基于FactoryTalk平臺的黃驊港煤中控系統改造

張延軍 崔樹輝 白棟材

（神華黃驊港務公司信息中心，河北省黃驊市，061113）

神華黃驊港務公司 （黃驊港）是國家大型能源企業集團——神華集團的重要組成部分，是北煤南運的第二大通道和出海口，是國家能源戰略規劃的重要組成部分。黃驊港煤炭碼頭工程目前分四期進行，一、二期工程設計年吞吐量各為3000萬t，后經擴建使一、二期吞吐能力達到7600 萬t。隨著2013年年底三期工程的成功投產，2013年黃驊港吞吐量達到了1.2億t規模；四期工程完成后，有望實現1.7～2 億t的產能。這樣一個煤炭大港，需要有穩定可靠、管理先進、高度自動化的先進的管控一體化系統的支撐來實現。它的安全平穩運行，對神華集團的整體效益，對緩解國內能源緊張、維護社會穩定、促進國民經濟的協調發展起著至關重要的作用。

為了更好地承接神華集團日益增長的煤炭吞吐量的要求，提升港口的自動化、智能化水平，進而打造 “數字化港口”的需要，神華黃驊港務公司提出了煤炭碼頭要實現管控一體化的總要求。為了能夠實現生產管控一體化系統，必須對煤碼頭一、二期控制系統進行升級改造，打造管控一體化控制系統基礎平臺，使之成為全港管控一體化系統的一個組成部分，從而為一、二期煤炭系統生產數據的自動化采集、調度指令的即時執行和管理系統各類報表及數據分析的形成打下堅實的基礎。通過與管理系統數據庫的無縫連接，并同三、四期工程一起，共同形成黃驊港生產操作、調度指揮、智能管理于一體的智能化管控一體化平臺，最終成為全港乃至神華集團信息化系統的重要組成部分。

1 主要工作內容

本項目主要包括以下內容：

（1）基于羅克韋爾自動化FactoryTalk平臺，對一、二期中央控制系統進行改造。根據羅克韋爾自動化三層網絡結構，合理規劃和布局控制系統網絡架構，將系統劃分成管理以太網層、控制網層和設備網層結構；架設交換機和服務器，創建管控網絡系統；優化并重新設計流程工藝，升級一、二期控制系統軟、硬件，重新編寫程序；實現基于FactoryTalk平臺的服務器／客戶端 （S／C）操作模式，人機界面更加親和，內容更加豐富，并實現監控界面的遠程發布。

（2）一、二期堆場堆、取料機 （以下簡稱單機）差分定位及防碰撞系統 （D-GPS定位系統）建設，包括一套基準站、40 套移動站和防碰撞應用軟件等。

（3）單機司機室操作終端息化改造，實現管控一體化系統計劃和指令的終端化。

本文重點對第一項內容進行闡述。

2 總體功能和結構

根據神華黃驊港管控一體化系統設計要求，一、二期控制系統改造分為中央控制系統改造、GPS定位及單機防碰撞系統建設、單機司機室操作終端信息化改造三個部分。本項目通過對中控控制程序、操作軟件以及一期單機以太網的全面改造實現了作業指令的實時下發、全自動流程啟停、作業數據的實時采集和上傳；通過在堆場單機上安裝GPS差分定位系統實時提供單機行走位置和大臂旋轉角度等數據，同時提供8m 范圍的防碰撞預警及停機保護等功能。本項目總體功能如下：

