基于Interbus現(xiàn)場總線和PLC器件實現(xiàn)煤碼頭除塵控制系統(tǒng)設(shè)計

1、工程概況及系統(tǒng)簡介

為緩解華東、華南等地區(qū)的煤炭能源材料的急缺需求，國家在增加大秦（大同—秦皇島）鐵路運力的同時，對煤炭港口吞吐量的需求也在加大，秦皇島港為適應(yīng)煤炭消費市場和保證國民經(jīng)濟(jì)高速增長的需要，并為適應(yīng)秦皇島港自身發(fā)展的需要，于2004年8月開工建設(shè)秦皇島港煤四期擴(kuò)容工程，該工程擬建3.5萬、5萬噸級泊位各1個，設(shè)計通過能力為1500萬噸/年。原有煤四期工程于1997年12月建成投產(chǎn)，設(shè)計通過能力為3000萬噸/年，共設(shè)5條堆場，堆場占地44萬平米，堆場容量214萬噸，。

煤四期擴(kuò)容工程堆場位于現(xiàn)煤四期堆場南側(cè)，布置3條堆場，堆場設(shè)備采用兩臺懸臂式堆料機、4臺取料機和堆場皮帶機進(jìn)行裝卸作業(yè)。煤堆底部寬度為56m，堆高17m，堆場長度1105m，堆料線和取料線的中心距為73m。堆場占地25.7萬平米，堆場容量125萬噸。占設(shè)計年通過能力的8.3%。由于堆場面積較大，且煤炭為露天存放，在風(fēng)天和裝卸過程中容易起塵，造成環(huán)境污染。為抑制堆場煤炭粉塵對港口及周邊環(huán)境的影響，本工程在每條堆場的兩側(cè)各設(shè)置33個灑水噴槍，間隔34米，共計198個噴槍，對堆場煤堆進(jìn)行自動噴灑作業(yè)，抑制粉塵的產(chǎn)生，減少環(huán)境污染。

系統(tǒng)采用Interbus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，共設(shè)有153個總線控制站，控制堆場198個噴槍的自動噴灑作業(yè)和轉(zhuǎn)接機房、碼頭等區(qū)域供水設(shè)備的信號采集及設(shè)備控制。灑水除塵控制系統(tǒng)采用一臺Rockwell公司的Controllogix系列PLC，與兩臺上位監(jiān)控操作站通過以太網(wǎng)相連?？刂泣c數(shù)約3000點左右。上位監(jiān)控操作站和PLC設(shè)于灑水泵房控制室。

2、系統(tǒng)方案確定

由于本工程堆場灑水噴槍站及其它設(shè)備控制站153個，且數(shù)量多、分布廣、距離遠(yuǎn)，現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境惡劣，絕大多數(shù)為戶外露天使用。如采用傳統(tǒng)的PLC遠(yuǎn)程站方式控制，在每個噴槍站單設(shè)一個遠(yuǎn)程站，將會使成本大大提高，另外，PLC模塊的防護(hù)等級較低，工作時溫度范圍一般為00C～400C，難于適應(yīng)惡劣的現(xiàn)場環(huán)境和秦皇島冬季較低的氣溫（最低－200C）；如把PLC遠(yuǎn)程站設(shè)于堆場附近的變電所或灑水泵房控制室內(nèi)，則將耗費大量的控制電纜、電纜橋架，并且極大的增加了敷設(shè)電纜及安裝橋架的施工工程量和加大了日后控制電纜的維護(hù)工作量，根據(jù)設(shè)計和計算，僅從堆場附近的變電所引至堆場灑水噴槍站的控制電纜（kvv-14＊2.5）就需約160km左右。

針對上述情況，面對這種設(shè)備控制分散、設(shè)備布置距離遠(yuǎn)、控制點數(shù)多的作業(yè)現(xiàn)場，利用PLC遠(yuǎn)程站方式難于有效的解決以上在成本、惡劣環(huán)境、冬季低溫及日常維護(hù)量大等諸多問題。因此，為適應(yīng)上述工藝要求及現(xiàn)場條件，需設(shè)計一種價格低廉、布線簡單、維護(hù)方便、適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境、工作安全可靠的控制系統(tǒng)方案。

