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SCADA 系统在港口煤炭装卸生产中的应用系统在港口煤炭装卸生产中的应用 Application of SCADA system in coal loading and unloading production in port 1 中国环境管理干部学院; 2 秦皇岛港第六港务公司贾勤 1 刘雪飞1 洪达臣2 摘要摘要详细介绍了秦港煤三期 SCADA 系统的硬件构成和软件实现方法，以及其在煤炭装卸生产中的 应用。总结了该系统的功能和性能特点。站在港口生产信息化的高度，论述了与工业控制网紧密结合的港 口生产实时管理系统的功能和作用。 关键词关键词港口；SCADA 系统；工业控制网 中图分类号中图分类号TP273 文献标识码文献标识码B Abstract The paper introduced the SCADA system, which is used in coal port in Qinhuangdao, and the work of this paper focuses on the hardware structure of the SCADA system and also the software realization. It researches the application in coal loading and unloading production, and gives out the function and perance characteristics of the system. From the point of port produce inatization, the author discusses the functions of the Real-time management system in port production which is tightly combined with industrial control network. Keywords port; SCADA system; industrial control network 1 引言引言 在港口煤炭装卸生产中， 动态监控是生产管理的重要工作内容， 也是保证港口煤炭装卸 生产正常、安全、高效、经济运行的重要手段。同时，由于港口煤炭装卸生产的日益集约化， 对港口装卸生产的控制、 调度指挥和设备管理也提出了更高的要求。 因此要求港口煤炭装卸 生产从现场控制层到管理层实现全面的无缝信息集成， 并提供一个开放的基础构架， 以实现 港口生产的信息化管理。 目前我国各大专业煤炭港口， 都在努力构建自己的生产控制信息系 统，以满足港口生产信息化管理的各项要求。 2 港口煤炭装卸生产中的港口煤炭装卸生产中的 SCADA 系统系统 港口煤炭装卸生产中的 SCADA 系统由港口装卸作业流程控制系统与实时作业管理系 统组成。 装卸作业流程控制系统负责港口生产的流程控制， 考虑到港口煤炭装卸生产的具体 情况，采用开放式的高速以太网结构与工控网相结合，构成了一个控制可靠，通讯高效的工 业控制局域网。实时作业管理系统由信息采集服务器、信息处理服务器及皮带秤服务器、电 量采集服务器等共同组成。信息采集服务器经 MPI 网从工控网中取得流程作业信息，信息 处理服务器对所采集的流程作业信息以及皮带秤服务器、 电量采集服务器所采集的信息进行 分类、处理、存储。 2.1 港口煤炭装卸生产的流程控制网络 港口煤炭装卸生产的流程可分为卸车流程和装船流程。 卸车流程是把煤炭从列车上翻卸 下来，堆存在煤炭堆场，它主要由翻车机、堆料机、皮带机组成。装船流程是把煤炭从堆场 取出装到船舶里，它主要由取料机、装船机、皮带机组成。翻车机、堆料机、取料机、装船 机等单机是由本机 PLC 控制器控制，皮带机则由为它们供电的变电所 PLC 控制器控制。流 程控制则集中在中央控制室。中央控制室与各单机 RTU 共同组成了港口煤炭装卸生产的流 程控制网络。以秦皇岛港煤三期码头为例，该公司共有翻车机两台、堆料机两台，取料机三 台、装船机三台，十七条皮带机，装卸流程几十条。其 SCADA 系统的主要功能是 （1）根 据生产作业调度的需要，选择正确的流程。 （2）对选择的流程上的设备状态信息进行采集， 确保各单机在完好可用状态。 （3）对流程及各单机启、停、运行，进行监测与控制。 2.2 煤三期系统的流程控制系统结构 煤三期流程控制系统包括上位监控系统和 PLC 控制系统，系统结构如图 1 所示。 PLC 控制系统涵盖煤三期的全部单机设备。单机的 PLC 控制器作为 RTU 是 SCADA 系 统的底层，自成系统负责本单机的信息采集、作业控制，并与中控室 PLC 控制器通讯，为 中控室 PLC 控制器提供本机信息，并接受来自中控室 PLC 控制器的流程命令。这里要说明 的是，每个单机本身就是一个复杂的控制系统。上位监控系统设置在公司的中央控制室内。 中央控制室根据生产调度需要和各单机设备状态，选择最优流程，启动并监控流程的运行， 及时处理各种事件， 在完成作业后停止流程。 从而保证了煤炭作业生产的安全、 稳定、 高效。 煤三期单机的控制采用的是 SIMATIC S7 PLC 控制器， 因此该 SCADA 系统是基于 SIMATIC S7 软硬件平台，并采用 SINAUT ST7 远程通讯系统的 SCADA 系统。 