基于Profibus-DP總線技術的散糧碼頭照明控制系統設計與應用

賈小楠

（天津臨港港務集團有限公司糧油籌建組，天津300452）

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基于Profibus-DP總線技術的散糧碼頭照明控制系統設計與應用

賈小楠

（天津臨港港務集團有限公司糧油籌建組，天津300452）

摘要：Profibus-DP是Profibus總線中應用最廣的通訊方式。作為國際現場總線標準之一，Profibus-DP主要應用于自動化系統中單元級和現場級通訊，適合于分布式I/O設備、傳動設備、PLC及基于PC的自動化系統等設備之間的通訊。本文利用過Profibus-DP總線網絡通訊技術，結合PLC硬件技術及軟件編程，規劃設計實現了散糧碼頭分布式照明控制系統，并在天津臨港經濟區大沽口港區2-3號糧油碼頭項目中取得了良好效果。實踐表明，系統運行可靠穩定，使用維護便利，達到了預想的設計使用要求，驗證了設計實現方法的有效性。

關鍵詞：散糧碼頭照明控制現場總線通訊網絡Profibus-DP

散糧專業碼頭作為我國糧食物流倉儲中轉的主要節點，在糧食物流系統中起著重要的作用。隨著我國進口糧食總量逐年增加，國內較多港口普遍規劃建設裝卸連續高效、機械化自動化程度較高、裝卸工藝先進的專用散糧裝卸碼頭。

為滿足散糧裝卸作業相關照明需要，碼頭照明系統通常設置輸送皮帶機廊道沿線及轉運站各樓層、碼頭場區及道路等區域照明設施設備。究其原因，在于皮帶機廊道沿線較長、轉接站樓層較高、場區道路等附屬設施區域較為分散。照明設備燈具數量較多，整體功率消耗較大，采用傳統人工開啟關閉照明，人工成本較高。因此，采用碼頭照明自動控制系統系統有利于設備高效節能運行，在有效保證設備利用率的同時，增加設備使用壽命，節約人力資源及生產成本，對碼頭運營具有良好的經濟及社會效益。

針對天津臨港經濟區大沽口港區2-3號糧油碼頭散糧裝卸照明系統，設計以PLC分布式控制系統為基礎，以工業級控制網絡Profibus-DP總線技術為核心的照明控制系統。通過軟件編程及HMI人機交互訪問技術，可根據港區生產現場實際情況，在保留傳統現場級照明配電箱手動控制的同時，實現碼頭皮帶機沿線平臺燈、走道燈、轉接機房照明、碼頭前沿照明以及場區道路照明的中控室生產控制系統中心CCR集中控制，實現生產調度照明統一控制管理，滿足不同作業條件下的區域照明及照度需要，有效提高碼頭生產作業效率。

1 Profibus-DP網絡概述

Profibus是目前國際上通用的現場總線標準之一。它以其獨特的技術特點、嚴格的認證規范、開放的標準、眾多廠商的支持，已被納入現在總線的國際標準，并成為我國首個現場總線國家標準。Profibus是不依賴于生產廠家的、開放式的現場總線，各種自動化設備均可以通過同樣的接口交換信息，應用于分布式I/O設備、傳動設備、PLC及基于PC的自動化系統。

Profibus-DP則是Profibus中應用最廣的通訊方式，由于響應速度快，主要用于自動化系統中單元級和現場級通訊，特別適合于PLC與現場級分布式I/O設備之間的通訊。

2 碼頭照明及照明供電回路布置

天津臨港大沽口港區2-3#糧油碼頭岸線總計542m，設計年吞吐量800萬噸，碼頭順岸皮帶機廊道517m，照明系統分別布置碼頭前沿及引橋照明250W高壓鈉燈投光燈37盞，轉接塔照明250W高壓鈉燈投光燈7盞，3m單頭70W平臺燈74盞，皮帶機沿線走道18W LED步道燈44盞。碼頭后方道路布置6m道路照明250W路燈15盞，提供碼頭皮帶機沿線、皮帶機驅動站、各檢修通道、輸油管線等作業區域以及道路照明。臨港大沽口港區2-3#糧油碼頭平面如圖1所示。

