基于工业以太网的散粮连续式卸船机控制系统网络通讯设计与实现

贾小楠（天津临港港务集团有限公司粮油筹建组，天津，300452）



基于工业以太网的散粮连续式卸船机控制系统网络通讯设计与实现

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：工业以太网是为工业应用专门设计的基于IEEE 802.3（以太网）国际标准的开放式、多用户、高性能的局域网络系统。本文通过工业以太网的通讯技术、PLC硬件技术、软件设计，实现了散粮码头卸船机与码头中央控制系统的实时数据交换。在天津临港经济区大沽口港区2-3号粮油码头项目中，取得了良好的效果，运行可靠稳定，达到了预想的设计使用要求，验证了设计实现方法的科学性和有效性。

关键词：散粮码头；连续式卸船机；工业以太网

引言

目前我国散粮专用港口散粮卸船设备主要分为：抓斗门座卸船机、带斗门机和桥式抓斗卸船机、间歇式卸船机等，卸船方式有气力式、夹带式、埋刮板式、螺旋式等多类。其中连续式卸船机以能耗小、输送能力大、卸船效率高、物料的破碎率低、震动和噪音小、自动化程度高、卸船速率连续可调、封闭性好、可防止粉尘产生和扩散等特点，在大宗散货装卸作业中具有广泛应用。连续式卸船机在装卸作业中对故障的诊断、安全性能等方面都有完善的装置，有利于港口的安全生产，适合于大型船舶对卸船效率要求较高的专用散粮码头泊位。

本文针对天津临港经济区大沽口港区2-3号粮油码头连续式卸船机与中控系统的数据通讯，以PLC为基础，工业以太网［1］为核心组成网络控制系统，通过PLC软件编程及人机交互界面组态技术模块设计，一是实现了卸船机与中控生产调度系统的运行状态监测数据交换；二是确保卸船机在工艺系统流程中安全稳定运行的同时，还可对卸船机关键运行参数进行实时监测。

1 总体框架设计

一般散粮专用码头工艺设计要求：第一是接卸物料，需通过码头带式输送机等设备直接输运到后方粮食筒仓或配套粮油加工厂内；第二是前后端紧密配合，连续式卸船机作为前端设备，是整个装卸工艺流程的重要组成部分，卸船机除单机内部各机械机构的运行外，其装卸输送需根据后方输送流程的运行选择状态进行相应的启停控制；第三是实时监控，需卸船机控制系统与码头中控控制系统进行必要的数据信号连锁，实现运行状态监测，服从生产调度控制系统的统一控制管理。才可以确保下游设备及流程故障时卸船机的自动停机，防止物流堆积，实现卸船机及全输送工艺流程的可靠运行。

目前卸船机与码头中央控制系统连接普遍采用多芯控制电缆、光纤以及无线网络等方式，实现数据采集、传输及处理［2］。光纤通讯以其传输速度快、工作性能可靠、抗干扰能力强、传输距离远、信号损耗低等优点，在卸船机与码头中控通讯中应用较多。

天津临港大沽口港区2-3粮油码头总平面布置如图1所示。

图1 临港大沽口港区2-3#粮油码头平面图

2 码头卸船工艺配置、卸船机及中控系统

2.1 工业以太网架构

工业以太网应用于网络控制中，有三层结构，其物理层数据传输适应工业现场，其所具有的实时性、互操作性、可靠性、抗干扰性和数据安全等方面满足工业现场的需要［3］。

在工业以太网架构设计中，针对ISO/OSI七层通信模型的应用层到第七层用户层，制定层间接口通信协议，在网络层和传输层以TCP/ IP协议为主，结合各厂商中间件技术，改善原有以太网性能，针对工业现场使用环境，如高温、低温、粉尘及干扰等，选用以太网。结合通信速率的要求，采用星形网络拓扑结构、交换技术以及全双工通讯方式可有效避免因碰撞而引起的通信相应不确定性，保障通信的实时性。

