1 引言
隨著工業自動化控制技術、計算機及網絡技術發展的突飛猛進，工業自動化已經滲透到各行各業的生產當中。近年來，隨著港口物流的興起，糧食港口開始使用工業自動化技術進行糧食的中轉調運，使管理和統計方便快捷。
羅克韋爾自動化公司的自動化產品十幾年來在國內得到了廣泛的應用，特別是ControlLogix系統已經應用到全國各行業的實際生產中。本文以某糧食港口為例，介紹了該糧食碼頭的工藝流程并應用ControlLogix系統對該糧港口自動控制系統進行了設計。
2 項目概況
該糧食現代物流項目規劃總倉容30萬噸，本期建設倉容10萬噸，由立筒庫、計量塔、工作塔、火車、汽車卸糧坑及轉接地溝、汽車發放站、輸送棧橋辦公樓組成。該糧食碼頭是以散糧裝卸為主，包糧為輔的糧食專業碼頭，其接卸能力為1000噸/小時，設計年通過能力為400萬噸，儲糧品種為玉米、小麥和大豆，糧食以中轉為主，由火車和汽車運來，由汽車或船舶運出。該港口糧流圖如圖1所示。
圖1 糧流圖
2.1 系統工藝描述
該港散糧系統輸送工藝包括了港區的裝船工藝、卸車工藝、裝車工藝、筒倉工藝等多種糧食儲運作業。根據裝卸工藝及糧食輸送能力，儲運流程分為四類:
入倉流程:卸火車入(筒/星)倉、卸汽車入(筒/星)倉;
出倉流程:出倉裝船、出倉裝汽車;
倒倉流程:筒倉—筒倉、筒倉—星倉、星倉—筒倉;
轉運流程:卸火車裝船、卸汽車裝船、卸火車裝汽車。
根據對糧食的操作及所用設備不同，以上每一組又有多條路徑。整個工藝流程共八組，近300個流程(不包括倉號的變化)。
對于包糧在進卸糧坑前加開包流程和在運出前加打包流程。
2.2 控制對象
該港糧食系統主要包括大型設備(輸送糧食的刮板機、皮帶機、斗提機等)、除塵器、閥閘三類設備。需要控制設備包括氣墊式皮帶機，皮帶機風機，斗提機，埋刮板機，除塵器，電動閥閘，氣動閥閘，料位器，電子秤，布料器，變頻器及其它輔助設備。
3 應用ControlLogix系統對自動控制系統的設計
3.1 控制系統結構
本控制系統由硬件和軟件兩部分組成。
(1) 硬件系統
硬件部分包括現場傳感器、MCC(低壓配電柜)、PLC控制系統、上位機監控系統、UPS(不間斷電源)。參見圖2。
圖2 ControlLogix 構架
其中PLC控制系統選擇Rockwell Automation的ControlLogix系統，它是Rockwell Automation眾多產品中功能最強大的一個系列，能夠提供一個先進、高效、高靈活性和高擴展性的控制平臺。圖2為ControlLogix 構架，它提供了各種輸入和輸出模塊，以適應從高速離散控制到過程控制的多種應用場合。
整個系統的特點以及應用于該項目中優點:
●ControlLogix系統將PLC與DCS的功能結合在一起。提供順序控制，過程控制，傳動及運動控制的統一的控制平臺。完全能夠滿足糧食物流行業對于將多種設備、多種控制方式、控制要求集中在一起的需求。
●ControlLogix具有非常強大的、高性能的處理器。支持多維數組和用戶定義數據結構，從而可以實現基于對象的編程，非常適合糧食工藝流程中筒倉、皮帶機、粉塵控制、閥門、閘門等控制對象的應用。處理器的內存可以擴充到8M，能夠滿足未來二期、三期工程的擴展需求。
●ControlLogix采用標簽尋址方式(即編程與具體的I/O分配無關)以及模塊化的編程方式，可以大大提高代碼的代碼的可重利用率，從而降低系統擴展的編程成本。
●ControlLogix的I/O為高性能，智能化I/O模塊，所有的模塊都具有高性能的微處理器，全部通過軟件組態就可完成I/O配置。同時具有I/O掉線檢測、無負載檢測、模塊級的工程單位轉換，雙重高低報警。時間標簽記錄等內置的超強的診斷和工程調試功能，減少了現場調試的周期，大大方便了維修、維護人員整個控制系統采用分布式方式，對于銜接各個分布控制站的網絡架構(如圖3所示)，筆者采用Rockwell Automation的NetLinx 開放性網絡集成框架中DeviceNet(設備網)，ControlNet(控制網)和信息層網絡Ethernet(以太網)來實現無縫連接，參見圖3。