（1）全自動流程控制操作。

（2）流程連鎖和邏輯控制。

（3）故障診斷及報警，自動收集設備狀態數據并指示設備運行和設備故障狀態。

（4）實時數據采集和處理，并通過接口上傳至服務器數據庫。

（5）系統與各相關子系統的數據通信。

（6）接收管理信息系統的生產計劃與船舶、煤種等數據，并提供人工錄入接口。

（7）實現一期單機的以太網通訊，一、二期管控網絡的構建。

（8）堆場作業單機上安裝GPS 差分定位設備，為計算單機位置和大臂角度提供基礎數據。

（9）通過定位數據、編制程序，建立防碰撞系統，在兩單機相近時發出防碰撞報警，必要時急停單機動作。

（10）為單機司機室提供操作終端及大屏幕顯示設備。

本項目總體結構：

在原有環境基礎上，對一期大機進行以太網改造 （二期大機已實現以太網通訊）；構建基于FactoryTalk平臺的S／C 網絡架構；架設交換機和服務器，增強網絡的穩定性；上位機操作環境由原來的單機版改為SE 網絡版，提高了PLC 的運行效率和監控界面的穩定性和統一性；在控制以太網和管理以太網之間增加防火墻，使控制系統在安全環境下，能夠從管理系統獲取作業指令信息，同時將生產過程中自動采集的作業信息上傳到管理系統；在作業單機上部署管理以太網和客戶端，全過程顯示GPS定位數據和大機作業信息。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

3 一、二期控制系統改造

3.1 中央控制系統改造

中央控制系統改造是本項目的核心工作，通過對中央系統的改造，能夠實現作業指令的下發 （管理系統-＞控制系統）、作業數據的自動采集和上傳 （控制系統-＞管理系統），控制網絡的穩定架設、程序和上位機監控界面的編制和實現等，是實現管控一體化的基礎，主要包括：一、二期中央控制程序改造 （PLC 控制程序）、一、二期上位機操作系統監控界面 （HMI）改造和管控信息化等3個部分。

3.1.1 原中央控制系統的缺陷和弊端

黃驊港煤碼頭 （以煤一期為例）中央控制系統為ControlLogix 系統，現場各單機控制系統為羅克韋爾自動化早期產品PLC5-40C 和PLC5-80C。中央控制系統通過控制網網橋模塊 （1756-CNB）與1＃變電所控制室和3＃變電所控制室I／O 模塊機架相連，時時通信，相互之間傳輸的信息為對傳輸時間片要求較高的確定性信息。另外，現場各單機通過光纖以節點的形式，掛靠在系統總線上，與中央控制系統時時傳輸單機數據，如單機的行走位置、俯仰角度、回轉角度、故障報警及聯鎖控制信息等，同時也傳遞皮帶秤等信息。因現場有17臺單機，節點眾多，網絡結構很大。而一期中央控制系統建設在2001年，現場大量應用的是以PLC5為主體的控制系統。網絡結構也被設計成了單一的總線型控制網結構。控制網的帶寬僅有5Mb／s，對大量非確定性信息的傳輸以及報文數據的傳輸支持的不是很好，數據量大時會有數據擁塞現象發生，可引起瞬時斷網。更有甚者，也會累及整個機架的掉線，對生產影響極大。運用羅克韋爾自動化提供的處理器監控軟件Logix5000 Task Monitor Tool對處理器運行情況進行分析，可以非常清晰地看出處理器的各項工作指標已經處于非常高的負荷狀態，有的已經到達臨界狀態。

由參數performance項可見，physical memory使用率已接近100%的滿負荷狀態，如圖2 所示。 隨著港口吞吐量的增加，對中央控制網絡的穩定性要求也越來越高，不允許有大量的停機更新參數時間，對穩定性、可靠性的要求顯得日益突出。根據管控一體化的需要，必須對中央控制系統網絡重新構建和升級。

3.1.2 中央控制系統的升級改造

中央控制系統改造總體結構說明：

一期：I／O、實時服務器采用NEC 容錯服務器，安裝FactroyTalk SE Server（上位機操作服務器端軟件）和TranscationManager（數據采集接口軟件），該服務器通過100M 網線與工業以太網交換機連接，工業以太網交換機通過100M 網線與一期管控交換機 （Cisco 4503）連接，一期管控交換機通過網線與一期PLC 連接；通過光纖與二期的管控交換機 （Cisco 4503）連接；通過網線與管控防火墻連接。