目前主流工业以太网通信协议主要有罗克韦尔公司推出的Ethernet/IP、基金会总线推出的HSE、施耐德公司推出的Modus TCP以及西门子公司推出的ProfiNet等。

2.2 码头散粮接卸工艺配置

天津临港大沽口港区2-3号粮油码头岸线总计542米，设计大豆散粮年吞吐量600万吨，码头前端散粮接收设备为2台连续式卸船机、2台带斗门机。其中连续式卸船机的卸率为额定1000T/H，分别可以与码头两台相同速率顺岸皮带输送机衔接，实现连续卸船作业，通过卸船机尾部两台给料装置阀门，选择确定料流走向。

2.3 连续式卸船机设备配置

码头连续式卸船机采用比利时威港（Vigan）公司Simporter夹带式卸船机，配置行走、俯仰、旋转、踢摆、头部喂料、臂架及水平输送机构，包括供电照明、通讯控制、除尘及压缩空气系统，采用单模12芯光纤介质与码头中控室通讯，光纤通过采用动力、通信二合一挠性电缆上机，供电电缆及光纤通过同一个电缆卷筒卷取上至卸船机，电缆卷筒内配置光纤滑环装置，在卸船机转轴部位电气房内进行光电转换，通过以太网传输数据信号送至卸船机上部MCC控制室，卸船机与码头控制系统光纤在卸船机地面接线箱内进行两侧光纤跳接。

2.4 码头控制系统及卸船机控制系统

连续式卸船机控制系统采用PLC控制，根据设备结构，分别设置机上部分控制主站及机下部分控制从站，卸船机内部采用Profibus-DP网络进行主-从通讯，分别负责卸船机转轴以上臂架及水平输送、旋转及踢摆等结构，以及转轴以下大车行走、尾部刮板输送以及下料口闸阀门连锁操作［4，5］。

码头控制系统采用分布式PLC控制，负责码头顺岸皮带机、油管线仪表阀门、照明控制以及前端门机、卸船机接口控制，支持Profubus-DP及工业以太网等多种通讯方式。

3 卸船机与中控系统网络通讯系统设计

3.1 通讯网络结构

码头控制系统与两台卸船机采用一对一工业以太网通讯，物理通讯介质分别采用两根单模12芯光纤与两台卸船机光纤对接；码头控制系统及卸船机控制系统各配置一个100M级工业以太网光电转换器，并将两台卸船机通讯网络接入码头控制系统核心交换机，以供码头控制系统主站CPU数据交换及上位调度操作员界面人机交互。卸船机侧将光电转换模块以太网信号直接接入至PLC以太网通讯模块，以供卸船机与码头控制系统运行连锁信息采集及控制信号接收。卸船机与码头控制系统网络通讯结构如图2所示。

图2 卸船机与码头控制系统网络通讯结构

3.2 卸船机网络通讯系统设备配置

连续式卸船机采用S7-300系列PLC CPU 315-2PN/DP，带有工业以太网及Profibus-DP接口；在具备连锁信号及机上通讯能力的同时，可配置相应的可扩展数字量及模拟量输入输出模块，以满足机上数据采集及控制信号扩充要求。根据光线接入通讯要求，选用赫斯曼公司Spider系列以太网光电转换器，配置10-100M自适应以太网RJ-45接口，100M光纤网络接口，24V DC供电，支持热插拔，导轨式安装，卸船机CPU与光电转换器采用以太网连接。

3.3 码头控制系统网络通讯设备配置

码头控制系统主站采用西门子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，配置赫斯曼Hirschmann公司Spider系列以太网光电转换器，分别与码头两台卸船机接驳。配置摩莎Moxa公司EDS-510A网管型交换机作为控制系统网络核心交换，接入两台卸船机控制网络至中央控制PLC和中控室网络管理层。

