1 引言
港口膠帶運輸機集中監視控制系統（以下簡稱集控系統）的安全可靠性將直接影響到港口的經濟效益。為此，實現系統的綜合保護和集中監控，是十分必要的。
以PCC為核心的集控系統與調度電話系統、工業電視系統一起，構成一個完整的操作、調度、監視網絡，實現對整個系統的遙測、遙信、遙控。該系統的實施，提高了港口貨物輸送的生產效率，降低了設備事故率并縮短了故障處理時間，還精簡了現場操作人員，提高了港口的整體經濟效益。　　
2 集控系統及其數據通訊網絡的構成和功能
2.1 系統構成
作為傳統PLC產品的有益補充—— PCC（Programmable Computer Controller）即可編程計算機控制器是由奧地利貝加萊公司（B&R）于1994年率先推出的。它與PLC（可編程序控制器）和IPC（工業控制計算機）相比，既具有PLC的高可靠性、堅固性、靈活性和易擴展性，同時又擁有IPC的運算能力強、實時性好、編程方便的特點，也就是說，它融合了PLC和IPC的優勢，特別是在人機交互、軟件編程、調試環境及在線調試監測等方面具有一定的優勢。
自上世紀90年代末，可編程計算機控制器（PCC）技術進入我國自動化領域以來，已經越來越廣泛地應用于我國的各類工業和其它行業，隨著國內一些重要水電輔機企業在調速器和勵磁控制方面的廣泛應用，其性能也得到越來越多的用戶青睞和認可。PCC技術已經逐漸掀起了一股自動化技術創新的潮流。
由于它具備了許多獨特的優勢，較好地解決了工業控制領域中大家普遍關心的可靠、安全、靈活、方便和經濟等問題，使PCC正逐漸成為目前工業自動化領域中的最優化選擇方案之一。基于通訊以及擴展能力方面的考慮，銅陵港口膠帶運輸機集控系統選擇了貝加萊公司的PCC 2005系列可編程計算機控制器（采用高性能Pentium級CPU模塊）作為該系統的主要控制核心，同時使用了多臺2003系列緊湊、高速型PCC（CP474型CPU模塊）作為各現場控制分站的控制部件及遠程I/O，它們與其它現場控制/檢測設備、集中監控系統和電源系統等配合，實現對該系統內多條皮帶輸送機全過程的監控、監測，構成了一個性能優良、操作方便的港口膠帶運輸機集中監視控制系統。
PCC控制器主要包括CPU模塊、數字量輸入/輸出模塊、模擬量輸入/輸出模塊、高速計數器模塊等，作為主控原件它具有防潮、抗干擾能力強、現場易編程、易擴展，支持高級語言編程和基本免維護等優點，并能夠實現軟件模塊化、自動檢測系統故障和遠程維護診斷等功能。此外，還可采用PCC自帶的通訊接口組成數據傳輸網絡（以太網、現場總線及自由串口），實現不同方式的數據通訊。
該集控系統采用分布式控制結構，由現場控制（主要含多個控制站及現場控制/檢測設備）和集中控制（主要含服務器、操作員站、工程師站、監控中心和監視屏）兩大部分構成。集中控制部分設于中央控制室,它與現場控制站之間的數據通訊采用以太網（TCP/IP協議），集中控制與綜合操作臺的監控上位機之間同樣也通過以太網（TCP/IP）實現數據通訊；現場主控制站與各控制分站之間采用工業以太網實現數據通訊；現場控制站與傳感器之間通過現場總線進行連接（采用Modbus以及自由口通訊協議）；現場控制部分承擔對現場設備的控制和數據采集任務。該系統的通訊網絡主要采用工業以太網，在通訊距離長于1200米的兩個控制站之間必須加裝中繼器，在膠帶機端頭設置現場控制站。通過監控網絡，可對整個系統的設備進行監視和集中控制。
2.2 系統功能及特點
該系統采用實時監控網絡結構，具備有完善的生產監控管理功能，對膠帶運輸主要環節及相關輔助環節的生產過程進行實時數據采集、傳輸、處理、顯示、記錄打印，對膠帶運輸系統進行遠程集中監控，同時配合工業電視系統實現安全圖像監視，以確保人員及設備的安全。
