惠州港荃灣港區煤碼頭中央控制系統設計與實現

鞠進，馮倩，張煥榮

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

1 工藝系統概述

惠州荃灣港煤碼頭位于廣東省惠州市大亞灣西北部、純洲島邊，是粵東地區最大的煤炭碼頭，規劃建設3個7萬噸級泊位及其配套設施，分兩期建設，一期建設2個7萬噸級煤炭卸船泊位及相應的配套設施，達產設計年卸煤能力1500萬噸。煤炭集運全部由散貨船從北方或海外海運至碼頭，卸船后經帶式輸送機系統儲存于煤堆場，再經鐵路和公路轉運部分電廠和社會用煤，也可通過帶式輸送機系統直供附近用煤企業。港口規模大，需要有性能穩定、自動化水平高、設備先進的控制系統以及擴展性高、可靠性安全、易操作的計算機管理系統的配合，實現港區管控一體化功能。一期工程裝卸設備共19條皮帶機，總長達11.5公里，碼頭前沿配備4臺1800t/h橋式抓斗卸船機。煤堆場布置5臺堆取3600t/h的斗輪堆取料機。沿鐵路配備2臺3600t/h的軌道式移動裝車機。工藝流程有卸船至堆場；堆場至裝火車；堆場至外運；煤場至港外。最大同時作業流程有卸船至堆場2路；堆場至裝火車2路；堆場至外運1路。為了環保，在每個轉運站落料處設置除塵設備，防治落料處出現揚塵。煤炭堆場附近還配備了灑水除塵系統，用于堆場的灑水抑制揚塵，安裝噴槍共計136套。根據工藝要求，中控系統負責完成19條皮帶機、皮帶保護附屬設備、11臺大型裝卸設備與港口信息管理系統的信息交換以及港內全部工藝流程的控制。

2 中控系統網絡拓撲結構

中控系統作為管控系統的中樞，實現對皮帶機及附屬設備的控制、與單機設備的通訊，也是實現與計算機管理系統的信息交換的橋梁。此系統對生產作業設備狀況上傳至管理系統中，再經過管理系統的任務下達，實現控制相應工藝流程設備。控制系統設計采用成熟、標準、開放的分布式總線控制體系，將被控對象I/O信號轉化為數字信號，通過現場總線傳輸至控制系統，為此每臺設備配置具有現場總線功能的就地智能控制器，防護等級為IP67，通信協議為PROFIBUS-DP。就地智能控制器具有工業級標準現場總線通訊接口、電源接口以及I/O接口，自帶CPU，具備智能可編程功能，系統功能的擴展不再依賴主控制器的處理能力。就地智能控制器可向中控室提供輸入信息和智能化判斷功能。根據總圖布局，將現場總線設備劃分為若干個區域，每個區域設置一臺現場總線式區域網絡智能控制器。區域內的就地智能控制器通過工業級現場總線接入區域網絡智能控制器，并通過區域網絡智能控制器與布置于控制室的主控制器雙向通訊。計算機管理系統網絡為多層面樹狀體系，主干網采用萬兆以太網技術。計算機系統包括：數據庫服務器、應用服務器、存儲設備等硬件設備、操作系統、數據庫管理系統、安全管理系統等系統軟件。此系統對內采用C/S模式，對外采用B/S模式，結構采用快速交換式以太網絡架構，網絡協議為TCP/IP。磁盤陣列采用RAID控制卡保證數據安全和快速交換，配置應用服務器為Web、OA以及生產過程監控提供數據存儲和數據共享，實現對內、對外的信息交換。

3 中控系統的功能設計

3.1 控制系統功能

（1）順序控制功能。控制功能是用工控機通過軟功能鍵對輸送系統實現順序控制、單機聯鎖啟停及調試過程中無聯鎖的單機啟停控制功能。操作控制分程控自動、程控手動及就地手動三種方式。

（2）監視報警功能。具體功能包括：在LCD上顯示故障設備、性質、時間等；打印故障內容及發生時間；系統發出語音報警；歷史數據記錄與查詢等。

（3）計算機管理系統功能。按照港區運輸裝卸工藝流程和管理要求，計算機管理系統具備的功能包括進出港口船舶資料錄入和輸出；與船方、貨主、貨代之間數據交換功能；進出港區的散貨動態和信息錄入；生成單證；編制船舶卸載、配載及散貨裝卸作業順序功能；散貨堆存及在港的移動信息；實時調度和管理大型機械功能；計算費用及報表；內部和外部查詢功能。計算機管理系統包括的功能模塊有原始資料錄入、單證管理、裝車卸船管理、堆場管理、閘口管理、計劃與調度、計費管理、統計查詢、客戶管理、系統維護等。