圖3 網絡構架
●將生產應用中的現場控制、傳感設備賦予智能化，通過設備網(DeviceNet)上的網絡總線完成現場設備與控制器之間的控制，信息，診斷數據的傳遞，提供現場設備的可靠性和易維護性和智能化，降低安裝費用和工期。本設計中對于智能MCC是通過設備網DeviceNet連接到主控制系統中來。
●直接對生產過程進行的控制，包括連鎖和循環控制，驅動控制和測量的監控。不同的控制器通過具有實時性，確定性和可重復性的主干控制網(ControlNet)(實時5Mbps帶寬)完成，ControlNet具有預定信息和非預定信息的傳遞。統一的硬件和軟件控制平臺將順序控制，過程控制和傳動控制有機的結合起來。本設計中對于不同的三個配電中心的PLC工作站之間以及各個工作站的不同I/O框架之間采用冗余的控制網(ControlNet)來實現智能化的高速的實時控制，并共享數據和信息。
●在工業控制中EtherNet以太網常用于程序的維護，對生產工藝過程進行監控和給以操作指導，以及將工廠級的數據傳入或傳出到更高的級別的MIS管理信息系統或MES生產執行系統，完成批量數據的存儲，分類，管理及優化事件登錄等功能。本設計中上位監控RSViewSE的服務器和客戶端之間以及控制系統與管理信息系統之間的通訊是通過EtherNet來完成的。
上位機監控系統包括工控機、彩色顯示器、激光打印機等。上位機系統的配置原則是能適應工業現場(防磁、防塵、防震)，直觀方便地監視和控制設備并且可以打印報表與文檔。本系統采用SERVER-CLIENT結構。構成CLIENT端的多臺圖形工作站(CGP)均可作為監視及操作平臺，使操作員在中央控制室(CCR)即可以實現對現場全線設備的監控。系統操作方式分為“就地”和“遠程”兩種。其中“就地”又分為TEST和LOCAL，“遠程”分為集中手動和自動，而只有“遠程”方式才是操作員在CCR可以操作的方式。
(2) 軟件系統
軟件部分選用的是RSLogix5000、RSViewSE、PLC應用程序、上位機監控軟件。其中RSLogix5000是與ControlLogix系統配套的編程環境，提供了易于使用的標準接口，采用結構和數組的符號化編程，以及專用的順序控制、運動控制、傳動控制和過程控制場合的指令集，用來進行PLC應用程序的編寫、下載、調試、修改，大大提高了編程效率。
靈活的繼電器梯形圖和功能塊圖編輯器，使用戶創建應用程序變得輕松自如。在梯形圖和功能塊圖編輯器中，用戶能看到標準的、易于使用且直觀的操作界面。
整個系統應用于該項目中優點:
●在線幫助(包括概述信息、編程信息、屏幕信息和參考信息)和在線參考書(包括電子版的相關參考手冊和用戶手冊);
●易于使用的I/O尋址方法;
●靈活的、易于使用的功能塊圖編輯器;
●包括繼電器梯形圖和功能塊指令的指令集;
●一個自由格式操作的梯形圖編輯器，可以讓用戶同時修改多個邏輯梯級，也可以通過點擊界面提示輸入梯級;
●診斷監控能力，包括控制器的狀態顯示、程序驗證功能和強有力的數據監控器;
●容易組態，包括圖形化的控制器管理器，I/O組態對話框，運動組態工具和點擊組態方法;
●完善的數據處理，采用數組和用戶定義結構，可提供必要的靈活性滿足應用系統要求，而不是強迫它去適應特殊的內存結構，如控制器的數據表內存;
●拖放編輯和導航功能，可以快速地從一個數據文件移動數據元素到另一個數據文件，從一個子程序或項目中把梯級移動到另一個，或從梯級將指令移動到另一個梯級，或在一個項目內的指令在功能塊圖之間相互移動。
RSViewSE作為上位機監控軟件的開發和運行平臺，要用它來完成通訊接口和驅動程序的配置、數據庫的建立、畫面的制作、動畫的連接，運行過程的監控。
上位機監控軟件的功能及特點:
監控畫面上所有設備圖形都是對具體設備微縮而成的三維圖形或使用標準符號，易于辯識。運行狀態要求動畫顯示，直觀。
