賈小楠（天津臨港港務集團有限公司糧油籌建組，天津，300452）

?

基于工業(yè)以太網的散糧連續(xù)式卸船機控制系統(tǒng)網絡通訊設計與實現(xiàn)

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：工業(yè)以太網是為工業(yè)應用專門設計的基于IEEE 802.3（以太網）國際標準的開放式、多用戶、高性能的局域網絡系統(tǒng)。本文通過工業(yè)以太網的通訊技術、PLC硬件技術、軟件設計，實現(xiàn)了散糧碼頭卸船機與碼頭中央控制系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)交換。在天津臨港經濟區(qū)大沽口港區(qū)2-3號糧油碼頭項目中，取得了良好的效果，運行可靠穩(wěn)定，達到了預想的設計使用要求，驗證了設計實現(xiàn)方法的科學性和有效性。

關鍵詞：散糧碼頭；連續(xù)式卸船機；工業(yè)以太網

引言

目前我國散糧專用港口散糧卸船設備主要分為：抓斗門座卸船機、帶斗門機和橋式抓斗卸船機、間歇式卸船機等，卸船方式有氣力式、夾帶式、埋刮板式、螺旋式等多類。其中連續(xù)式卸船機以能耗小、輸送能力大、卸船效率高、物料的破碎率低、震動和噪音小、自動化程度高、卸船速率連續(xù)可調、封閉性好、可防止粉塵產生和擴散等特點，在大宗散貨裝卸作業(yè)中具有廣泛應用。連續(xù)式卸船機在裝卸作業(yè)中對故障的診斷、安全性能等方面都有完善的裝置，有利于港口的安全生產，適合于大型船舶對卸船效率要求較高的專用散糧碼頭泊位。

本文針對天津臨港經濟區(qū)大沽口港區(qū)2-3號糧油碼頭連續(xù)式卸船機與中控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，以PLC為基礎，工業(yè)以太網［1］為核心組成網絡控制系統(tǒng)，通過PLC軟件編程及人機交互界面組態(tài)技術模塊設計，一是實現(xiàn)了卸船機與中控生產調度系統(tǒng)的運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)交換；二是確保卸船機在工藝系統(tǒng)流程中安全穩(wěn)定運行的同時，還可對卸船機關鍵運行參數(shù)進行實時監(jiān)測。

1 總體框架設計

一般散糧專用碼頭工藝設計要求：第一是接卸物料，需通過碼頭帶式輸送機等設備直接輸運到后方糧食筒倉或配套糧油加工廠內；第二是前后端緊密配合，連續(xù)式卸船機作為前端設備，是整個裝卸工藝流程的重要組成部分，卸船機除單機內部各機械機構的運行外，其裝卸輸送需根據(jù)后方輸送流程的運行選擇狀態(tài)進行相應的啟停控制；第三是實時監(jiān)控，需卸船機控制系統(tǒng)與碼頭中控控制系統(tǒng)進行必要的數(shù)據(jù)信號連鎖，實現(xiàn)運行狀態(tài)監(jiān)測，服從生產調度控制系統(tǒng)的統(tǒng)一控制管理。才可以確保下游設備及流程故障時卸船機的自動停機，防止物流堆積，實現(xiàn)卸船機及全輸送工藝流程的可靠運行。

目前卸船機與碼頭中央控制系統(tǒng)連接普遍采用多芯控制電纜、光纖以及無線網絡等方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸及處理［2］。光纖通訊以其傳輸速度快、工作性能可靠、抗干擾能力強、傳輸距離遠、信號損耗低等優(yōu)點，在卸船機與碼頭中控通訊中應用較多。

天津臨港大沽口港區(qū)2-3糧油碼頭總平面布置如圖1所示。

圖1 臨港大沽口港區(qū)2-3#糧油碼頭平面圖

2 碼頭卸船工藝配置、卸船機及中控系統(tǒng)

2.1 工業(yè)以太網架構

工業(yè)以太網應用于網絡控制中，有三層結構，其物理層數(shù)據(jù)傳輸適應工業(yè)現(xiàn)場，其所具有的實時性、互操作性、可靠性、抗干擾性和數(shù)據(jù)安全等方面滿足工業(yè)現(xiàn)場的需要［3］。

在工業(yè)以太網架構設計中，針對ISO/OSI七層通信模型的應用層到第七層用戶層，制定層間接口通信協(xié)議，在網絡層和傳輸層以TCP/ IP協(xié)議為主，結合各廠商中間件技術，改善原有以太網性能，針對工業(yè)現(xiàn)場使用環(huán)境，如高溫、低溫、粉塵及干擾等，選用以太網。結合通信速率的要求，采用星形網絡拓撲結構、交換技術以及全雙工通訊方式可有效避免因碰撞而引起的通信相應不確定性，保障通信的實時性。

