總線控制器在PLC控制系統中的應用

4.1 現場總線控制器方案設計

現場總線控制器基于PLC的現場總線整體控制方案，基本設計理念為采用成熟、標準、開放的全分布式的總線控制體系，將被控對象的I/O信號就近接入轉化為數字信號，并通過現場總線傳輸至輸煤總線控制系統。為此，在每臺設備旁邊就近設置帶現場總線功能的基地式智能控制器，基地式智能控制器除具備I/O采集功能外，還具備冗余的工業級標準現場總線通訊接口。每臺基地式智能控制器可向程控室提供更多的輸入信息和智能化判斷功能，系統具有自擴展能力。

根據項目特點，控制系統平面布置見圖4。

圖4 控制平面示意圖

4.2 現場總線控制器方案系統結構

輸煤控制系統采用現場總線技術對整個輸煤系統中的設備進行數據采集和控制，通過上位計算機對系統設備發出控制命令，同時各設備的運行狀態信息在上位機LED上直觀、動態地顯示。輸煤控制系統采用3層網絡結構，即站控層、區域控制層和現場設備控制層[2]。

站控層，主要是實現輸煤程控主站與上位機監控系統、全廠DCS系統的連接，采用以太網網絡架構，在輸煤綜合樓設置操作員站。

區域控制層，采用PROFINET工業以太網環網，通過光纖實現區域網絡智能控制器與程控室CPU之間的通訊。

區域控制層，根據工藝系統的設備布置及流程將輸煤系統劃分為多個相對獨立的控制區域，每個區域設1個或多個區域網絡智能控制器。

區域控制層之間、區域控制層與站控層之間采用PROFINET工業以太網環網通訊，介質采用光纖，通訊速率最大可達100 Mbps。

現場設備控制層，從就地測控裝置到各具體被控設備之間的連接，屬現場設備控制層，此層采用冗余的PROFIBUS-DP現場總線產品。

系統在主建筑區設1套控制總站，以皮帶機為單位將控制區域分成8個部分，各控制區域分別設1臺區域控制器，區域控制器通過光纖以環形冗余的方式接至控制總站。各現場設備需配置智能現場控制器，智能現場控制器通過總線以多點串聯的方式與就近的區域控制站連接，控制網絡系統結構見圖5。

圖5 現場總線網絡系統結構

4.3 現場總線控制器對PLC系統的優化成果

4.3.1 系統穩定性

SSPCU2630盤裝式智能控制器的處理器采用先進架構CORTEX內核的ARM芯片32位的RISC處理器，專門面向數字信號處理(DSC)和高級微控制器(MCU)應用的處理器，具有高效率的信號處理能力，同時還有低功耗、低成本、簡單易用等特點。可移植構架雙處理器系統，IO處理器和通信處理器之間分工協同工作。控制器以雙實時操作系統模式運行，2個處理器的內存采用虛擬重疊，實現上行和下行的數據同步。內核運行自主研制的集中控制和遠程就地控制自主轉換的智能控制模型，邏輯機實現IEC61131-3標準指令集，無縫融入控制系統功能。

若某一區域的系統網絡出現故障，現場總線智能控制器可以自動獨立接管現場設備的流程控制和管理，可以有效減少因為系統故障導致的生產損失。

4.3.2 系統兼容性

SSPCU1612(1618)控制器可實現對8路的數字量輸入信號的處理、4路的數字量輸出信號的處理。模擬量通道按需配置，與區域網絡智能控制器的通信和數據交換采用PROFIBUS-DP通信協議。

PROFIBUS通信協議作為業界應用最廣泛的現場總線通信協議，不依賴于設備生產商的現場總線標準。若設備通信模塊出現故障，可以就近購買相關滿足要求的儀表設備既可以進行維護和更換，降低了后期的維護難度和成本。

4.3.3 施工成本

現場總線控制器方案系統不同于PLC系統的控制層與設備之間必須通過單對單的硬接線連接，而是采用多點串聯的總線連接。以皮帶機控制設備接線為例，1條皮帶機沿線設有多種保護開關，所有的保護開關需連接至設置在皮帶機頭部的控制箱。2種系統設計具體接線對比見圖6和圖7。

圖6 PLC系統皮帶機設備接線示意圖

圖7 現場總線控制系統皮帶機設備接線示意圖

假設皮帶機長度為1 km，若采用PLC單對單硬接線方式，控制線纜總長度約3 km(不含冗余)，而應用現場總線器的設計方式的總線控制線纜總長度約2 km(含冗余)。

具體工程量對比見表1。

表1 方案工程量對比表

在實際項目中應用現場總線控制器系統設計，不但減少了電纜使用量，提高了電纜橋架的利用率，還間接地減少了橋架敷設量，在一定程度上減小了施工難度，縮短了施工時間，節省了施工成本。

5 結語

通過本工程實例的設計方案優化，分析了PLC系統在非常規散貨港口設計中的局限性和存在的問題，提出了應用SSPCU系列現場總線控制器的方案設計并總結了其優化成果，確認了項目設計優化方案的可行性，可供相關專業設計人員參考。