Interbus工業現場總線在大型煤碼頭中的應用

摘要：本文介紹了Interbus工業現場總線在秦皇島港煤四期擴容工程堆場灑水系統中的成功應用。詳細描述了系統的架構，主要功能，現場總線的主要特點與長距離、大面積的灑水系統的巧妙結合。既滿足了工藝的要求，又提高了系統的經濟性、穩定性和可維護性。
關鍵詞：Interbus； 碼頭；控制系統；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 工程概況及系統簡介
為緩解華東、華南等地區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，秦皇島港為適應煤炭消費市場和保證國民經濟高速增長的需要，并為適應秦皇島港自身發展的需要，于2004年8月開工建設秦皇島港煤四期擴容工程，該工程擬建3.5萬、5萬噸級泊位各1個，設計通過能力為1500萬噸/年。原有煤四期工程于1997年12月建成投產，設計通過能力為3000萬噸/年，共設5條堆場，堆場占地44萬平米，堆場容量214萬噸，。
煤四期擴容工程堆場位于現煤四期堆場南側，布置3條堆場,堆場設備采用兩臺懸臂式堆料機、4臺取料機和堆場皮帶機進行裝卸作業。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，在風天和裝卸過程中容易起塵，造成環境污染。為抑制堆場煤炭粉塵對港口及周邊環境的影響，本工程在每條堆場的兩側各設置33個灑水噴槍，間隔34米，共計198個噴槍，對堆場煤堆進行自動噴灑作業，抑制粉塵的產生，減少環境污染。
系統采用Interbus現場總線控制系統，共設有153個總線控制站，控制堆場198個噴槍的自動噴灑作業和轉接機房、碼頭等區域供水設備的信號采集及設備控制。灑水除塵控制系統采用一臺Rockwell公司的Controllogix 系列PLC，與兩臺上位監控操作站通過以太網相連。控制點數約3000點左右。上位監控操作站和PLC設于灑水泵房控制室。

2 系統方案確定
由于本工程堆場灑水噴槍站及其它設備控制站153個，且數量多、分布廣、距離遠，現場作業環境惡劣，絕大多數為戶外露天使用。如采用傳統的PLC遠程站方式控制，在每個噴槍站單設一個遠程站，將會使成本大大提高，另外，PLC模塊的防護等級較低,工作時溫度范圍一般為00C ～400C，難于適應惡劣的現場環境和秦皇島冬季較低的氣溫(最低－200C)；如把PLC遠程站設于堆場附近的變電所或灑水泵房控制室內，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工作量,根據設計和計算，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，面對這種設備控制分散、設備布置距離遠、控制點數多的作業現場，利用PLC遠程站方式難于有效的解決以上在成本、惡劣環境、冬季低溫及日常維護量大等諸多問題。因此，為適應上述工藝要求及現場條件，需設計一種價格低廉、布線簡單、維護方便、適應現場環境、工作安全可靠的控制系統方案。
由德國PhoenixContact公司開發的Interbus現場總線網絡技術，為上述灑水系統提供了一個完整的解決方案，如圖1所示。近十多年來，現場總線的發展，對實現面向設備的自動化系統起到了巨大的推動作用。大量的現場智能設備可通過各種途經連接到Interbus現場總線上，通過網絡互相通信，實現智能化現場設備的功能自制性、系統結構的高度分散性以及管控一體化。Interbus現場總線現已廣泛地應用于汽車工業、煙草工業、物流輸送技術、造紙、包裝和食品工業等行業。1998年成為歐洲標準EN50254，2000年2月成為國際標準IEC61158，2004年末成為中國標準JB10308。至今，全球已有1000多個生產廠家提供2500多種Interbus現場總線產品，在世界范圍內已經有六百五十萬個節點的成功應用。Interbus現場總線在系統布線、診斷和維修上對設計、集成和用戶都將帶來方便和收益。
Interbus現場總線的物理層采用RS485串行通信標準，傳輸介質可為屏蔽雙絞線、光纜或紅外線，最多分支達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。網絡拓撲結構為樹型，可連接最多254 個子站，易于擴展、易于分層。采用電纜總線時無中繼最長可達12公里，同時各子站無需編址。根據Interbus現場總線的諸多特點，在堆場上述控制系統的設計上優先選用了Interbus現場總線，Interbus現場總線方案能夠較好地解決上述灑水工藝系統所要求的環境、溫度、成本及維護等方面的問題，主要體現在以下幾個方面：
Ø 符合國際和國內標準，開放的系統，簡單、易用。可與主流PLC相連接（Rockwell/Siemens/Schneider）、易于擴展。
Ø 傳輸距離遠，兩站之間＜400M，可選用電纜，兩站之間＞400M，而＜2000M可選用光纜。在同一系統中，三種傳輸媒介（雙絞線、光纖、紅外）可以根據需要混合使用，極大滿足了現場的工況需求。
Ø 強大的診斷功能。獨立的診斷程序提供了詳細的故障信息（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，極大地方便了系統集成和日后維護。
Ø Interbus現場總線產品溫度范圍廣，可在-250C ～+550C之間正常工作，可完全滿足秦皇島地區冬季低溫的工作環境。