2.3 流程控制系统硬件设计 该系统硬件可分为单机和中央控制室两部分。单机以 PLC 控制器作为控制中心，完成 本机的作业功能，通过 SINAUT ST7 远程通讯系统，经光纤或无线通讯与中控室 PLC 控制 器互通信息。中央控制室则包含中控室 PLC 控制器和上位监控系统及实时作业管理系统。 图 1 系统结构图 2.3.1 单机硬件设计 单机的硬件包括，处理中心 CPU-414、用于信息采集的数字输入模板、用于命令输出的 数字输出模板、单机位置检测单元、皮带秤单元、通讯处理器 SINAUT 等。由于部分单机 是移动作业，因此 RTU 与中央控制室经无线或光纤与 SINAUT 通讯网联接。 2.3.2 中控室硬件设计 中央控制室硬件包含中控室 PLC 控制器、上位监控系统两部分。PLC 控制系统由中控 室 PLC 控制器 CPU414-3、用于皮带秤数据传输的 DI 模块，通讯模块采用了 SINAUT 网络 产品 TIM4RD 模块。 上位监控系统采用客户机/服务器结构，服务器保存了整个生产过程的数据，客户机作 为操作员接口。整个上位监控系统连接成为 100MHZ 以太网络。上位监控系统由三台上位机 （操作员站）和一台服务器构成，服务器通过 MPI 网络收集流程中的信息和发送流程指令， 上位机通过画面对整个流程进行监视和控制。 其主要功能是对工艺流程进行系统操作、 设备 MPI 总线 中控室 PLC 以太网接口板 信息采集服务器信息管理服务器 皮带秤服务器 电量采集服务器 Intranet 信息管理系统 TIM4R TIM4RTIM4R 无线调制 解调器 无线调制 解调器 无线调制 解调器 无线调制 解调器 OMCOMCOMC 无线调制 解调器 无线调制 解调器 无线调制 解调器 无线调制 解调器 RTU RTU RTU RTU OMCOMCOMC RTURTURTU 服务器 MPI 接口 交换机 操作员站 操作员站 操作员站 通讯 系统 移动单机 中 控 室 TIM4VTIM4VTIM4VTIM4VTIM4VTIM4VTIM4V 上位监控系统 控制、流程画面显示及监控等，并可显示工艺流程设备的运行状态、故障状态、计量数据等 各种现场信息，并可以记录、存储、打印、输出报表。 2.3.3 通讯方案设计 中控室与各移动单机间的通讯采用SIEMENS SINAUT网络产品TIM4R和TIM4V模块， 及 DATA-LINC 公司的 SRM 6100 无线调制解调器。TIM4R 将各移动单机的信息收集后，可 直接通过 MPI 网络传送到服务器上，而不经过中控室 PLC 控制器，从而减轻了 PLC 的处理 负担和网络负担。中控室与各变电所间的通讯为各变电所 PLC 经 OMC 将电信号转换成 光信号，通过光纤与 ESM 交换机组成 10/100MHZ 以太网，将相关数据信息传送至中控室 PLC 控制器。 TIM 是 SINAUT 系统的核心硬件，其主要功能是通讯控制。它的重要特点之一是带有 自己的存储器，TIM 可以提供多达 1Mbyte 的存储空间，用于当连接中断或通讯方脱网时保 存重要数据。 3 控制软件的实现控制软件的实现 SCADA 软件由两部分组成， 即上位监控系统运行的流程监控程序以及 PLC 控制器运行 的工业控制程序。 PLC 控制程序以单机、流程为监控对象，对单机及流程设备的设备状态、单机位置、 故障、皮带秤数据进行采集并监控。 上位监控系统的控制范围包括所有的工艺设备及计量装置。 主要功能有 工艺系统全貌 显示、带式输送机系统的运行状态和故障内容显示、带式输送机的空载或重载显示、各单机 的运行状态和故障状态显示、流程显示和启停控制。 4 实时作业管理系统的功能实时作业管理系统的功能 实时作业管理系统主要是综合各系统的各种数据信息为港口生产提供信息共享服务。 实 时作业管理系统的信息采集服务器通过工业以太网与中控室 PLC 控制器相连，获取 PLC 所 产生的实时数据，信息处理服务器对所采集的数据及电能量、皮带秤的各种信息进行分类、 处理、 存储 （中控室操作人员也可通过操作员站输入实时处理所需的数据或对所输数据进行 人工干预） ，供调度指挥人员参考，并可实现实时作业管理及机电设备管理等功能。 4.1 实时作业管理 实时作业管理是通过对流程运行状态、 流程运行设备状态的监控和记录及对电能量和皮 带秤数据的记录，形成流程及单台设备实时数据库，为生产调度和设备管理提供基础数据， 并对流程及设备的运行时间、故障情况、空载率、超载情况、用电量等数据进行统计。 4.2 机电设备管理 机电设备管理是通过对设备的运行时间、故障情况、空载率、超载情况、用电量等数据 的统计形成设备月度完好率、机电设备故障报表、机电设备运行报表、装卸机械均匀运用情 况报表、能源消耗统计表等与设备相关的统计报表，为设备的管理、维修、使用提供参考依 据。 5 SCADA 系统所实现的功能及性能特点系统所实现的功能及性能特点 5.1 系统的主要功能 5.1.1 流程控制功能 流程控制功能主要是实现对单机和皮带机的远程控制及自动启停， 在检测的基础上进行 信息加工，根据生产调度指令决定流程的选用，控制流程及单机进行生产作业。 5.1.2 流程监控及故障采集功能 上位监控系统的服务器通过 MPI 网络收集流程中的信息和发送流程指令，并通过中控 PLC 采集流程及单机故障，这些信息均可在上位机流程监控画面上进行显示。 