監控軟件的主輔畫面如上所述，熏蒸、空壓、照明等系統對應的圖標放在“輔助系統查詢”畫面上，可以使主畫面簡潔并加快了主畫面的刷新速度。設備狀態為運行、停止(閥門類設備為開到位、關到位)、故障，設備對應的圖標的顏色不同，并且故障時圖標會閃爍。單擊設備對應的圖標，將會彈出設備狀態對話框，在自動方式下，該對話框中的指示燈將顯示設備的狀態;在手動方式(集中手動、機旁手動)下，對話框中除了顯示設備狀態的指示燈外，還有一些啟動、停止或正轉、反轉、停止按鈕。在集中手動方式下，可以點擊按鈕對設備進行操作;在機旁手動方式下，這些按鈕點擊操作無效，僅用來顯示機旁按鈕的狀態。為了減少設備對話框的數量，同類設備公用一個對話框，設備切換時對話框中的按鈕和指示燈對應的變量將重新賦值。在緊急狀態下，可以點擊畫面上的急停按鈕，立即停止輸送設備的運行，同時關閉收糧和倉下發糧閘門，防止糧食溢出到設備外。
監控軟件運行時會向PLC發送操作方式、輸送路徑、啟動、停止、急停、復位信號，從而影響PLC程序的運行，改變生產流程。在PLC運行時，退出監控軟件或切斷上位機與PLC的通訊不影響PLC中程序的正常運行。
3.2 控制策略
根據該糧食物流的工藝要求，對輸送過程的監控分10種方式:卸火車入(筒/星)倉、卸汽車入(筒/星)倉、出倉裝船、出倉裝汽車、卸火車裝船、卸汽車裝船、卸火車裝汽車、倒倉、集中手動、機旁手動。前八種監控方式均為自動，即選定路徑上設備的啟動、停止，閥門的開、閉均可以自動完成。正如控制系統的目的就是實現糧食的入倉、倒倉、出倉的全過程自動化，并可實現手動操作。在這一過程中，為了減小啟動設備對電網的沖擊，防止因同時啟動多臺設備導致變壓器過載跳閘，為了防止在物料輸送過程中發生堵料、重載停車和堵料等事故。要求流程最基本的控制方式:啟動時逆料流順序啟動;流程停止時順料流順序停止;當流程運行過程中，如果流程內某一設備出現故障，那么流程上游設備應該緊急停止，下游設備繼續運行，以免發生物料的堵塞，從而造成糧食的撒漏或設備的損壞;當故障排除后，再按照逆料流的順序依次啟動流程內的設備。選擇集中手動方式后，在中央控制室中操作員通過鼠標點擊屏幕上的按鈕即可完成設備的啟停，閥門的開閉。為了單臺設備調試方便，要求設置機旁操作箱，在設備旁可以對設備設備進行控制。機旁手動時，要求解除各設備間的聯鎖關系，任何設備的動作不依賴其它設備的狀態或動作(輸送機和輸送機風機除外)，實現設備的就地控制。
由于物料在輸送過程中會產生大量的粉塵，為防止粉塵引發安全事故，在大型設備的兩兩連接處還安裝了除塵器。要求在流程啟動前5min啟動除塵器，流程設備停止后除塵器接著運行5min。如果在流程啟動或者運行中除塵器發生故障，那么要求除塵器所關聯的設備要立刻停止，并且由此引發該設備上游設備立刻停止。除塵器在控制上的特點是每個除塵器的啟動和停止都可以用唯一一個大型設備的運行(選中狀態)來選擇運行。
所需要控制的閘閥包括三通閘(TW)、開關閥(AG)、和與除塵系統相關的氣動、電動閥門。閘閥控制上的特點是可由上下游兩個大型設備或除塵器就可以確定閘閥的開啟或關閉方向。
4 結束語
ControlLogix系統采用模塊化的結構, 通過背板實現模塊間信息的高速傳送;帶控制器模塊的系統，作為先進的控制平臺不僅具有先進的通訊能力和最新的I/O技術，為實際應用提供了靈活的、方便的應用。本文介紹的ControlLogix系統強大功能中的一部分(順序控制)，同時該系統在運動控制、傳動控制等方面也具有卓越的功能。
該糧食控制系統是集計算機技術、控制技術、網絡通信技術和圖形顯示技術于一體的系統。系統的結構、軟件及主要技術環節的設計，都實現了生產過程的自動控制，提高了生產效率。在自動控制系統設計時遵循了以下原則:系統運行高效、可靠，軟件操作容易、維護簡單，設備檢修快捷，系統擴展方便、性價比最優。
：鞏經理
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：南京塞姆泵業有限公司
