DCS在港口控制系统的应用

DCS在港口控制系统的应用

季雄冠 

浙江浙能港口运营管理有限公司

摘要：DCS和PLC界限随着电子技术的发展，两者在功能上相互渗透，界限越来越模糊，随着DCS系统价格越来越亲民，DCS在在港口控制系统的应用条件已成熟，本文以浙江舟山煤炭中转码头某港口公司装卸系统DCS系统改造为例，探讨了DCS系统改造在码头中央控制系统、污水处理系统、喷淋控制系统中具体应用。

关键词：DCS；港口控制系统；应用

1引言

随着港口控制向自动化、智能化方向发展,其控制系统愈发复杂,设备的安全风险也随之增大,无论是设计、调试还是操作环节中的失误,都可能导致系统失效,进而引发安全事故。采用具备安全功能的控制系统,是降低安全风险的有效方法。因此,对控制系统的安全性能进行科学评估,是提高港口机械设备安全性的重要保证。

现在电子技术和网络技术的高速发展，网络安全得到了高度重视，控制软件国产化已成趋势。国内各大DCS厂家不断改进完善自家的产品，主流DCS厂家已推出新一代产品，产品构架更加简洁、功耗大幅降低、处理能力和卡件精度有了较大提高、完全满足用户的一体化需求等，因此系统的可靠性有了质的飞跃。投入使用的PLC系统已陆续进入电子元器件老化期，为了适应设备的安全、高效运行，对其进行升级或改造已成必然趋势。

2 PLC控制系统与DCS控制系统的区别

DCS是一种“分散式控制系统”，而PLC只是一种(可编程控制器)控制“装置”，两者是“系统”与“装置”的区别。系统可以实现任何装置的功能与协调,PLC装置只实现本单元所具备的功能.

在网络方面,DCS采用国际标准TCP/IP协议，采用安全可靠双冗余的高速通讯网络，系统的拓展性与开放性更好.而PLC因为基本上都为个体工作，其在与别的PLC或上位机进行通讯时，所采用的网络形式基本都是单网结构，网络协议也经常与国际标准不符。在网络安全上，DCSPLC没有更多很好的保护措施。

DCS整体考虑方案,操作员站都具备工程师站功能,站与站之间在运行方案程序下装后是一种紧密联合的关系，任何站、任何功能、任何被控装置间都是相互连锁控制, 协调控制;而单用PLC互相连接构成的系统，其站与站（PLC与PLC）之间的联系则是一种松散连接方式，是做不出协调控制的功能。

DCS在整个设计上就留有大量的可扩展性接口，外接系统或扩展系统都十分方便，PLC所搭接的整个系统完成后，想随意的增加或减少操作员站都是很难实现的。

DCS安全性：为保证DCS控制的设备的安全可靠，DCS采用了双冗余的控制单元，当重要控制单元出现故障时，都会有相关的冗余单元实时无扰的切换为工作单元，保证整个系统的安全可靠。PLC所搭接的系统基本没有冗余的概念，就更谈不上冗余控制策略。特别是当其某个PLC单元发生故障时，不得不将整个系统停下来，才能进行更换维护并需重新编程。所以DCS系统要比其安全可靠性上高一个等级。

系统软件，对各种工艺控制方案更新是DCS的一项最基本的功能，当某个方案发生变化后，工程师只需要在工程师站上将更改过的方案编译后，执行下装命令就可以了，下装过程是由系统自动完成的，不影响原控制方案运行。系统各种控制软件与算法可以将工艺要求控制对象控制精度提高。而对于PLC构成的系统来说，工作量极其庞大，首先需要确定所要编辑更新的是哪个PLC，然后要用与之对应的编译器进行程序编译，最后再用专用的机器（读写器）专门一对一的将程序传送给这个PLC，在系统调试期间，大量增加调试时间和调试成本，而且极其不利于日后的维护。在控制精度上相差甚远。这就决定了为什么在大中型控制项目中（500点以上），基本不采用全部由PLC所连接而成的系统的原因。