由德國PhoenixContact公司開發(fā)的Interbus現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為上述灑水系統(tǒng)提供了一個完整的解決方案，如圖1所示。近十多年來，現(xiàn)場總線的發(fā)展，對實現(xiàn)面向設(shè)備的自動化系統(tǒng)起到了巨大的推動作用。大量的現(xiàn)場智能設(shè)備可通過各種途經(jīng)連接到Interbus現(xiàn)場總線上，通過網(wǎng)絡(luò)互相通信，實現(xiàn)智能化現(xiàn)場設(shè)備的功能自制性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的高度分散性以及管控一體化。Interbus現(xiàn)場總線現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于汽車工業(yè)、煙草工業(yè)、物流輸送技術(shù)、造紙、包裝和食品工業(yè)等行業(yè)。1998年成為歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN50254，2000年2月成為國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，2004年末成為中國標(biāo)準(zhǔn)JB10308。至今，全球已有1000多個生產(chǎn)廠家提供2500多種Interbus現(xiàn)場總線產(chǎn)品，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有六百五十萬個節(jié)點的成功應(yīng)用。

Interbus現(xiàn)場總線在系統(tǒng)布線、診斷和維修上對設(shè)計、集成和用戶都將帶來方便和收益。

Interbus現(xiàn)場總線的物理層采用RS485串行通信標(biāo)準(zhǔn)，傳輸介質(zhì)可為屏蔽雙絞線、光纜或紅外線，最多分支達(dá)16層。速率固定為500K，采用雙絞線時，相鄰站點的安全距離為400米。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹型，可連接最多254個子站，易于擴(kuò)展、易于分層。采用電纜總線時無中繼最長可達(dá)12公里，同時各子站無需編址。根據(jù)Interbus現(xiàn)場總線的諸多特點，在堆場上述控制系統(tǒng)的設(shè)計上優(yōu)先選用了Interbus現(xiàn)場總線，Interbus現(xiàn)場總線方案能夠較好地解決上述灑水工藝系統(tǒng)所要求的環(huán)境、溫度、成本及維護(hù)等方面的問題，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

＊符合國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，開放的系統(tǒng)，簡單、易用?？膳c主流PLC相連接（Rockwell/Siemens/Schneider）、易于擴(kuò)展。

＊傳輸距離遠(yuǎn)，兩站之間＜400M，可選用電纜，兩站之間＞400M，而＜2000M可選用光纜。在同一系統(tǒng)中，三種傳輸媒介（雙絞線、光纖、紅外）可以根據(jù)需要混合使用，極大滿足了現(xiàn)場的工況需求。

＊強大的診斷功能。獨立的診斷程序提供了詳細(xì)的故障信息（故障地址、故障類型和故障歷史記錄），診斷寄存器提供了用戶程序處理故障信息的工具，極大地方便了系統(tǒng)集成和日后維護(hù)。

＊Interbus現(xiàn)場總線產(chǎn)品溫度范圍廣，可在-250C～+550C之間正常工作，可完全滿足秦皇島地區(qū)冬季低溫的工作環(huán)境。

3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)本工程灑水工藝系統(tǒng)的特點及Interbus現(xiàn)場總線的優(yōu)勢，依照國際自動化技術(shù)和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，本著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單實用、技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)擴(kuò)展方便、操作安全可靠、易于管理和維護(hù)等原則，設(shè)計成一個由計算機、PLC、Interbus現(xiàn)場總線組成的多級、開放式的集散型數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控管理系統(tǒng)，如圖2所示。

灑水除塵控制系統(tǒng)采用一臺Rockwell的大型ControllogixPLC作為控制主機，CPU選用1756-L55M24，配有一個ControllogixPLC的1756-ENBT以太網(wǎng)接口模塊，用于與上位監(jiān)控操作站的網(wǎng)絡(luò)連接；另配有一個PhoenixContact的Interbus控制卡SSTIBSCLXRLL，Interbus總線在第一個站通過IBSIL24RB-T分枝模塊，對網(wǎng)絡(luò)的物理拓普進(jìn)行樹型分枝，一路控制堆料線堆場的灑水噴槍控制站和卸車線轉(zhuǎn)接機房加熱器及火災(zāi)報警控制站（75個）；另一路分枝總線控制取料線堆場灑水噴槍控制站和裝船線轉(zhuǎn)接機房加熱器及火災(zāi)報警控制站（78個）；每個控制站配有一個Interbus總線適配器IBSIL24BK-T/U-PAC和一個標(biāo)準(zhǔn)電源模塊PS240AC/24DC，各控制站視現(xiàn)場控制點數(shù)的多少，配置不同的I/O，控制站最多的配置為18點輸入，8點輸出；控制站最小的配置為8點輸入。系統(tǒng)共設(shè)有153個現(xiàn)場控制站，控制點數(shù)約3000個。系統(tǒng)所配模塊為PhoenixContact的Inline系列產(chǎn)品，防護(hù)等級IP20，工作溫度范圍為-250C～+550C，完全適應(yīng)于秦皇島地區(qū)的冬季低溫環(huán)境。所有現(xiàn)場控制站均設(shè)置在防護(hù)等級為IP65的現(xiàn)場控制箱內(nèi)，可適用于現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。

