惠州港荃湾港区煤码头中央控制系统设计与实现

鞠进，冯倩，张焕荣

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

1 工艺系统概述

惠州荃湾港煤码头位于广东省惠州市大亚湾西北部、纯洲岛边，是粤东地区最大的煤炭码头，规划建设3个7万吨级泊位及其配套设施，分两期建设，一期建设2个7万吨级煤炭卸船泊位及相应的配套设施，达产设计年卸煤能力1500万吨。煤炭集运全部由散货船从北方或海外海运至码头，卸船后经带式输送机系统储存于煤堆场，再经铁路和公路转运部分电厂和社会用煤，也可通过带式输送机系统直供附近用煤企业。港口规模大，需要有性能稳定、自动化水平高、设备先进的控制系统以及扩展性高、可靠性安全、易操作的计算机管理系统的配合，实现港区管控一体化功能。一期工程装卸设备共19条皮带机，总长达11.5公里，码头前沿配备4台1800t/h桥式抓斗卸船机。煤堆场布置5台堆取3600t/h的斗轮堆取料机。沿铁路配备2台3600t/h的轨道式移动装车机。工艺流程有卸船至堆场；堆场至装火车；堆场至外运；煤场至港外。最大同时作业流程有卸船至堆场2路；堆场至装火车2路；堆场至外运1路。为了环保，在每个转运站落料处设置除尘设备，防治落料处出现扬尘。煤炭堆场附近还配备了洒水除尘系统，用于堆场的洒水抑制扬尘，安装喷枪共计136套。根据工艺要求，中控系统负责完成19条皮带机、皮带保护附属设备、11台大型装卸设备与港口信息管理系统的信息交换以及港内全部工艺流程的控制。

2 中控系统网络拓扑结构

中控系统作为管控系统的中枢，实现对皮带机及附属设备的控制、与单机设备的通讯，也是实现与计算机管理系统的信息交换的桥梁。此系统对生产作业设备状况上传至管理系统中，再经过管理系统的任务下达，实现控制相应工艺流程设备。控制系统设计采用成熟、标准、开放的分布式总线控制体系，将被控对象I/O信号转化为数字信号，通过现场总线传输至控制系统，为此每台设备配置具有现场总线功能的就地智能控制器，防护等级为IP67，通信协议为PROFIBUS-DP。就地智能控制器具有工业级标准现场总线通讯接口、电源接口以及I/O接口，自带CPU，具备智能可编程功能，系统功能的扩展不再依赖主控制器的处理能力。就地智能控制器可向中控室提供输入信息和智能化判断功能。根据总图布局，将现场总线设备划分为若干个区域，每个区域设置一台现场总线式区域网络智能控制器。区域内的就地智能控制器通过工业级现场总线接入区域网络智能控制器，并通过区域网络智能控制器与布置于控制室的主控制器双向通讯。计算机管理系统网络为多层面树状体系，主干网采用万兆以太网技术。计算机系统包括：数据库服务器、应用服务器、存储设备等硬件设备、操作系统、数据库管理系统、安全管理系统等系统软件。此系统对内采用C/S模式，对外采用B/S模式，结构采用快速交换式以太网络架构，网络协议为TCP/IP。磁盘阵列采用RAID控制卡保证数据安全和快速交换，配置应用服务器为Web、OA以及生产过程监控提供数据存储和数据共享，实现对内、对外的信息交换。

3 中控系统的功能设计

3.1 控制系统功能

（1）顺序控制功能。控制功能是用工控机通过软功能键对输送系统实现顺序控制、单机联锁启停及调试过程中无联锁的单机启停控制功能。操作控制分程控自动、程控手动及就地手动三种方式。

（2）监视报警功能。具体功能包括：在LCD上显示故障设备、性质、时间等；打印故障内容及发生时间；系统发出语音报警；历史数据记录与查询等。

（3）计算机管理系统功能。按照港区运输装卸工艺流程和管理要求，计算机管理系统具备的功能包括进出港口船舶资料录入和输出；与船方、货主、货代之间数据交换功能；进出港区的散货动态和信息录入；生成单证；编制船舶卸载、配载及散货装卸作业顺序功能；散货堆存及在港的移动信息；实时调度和管理大型机械功能；计算费用及报表；内部和外部查询功能。计算机管理系统包括的功能模块有原始资料录入、单证管理、装车卸船管理、堆场管理、闸口管理、计划与调度、计费管理、统计查询、客户管理、系统维护等。