模块：DCS系统所有I/O模块都带有CPU，可以实现对采集及输出信号品质判断与标量变换，故障带电插拔，随机更换。而PLC模块只是简单电气转换单元，没有智能芯片，故障后相应单元全部瘫痪。

总而言之，DCS和PLC界限随着电子技术的发展，两者在功能上相互渗透，界限越来越模糊，随着DCS系统价格越来越亲民，输煤系统采用DCS已成熟。

3公司概况

浙江某港口我公司（下述：港口公司）运营管理的舟山煤炭中转码头的装卸控制系统（下述：集控系统）由PLC加上位机的模式搭建，其中PLC采用美国GE公司的PAC 7I系列PLC，双机热备配置。控制系统共设有1个主控站及5个远程I/O站，各控制站点分别布置在5个物理位置，主站与远程站之间采用Genius总线通讯，拓扑结构为双环网。上位系统采用美国GE公司的IFIX监控软件，系统以C/S模式构建，PLC系统与上位机采用GE9协议通讯。

港口公司集控系统主要负责码头内煤炭等资源的装卸、输送及存贮相关过程，集控运行人员通过集控室上位机系统实现对工艺生产过程中各设备的全局监控及管理功能。同时，港口公司集控运行人员通过操作煤电输煤程控系统上位机（置于港口公司集控室的操作员站），实现煤电公司两台百万机组日常用煤的输送和上仓。

港口公司运营管理的码头装卸系统于2009年9月建成投产，整个系统包含中央控制系统、污水处理系统、堆场喷淋系统等。各类系统运行了11年。系统投入运行至今，卡件老化现象日益严重，该型设备已经停产，备品备件采购越来越困难。

4控制系统存在问题

4.1码头中央控制系统

PLC系统投入运行后，运行稳定，缺陷量少，可靠性较高,但随着时间的推移，目前PLC系统出现了各种问题，隐患也越来越多，主要表现在：

（1）PLC系统硬件设备老化现象严重，而且这两款系列的PLC在硬件设备已停止生产，且采购困难。影响了上仓系统运行，威胁电厂机组的安全运行。例如码头中央控制系统的主电源模块老化损坏，导致控制系统无法使用，严重威胁电厂机组运行安全。硬件设备老化的直接结果就是，备品备件采购困难，突发事件影响了机组的安全性与稳定性。

（2）网络故障问题较多，电力监控信息如电机电流信号经常出现离线情况，对电机运行失去监控：喷淋系统喷枪远程无法操作，就地模块经常损坏，问题原因无法确定。

（3）现场信号转换模块时常损坏。如拉绳、跑偏的位置信号转换模经常损坏。

（4）操作员站无法升级，存在较大的安全隐患。港口公司的码头中央控制系统操作员站软件为IFX4.5，操作统为英文版Windows7。由于操作员站24小时运行同时一直进行数据的读写，近几年操作员站计算机故障率高，同时恢复困难。目前市场采购的计算机已无法安装Windows7系统，我厂无备品，无法满足后三年的备品用量。且Windows7目前已无法进行更新，不满足工控系统信息安全的要求。

（5）操作员站软件，操作系统为英文版Windows7，目前已无法进行更新，且原PLC系统上位机采用以太网进行数据交互，未配置相关网络监测设备，在网络安全防护上难以满足工控网络安全防护要求。

（6）控制系统由于建设较早，工控网络安全设备不完善，存在安全网络漏洞。

4.2污水处理系统、喷淋控制系统

污水处理系统、喷淋控制系统运行至今，设备已经老化，存在的问题较多。主要问题包括：

（1）喷淋PLC控制柜布置在工业水泵房喷淋出水管边上，环境潮湿，多次被水冲入，模块损坏，采用单CPU设置，可靠性低；

（2）现场设备通过DP总线连接到PLC中，多次出现通讯问题。

（3）现场设备设计不合理，多次出现大面积DP接口模块损坏。

（4）污水处理系统PLC柜分布式布置，分别布置在污水处理室，触措屏设备已停产，损坏后未修复。

（5）PLC卡件硬件多已淘汰，备品备件采购困难。

5系统改造

将现有的集控PLC系统，含：煤炭中转码头装卸控制系统、堆场喷淋控制系统改造、污水处理系统改造、高杆灯控制系统、照明控制系统改造为一套更加成熟先进、稳定可靠、备件充足、功能完善的DCS控制系统。

