SCADA系統在港口煤炭裝卸生產中的應用

摘 要：詳細介紹了秦港煤三期SCADA系統的硬件構成和軟件實現方法，以及其在煤炭裝卸生產中的應用。總結了該系統的功能和性能特點。站在港口生產信息化的高度，論述了與工業控制網緊密結合的港口生產實時管理系統的功能和作用。

關鍵詞：港口; SCADA系統; 工業控制網

1 引言

　　在港口煤炭裝卸生產中，動態監控是生產管理的重要工作內容，也是保證港口煤炭裝卸生產正常、安全、高效、經濟運行的重要手段。同時，由于港口煤炭裝卸生產的日益集約化，對港口裝卸生產的控制、調度指揮和設備管理也提出了更高的要求。因此要求港口煤炭裝卸生產從現場控制層到管理層實現全面的無縫信息集成，并提供一個開放的基礎構架，以實現港口生產的信息化管理。目前我國各大專業煤炭港口，都在努力構建自己的生產控制信息系統，以滿足港口生產信息化管理的各項要求。

2 港口煤炭裝卸生產中的SCADA系統

　　港口煤炭裝卸生產中的SCADA系統由港口裝卸作業流程控制系統與實時作業管理系統組成。裝卸作業流程控制系統負責港口生產的流程控制，考慮到港口煤炭裝卸生產的具體情況，采用開放式的高速以太網結構與工控網相結合，構成了一個控制可靠，通訊高效的工業控制局域網。實時作業管理系統由信息采集服務器、信息處理服務器及皮帶秤服務器、電量采集服務器等共同組成。信息采集服務器經MPI網從工控網中取得流程作業信息，信息處理服務器對所采集的流程作業信息以及皮帶秤服務器、電量采集服務器所采集的信息進行分類、處理、存儲。

　　2.1港口煤炭裝卸生產的流程控制網絡

　　港口煤炭裝卸生產的流程可分為卸車流程和裝船流程。卸車流程是把煤炭從列車上翻卸下來，堆存在煤炭堆場，它主要由翻車機、堆料機、皮帶機組成。裝船流程是把煤炭從堆場取出裝到船舶里，它主要由取料機、裝船機、皮帶機組成。翻車機、堆料機、取料機、裝船機等單機是由本機PLC控制器控制，皮帶機則由為它們供電的變電所PLC控制器控制。流程控制則集中在中央控制室。中央控制室與各單機RTU共同組成了港口煤炭裝卸生產的流程控制網絡。以秦皇島港煤三期碼頭為例，該公司共有翻車機兩臺、堆料機兩臺，取料機三臺、裝船機三臺，十七條皮帶機，裝卸流程幾十條。其SCADA系統的主要功能是：（1）根據生產作業調度的需要，選擇正確的流程。（2）對選擇的流程上的設備狀態信息進行采集，確保各單機在完好可用狀態。（3）對流程及各單機啟、停、運行，進行監測與控制。

　　2.2煤三期系統的流程控制系統結構

　　煤三期流程控制系統包括上位監控系統和PLC控制系統，系統結構如圖1所示。

　　PLC控制系統涵蓋煤三期的全部單機設備。單機的PLC控制器作為RTU是SCADA系統的底層，自成系統負責本單機的信息采集、作業控制，并與中控室PLC控制器通訊，為中控室PLC控制器提供本機信息，并接受來自中控室PLC控制器的流程命令。這里要說明的是，每個單機本身就是一個復雜的控制系統。上位監控系統設置在公司的中央控制室內。中央控制室根據生產調度需要和各單機設備狀態，選擇最優流程，啟動并監控流程的運行，及時處理各種事件，在完成作業后停止流程。從而保證了煤炭作業生產的安全、穩定、高效。煤三期單機的控制采用的是SIMATIC S7 PLC控制器，因此該SCADA系統是基于SIMATIC S7軟硬件平臺，并采用SINAUT ST7遠程通訊系統的SCADA系統。

　　2.3流程控制系統硬件設計

　　該系統硬件可分為單機和中央控制室兩部分。單機以PLC控制器作為控制中心，完成本機的作業功能，通過SINAUT ST7遠程通訊系統，經光纖或無線通訊與中控室PLC控制器互通信息。中央控制室則包含中控室PLC控制器和上位監控系統及實時作業管理系統。