3 系統結構
對于系統結構設計，根據本工程灑水工藝系統的特點及Interbus現場總線的優勢，依照國際自動化技術和現場總線控制系統的發展趨勢，本著系統結構簡單實用、技術先進、系統擴展方便、操作安全可靠、易于管理和維護等原則，設計成一個由計算機、PLC、Interbus現場總線組成的多級、開放式的集散型數據采集和監控管理系統，如圖2所示。
灑水除塵控制系統采用一臺Rockwell的大型Controllogix PLC作為控制主機，CPU選用1756-L55M24,配有一個Controllogix PLC的1756-ENBT以太網接口模塊，用于與上位監控操作站的網絡連接；另配有一個PhoenixContact的Interbus控制卡SST IBS CLX RLL，Interbus總線在第一個站通過IBS IL 24 RB-T分枝模塊，對網絡的物理拓普進行樹型分枝，一路控制堆料線堆場的灑水噴槍控制站和卸車線轉接機房加熱器及火災報警控制站(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接機房加熱器及火災報警控制站(78個)；每個控制站配有一個Interbus總線適配器IBS IL 24 BK-T/U-PAC和一個標準電源模塊PS240AC/24DC,各控制站視現場控制點數的多少，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。系統共設有153個現場控制站，控制點數約3000個。系統所配模塊為Phoenix Contact的Inline系列產品，防護等級IP20,工作溫度范圍為-250C ～+550C，完全適應于秦皇島地區的冬季低溫環境。所有現場控制站均設置在防護等級為IP65的現場控制箱內，可適用于現場的惡劣環境。
由于灑水泵房控制室與兩路輸出的現場總線控制站較遠，均超過了800M，同時在裝船線轉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，所以均采用雙絞線方式傳輸總線數據。采用Interbus現場總線方案所需敷設的總線電纜約為7km，控制電纜約6km，4芯光纜3km，總計17km，遠低于采用PLC系統所需的160km控制電纜。
灑水控制系統通過Interbus現場總線可實現對每個灑水噴槍站的設備進行自動控制，每個灑水噴槍站由一個電動閥和一個電動擺頭組成，根據Interbus現場總線傳輸的指令數據自動控制噴槍的出水和擺動及自動拌熱(僅在冬季時使用)。根據灑水工藝的要求，自動控制每組噴槍的同時最大使用個數為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控操作站可調,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。
灑水系統PLC通過交換機與兩臺上位監控操作站連接，監控操作站選用西門子公司的工業PC,型號為IL40S，配21”液晶彩顯。上位監控軟件配置兩套Intouch9.0無限點運行版軟件，完成灑水控制系統的操作、監控、灑水狀態畫面顯示及故障狀態顯示等功能。灑水控制系統作為整個煤碼頭控制系統的一個子系統經交換機與設于中央控制室的控制系統服務器交換數據，輸出堆場灑水系統的運行信息，并接受中控系統發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，在自動進行灑水噴槍操作方式中,當可能噴灑到行走機械時，或遇堆場無料堆處,控制系統能自動跳過行走機械或無料堆場。

4 結束語
秦皇島港煤碼頭四期擴容工程的灑水控制系統已于2004年10月完成方案設計，2005年1月完成全部詳細施工設計，并通過了由各方專家組成的設計審查，現已完成實驗室的軟件編制和系統模擬試驗，即將進入設備安裝階段。該工程計劃于2005年9月投產。通過Interbus現場總線在大型煤碼頭堆場灑水的成功設計及應用，較好地解決了煤碼頭堆場灑水系統所面對的控制設備數量多、分布廣、信號傳輸距離長、現場環境惡劣、設備維護困難等多種不利因素，是Interbus現場總線控制系統首次在國內港口大型煤碼頭上的應用，該系統的建成，使現場總線控制系統在港口、碼頭等領域得到了進一步的推廣和應用，對同類型散貨碼頭的控制系統采用現場總線控制系統有著積極的促進作用。同時，對散貨碼頭輸送工藝系統設備大規模采用現場總線控制產品打下了堅實的基礎。
現場總線經過十多年的發展，技術已日趨成熟，產品種類繁多。從應用的角度看，無論采用何種總線控制系統，應視具體情況而定，從Interbus的發展歷史和實際應用的角度來看，其靈活的擴展性，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及工藝輸送系統等領域有著廣泛的應用前景。