圖1 臨港大沽口港區2-3#糧油碼頭平面圖

由于皮帶機廊道投光燈、平臺燈及步道燈照明燈具較為分散，碼頭沿線分別布置4個照明現場配電箱。電源分別取自碼頭變電所0.4kV不同回路，后方道路照明路燈電源取自碼頭變電所0.4kV低壓MNS配電柜抽屜回路。每個照明配電箱依照不同照明燈具分類分回路控制，照明配電箱及道路照明低壓柜抽屜柜單元各出線回路設置斷路器、接觸器及隔離繼電器，配置遠程/本地轉換開關、啟停按鈕及運行指示燈。低壓二次回路可實現本地方式下，照明配電箱本地各照明回路的啟停手動控制；遠程模式下，接受CCR照明統一遠程控制。

3 碼頭照明控制系統設計思路

照明控制系統采用主-從分布式結構，由控制主站、現場從站、通訊光電纜、現場照明控制箱、繼電器及接觸器執行元件、通訊網絡、PLC及HMI軟件等構成。控制功能實現：遠程控制方式下，中控調度中心上位機界面分組開閉照明或定時自動開啟照明；本地控制方式下，現場照明配電箱手動開關各回路照明燈具；遠程/本地控制狀態由現場照明配電箱轉換開關選擇確定。

3.1 照明控制系統網絡構架

照明控制系統網絡由中控室管理層網絡與碼頭輸糧輸油工藝控制系統共用DP設備層通訊網絡構成。中控室調度操作系統通過工業以太網與控制主站通訊，控制主站通過DP環網與現場各通訊從站通訊。為有效避免碼頭現場電磁干擾，確保各站之間電氣隔離，主干通訊網絡采用8芯多模光纖，設置照明控制遠程站5個。其中，現場每個照明配電箱內各設置1個照明通訊控制遠程從站，用于構成現場照明控制箱控制網絡；道路照明由碼頭變電所低壓室遠程站1個，用于道路照明低壓回路的控制，并與變電所低壓MCC遠程站共用，兼顧照明控制及驅動站各電動機回路控制。

各通訊從站配置OLM光鏈路模塊，轉換DP網絡光電信號，連接網絡上行及下行通訊節點。光鏈路模塊可模塊構建光纖網絡，其網絡結構可以為線形、星形或是冗余式環形結構，可自動識別所有9.6 kbit/s至12Mbit/s的PROFIBUS數據傳輸速率，支持冗余式電源；可通過信號觸點、通道監控LED和測量端子快速定位故障；最大支持15kM傳輸距離；通過配合冗余光學環形結構，可進一步實現網絡的可靠性。本系統采用G12多模OLM模塊，碼頭中控室主站、變電所低壓MCC遠程站及現場各照明箱遠程站之間光纖環網連接。控制網絡結構圖如圖2所示。

圖2 控制網絡系統結構圖

3.2 照明控制系統網絡主站配置及功能

照明控制系統控制主站與碼頭輸糧輸油工藝控制系統共用，采用西門子S7-400系列PLC，配置電源模塊PS407、CPU模塊412-2以及通訊擴展模塊CP443-1，具備工業以太網及DP總線通訊功能。照明主站控制功能如下：

（1）實現主站PLC內部底層各控制、通訊程序的內部邏輯控制；

（2）處理照明控制遠程站采集來的數據，并反饋給上位計算機，參與系統控制；

（3）通過控制網絡與上位計算機進行通信，接受上位機的控制指令，傳遞相關控制指令至遠程照明控制從站，實現控制功能。

3.3 照明控制系統網絡從站配置及功能

現場4個照明配電箱內分別設置4個照明控制遠程站。各照明控制從站配置S7-200系列PLC CPU226，24點24VDC DI，16點繼電器DO，用于現場級照明回路啟停控制信號輸出及照明回路運行信號采集；配置EM277 DP總線接口擴展模塊，通過串行總線實現現場級PLC與DP OLM的通訊連接。碼頭變電所從站由于輸糧輸油工藝控制點位較多，采用ET-200系列遠程站配置IM153通訊接口模塊，與DP OLM連接，配置可擴展型數字量及模擬量輸入輸出模塊，以滿足多種信號采集及控制功能。照明從站控制功能如下：