圖2 Logix5000Task Monitor內存使用情況監測

二期：同一期基本相似。

一、二期中央控制系統結構如圖3所示。

圖3 一、二期中央控制系統結構圖

一、二期中央控制系統機柜布置如圖4所示。

中央控制系統網絡改造的實現：

（1）分層設計。依據羅克韋爾自動化經典的三層網絡結構，如圖5所示，將網絡結構規劃為三層。

最上層為信息交互層。中控監控站 （HMI）作為管理層和控制終端通過中控交換機掛靠在工業交換機上，同時，也為管控一體化系統的管理系統留有接口。數據之間通過以太網傳輸。

中間層為控制網絡層。中央控制系統處理器通過工業交換機與現場各單機進行組網，網絡結構形式為以太網。傳輸介質為光纖及網線，各介質之間用光電轉換模塊連接。中央控制系統處理器與各機架之間仍設計成控制網連接，各機架之間為同軸纜連接，1＃變電所和3＃變電所之間為光纖直連，為增加安全性，不進入工業交換機組成的網路傳輸。各單機由于當時采用的是PLC5C，為實現以太網通信，必須增加一塊以太網卡，1785-ENET模塊，由于此模塊必須緊鄰PLC5安插 （須與處理器直連），故各單機PLC程序需要進行必要的重新組態和更改。中央控制系統也需要重新組態和編程。

最下層為以繼電器和變頻器等設備及開關組成的設備網結構。黃驊港現場保護開關等每一個設備作為一個獨立的點，通過繼電器隔離后進入I／O模塊及PLC系統。

（2）分段組網。將整個網絡結構分成三段式結構。1＃變的1～6號機架和3＃變的1～5號機架獨立成兩段，但相對于整個網絡結構來說是一段，中間靠終端電阻終結；取料裝船線的所有單機（R0、1、2、3、4、10、SR）獨立成為一段；翻車及堆料線單機 （CD1、2、3、S1、2、3）獨立成為一段。如此設計的目的就是分化風險，增加可操作性和可維護性。

（3）遠程控制。因為整個網絡結構基本為工業以太網結構，根據管控一體化系統的要求，合理規劃各節點的ip地址，使網絡及單機的遠程維護和管理成為可能，從而能夠實現遠程接入和控制。

改造后的一期控制系統網絡效果圖如圖5 所示。

圖5 羅克韋爾自動化AB公司的三層網絡結構

3.2 基于FactoryTalk 平臺的程序編寫及人機界面

一、二期中央控制程序改造是根據數字化港口的要求對一、二期的控制程序進行重新規劃、編制，使作業生產更加安全、穩定。一、二期上位機HMI改造根據新開發的控制程序和需求，增加了流程操作、流程替換、指令操作、GPS 定位及防碰撞等功能，同時將原有的單機環境操作模式改為網絡環境操作，減少了控制以太網的數據量，提高了網絡的穩定性和安全性。管控一體化是以控制數據庫為基礎 （Oracle 10G），實時讀取管理系統下發的作業指令，同時將作業數據 （流程信息、計量信息、設備狀態及故障信息等）上傳到管理系統中。

黃驊港一、二期中央控制系統采用羅克韋爾自動化FactoryTalk 全套軟件包，采用FactoryTalk View Site Edition （簡稱SE）開發，主要完成以下工作：獲取、刪除指令，流程啟、停（含流程替換和暫停），單機設備啟、停，設備狀態實時顯示，計量數據實時顯示，故障實時顯示，堆場大機防碰撞狀態顯示。

黃驊港一、二期HMI為S／C 結構，服務器從PLC的地址中讀寫相應的數據，客戶端 （操作終端）再從服務器中讀寫所需的數據。一、二期中控操作軟件共有三級畫面，其中一級畫面為主要功能畫面包括：裝卸工藝流程畫面、裝船工藝畫面、卸車工藝畫面、計劃顯示畫面、系統畫面、報警記錄畫面、堆場大機位置和趨勢圖組成，二級畫面由流程作業畫面、作業指令自編畫面、各單機 （皮帶機、堆、取料機、翻車機和裝船機）畫面組成，三級畫面由輔助設備 （除鐵器、排水器等）畫面組成。監控整個現場設備的運行，主要畫面是工藝流程主畫面，故障報警的顯示和清除、在主畫面上紅框查看故障信息等。煤一期改造控制網絡如圖6所示。

