Interbus工业现场总线在大型煤码头中的应用

Interbus工业现场总线在大型煤码头中的应用
孙 鲁
（中交第一航务工程勘察设计院设计所 天津 300222）
摘要：本文介绍了Interbus工业现场总线在秦皇岛港煤四期扩容工程堆场洒水系统中的成功应用。详细描述了系统的架构，主要功能，现场总线的主要特点与长距离、大面积的洒水系统的巧妙结合。既满足了工艺的要求，又提高了系统的经济性、稳定性和可维护性。
关键词：Interbus； 码头；控制系统；洒水
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 工程概况及系统简介
为缓解华东、华南等地区的煤炭能源材料的急缺需求，国家在增加大秦（大同—秦皇岛）铁路运力的同时，对煤炭港口吞吐量的需求也在加大，秦皇岛港为适应煤炭消费市场和保证国民经济高速增长的需要，并为适应秦皇岛港自身发展的需要，于2004年8月开工建设秦皇岛港煤四期扩容工程，该工程拟建3.5万、5万吨级泊位各1个，设计通过能力为1500万吨/年。原有煤四期工程于1997年12月建成投产，设计通过能力为3000万吨/年，共设5条堆场，堆场占地44万平米，堆场容量214万吨，。
煤四期扩容工程堆场位于现煤四期堆场南侧，布置3条堆场,堆场设备采用两台悬臂式堆料机、4台取料机和堆场皮带机进行装卸作业。煤堆底部宽度为56m，堆高17m，堆场长度1105m，堆料线和取料线的中心距为73m。堆场占地25.7万平米，堆场容量125万吨。占设计年通过能力的8.3%。由于堆场面积较大，且煤炭为露天存放，在风天和装卸过程中容易起尘，造成环境污染。为抑制堆场煤炭粉尘对港口及周边环境的影响，本工程在每条堆场的两侧各设置33个洒水喷枪，间隔34米，共计198个喷枪，对堆场煤堆进行自动喷洒作业，抑制粉尘的产生，减少环境污染。
系统采用Interbus现场总线控制系统，共设有153个总线控制站，控制堆场198个喷枪的自动喷洒作业和转接机房、码头等区域供水设备的信号采集及设备控制。洒水除尘控制系统采用一台Rockwell公司的Controllogix 系列PLC，与两台上位监控操作站通过以太网相连。控制点数约3000点左右。上位监控操作站和PLC设于洒水泵房控制室。

2 系统方案确定
由于本工程堆场洒水喷枪站及其它设备控制站153个，且数量多、分布广、距离远，现场作业环境恶劣，绝大多数为户外露天使用。如采用传统的PLC远程站方式控制，在每个喷枪站单设一个远程站，将会使成本大大提高，另外，PLC模块的防护等级较低,工作时温度范围一般为00C ～400C，难于适应恶劣的现场环境和秦皇岛冬季较低的气温(最低－200C)；如把PLC远程站设于堆场附近的变电所或洒水泵房控制室内，则将耗费大量的控制电缆、电缆桥架，并且极大的增加了敷设电缆及安装桥架的施工工程量和加大了日后控制电缆的维护工作量,根据设计和计算，仅从堆场附近的变电所引至堆场洒水喷枪站的控制电缆(kvv-14*2.5)就需约160km左右。
针对上述情况，面对这种设备控制分散、设备布置距离远、控制点数多的作业现场，利用PLC远程站方式难于有效的解决以上在成本、恶劣环境、冬季低温及日常维护量大等诸多问题。因此，为适应上述工艺要求及现场条件，需设计一种价格低廉、布线简单、维护方便、适应现场环境、工作安全可靠的控制系统方案。
由德国PhoenixContact公司开发的Interbus现场总线网络技术，为上述洒水系统提供了一个完整的解决方案，如图1所示。近十多年来，现场总线的发展，对实现面向设备的自动化系统起到了巨大的推动作用。大量的现场智能设备可通过各种途经连接到Interbus现场总线上，通过网络互相通信，实现智能化现场设备的功能自制性、系统结构的高度分散性以及管控一体化。Interbus现场总线现已广泛地应用于汽车工业、烟草工业、物流输送技术、造纸、包装和食品工业等行业。1998年成为欧洲标准EN50254，2000年2月成为国际标准IEC61158，2004年末成为中国标准JB10308。至今，全球已有1000多个生产厂家提供2500多种Interbus现场总线产品，在世界范围内已经有六百五十万个节点的成功应用。Interbus现场总线在系统布线、诊断和维修上对设计、集成和用户都将带来方便和收益。
Interbus现场总线的物理层采用RS485串行通信标准，传输介质可为屏蔽双绞线、光缆或红外线，最多分支达16层。速率固定为500K，采用双绞线时，

相邻站点的安全距离为400米。网络拓扑结构为树型，可连接最多254 个子站，易于扩展、易于分层。采用电缆总线时无中继最长可达12公里，同时各子站无需编址。根据Interbus现场总线的诸多特点，在堆场上述控制系统的设计上优先选用了Interbus现场总线，Interbus现场总线方案能够较好地解决上述洒水工艺系统所要求的环境、温度、成本及维护等方面的问题，主要体现在以下几个方面：
Ø 符合国际和国内标准，开放的系统，简单、易用。可与主流PLC相连接（Rockwell/Siemens/Schneider）、易于扩展。
Ø 传输距离远，两站之间＜400M，可选用电缆，两站之间＞400M，而＜2000M可选用光缆。在同一系统中，三种传输媒介（双绞线、光纤、红外）可以根据需要混合使用，极大满足了现场的工况需求。
Ø 强大的诊断功能。独立的诊断程序提供了详细的故障信息（故障地址、故障类型和故障历史记录），诊断寄存器提供了用户程序处理故障信息的工具，极大地方便了系统集成和日后维护。
Ø Interbus现场总线产品温度范围广，可在-250C ～+550C之间正常工作，可完全满足秦皇岛地区冬季低温的工作环境。