5.1.3 数据库功能及报表功能 数据库功能是将检测的实时数据、人工输入的数据等信息，包括流程作业实时数据、设 备故障信息、电能量数据、皮带秤数据等进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并制成 事实和历史数据库记忆存储。 报表功能是通过对数据库数据的处理得出生产调度管理和机电 设备管理所需的各种报表。 5.2 系统的性能特点 5.2.1 性能良好的上位机系统 SIEMENS 上位机系统采用客户机/服务器结构，具有如下优点 数据的同步和完整性在客户机/服务器结构中，实时数据放在服务器的数据库里，而 客户机内无数据库， 它通过网络对服务器的数据进行访问和操作。 由于系统中只有一个数据 库，就能避免多操作站产生的数据不同步问题。 报警确认的唯一性 系统产生的任何报警都能在任意一个客户机上进行一次性确认， 从 而避免了多操作站有时需要多次确认等问题。 良好的系统扩展能力如果需要增加操作员站只需增加廉价的客户机即可。 5.2.2 强大的通讯系统 该 SCADA 系统采用的 SINAUT ST7 通讯系统具有以下特点 通讯冗余可以选用基于广域网的各种连接方式，实现通讯的冗余结构。一个 SINAUT 站点可以通过两个接口连接广域网来实现通讯的冗余结构， 两个接口可以连接相同或不同类 型的广域网，如一个专线网络和一个拨号网络。 提供事件触发的数据传输SINAUT ST7 软件提供在 CPU 和 CPU 之间或 CPU 与监控 中心服务器之间，以事件触发的方式进行数据传输。连接失败、CPU 或控制中心故障都可 以被显示出来；故障排除后，数据会自动更新。 本地数据存储TIM 传输模块是 SINAUT ST7 系统的核心硬件，他的重要特点之一是 能够存储数据。TIM 可以提供 1MB 的存储空间，用于连接中断时保存重要数据。 5.2.3 紧密结合的控制网和信息网 以实时作业管理系统为核心的信息网，经 MPI 网从工控网中取得流程作业信息，确保 了信息的及时性和准确性。而信息网的电能量和皮带秤信息又为提高作业生产效率提供依 据，尤其是皮带秤信息被直接引入控制网，作为控制生产作业量的参考数据。 6 结束语结束语 该 SCADA 系统充分考虑到港口煤炭装卸生产的实际情况，采用的 SINAUT ST7 广域网 SCADA 系统是构建在 SIMATIC S7 硬件平台上的模块化 SCADA 系统，是一个革命性的系统， 它通过特殊的硬件及软件为控制中心提供了对远程过程站全自动的监控功能。通过引入该 SCADA 系统，大大提高了煤炭装船调度指挥控制系统的先进性和可靠性，使煤炭装船调度指 挥控制系统成为先进的数字化、 网络化控制和管理系统， 提高了生产效率， 提升了管理水平。 本文作者创新点本文作者创新点 1. 在 PLC 系统中引入带存储功能的 TIM 通讯器，当通讯系统发生故障时，可自动保存 现场信息，一旦通讯恢复，即可将现场信息传送至中控室，保证了信息的完整性。 2. 将管理信息系统经 PLC 接入控制网中，既保证了信息的实时性、真实性，又防止了 病毒经管理信息系统传入控制网中，保障了控制网的安全。 参考文献参考文献 1 崔坚. 西门子工业网络通讯指南 机械工业出版社 2004 2 姜珊，双凯．E-SCADA 系统在采油作业中的应用．微计算机信息，2005，10-136-38 3 Held G. 以太网 人民邮电出版社 2000 作者简介 贾勤 （1972-） ，女，中国环境管理干部学院信息工程系，硕士，讲师，研究方向计算 机测控系统及网络等。Email hb_jq2003。 刘雪飞 （1972-） ，女，中国环境管理干部学院信息工程系，硕士，讲师，研究方向 计算机测控系统及信号处理。 洪达臣 （1965-） ，男，秦皇岛港务集团六公司，高级工程师。 Biography Jiaqin, female, born in 1972, Ination engineering department of Environmental Management College Of China , Main research interests include computer measurement and control system, network. etc. Email hb_jq2003 . Liuxuefei, female, born in 1972, Ination engineering department of Environmental Management College Of China , Main research interests include computer measurement and control system, signal processing. etc. Hongdachen, male, born in 1965, No.6 Branch Company Qinhuangdao Port Group Co,Itd, senior engineer, Main research interests include computer measurement and control system. 通讯地址 （066004 河北秦皇岛中国环境管理干部学院信息工程系）贾 勤