監控系統實施后，操作員可以在中控室操作員站上監視和控制膠帶運輸機的生產過程，完成對皮帶運輸機生產及相關環節的“遙測、遙信和遙控”，實現散貨皮帶運輸生產系統的綜合自動化。該系統的主要功能及特點如下所述：
（1）實時運行參數監測。各監控系統實時采集生產工況與工藝參數，采用圖形、報表的形式來顯示系統的實時工況及目前產量、倉儲等。
（2）實時過程控制。分析采集的參數，各系統自動完成過程控制，或由操作員手動操作控制。
（3）歷史數據查詢。以上實時生產監測數據均可存貯于服務器中的生產數據歷史數據庫中，可實現歷史數據重顯、歷史趨勢曲線分析，以及通過直方圖、餅圖等進行綜合分析。
（4）設備故障及模擬量超限報警。當設備故障或模擬量超限時，生產監測及管理網絡同步顯示故障設備名稱，并可實現語音報警、實時打印故障等功能。將該故障信息存入服務器中的故障信息數據庫，供以后離線統計分析用。
（5）優化生產計劃。在網絡服務器中建立了綜合歷史數據庫，定時將生產、經營等數據存入數據庫中，制作計劃和生產完成情況的趨勢分析圖表，為今后的生產計劃提供參考；根據外運下達計劃和設備實際狀態、倉儲煤量，合理安排生產計劃和設備維修計劃，以最大限度地減少對生產的影響。
（6）選用先進的控制器，系統的實時性好，可靠性高，數據處理速度快。采用全分布式控制結構，系統具有較高的可靠性。當地面部分出現控制故障時，井下部分仍可實現集控運行，距離雖遠但通訊網絡速度快，可靠性高，人機界面直觀友好，操作簡便，功能齊全。
（7）減少布線成本。由于大量采用遠距離通訊網絡，大大減少了電纜用量，降低了布線成本，節約了費用。控制器和網絡的可靠性高，維護工作量小，運行費用低，系統擴展也十分方便，可隨時增加節點，并通過網絡在中控室在線修改程序。
2.3 服務器
該系統配置服務器一臺，承擔應用服務器和實時及歷史數據服務器的綜合任務。在該服務器中存儲較復雜的算法和程序，處理復雜計算程序；在其中建立實時數據庫、歷史數據庫和故障信息數據庫，以存儲采集到的實時數據、歷史數據和故障信息，并在需要時調出歷史數據以供離線統計分析用。
2.4 操作員工作站
根據監控子系統的功能，在監控中心設置膠帶運輸系統操作員監控工作站，它們的功能主要有：
（1）根據操作人員的不同崗位，設置不同的操作權限，各司其職；提供交互式全中文界面的操作平臺，實現各子系統設備運行狀態及工藝參數的直觀動態顯示；根據工藝流程及聯鎖關系分別實現各子系統的自動/手動/本地控制。
（2）實時設定各種運行、生產工藝參數；實時監視各子系統設備的運行參數及狀態，同時將各參數數據存貯在硬盤上，并將必要的數據上傳至數據服務器；實時監視各子系統傳感器的當前狀態及測量數據；對各臺設備及重要傳感器的故障狀態實時報警，采用聲光報警方式，并且打印報警信息，同時將報警信息存貯入數據服務器，便于統一管理及以后對報警信息進行分析；隨時查詢、打印實時趨勢曲線以及規定的任意時間段內的歷史趨勢曲線； 隨時查詢、打印規定的任意時段內的歷史數據報表。
2.5 工程師工作站
工程師站除具有操作員工作站的一切功能（需授權）外，還具有以下功能：
（1）根據工藝的調整在線修改PCC控制器的應用程序，以適應新工藝的需要。
（2）將監控系統中有關數據進行轉換，并輸入港口的信息管理系統中。
（3）設置彩色打印機，打印實時彩色畫面及彩色趨勢圖。
（4）當某個子系統的操作員工作站發生故障時，可立即通過設定操作人員權限，將工程師站轉換成為該子系統的操作員工作站。
3 膠帶運輸機的控制和監視
3.1設計原則和主要技術要求
