Interbus工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線在大型煤碼頭中的應(yīng)用———中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)所 天津 300222
摘要：本文介紹了Interbus工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線在秦皇島港煤四期擴(kuò)容工程堆場(chǎng)灑水系統(tǒng)中的成功應(yīng)用。詳細(xì)描述了系統(tǒng)的架構(gòu)，主要功能，現(xiàn)場(chǎng)總線的主要特點(diǎn)與長(zhǎng)距離、大面積的灑水系統(tǒng)的巧妙結(jié)合。既滿足了工藝的要求，又提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性。
關(guān)鍵詞：Interbus； 碼頭；控制系統(tǒng)；灑水
Abstract: This paper mainly introduce the Interbus application as a successful solution of watering control system at QinHuangDao Coal Terminal. Here the main functions and system schedule will be described.In order to meet the requirement of process and update the economic,reliable and maintenance character of whole system, the fieldbus system has been adopted and met the on-site characters of long-distance, big-area .
Key words: Interbus, Coal Terminal, Control System, Spray Watering
1 工程概況及系統(tǒng)簡(jiǎn)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(guó)家在增加大秦（大同—秦皇島）鐵路運(yùn)力的同時(shí)，對(duì)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(fèi)市場(chǎng)和保證國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)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(wàn)、5萬(wàn)噸級(jí)泊位各1個(gè)，設(shè)計(jì)通過能力為1500萬(wàn)噸/年。原有煤四期工程于1997年12月建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)通過能力為3000萬(wàn)噸/年，共設(shè)5條堆場(chǎng)，堆場(chǎng)占地44萬(wàn)平米，堆場(chǎng)容量214萬(wàn)噸，。
煤四期擴(kuò)容工程堆場(chǎng)位于現(xiàn)煤四期堆場(chǎng)南側(cè)，布置3條堆場(chǎng),堆場(chǎng)設(shè)備采用兩臺(tái)懸臂式堆料機(jī)、4臺(tái)取料機(jī)和堆場(chǎng)皮帶機(jī)進(jìn)行裝卸作業(yè)。煤堆底部寬度為56m，堆高17m，堆場(chǎng)長(zhǎng)度1105m，堆料線和取料線的中心距為73m。堆場(chǎng)占地25.7萬(wàn)平米，堆場(chǎng)容量125萬(wàn)噸。占設(shè)計(jì)年通過能力的8.3%。由于堆場(chǎng)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(chǎng)煤炭粉塵對(duì)港口及周邊環(huán)境的影響，本工程在每條堆場(chǎng)的兩側(cè)各設(shè)置33個(gè)灑水噴槍，間隔34米，共計(jì)198個(gè)噴槍，對(duì)堆場(chǎng)煤堆進(jìn)行自動(dòng)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)，共設(shè)有153個(gè)總線控制站，控
制堆場(chǎng)198個(gè)噴槍的自動(dòng)噴灑作業(yè)和轉(zhuǎn)接機(jī)房、碼頭等區(qū)域供水設(shè)備的信號(hào)采集及設(shè)備控制。灑水除塵控制系統(tǒng)采用一臺(tái)Rockwell公司的Controllogix 系列PLC，與兩臺(tái)上位監(jiān)控操作站通過以太網(wǎng)相連?？刂泣c(diǎn)數(shù)約3000點(diǎn)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(chǎng)灑水噴槍站及其它設(shè)備控制站153個(gè)，且數(shù)量多、分布廣、距離遠(yuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)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(gè)噴槍站單設(shè)一個(gè)遠(yuǎn)程站，將會(huì)使成本大大提高，另外，PLC模塊的防護(hù)等級(jí)較低,工作時(shí)溫度范圍一般為00C ～400C，難于適應(yīng)惡劣的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)附近的變電所或?yàn)⑺梅靠刂剖覂?nèi)，則將耗費(fèi)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(jì)和計(jì)算，僅從堆場(chǎng)附近的變電所引至堆場(chǎng)灑水噴槍站的控制電纜(kvv-14*2.5)就需約160km左右。
針對(duì)上述情況，面對(duì)這種設(shè)備控制分散、設(shè)備布置距離遠(yuǎn)、控制點(diǎn)數(shù)多的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，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(chǎng)條件，需設(shè)計(jì)一種價(jià)格低廉、布線簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、工作安全可靠的控制系統(tǒng)方案。
由德國(guó)PhoenixContact公司開發(fā)的Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為上述灑水系統(tǒng)提供了一個(gè)完整的解決方案，如圖1所示。近十多年來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)總線的發(fā)展，對(duì)實(shí)現(xiàn)面向設(shè)備的自動(dòng)化系統(tǒng)起到了巨大的推動(dòng)作用。大量的現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備可通過各種途經(jīng)連接到Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線上，通過網(wǎng)絡(luò)互相通信，實(shí)現(xiàn)智能化現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61158，2004年末成為中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)JB10308。至今，全球已有1000多個(gè)生產(chǎn)廠家提供2500多種Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，在世界范圍內(nèi)已經(jīng)有六百五十萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)的成功應(yīng)用。
Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線在系統(tǒng)布線、診斷和維修上對(duì)設(shè)計(jì)、集成和用戶都將帶來(lái)方便和收益。