　　2.3.1單機硬件設計

　　單機的硬件包括，處理中心CPU-414、用于信息采集的數字輸入模板、用于命令輸出的數字輸出模板、單機位置檢測單元、皮帶秤單元、通訊處理器SINAUT等。由于部分單機是移動作業，因此RTU與中央控制室經無線或光纖與SINAUT通訊網聯接。

　　2.3.2中控室硬件設計

　　中央控制室硬件包含中控室PLC控制器、上位監控系統兩部分。PLC控制系統由中控室PLC控制器CPU414-3、用于皮帶秤數據傳輸的DI模塊，通訊模塊采用了SINAUT網絡產品TIM4RD模塊。

　　上位監控系統采用客戶機/服務器結構，服務器保存了整個生產過程的數據，客戶機作為操作員接口。整個上位監控系統連接成為100MHZ以太網絡。上位監控系統由三臺上位機（操作員站）和一臺服務器構成，服務器通過MPI網絡收集流程中的信息和發送流程指令，上位機通過畫面對整個流程進行監視和控制。其主要功能是對工藝流程進行系統操作、設備控制、流程畫面顯示及監控等，并可顯示工藝流程設備的運行狀態、故障狀態、計量數據等各種現場信息，并可以記錄、存儲、打印、輸出報表。

　　2.3.3通訊方案設計

　　中控室與各移動單機間的通訊采用SIEMENS SINAUT網絡產品TIM4R和TIM4V模塊，及DATA-LINC公司的SRM 6100無線調制解調器。TIM4R將各移動單機的信息收集后，可直接通過MPI網絡傳送到服務器上，而不經過中控室PLC控制器，從而減輕了PLC的處理負擔和網絡負擔。中控室與各變電所間的通訊為：各變電所PLC經OMC將電信號轉換成光信號，通過光纖與ESM交換機組成10/100MHZ以太網，將相關數據信息傳送至中控室PLC控制器。

　　TIM是SINAUT系統的核心硬件，其主要功能是通訊控制。它的重要特點之一是帶有自己的存儲器，TIM可以提供多達1Mbyte的存儲空間，用于當連接中斷或通訊方脫網時保存重要數據。

3 控制軟件的實現

　　SCADA軟件由兩部分組成，即上位監控系統運行的流程監控程序以及PLC控制器運行的工業控制程序。

　　PLC控制程序以單機、流程為監控對象，對單機及流程設備的設備狀態、單機位置、故障、皮帶秤數據進行采集并監控。

　　上位監控系統的控制范圍包括所有的工藝設備及計量裝置。主要功能有：工藝系統全貌顯示、帶式輸送機系統的運行狀態和故障內容顯示、帶式輸送機的空載或重載顯示、各單機的運行狀態和故障狀態顯示、流程顯示和啟?？刂?。

4 實時作業管理系統的功能

　　實時作業管理系統主要是綜合各系統的各種數據信息為港口生產提供信息共享服務。實時作業管理系統的信息采集服務器通過工業以太網與中控室PLC控制器相連，獲取PLC所產生的實時數據，信息處理服務器對所采集的數據及電能量、皮帶秤的各種信息進行分類、處理、存儲（中控室操作人員也可通過操作員站輸入實時處理所需的數據或對所輸數據進行人工干預），供調度指揮人員參考，并可實現實時作業管理及機電設備管理等功能。

　　4.1實時作業管理

　　實時作業管理是通過對流程運行狀態、流程運行設備狀態的監控和記錄及對電能量和皮帶秤數據的記錄，形成流程及單臺設備實時數據庫，為生產調度和設備管理提供基礎數據，并對流程及設備的運行時間、故障情況、空載率、超載情況、用電量等數據進行統計。

　　4.2機電設備管理

　　機電設備管理是通過對設備的運行時間、故障情況、空載率、超載情況、用電量等數據的統計形成設備月度完好率、機電設備故障報表、機電設備運行報表、裝卸機械均勻運用情況報表、能源消耗統計表等與設備相關的統計報表，為設備的管理、維修、使用提供參考依據。