（4）系統承擔與各單機PLC系統信息通訊功能。碼頭卸船機、堆取料機設備由制造廠家提供PLC系統，經光纖通信接口與碼頭PLC控制系統連接。實現對大型設備的起升開閉機構、小車運行機構、俯仰機構、大車行走機構、回轉機構、懸臂皮帶機機構以及斗輪機機構的狀態監視及執行指令下放功能。

（5）系統承擔與翻車機設備PLC系統通訊功能。翻車機控制系統可提供作業狀態、翻車節數、運行故障狀態以及除塵灑水動作的信息。中控系統向翻車機發送準許給料命令，反饋輸送皮帶運行信號以及煤炭積累量信息。

（6）系統承擔與堆場灑水系統的通訊功能。中控系統對堆場作業情況、煤場堆垛的狀況以及大型設備行走位置的判斷，發送指令至灑水控制系統實現對相應位置噴槍動作控制。

（7）系統承擔與各單機系統硬線聯鎖功能。港區大型設備多，通訊中斷會導致系統控制癱瘓，為了適應作業中的工藝設備，除光纖通訊外亦用硬線聯鎖控制方式傳遞數字信息。

4 中控系統硬件組成

控制系統設置1套控制主站（SIEMENS S7-400系列）和22個現場總線區域（皮帶分為20個區域，變電所分為2個區域）。主站設在碼頭中控室，區域網絡智能控制器設在現場區域箱及變電所內，中控室包含操作站、工程師站、控制主站、交換機、控制服務器、打印機、UPS電源及其他輔助設備等。現場總線模塊包括區域網絡智能控制器、就地智能控制器、溫度測量智能控制器、智能定位裝置等。主站CPU、電源及控制總線采用冗余方式。卸船機和堆取料機通過硬線連接至現場智能控制器，通過光纖接口方式接入碼頭PLC主系統。在兩個配置相同的主機架上安裝熱備通訊模塊，熱備模塊通過光纖彼此相連，每個掃描周期，主CPU根據自身的I/O狀態表，通過熱備模塊間的通訊來更新備用CPU的I/O狀態表，使備用CPU始終與主CPU同步，完全同步地無擾動地進行切換。

信息管理網絡系統配置核心級和接入級交換機，核心交換機采用框架式模塊化配置；接入交換機采用固定式。信息處理系統主要配置數據服務器（容錯形式服務器）和硬盤陣列。

5 中控系統軟件組成

（1）PLC程序。此軟件是實現系統監控與組態的必要軟件。程序軟件包具體包括實時操作系統程序和應用程序。

（2）操作員站程序。此程序是實現終端人機交換接口HMI程序，是建立與PLC之間的數據庫標簽、組態、報警、圖形及顯示屬性等。上位機采用GE的IFIX，操作員可直觀生動的監控畫面，掌握現場設備運行狀況，通過上位機更方便的對現場設備進行控制。

（3）控制網絡組態。此軟件是確定網絡更新時間NUT、節點地址以及分配情況，實現與其他各單機PLC系統的數據傳輸。

（4）數據共享及報表。此軟件是實現港區管控一體化的關鍵，利用軟件進行數據無縫橋接，通過微軟Access生成報表。

6 中控系統設計重難點

（1）系統冗余及線路。針對傳統散料輸送控制系統存在的問題，例如控制對象分散、干擾嚴重、保護裝置沿線設備信號難以全部接入；電纜用量大；自動化程度一般等，在智能化、可靠性以及經濟性角度進行改良設計，利用總線制智能控制系統，集測量、控制、執行于一體的可編程控制單元，做到總線冗余網絡架構并分散控制，智能控制器的分散布置可以節約信號電纜，有效縮短工期。

（2）與第三方設備通訊。卸船機、堆取料機以及裝車機設備配置安川PLC系統，為了與中控系統進行通訊連接，通過接口模塊實現PROFIBUS-DP與中控PLC系統的通訊，實現不同PLC設備之間的有效橋接。

7 結語

在荃灣煤碼頭一期工程系統設計中，借鑒了國內同類型港口操作理念及控制方式，在智能化較高的當今，總結了傳統散貨輸送控制系統存在的問題，彌補了欠缺，所有設備均采用國際先進的控制系統設備，自動化程度高，作業效率快，也是國內少有的設計施工總承包的大型煤炭裝卸港口項目。目前，一期工程碼頭完成了卸船流程的輕載及重載試車，調試順利，控制系統運行穩定，通訊響應迅速。同時，碼頭完成2艘7萬噸級煤船（“華強”號、“協海開拓”號）靠泊以及4臺卸船機24h連續卸船作業。至此，首次24h滿負荷連續卸船調試作業安全并順利完成，各設備及系統運行良好。整個碼頭配備世界先進煤炭裝卸設備，致力于打造國際一流煤炭碼頭運輸系統，國際一流煤炭碼頭。