对PLC硬件及相关的电源柜、控制柜、通讯柜进行整体设计及更换。改造后的集控系统就地盘柜包括：电源柜/网络柜、Control控制柜和远程IO柜。对原T转运楼的控制柜进行移位，增加就地控制室，集中布置T1转楼的控制柜，改善控制柜的运行环境，对相关的电缆进行更换或改接（相关电缆清册见8.1附件）。

对现有上位机系统进行整体更换，改造后的上位机系统HMI(Human-Machine Interface) 站是面向机组运行人员的界面，可以直观、实时地获得生产过程的运行数据，安全可靠地对整个生产过程进行监视、操作、控制和管理。HMI 站是系统中各人机接口站的统称，主要包括操作员站（OPU）、工程师站（ENG）、性能计算站（CAL）、历史站（HSU）、网关接口站（GTW）等。

对现有的网络设备进行优化完善，增加网络安全设备，对原网络设备不配套的进行整体更换，改造后的网络UDH (Unit Data Highway) 是系统的核心主干网络，具有安全、冗余、容错功能。采用快速工业以太网技术和TCP/IP 协议构建，网络通讯架构可以是总线型网络、星型网络和光纤环网等，用于连接DPU 控制器和HMI 站等节点，负责高速传递实时信息、设备状态信息、状态报警、过程控制组态信息和控制指令等。

（1）增加就地控制箱

对系统控制设备C6A，C6B，C6C，C6D，C8A，C8B，C8C共7条皮带设计增加就地控制箱，安装在#2变电所内部，实现在控制箱上对上仓皮带的集集控制。同时，设计现场14个刮水器和17个三通挡板就地控制箱，在现场设备附近合适位置安装就地控制箱，实现现场就地控制与状态指示。

（2）设计优化皮带水雾控制程序

设计增加皮带沿线水喷雾控制程序，设置手自动切换功能，手动模式时，通过操作面板上的喷雾和停止按钮控制喷水的启停。自动模式时，不用人进行操作，系统将根据皮带运行和煤流自动进行喷水。同时，添加不同天气，根据水分含量控制皮带喷淋控制方式，考虑喷淋条件因素。

（3）优化电力监控系统

本次改造对电力监控系统重新设计改造，增加总降变和35KW开关电力监控，优化电力监控数据。

（4）控制系统网络时间同步

本次改造增加一台网络时间服务器，实现控制系统各网络设备时间同步，便于后期故障分析。时间服务器基于基于标准的NTP/SNTP协议，可同时接收北斗、GPS发送的秒同步和时间信息及满足NTP/SNTP协议的网络时间报文。

（5）系统调试

对新设计的集控DCS控制系统进行全面、完整的调试，使各项性能参数、控制功能达到预期目标，同时形成完整的最终竣工资料，进行存档。调试过程中，维护人员、运行人员等全程参与，使整个调试过程高效、连续、完整、科学。

6效益分析

集控系统与输煤程控系统等进行DCS改造后，有如下优点：提高控制系统整体安全性和可靠性，并提升整体自动化水平；软硬件均为市场主流产品，货源充沛，价格优良；DCS系统具备通道级的隔离和配电功能，且系统容错率极高，具备“管理集中、控制分散”的优点； DCS上下一体，软硬件平台品牌一致，易于管理、易于组态、易于维护；DCS的分布式架构，系统拓展方便，并且与第三方系统的连接灵活，通用性好；丰富及强大的追忆功能，如趋势、事件、报警、报表、系统诊断等查询变得方便快捷；符合全厂控制系统DCS化的大方向；系统预留部门端口，以适应后续设备改造。