（1）實現從站PLC內部底層各控制、通訊程序的內部邏輯控制；

（2）采集各現場照明配電箱等低壓照明回路運行反饋信號數據，通過控制網絡反饋給照明控制主站；

（3）通過控制網絡與主站PLC通信，接受上位機的控制指令，傳遞相關控制指令。

3.4 控制軟件結構及實現

照明控制系統軟件由中控室上位HMI人機界面軟件及PLC控制軟件組成，軟件結構如圖3所示。人機界面主要實現PC與操作員之間的人機交互，傳遞PC與PLC之間的控制及反饋變量信息，并通過界面完成各照明回路的分組及定時開啟關閉、照明區域顯示、照明狀態監測等功能，同時采用西門子Wincc 7.0組態軟件開發版完成圖形化界面繪制、通訊及變量定義。

照明控制界面可完成自動跟蹤各控制回路的情況，運行故障記錄及查找，統計完成開關燈時間、運行時長及運行能耗等經濟技術指標統計功能，可為碼頭作業能耗統計提供基礎照明數據依據。

PLC軟件根據控制系統主站及從站功能分為主站及從站程序兩種。主站程序完成通訊網絡規劃組態、模塊定義及輸入輸出變量讀寫，結合LD梯形圖、FBD功能模塊圖以及STL結構化文本語言整合組成全部程序結構；從站程序主要完成現場照明控制回路的運行信息數據采集及控制主站的指令傳遞，采用模塊化編程方式，獨立于系統中其他輸糧輸油等工藝設備的程序運行。軟件工具分別以西門子Step7 5.5及Step 7-Micro/WIN編程軟件實現。PLC數據控制結構框圖如圖3所示。

其中，對于主站從站照明控制回路全部信號采集及控制信號變量傳遞數據流向，做出如下規劃，詳見表1。具體控制邏輯為：當現場照明控制箱及低壓照明回路處于遠程受控狀態下，照明回路電源通斷狀態條件正常，根據控制界面調度操作開啟關閉相應照明回路，有效避免與現場手動控制方式的干涉及沖突。

圖3 PLC數據控制結構圖

表1 照明控制數據流向表

4 結論

本文利用Profibus-DP總線網絡通訊技術，結合PLC硬件技術及軟件編程，規劃設計實現了散糧碼頭分布式照明控制系統。在2015年4月天津臨港經濟區大沽口港區2-3號糧油碼頭正式對外開放投入作業使用后，它可靠穩定運行，實現了碼頭調度中心照明系統照明集中控制，使用、維護方便，達到了預想的設計使用要求，取得了良好的運行效果。其設計思路及實現方法不僅可廣泛應用于其他散貨專業碼頭及物料輸送系統項目，也同時適用于其他工業照明控制項目環境。可見，用現場總線工業網絡方法實現遠距離大規模照明控制，具有程序修改方便、通用性強、可靠性高的特定，其優點在本項目中也得到了很好的體現。

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The Design and Application of Bulk Grain Wharf Lighting Control System Based on Profibus-DP Bus Technology

JIA Xiaonan
（Harbor Port Group Co. Ltd. to build Tianjin grain and oil group, Tianjin 300452）

Abstract:Profibus-DP is most widely used in the Profibus communication, as one of the international fieldbus standards, mainly for automation system in unit level and the field level communication, suitable for distributed I / O equipment, transmission equipment, PLC and automation systems based on PC design communication between the equipment. According to through the Profibus DP network communication technology and PLC hardware technology and software programming, planning and design realized distributed bulk grain wharf lighting control system in Tianjin Port Economic Zone Dagu port, 2-3 grain and oil terminal project, good results have been achieved, operation reliable and stable, the use of maintenance facilities, achieve the expected design requirements, to verify the validity of the design method.

Key words:bulk grain wharf, lighting control, fieldbus, communication network, Profibus-DP