5 SCADA系統所實現的功能及性能特點

　　5.1系統的主要功能

　　5.1.1流程控制功能

　　流程控制功能主要是實現對單機和皮帶機的遠程控制及自動啟停，在檢測的基礎上進行信息加工，根據生產調度指令決定流程的選用，控制流程及單機進行生產作業。

　　5.1.2流程監控及故障采集功能

　　上位監控系統的服務器通過MPI網絡收集流程中的信息和發送流程指令，并通過中控PLC采集流程及單機故障，這些信息均可在上位機流程監控畫面上進行顯示。

　　5.1.3數據庫功能及報表功能

　　數據庫功能是將檢測的實時數據、人工輸入的數據等信息，包括流程作業實時數據、設備故障信息、電能量數據、皮帶秤數據等進行分析、歸納、整理、計算等二次加工，并制成事實和歷史數據庫記憶存儲。報表功能是通過對數據庫數據的處理得出生產調度管理和機電設備管理所需的各種報表。

　　5.2系統的性能特點

　　5.2.1性能良好的上位機系統

　　SIEMENS上位機系統采用客戶機/服務器結構，具有如下優點：

　　數據的同步和完整性：在客戶機/服務器結構中，實時數據放在服務器的數據庫里，而客戶機內無數據庫，它通過網絡對服務器的數據進行訪問和操作。由于系統中只有一個數據庫，就能避免多操作站產生的數據不同步問題。

　　報警確認的唯一性：系統產生的任何報警都能在任意一個客戶機上進行一次性確認，從而避免了多操作站有時需要多次確認等問題。

　　良好的系統擴展能力：如果需要增加操作員站只需增加廉價的客戶機即可。

　　5.2.2強大的通訊系統

　　該SCADA系統采用的SINAUT ST7通訊系統具有以下特點：

　　通訊冗余：可以選用基于廣域網的各種連接方式，實現通訊的冗余結構。一個SINAUT站點可以通過兩個接口連接廣域網來實現通訊的冗余結構，兩個接口可以連接相同或不同類型的廣域網，如一個專線網絡和一個撥號網絡。

　　提供事件觸發的數據傳輸：SINAUT ST7軟件提供在CPU和 CPU之間或 CPU與監控中心服務器之間，以事件觸發的方式進行數據傳輸。連接失敗、CPU或控制中心故障都可以被顯示出來;故障排除后，數據會自動更新。

　　本地數據存儲：TIM傳輸模塊是SINAUT ST7系統的核心硬件，他的重要特點之一是能夠存儲數據。TIM可以提供1MB的存儲空間，用于連接中斷時保存重要數據。

　　5.2.3緊密結合的控制網和信息網

　　以實時作業管理系統為核心的信息網，經MPI網從工控網中取得流程作業信息，確保了信息的及時性和準確性。而信息網的電能量和皮帶秤信息又為提高作業生產效率提供依據，尤其是皮帶秤信息被直接引入控制網，作為控制生產作業量的參考數據。

6 結束語

　　該SCADA系統充分考慮到港口煤炭裝卸生產的實際情況，采用的SINAUT ST7廣域網SCADA系統是構建在SIMATIC S7硬件平臺上的模塊化SCADA系統，是一個革命性的系統，它通過特殊的硬件及軟件為控制中心提供了對遠程過程站全自動的監控功能。通過引入該SCADA系統，大大提高了煤炭裝船調度指揮控制系統的先進性和可靠性，使煤炭裝船調度指揮控制系統成為先進的數字化、網絡化控制和管理系統，提高了生產效率，提升了管理水平。

本文作者創新點：

　　1. 在PLC系統中引入帶存儲功能的TIM通訊器，當通訊系統發生故障時，可自動保存現場信息，一旦通訊恢復，即可將現場信息傳送至中控室，保證了信息的完整性。

　　2. 將管理信息系統經PLC接入控制網中，既保證了信息的實時性、真實性，又防止了病毒經管理信息系統傳入控制網中，保障了控制網的安全。

參考文獻：

　　1 崔堅. 西門子工業網絡通訊指南 機械工業出版社 2004

　　2姜珊，雙凱.E-SCADA系統在采油作業中的應用.微計算機信息，2005，10-1：36-38

　　3 Held G. 以太網 人民郵電出版社 2000

作者簡介：

　　賈勤：（1972-），女，中國環境管理干部學院信息工程系，碩士，講師，研究方向：計算機測控系統及網絡等。Email : hb_jq2003@yahoo.com.cn。

　　劉雪飛：（1972-），女，中國環境管理干部學院信息工程系，碩士，講師，研究方向：計算機測控系統及信號處理。

　　洪達臣：（1965-），男，秦皇島港務集團六公司，高級工程師。