3 系统结构
对于系统结构设计，根据本工程洒水工艺系统的特点及Interbus现场总线的优势，依照国际自动化技术和现场总线控制系统的发展趋势，本着系统结构简单实用、技术先进、系统扩展方便、操作安全可靠、易于管理和维护等原则，设计成一个由计算机、PLC、Interbus现场总线组成的多级、开放式的集散型数据采集和监控管理系统，如图2所示。
洒水除尘控制系统采用一台Rockwell的大型Controllogix PLC作为控制主机，CPU选用1756-L55M24,配有一个Controllogix PLC的1756-ENBT以太网接口模块，用于与上位监控操作站的网络连接；另配有一个PhoenixContact的Interbus控制卡SST IBS CLX RLL，Interbus总线在第一个站通过IBS IL 24 RB-T分枝模块，对网络的物理拓普进行树型分枝，一路控制堆料线堆场的洒水喷枪控制站和卸车线转接机房加热器及火灾报警控制站(75个)；另一路分枝总线控制取料线堆场洒水喷枪控制站和装船线转接机房加热器及火灾报警控制站(78个)；每个控制站配有一个Interbus总线适配器IBS IL 24 BK-T/U-PAC和一个标准电源模块PS240AC/24DC,各控制站视现场控制点数的多少，配置不同的I/O,控制站最多的配置为18点输入，8点输出；控制站最小的配置为8点输入。系统共设有153个现场控制站，控制点数约3000个。系统所配模块为Phoenix Contact的Inline系列产品，防护等级IP20,工作温度范围为-250C ～+550C，完全适应于秦皇岛地区的冬季低温环境。所有现场控制站均设置在防护等级为IP65的现场控制箱内，可适用于现场的恶劣环境。
由于洒水泵房控制室与两路输出的现场总线控制站较远，均超过了800M，同时在装船线转接机房至码头控制站等三处slave站的相邻总线距离也超过了400M，因此，上述四处采用多模玻璃光纤作为传输媒介，其它slave站之间的距离都在400M之内，所以均采用双绞线方式传输总线数据。采用Interbus现场总线方案所需敷设的总线电缆约为7km，控制电缆约6km，4芯光缆3km，总计17km，远低于采用PLC系统所需的160km控制电缆。
洒水控制系统通过Interbus现场总线可实现对每个洒水喷枪站的设备进行自动控制，每个洒水喷枪站由一个电动阀和一个电动摆头组成，根据Interbus现场总线传输的指令数据自动控制喷枪的出水和摆动及自动拌热(仅在冬季时使用)。根据洒水工艺的要求，自动控制每组喷枪的同时最大使用个数为10个。每组喷枪可自动顺序切换,每次喷枪喷洒的时间通过监控操作站可调,顺序喷洒,直至堆场198个喷枪全部喷洒一遍，完成一个洒水工作循环。
洒水系统PLC通过交换机与两台上位监控操作站连接，监控操作站选用西门子公司的工业PC,型号为IL40S，配21”液晶彩显。上位监控软件配置两套Intouch9.0无限点运行版软件，完成洒水控制系统的操作、监控、洒水状态画面显示及故障状态显示等功能。洒水控制系统作为整个煤码头控制系统的一个子系统经交换机与设于中央控制室的控制系统服务器交换数据，输出堆场洒水系统的运行信息，并接受中控系统发来的堆场堆料机和取料机在堆场的走行位置和煤炭堆垛信息，在自动进行洒水喷枪操作方式中,当可能喷洒到行走机械时，或遇堆场无料堆处,控制系统能自动跳过行走机械或无料堆场。

4 结束语
秦皇岛港煤码头四期扩容工程的洒水控制系统已于2004年10月完成方案设计，2005年1月完成全部详细施工设计，并通过了由各方专家组成的设计审查，现已完成实验室的软件编制和系统模拟试验，即将进入设备安装阶段。该工程计划于2005年9月投产。通过Interbus现场总线在大型煤码头堆场洒水的成功设计及应用，较好地解决了煤码头堆场洒水系统所面对的控制设备数量多、分布广、信号传输距离长、现场环境恶劣、设备维护困难等多种不利因素，是Interbus现场总线控制系统首次在国内港口大型煤码头上的应用，该系统的建成，使现场总线控制系统在港口、码头等领域得到了进一步的推广和应用，对同类型散货码头的控制系统采用现场总线控制系统有着积极的促进作用。同时，对散货码头输送工艺系统设备大规模采用现场总线控制产品打下了坚实的基础。
现场总线经过十多年的发展，技术已日趋成熟，产品种类繁多。从应用的角度看，无论采用何种总线控制系统，应视具体情况而定，从Interbus的发展历史和实际应用的角度来看，其灵活的扩展性，长距离传输，多种传输媒介混用，以及强大的故障诊断功能等特点，在港口散货码头堆场洒水系统及工艺输送系统等领域有着广泛的应用前景。