Interbus現(xiàn)場(chǎng)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(shí)，相鄰站點(diǎn)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(gè)子站，易于擴(kuò)展、易于分層。采用電纜總線時(shí)無(wú)中繼最長(zhǎng)可達(dá)12公里，同時(shí)各子站無(wú)需編址。根據(jù)Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線的諸多特點(diǎn)，在堆場(chǎng)上述控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上優(yōu)先選用了Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線，Interbus現(xiàn)場(chǎng)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(gè)方面：
* 符合國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，開放的系統(tǒng)，簡(jiǎn)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(chǎng)的工況需求。
* 強(qiáng)大的診斷功能。獨(dú)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(chǎng)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(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)本工程灑水工藝系統(tǒng)的特點(diǎn)及Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)，依照國(guó)際自動(dòng)化技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，本著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)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(jì)成一個(gè)由計(jì)算機(jī)、PLC、Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線組成的多級(jí)、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(tái)Rockwell的大型Controllogix PLC作為控制主機(jī)，CPU選用1756-L55M24,配有一個(gè)Controllogix PLC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(gè)PhoenixContact的Interbus控制卡SST IBS CLX RLL，Interbus總線在第一個(gè)站通過IBS IL 24 RB-T分枝模塊，對(duì)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(chǎng)的灑水噴槍控制站和卸車線轉(zhuǎn)接機(jī)房加熱器及火災(zāi)報(bào)警控制站(75個(gè))；另一路分枝總線控制取料線堆場(chǎng)灑水噴槍控制站和裝船線轉(zhuǎn)接機(jī)房加熱器及火災(zāi)報(bào)警控制站(78個(gè))；每個(gè)控制站配有一個(gè)Interbus總線適配器IBS IL 24 BK-T/U-PAC和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電源模塊PS240AC/24DC,各控制站視現(xiàn)場(chǎng)控制點(diǎn)數(shù)的多少，配置不同的I/O,控制站最多的配置為18點(diǎn)輸入，8點(diǎn)輸出；控制站最小的配置為8點(diǎn)輸入。系統(tǒng)共設(shè)有153個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，控制點(diǎn)數(shù)約3000個(gè)。系統(tǒng)所配模塊為Phoenix Contact的Inline系列產(chǎn)品，防護(hù)等級(jí)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(chǎng)控制站均設(shè)置在防護(hù)等級(jí)為IP65的現(xiàn)場(chǎng)控制箱內(nèi)，可適用于現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境。
由于灑水泵房控制室與兩路輸出的現(xiàn)場(chǎng)總線控制站較遠(yuǎn)，均超過了800M，同時(shí)在裝船線轉(zhuǎn)接機(jī)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(chǎng)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(jì)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(chǎng)總線可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)灑水噴槍站的設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)控制，每個(gè)灑水噴槍站由一個(gè)電動(dòng)閥和一個(gè)電動(dòng)擺頭組成，根據(jù)Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線傳輸?shù)闹噶顢?shù)據(jù)自動(dòng)控制噴槍的出水和擺動(dòng)及自動(dòng)拌熱(僅在冬季時(shí)使用)。根據(jù)灑水工藝的要求，自動(dòng)控制每組噴槍的同時(shí)最大使用個(gè)數(shù)為10個(gè)。每組噴槍可自動(dòng)順序切換,每次噴槍噴灑的時(shí)間通過監(jiān)控操作站可調(diào),順序噴灑,直至堆場(chǎng)198個(gè)噴槍全部噴灑一遍，完成一個(gè)灑水工作循環(huán)。
灑水系統(tǒng)PLC通過交換機(jī)與兩臺(tái)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(hào)為IL40S，配21”液晶彩顯。上位監(jiān)控軟件配置兩套Intouch9.0無(wú)限點(diǎn)運(yùn)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(gè)煤碼頭控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)經(jīng)交換機(jī)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(chǎng)灑水系統(tǒng)的運(yùn)行信息，并接受中控系統(tǒng)發(fā)來(lái)的堆場(chǎng)堆料機(jī)和取料機(jī)在堆場(chǎng)的走行位置和煤炭堆垛信息，在自動(dòng)進(jìn)行灑水噴槍操作方式中,當(dāng)可能噴灑到行走機(jī)械時(shí)，或遇堆場(chǎng)無(wú)料堆處,控制系統(tǒng)能自動(dòng)跳過行走機(jī)械或無(wú)料堆場(chǎng)。
4 結(jié)束語(yǔ)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(jì)，2005年1月完成全部詳細(xì)施工設(shè)計(jì)，并通過了由各方專家組成的設(shè)計(jì)審查，現(xiàn)已完成實(shí)驗(yàn)室的軟件編制和系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，即將進(jìn)入設(shè)備安裝階段。該工程計(jì)劃于2005年9月投產(chǎn)。通過Interbus現(xiàn)場(chǎng)總線在大型煤碼頭堆場(chǎng)灑水的成功設(shè)計(jì)及應(yīng)用，較好地解決了煤碼頭堆場(chǎng)灑水系統(tǒng)所面對(duì)的控制設(shè)備數(shù)量多、分布廣、信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線控制系統(tǒng)首次在國(guó)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(chǎng)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(duì)同類型散貨碼頭的控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)有著積極的促進(jìn)作用