3.4 通讯协议及网络组态配置

卸船机及码头控制系统之间的S7-300/400 P L C采用西门子S 7通讯，S 7系列P L C基于MPI、Profibus和工业以太网的一种优化的通讯协议。S7通讯服务集成在所有SIMATIC S7控制器中，属于ISO参考模型第7层（应用层）的服务，采用客户端——服务器原则，服务器只能被访问。

S7通讯可选单边或双边通讯，本项目采用S7单边通讯。单边通讯只需在通讯一方编写通讯程序，通讯双方分别作为客户机及服务器，通讯过程中，客户机是主动的，需要编写通讯程序，服务器是被动的，无需编写通讯程序。卸船机PLC作为客户机，码头PLC作为服务器，S7通讯通过西门子Step7软件NetPro进行建立，可选择Unspecified类型伙伴连接方式，在正确指向伙伴IP通讯地址及CPU槽号后，即可激活S7连接。

3.5 卸船机连锁控制接口程序

卸船机及码头控制系统主站分别采用LD梯形图、FBD功能模块图及STL结构化文本语言组成全部程序结构，双方发送并接受接口控制及状态信号采集数据，用以进行接口逻辑控制，数据流向如表1所示。

表1 卸船机与控制系统数据流向表

中控调度根据流程运行，需要通过生产流程界面，给定卸船机卸料阀门开启流向。在卸船机反馈阀门开启到位后，码头中控系统自动给出卸船机允许运行指令，卸船机才能进行卸料作业；同时卸船机可将控制模式选择状态、运行状态以及整机故障状态反馈至中控调度操作界面，便于及时掌握卸船机工作状态。

4 结束语

本文通过工业以太网通讯技术，结合PLC硬件技术及软件编程，设计实现了散粮码头卸船机与码头中央控制系统建设，在2016年2月天津临港经济区大沽口港区2-3号粮油码头卸船机重载试运行过程中，网络通讯可靠稳定运行，实现了码头调度中心与卸船机网络通讯及流程连锁功能，达到了预想的设计使用要求，取得了良好的运行效果。总之，这种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，也适用于类似工业以太网控制系统现场环境中。

参考文献

［1］ 聂新年.工业以太网现场控制技术的发展［J］.装备制造技术，2010（04）：95-96，118.

［2］ 赵芳.光纤工业以太网技术及其在港口的应用［J］.交通信息与安全， 2005（05）：78-81.

［3］ 穆春梅.散粮输送PLC控制系统的设计与实现［J］.港口装卸，2011（06）：36-39.

［4］ 朱政红，王月娥.工业以太网在控制领域中的实时性技术［J］.低压电器， 2010（07）：31-34，37.

［5］ 尹海，孟彦京.西门子工业以太网PROFINET应用［J］.中国仪器仪表， 2011（S1）：115-118.

Design and Application of Control System Network Communication of Grain Continuous Ship Unloader Based on Industrial Ethernet

Xiaonan Jia
（Tianjin Lingang Port Group Co.Ltd.， Foodstuff Oil Group， Tianjing， 300452， China ）

Abstract：Industrial Ethernet is an open， multi user and high performance local area network system based on IEEE 802.3 （Ethernet，nternational standard），it was designed specifically for industrial applications.In this paper， through the industrial Ethernet communication technology， PLC hardware technology，and software design， has achieved a bulk grain dock on-unloading machine and terminal central control system of real-time data exchange.In Tianjin Port Economic Zone Dagu port， 2-3 grain oil terminal project.At the end，this program achieved good effect， stable and reliable operation to the expected design requirements，the design and implementation of scientific and effective method has been verified.

Key words：Bulk Grain Wharf； Continuous on-unloading Machine； Industrial Ethernet

中图分类号：TP274

文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2016） 02-195-05

DOI：工业技术创新 URL： http//www.china-iti.com 10.14103/j.issn.2095-8412.2016.02.021

作者简介：

贾小楠（1984-），男，硕士研究生。研究方向网络控制与智能控制，工程师。