目前主流工業(yè)以太網通信協(xié)議主要有羅克韋爾公司推出的Ethernet/IP、基金會總線推出的HSE、施耐德公司推出的Modus TCP以及西門子公司推出的ProfiNet等。

2.2 碼頭散糧接卸工藝配置

天津臨港大沽口港區(qū)2-3號糧油碼頭岸線總計542米，設計大豆散糧年吞吐量600萬噸，碼頭前端散糧接收設備為2臺連續(xù)式卸船機、2臺帶斗門機。其中連續(xù)式卸船機的卸率為額定1000T/H，分別可以與碼頭兩臺相同速率順岸皮帶輸送機銜接，實現(xiàn)連續(xù)卸船作業(yè)，通過卸船機尾部兩臺給料裝置閥門，選擇確定料流走向。

2.3 連續(xù)式卸船機設備配置

碼頭連續(xù)式卸船機采用比利時威港（Vigan）公司Simporter夾帶式卸船機，配置行走、俯仰、旋轉、踢擺、頭部喂料、臂架及水平輸送機構，包括供電照明、通訊控制、除塵及壓縮空氣系統(tǒng)，采用單模12芯光纖介質與碼頭中控室通訊，光纖通過采用動力、通信二合一撓性電纜上機，供電電纜及光纖通過同一個電纜卷筒卷取上至卸船機，電纜卷筒內配置光纖滑環(huán)裝置，在卸船機轉軸部位電氣房內進行光電轉換，通過以太網傳輸數(shù)據(jù)信號送至卸船機上部MCC控制室，卸船機與碼頭控制系統(tǒng)光纖在卸船機地面接線箱內進行兩側光纖跳接。

2.4 碼頭控制系統(tǒng)及卸船機控制系統(tǒng)

連續(xù)式卸船機控制系統(tǒng)采用PLC控制，根據(jù)設備結構，分別設置機上部分控制主站及機下部分控制從站，卸船機內部采用Profibus-DP網絡進行主-從通訊，分別負責卸船機轉軸以上臂架及水平輸送、旋轉及踢擺等結構，以及轉軸以下大車行走、尾部刮板輸送以及下料口閘閥門連鎖操作［4，5］。

碼頭控制系統(tǒng)采用分布式PLC控制，負責碼頭順岸皮帶機、油管線儀表閥門、照明控制以及前端門機、卸船機接口控制，支持Profubus-DP及工業(yè)以太網等多種通訊方式。

3 卸船機與中控系統(tǒng)網絡通訊系統(tǒng)設計

3.1 通訊網絡結構

碼頭控制系統(tǒng)與兩臺卸船機采用一對一工業(yè)以太網通訊，物理通訊介質分別采用兩根單模12芯光纖與兩臺卸船機光纖對接；碼頭控制系統(tǒng)及卸船機控制系統(tǒng)各配置一個100M級工業(yè)以太網光電轉換器，并將兩臺卸船機通訊網絡接入碼頭控制系統(tǒng)核心交換機，以供碼頭控制系統(tǒng)主站CPU數(shù)據(jù)交換及上位調度操作員界面人機交互。卸船機側將光電轉換模塊以太網信號直接接入至PLC以太網通訊模塊，以供卸船機與碼頭控制系統(tǒng)運行連鎖信息采集及控制信號接收。卸船機與碼頭控制系統(tǒng)網絡通訊結構如圖2所示。

圖2 卸船機與碼頭控制系統(tǒng)網絡通訊結構

3.2 卸船機網絡通訊系統(tǒng)設備配置

連續(xù)式卸船機采用S7-300系列PLC CPU 315-2PN/DP，帶有工業(yè)以太網及Profibus-DP接口；在具備連鎖信號及機上通訊能力的同時，可配置相應的可擴展數(shù)字量及模擬量輸入輸出模塊，以滿足機上數(shù)據(jù)采集及控制信號擴充要求。根據(jù)光線接入通訊要求，選用赫斯曼公司Spider系列以太網光電轉換器，配置10-100M自適應以太網RJ-45接口，100M光纖網絡接口，24V DC供電，支持熱插拔，導軌式安裝，卸船機CPU與光電轉換器采用以太網連接。

3.3 碼頭控制系統(tǒng)網絡通訊設備配置

碼頭控制系統(tǒng)主站采用西門子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(yè)以太網及DP總線通訊功能，配置赫斯曼Hirschmann公司Spider系列以太網光電轉換器，分別與碼頭兩臺卸船機接駁。配置摩莎Moxa公司EDS-510A網管型交換機作為控制系統(tǒng)網絡核心交換，接入兩臺卸船機控制網絡至中央控制PLC和中控室網絡管理層。