通過以上改造，成功實現了一、二期中央控制系統安全穩定高效運行，并為管控一體化的整體實施打下了堅實的基礎。

根據生產需要，對一、二期網絡和程序進行重新設計和編寫，使中控操作更加直觀、便捷、高效和準確。同時，利用實時服務器和歷史服務器采集到的數據，成功實現了全港設備的動態監控和維修信息的時時更新，為生產和維修創造了監控條件。如圖7、圖8、圖9所示。

圖6 煤一期改造控制網絡效果圖

3.3 管控數據接口軟件

黃驊港一、二期管控數據接口軟件采用Factory Talk 平臺的Transaction Manager （簡稱TM）作為作業數據采集軟件；采用Oracle 10G 為數據庫軟件；采用Factory Talk Historian作為歷史數據庫；使用Visual Basic 2010編寫管控數據接口程序，主要完成以下工作：

（1）接收管理系統下發的作業指令 （含換倉指令），并返回指令狀態 （分為已獲取、執行、結束和刪除）。

圖7 管控一體化系統管理界面

圖8 一期中控操控畫面

圖9 FactoryTalk平臺網頁發布 （二期中控）

（2）記錄作業各時間節點 （流程啟停時間、切換和換倉時間），并上傳到管理系統。

（3）記錄各計量稱的數值到歷史數據中。

（4）記錄設備的運行狀態 （停止、運行和故障）。

（5）記錄翻車機的作業時間節點 （允許對車、鐵路鎖定、鐵路解鎖、開始工作、停止等）。

管控數據接口結構圖如圖10所示。

4 D-GPS定位及大機防碰撞改造

DGPS定位及大機防碰撞改造主要是在一、二期堆場的堆料機、取料機上加裝GPS差分定位設備 （每臺大機安裝兩套GPS定位設備，分別在大臂前端和靠近大機的中心位置），根據GPS定位數據利用三角函數計算出每臺大機的行走位置和大臂位置、旋轉角度。根據相鄰大機的行走位置和大臂位置，計算相對距離，在距離小于設定值時 （報警為10m，急停為8m），向相關大機發出動作 （前進、后退，左旋、右旋）報警和急停。主要包括：DGPS定位系統、全場原點及皮帶機定位、DGPS數據解算／防碰撞計算等3個部分。

圖10 管控數據接口結構圖

5 結論

通過上述基于FactoryTalk平臺對一、二期控制系統的改造和網絡系統建設，使得黃驊港管理系統和控制系統實現了有機結合。管理系統信息和指令能時時有效地發布到控制系統中；控制系統根據生產調度指令能快速準確地自動執行流程操作，同時將生產需要的流程信息、垛位信息、單機數據、故障狀態、報警記錄和統計等時時快速的傳送到管理服務器，進而可以加工形成各種需要的數據報表，實現了安全、高效、穩定的生產運行和生產信息的透明。

黃驊港通過管控一體化系統的建設，實現了生產企業管理信息化、信息資源化、傳輸網絡化、管理科學化的現代企業目標，實現了黃驊港務公司內部生產、管理信息系統的流程再造，達到了提高黃驊港安全、快速、高效發展最終目的，形成了黃驊港生產操作、調度指揮、智能管理于一體的智能化管控一體化平臺，最終成為全港和神華集團信息化系統的重要組成部分。

［1］ 浙江大學羅克韋爾自動化技術中心.可編程序控制器系統，2005

［2］ 成繼勛.廣義以太網標準與工業以太網 ［J］.電氣自動化，2002

［3］ 丁士峰.Oracle PL／SQL 從入門到精通 ［M］.清華大學出版社，2012

［4］ 王達.Cisco／H3C 交換機配置與管理完全手冊 （第二版）［M］.北京：中國水利水電出版社，2009

［5］ 鄧李.ControlLogix系統實用手冊 ［M］.北京：機械工業出版社，2008