（4）系统承担与各单机PLC系统信息通讯功能。码头卸船机、堆取料机设备由制造厂家提供PLC系统，经光纤通信接口与码头PLC控制系统连接。实现对大型设备的起升开闭机构、小车运行机构、俯仰机构、大车行走机构、回转机构、悬臂皮带机机构以及斗轮机机构的状态监视及执行指令下放功能。

（5）系统承担与翻车机设备PLC系统通讯功能。翻车机控制系统可提供作业状态、翻车节数、运行故障状态以及除尘洒水动作的信息。中控系统向翻车机发送准许给料命令，反馈输送皮带运行信号以及煤炭积累量信息。

（6）系统承担与堆场洒水系统的通讯功能。中控系统对堆场作业情况、煤场堆垛的状况以及大型设备行走位置的判断，发送指令至洒水控制系统实现对相应位置喷枪动作控制。

（7）系统承担与各单机系统硬线联锁功能。港区大型设备多，通讯中断会导致系统控制瘫痪，为了适应作业中的工艺设备，除光纤通讯外亦用硬线联锁控制方式传递数字信息。

4 中控系统硬件组成

控制系统设置1套控制主站（SIEMENS S7-400系列）和22个现场总线区域（皮带分为20个区域，变电所分为2个区域）。主站设在码头中控室，区域网络智能控制器设在现场区域箱及变电所内，中控室包含操作站、工程师站、控制主站、交换机、控制服务器、打印机、UPS电源及其他辅助设备等。现场总线模块包括区域网络智能控制器、就地智能控制器、温度测量智能控制器、智能定位装置等。主站CPU、电源及控制总线采用冗余方式。卸船机和堆取料机通过硬线连接至现场智能控制器，通过光纤接口方式接入码头PLC主系统。在两个配置相同的主机架上安装热备通讯模块，热备模块通过光纤彼此相连，每个扫描周期，主CPU根据自身的I/O状态表，通过热备模块间的通讯来更新备用CPU的I/O状态表，使备用CPU始终与主CPU同步，完全同步地无扰动地进行切换。

信息管理网络系统配置核心级和接入级交换机，核心交换机采用框架式模块化配置；接入交换机采用固定式。信息处理系统主要配置数据服务器（容错形式服务器）和硬盘阵列。

5 中控系统软件组成

（1）PLC程序。此软件是实现系统监控与组态的必要软件。程序软件包具体包括实时操作系统程序和应用程序。

（2）操作员站程序。此程序是实现终端人机交换接口HMI程序，是建立与PLC之间的数据库标签、组态、报警、图形及显示属性等。上位机采用GE的IFIX，操作员可直观生动的监控画面，掌握现场设备运行状况，通过上位机更方便的对现场设备进行控制。

（3）控制网络组态。此软件是确定网络更新时间NUT、节点地址以及分配情况，实现与其他各单机PLC系统的数据传输。

（4）数据共享及报表。此软件是实现港区管控一体化的关键，利用软件进行数据无缝桥接，通过微软Access生成报表。

6 中控系统设计重难点

（1）系统冗余及线路。针对传统散料输送控制系统存在的问题，例如控制对象分散、干扰严重、保护装置沿线设备信号难以全部接入；电缆用量大；自动化程度一般等，在智能化、可靠性以及经济性角度进行改良设计，利用总线制智能控制系统，集测量、控制、执行于一体的可编程控制单元，做到总线冗余网络架构并分散控制，智能控制器的分散布置可以节约信号电缆，有效缩短工期。

（2）与第三方设备通讯。卸船机、堆取料机以及装车机设备配置安川PLC系统，为了与中控系统进行通讯连接，通过接口模块实现PROFIBUS-DP与中控PLC系统的通讯，实现不同PLC设备之间的有效桥接。

7 结语

在荃湾煤码头一期工程系统设计中，借鉴了国内同类型港口操作理念及控制方式，在智能化较高的当今，总结了传统散货输送控制系统存在的问题，弥补了欠缺，所有设备均采用国际先进的控制系统设备，自动化程度高，作业效率快，也是国内少有的设计施工总承包的大型煤炭装卸港口项目。目前，一期工程码头完成了卸船流程的轻载及重载试车，调试顺利，控制系统运行稳定，通讯响应迅速。同时，码头完成2艘7万吨级煤船（“华强”号、“协海开拓”号）靠泊以及4台卸船机24h连续卸船作业。至此，首次24h满负荷连续卸船调试作业安全并顺利完成，各设备及系统运行良好。整个码头配备世界先进煤炭装卸设备，致力于打造国际一流煤炭码头运输系统，国际一流煤炭码头。