3.4 通訊協(xié)議及網絡組態(tài)配置

卸船機及碼頭控制系統(tǒng)之間的S7-300/400 P L C采用西門子S 7通訊，S 7系列P L C基于MPI、Profibus和工業(yè)以太網的一種優(yōu)化的通訊協(xié)議。S7通訊服務集成在所有SIMATIC S7控制器中，屬于ISO參考模型第7層（應用層）的服務，采用客戶端——服務器原則，服務器只能被訪問。

S7通訊可選單邊或雙邊通訊，本項目采用S7單邊通訊。單邊通訊只需在通訊一方編寫通訊程序，通訊雙方分別作為客戶機及服務器，通訊過程中，客戶機是主動的，需要編寫通訊程序，服務器是被動的，無需編寫通訊程序。卸船機PLC作為客戶機，碼頭PLC作為服務器，S7通訊通過西門子Step7軟件NetPro進行建立，可選擇Unspecified類型伙伴連接方式，在正確指向伙伴IP通訊地址及CPU槽號后，即可激活S7連接。

3.5 卸船機連鎖控制接口程序

卸船機及碼頭控制系統(tǒng)主站分別采用LD梯形圖、FBD功能模塊圖及STL結構化文本語言組成全部程序結構，雙方發(fā)送并接受接口控制及狀態(tài)信號采集數(shù)據(jù)，用以進行接口邏輯控制，數(shù)據(jù)流向如表1所示。

表1 卸船機與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向表

中控調度根據(jù)流程運行，需要通過生產流程界面，給定卸船機卸料閥門開啟流向。在卸船機反饋閥門開啟到位后，碼頭中控系統(tǒng)自動給出卸船機允許運行指令，卸船機才能進行卸料作業(yè)；同時卸船機可將控制模式選擇狀態(tài)、運行狀態(tài)以及整機故障狀態(tài)反饋至中控調度操作界面，便于及時掌握卸船機工作狀態(tài)。

4 結束語

本文通過工業(yè)以太網通訊技術，結合PLC硬件技術及軟件編程，設計實現(xiàn)了散糧碼頭卸船機與碼頭中央控制系統(tǒng)建設，在2016年2月天津臨港經濟區(qū)大沽口港區(qū)2-3號糧油碼頭卸船機重載試運行過程中，網絡通訊可靠穩(wěn)定運行，實現(xiàn)了碼頭調度中心與卸船機網絡通訊及流程連鎖功能，達到了預想的設計使用要求，取得了良好的運行效果?？傊?，這種設計思路及實現(xiàn)方法不僅可廣泛應用于其他散貨專業(yè)碼頭及物料輸送系統(tǒng)項目，也適用于類似工業(yè)以太網控制系統(tǒng)現(xiàn)場環(huán)境中。

參考文獻

［1］ 聶新年.工業(yè)以太網現(xiàn)場控制技術的發(fā)展［J］.裝備制造技術，2010（04）：95-96，118.

［2］ 趙芳.光纖工業(yè)以太網技術及其在港口的應用［J］.交通信息與安全， 2005（05）：78-81.

［3］ 穆春梅.散糧輸送PLC控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.港口裝卸，2011（06）：36-39.

［4］ 朱政紅，王月娥.工業(yè)以太網在控制領域中的實時性技術［J］.低壓電器， 2010（07）：31-34，37.

［5］ 尹海，孟彥京.西門子工業(yè)以太網PROFINET應用［J］.中國儀器儀表， 2011（S1）：115-118.

Design and Application of Control System Network Communication of Grain Continuous Ship Unloader Based on Industrial Ethernet

Xiaonan Jia
（Tianjin Lingang Port Group Co.Ltd.， Foodstuff Oil Group， Tianjing， 300452， China ）

Abstract：Industrial Ethernet is an open， multi user and high performance local area network system based on IEEE 802.3 （Ethernet，nternational standard），it was designed specifically for industrial applications.In this paper， through the industrial Ethernet communication technology， PLC hardware technology，and software design， has achieved a bulk grain dock on-unloading machine and terminal central control system of real-time data exchange.In Tianjin Port Economic Zone Dagu port， 2-3 grain oil terminal project.At the end，this program achieved good effect， stable and reliable operation to the expected design requirements，the design and implementation of scientific and effective method has been verified.

Key words：Bulk Grain Wharf； Continuous on-unloading Machine； Industrial Ethernet

中圖分類號：TP274

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8412 （2016） 02-195-05

DOI：工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.021

作者簡介：

賈小楠（1984-），男，碩士研究生。研究方向網絡控制與智能控制，工程師。