基于Profibus-DP总线技术的散粮码头照明控制系统设计与应用

贾小楠

（天津临港港务集团有限公司粮油筹建组，天津300452）



基于Profibus-DP总线技术的散粮码头照明控制系统设计与应用

贾小楠

（天津临港港务集团有限公司粮油筹建组，天津300452）

摘要：Profibus-DP是Profibus总线中应用最广的通讯方式。作为国际现场总线标准之一，Profibus-DP主要应用于自动化系统中单元级和现场级通讯，适合于分布式I/O设备、传动设备、PLC及基于PC的自动化系统等设备之间的通讯。本文利用过Profibus-DP总线网络通讯技术，结合PLC硬件技术及软件编程，规划设计实现了散粮码头分布式照明控制系统，并在天津临港经济区大沽口港区2-3号粮油码头项目中取得了良好效果。实践表明，系统运行可靠稳定，使用维护便利，达到了预想的设计使用要求，验证了设计实现方法的有效性。

关键词：散粮码头照明控制现场总线通讯网络Profibus-DP

散粮专业码头作为我国粮食物流仓储中转的主要节点，在粮食物流系统中起着重要的作用。随着我国进口粮食总量逐年增加，国内较多港口普遍规划建设装卸连续高效、机械化自动化程度较高、装卸工艺先进的专用散粮装卸码头。

为满足散粮装卸作业相关照明需要，码头照明系统通常设置输送皮带机廊道沿线及转运站各楼层、码头场区及道路等区域照明设施设备。究其原因，在于皮带机廊道沿线较长、转接站楼层较高、场区道路等附属设施区域较为分散。照明设备灯具数量较多，整体功率消耗较大，采用传统人工开启关闭照明，人工成本较高。因此，采用码头照明自动控制系统系统有利于设备高效节能运行，在有效保证设备利用率的同时，增加设备使用寿命，节约人力资源及生产成本，对码头运营具有良好的经济及社会效益。

针对天津临港经济区大沽口港区2-3号粮油码头散粮装卸照明系统，设计以PLC分布式控制系统为基础，以工业级控制网络Profibus-DP总线技术为核心的照明控制系统。通过软件编程及HMI人机交互访问技术，可根据港区生产现场实际情况，在保留传统现场级照明配电箱手动控制的同时，实现码头皮带机沿线平台灯、走道灯、转接机房照明、码头前沿照明以及场区道路照明的中控室生产控制系统中心CCR集中控制，实现生产调度照明统一控制管理，满足不同作业条件下的区域照明及照度需要，有效提高码头生产作业效率。

1 Profibus-DP网络概述

Profibus是目前国际上通用的现场总线标准之一。它以其独特的技术特点、严格的认证规范、开放的标准、众多厂商的支持，已被纳入现在总线的国际标准，并成为我国首个现场总线国家标准。Profibus是不依赖于生产厂家的、开放式的现场总线，各种自动化设备均可以通过同样的接口交换信息，应用于分布式I/O设备、传动设备、PLC及基于PC的自动化系统。

Profibus-DP则是Profibus中应用最广的通讯方式，由于响应速度快，主要用于自动化系统中单元级和现场级通讯，特别适合于PLC与现场级分布式I/O设备之间的通讯。

2 码头照明及照明供电回路布置

天津临港大沽口港区2-3#粮油码头岸线总计542m，设计年吞吐量800万吨，码头顺岸皮带机廊道517m，照明系统分别布置码头前沿及引桥照明250W高压钠灯投光灯37盏，转接塔照明250W高压钠灯投光灯7盏，3m单头70W平台灯74盏，皮带机沿线走道18W LED步道灯44盏。码头后方道路布置6m道路照明250W路灯15盏，提供码头皮带机沿线、皮带机驱动站、各检修通道、输油管线等作业区域以及道路照明。临港大沽口港区2-3#粮油码头平面如图1所示。

图1 临港大沽口港区2-3#粮油码头平面图

由于皮带机廊道投光灯、平台灯及步道灯照明灯具较为分散，码头沿线分别布置4个照明现场配电箱。电源分别取自码头变电所0.4kV不同回路，后方道路照明路灯电源取自码头变电所0.4kV低压MNS配电柜抽屉回路。每个照明配电箱依照不同照明灯具分类分回路控制，照明配电箱及道路照明低压柜抽屉柜单元各出线回路设置断路器、接触器及隔离继电器，配置远程/本地转换开关、启停按钮及运行指示灯。低压二次回路可实现本地方式下，照明配电箱本地各照明回路的启停手动控制；远程模式下，接受CCR照明统一远程控制。

3 码头照明控制系统设计思路

照明控制系统采用主-从分布式结构，由控制主站、现场从站、通讯光电缆、现场照明控制箱、继电器及接触器执行元件、通讯网络、PLC及HMI软件等构成。控制功能实现：远程控制方式下，中控调度中心上位机界面分组开闭照明或定时自动开启照明；本地控制方式下，现场照明配电箱手动开关各回路照明灯具；远程/本地控制状态由现场照明配电箱转换开关选择确定。

3.1 照明控制系统网络构架

照明控制系统网络由中控室管理层网络与码头输粮输油工艺控制系统共用DP设备层通讯网络构成。中控室调度操作系统通过工业以太网与控制主站通讯，控制主站通过DP环网与现场各通讯从站通讯。为有效避免码头现场电磁干扰，确保各站之间电气隔离，主干通讯网络采用8芯多模光纤，设置照明控制远程站5个。其中，现场每个照明配电箱内各设置1个照明通讯控制远程从站，用于构成现场照明控制箱控制网络；道路照明由码头变电所低压室远程站1个，用于道路照明低压回路的控制，并与变电所低压MCC远程站共用，兼顾照明控制及驱动站各电动机回路控制。