由于灑水泵房控制室與兩路輸出的現(xiàn)場總線控制站較遠(yuǎn)，均超過了800M，同時在裝船線轉(zhuǎn)接機房至碼頭控制站等三處slave站的相鄰總線距離也超過了400M，因此，上述四處采用多模玻璃光纖作為傳輸媒介，其它slave站之間的距離都在400M之內(nèi)，所以均采用雙絞線方式傳輸總線數(shù)據(jù)。采用Interbus現(xiàn)場總線方案所需敷設(shè)的總線電纜約為7km，控制電纜約6km，4芯光纜3km，總計17km，遠(yuǎn)低于采用PLC系統(tǒng)所需的160km控制電纜。

灑水控制系統(tǒng)通過Interbus現(xiàn)場總線可實現(xiàn)對每個灑水噴槍站的設(shè)備進(jìn)行自動控制，每個灑水噴槍站由一個電動閥和一個電動擺頭組成，根據(jù)Interbus現(xiàn)場總線傳輸?shù)闹噶顢?shù)據(jù)自動控制噴槍的出水和擺動及自動拌熱（僅在冬季時使用）。根據(jù)灑水工藝的要求，自動控制每組噴槍的同時最大使用個數(shù)為10個。每組噴槍可自動順序切換，每次噴槍噴灑的時間通過監(jiān)控操作站可調(diào)，順序噴灑，直至堆場198個噴槍全部噴灑一遍，完成一個灑水工作循環(huán)。

灑水系統(tǒng)PLC通過交換機與兩臺上位監(jiān)控操作站連接，監(jiān)控操作站選用西門子公司的工業(yè)PC，型號為IL40S，配21”液晶彩顯。上位監(jiān)控軟件配置兩套Intouch9.0無限點運行版軟件，完成灑水控制系統(tǒng)的操作、監(jiān)控、灑水狀態(tài)畫面顯示及故障狀態(tài)顯示等功能。灑水控制系統(tǒng)作為整個煤碼頭控制系統(tǒng)的一個子系統(tǒng)經(jīng)交換機與設(shè)于中央控制室的控制系統(tǒng)服務(wù)器交換數(shù)據(jù)，輸出堆場灑水系統(tǒng)的運行信息，并接受中控系統(tǒng)發(fā)來的堆場堆料機和取料機在堆場的走行位置和煤炭堆垛信息，在自動進(jìn)行灑水噴槍操作方式中，當(dāng)可能噴灑到行走機械時，或遇堆場無料堆處，控制系統(tǒng)能自動跳過行走機械或無料堆場。

4、結(jié)束語

秦皇島港煤碼頭四期擴(kuò)容工程的灑水控制系統(tǒng)已于2004年10月完成方案設(shè)計，2005年1月完成全部詳細(xì)施工設(shè)計，并通過了由各方專家組成的設(shè)計審查，現(xiàn)已完成實驗室的軟件編制和系統(tǒng)模擬試驗，即將進(jìn)入設(shè)備安裝階段。該工程計劃于2005年9月投產(chǎn)。通過Interbus現(xiàn)場總線在大型煤碼頭堆場灑水的成功設(shè)計及應(yīng)用，較好地解決了煤碼頭堆場灑水系統(tǒng)所面對的控制設(shè)備數(shù)量多、分布廣、信號傳輸距離長、現(xiàn)場環(huán)境惡劣、設(shè)備維護(hù)困難等多種不利因素，是Interbus現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)首次在國內(nèi)港口大型煤碼頭上的應(yīng)用，該系統(tǒng)的建成，使現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)在港口、碼頭等領(lǐng)域得到了進(jìn)一步的推廣和應(yīng)用，對同類型散貨碼頭的控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)有著積極的促進(jìn)作用。同時，對散貨碼頭輸送工藝系統(tǒng)設(shè)備大規(guī)模采用現(xiàn)場總線控制產(chǎn)品打下了堅實的基礎(chǔ)。

現(xiàn)場總線經(jīng)過十多年的發(fā)展，技術(shù)已日趨成熟，產(chǎn)品種類繁多。從應(yīng)用的角度看，無論采用何種總線控制系統(tǒng)，應(yīng)視具體情況而定，從Interbus的發(fā)展歷史和實際應(yīng)用的角度來看，其靈活的擴(kuò)展性，長距離傳輸，多種傳輸媒介混用，以及強大的故障診斷功能等特點，在港口散貨碼頭堆場灑水系統(tǒng)及工藝輸送系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

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