各通讯从站配置OLM光链路模块，转换DP网络光电信号，连接网络上行及下行通讯节点。光链路模块可模块构建光纤网络，其网络结构可以为线形、星形或是冗余式环形结构，可自动识别所有9.6 kbit/s至12Mbit/s的PROFIBUS数据传输速率，支持冗余式电源；可通过信号触点、通道监控LED和测量端子快速定位故障；最大支持15kM传输距离；通过配合冗余光学环形结构，可进一步实现网络的可靠性。本系统采用G12多模OLM模块，码头中控室主站、变电所低压MCC远程站及现场各照明箱远程站之间光纤环网连接。控制网络结构图如图2所示。

图2 控制网络系统结构图

3.2 照明控制系统网络主站配置及功能

照明控制系统控制主站与码头输粮输油工艺控制系统共用，采用西门子S7-400系列PLC，配置电源模块PS407、CPU模块412-2以及通讯扩展模块CP443-1，具备工业以太网及DP总线通讯功能。照明主站控制功能如下：

（1）实现主站PLC内部底层各控制、通讯程序的内部逻辑控制；

（2）处理照明控制远程站采集来的数据，并反馈给上位计算机，参与系统控制；

（3）通过控制网络与上位计算机进行通信，接受上位机的控制指令，传递相关控制指令至远程照明控制从站，实现控制功能。

3.3 照明控制系统网络从站配置及功能

现场4个照明配电箱内分别设置4个照明控制远程站。各照明控制从站配置S7-200系列PLC CPU226，24点24VDC DI，16点继电器DO，用于现场级照明回路启停控制信号输出及照明回路运行信号采集；配置EM277 DP总线接口扩展模块，通过串行总线实现现场级PLC与DP OLM的通讯连接。码头变电所从站由于输粮输油工艺控制点位较多，采用ET-200系列远程站配置IM153通讯接口模块，与DP OLM连接，配置可扩展型数字量及模拟量输入输出模块，以满足多种信号采集及控制功能。照明从站控制功能如下：

（1）实现从站PLC内部底层各控制、通讯程序的内部逻辑控制；

（2）采集各现场照明配电箱等低压照明回路运行反馈信号数据，通过控制网络反馈给照明控制主站；

（3）通过控制网络与主站PLC通信，接受上位机的控制指令，传递相关控制指令。

3.4 控制软件结构及实现

照明控制系统软件由中控室上位HMI人机界面软件及PLC控制软件组成，软件结构如图3所示。人机界面主要实现PC与操作员之间的人机交互，传递PC与PLC之间的控制及反馈变量信息，并通过界面完成各照明回路的分组及定时开启关闭、照明区域显示、照明状态监测等功能，同时采用西门子Wincc 7.0组态软件开发版完成图形化界面绘制、通讯及变量定义。

照明控制界面可完成自动跟踪各控制回路的情况，运行故障记录及查找，统计完成开关灯时间、运行时长及运行能耗等经济技术指标统计功能，可为码头作业能耗统计提供基础照明数据依据。

PLC软件根据控制系统主站及从站功能分为主站及从站程序两种。主站程序完成通讯网络规划组态、模块定义及输入输出变量读写，结合LD梯形图、FBD功能模块图以及STL结构化文本语言整合组成全部程序结构；从站程序主要完成现场照明控制回路的运行信息数据采集及控制主站的指令传递，采用模块化编程方式，独立于系统中其他输粮输油等工艺设备的程序运行。软件工具分别以西门子Step7 5.5及Step 7-Micro/WIN编程软件实现。PLC数据控制结构框图如图3所示。

其中，对于主站从站照明控制回路全部信号采集及控制信号变量传递数据流向，做出如下规划，详见表1。具体控制逻辑为：当现场照明控制箱及低压照明回路处于远程受控状态下，照明回路电源通断状态条件正常，根据控制界面调度操作开启关闭相应照明回路，有效避免与现场手动控制方式的干涉及冲突。

图3 PLC数据控制结构图

表1 照明控制数据流向表

4 结论

本文利用Profibus-DP总线网络通讯技术，结合PLC硬件技术及软件编程，规划设计实现了散粮码头分布式照明控制系统。在2015年4月天津临港经济区大沽口港区2-3号粮油码头正式对外开放投入作业使用后，它可靠稳定运行，实现了码头调度中心照明系统照明集中控制，使用、维护方便，达到了预想的设计使用要求，取得了良好的运行效果。其设计思路及实现方法不仅可广泛应用于其他散货专业码头及物料输送系统项目，也同时适用于其他工业照明控制项目环境。可见，用现场总线工业网络方法实现远距离大规模照明控制，具有程序修改方便、通用性强、可靠性高的特定，其优点在本项目中也得到了很好的体现。

参考文献

［1］田秀德，李玮，李云杰.远程集中控制系统在港口照明中的应用［J］.港口科技，2015，（4）：36-38.

［2］黄国良，吴勇，何润添，孙星.港口照明智能控制系统设计［J］.交通信息与安全，2010，（6）：104-107.

［3］杜文武，杨锐.大型集装箱码头照明系统工程设计要点研究［J］.中国水运，2012，（9）：75-76.

［4］王东云，凌德麟，黄建萍.西门子PROFIBUS-DP现场总线及应用［J］.航天控制，2002，（4）：69-73.

［5］宋清昆，毕琳娜.基于PROFIBUS-DP的主站与从站通信系统设计［J］.信息技术，2009，（4）：93-99.

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