該系統由膠帶運輸機、皮帶給料機等基本工藝設備組成，利用控制設備、通訊模塊以及打滑、堆料、超溫、煙霧、縱撕、滅塵、速度、跑偏、料位等保護裝置,實現皮帶運輸機集中控制與監測的要求。設計原則和主要技術要求如下：
（1）實現膠帶運輸機系統的集中監控，實時監控設備狀態和運行參數，并顯示數據曲線，對重要信息記錄存盤。
（2）控制方式設有集控自動/集控手動/就地三種，它們之間可互相轉換。正常生產時，使用集控自動方式，設備按工藝要求的順序和流程由中央控制臺自動啟停；使用集控手動方式時，可在中央控制臺操作各設備，但不具備閉鎖和聯動關系；選擇就地方式時，在現場直接操作有關設備。啟動設備前由集控臺發出預告信號，30秒后，如果現場設備均滿足集控自動啟動條件，設備將按順序自動啟動。現場信號箱設有起動/停車按鈕，可用停車按鈕停止上述啟動過程。如果設備由集控啟動，控制系統接收到現場停車信號后，可作急停處理，實施故障停車操作程序。
（3）按有關“技術規程”，膠帶運輸機必須裝設拉線開關、跑偏保護、低速保護等裝置，這些信號均接入集控系統，參與設備的緊急停車和閉鎖停車控制。對設備故障和工藝參數的異常狀況進行實時報警，并發出聲光警示信號。一般故障只報警，但當發生現場設備非正常停車或嚴重故障時，故障設備及其上游設備緊急停車，下游設備順物料流動方向延時閉鎖停車。
3.2主要功能
（1）在每臺設備機頭旁均設有就地操作箱，箱上裝有工作方式轉換開關及就地起/停鈕；所有膠帶運輸機上的給煤點均設置堆煤保護和縱向撕裂保護裝置，以防止膠帶機事故的擴大；所有膠帶運輸機均設有兩級跑偏開關，每隔約50米設置一對跑偏開關，一級跑偏用于故障報警，二級跑偏用于故障停車；所有膠帶運輸機均設拉線開關，用于緊急情況下的停車，急停拉線開關的安裝間距均按50米進行配置，并可擴展下皮帶的跑偏保護，以保證設備和人身安全；擴音電話采用新型的選撥電話系統，安裝間距按200米進行配置。
（2）水平膠帶運輸機的拉緊裝置采用液壓調節方式，開誠公司提供一套膠帶機的松帶檢測傳感器［8］，由PCC控制完成膠帶機的張力自動調節功能； 在皮帶機頭設置堆料傳感器，以防止皮帶堆料事故的發生；在皮帶機上設置皮帶速度傳感器，以檢測皮帶的超速及打滑狀態；在皮帶廊道設置煙霧傳感器，檢測皮帶廊道的煙霧濃度以防止火災事故的發生；在皮帶機的主滾筒設置溫度傳感器，實時檢測滾筒的溫度，并配備自動噴水裝置，當滾筒超溫時實施自動噴水以對主滾筒進行冷卻；膠帶運輸機每隔約100米設置起動預警裝置，設備啟動前發出預警信號，提示有關人員應立即遠離設備；膠帶驅動電動機的電流實時監測功能可發現一些機械設備的潛在故障隱患，運行中對電動機的電流進行實時監測分析，當發生電流超限或突變時報警，嚴重時自動停機。實現給料機與皮帶的閉鎖，實現與前工序皮帶的閉鎖功能，具有自動、手動、檢修等控制方式；
（3）在軟件與硬件設計上采用了先進的矩陣控制功能，節省主電纜的費用；自控系統在性能上具有良好的抗濕熱性、抗干擾性；在結構上能滿足在港口條件下迅速檢修或更換元器件，根據港口的現場環境，控制箱采用不銹鋼結構，其他采用防腐措施；可根據膠帶機系統的故障性質，進行緊急停機、順序停機或發出報警聲光信號；在集中操作臺上能集中顯示膠帶機的工作狀態、故障類型、故障地點；將驅動系統中的軟啟動器和變頻器納入監控；設有多種操作方式：集中聯動、集中手動、就地聯動、就地手動、禁止起動等，使系統操作靈活、可靠。在集中方式下，所有設備由集控室操作員通過上位機操作，多種流程選擇；在聯動方式下，可根據工藝選擇運輸流程，膠帶啟動順物料流動方向，并根據膠帶速度、長度延時開車，以減少運行時間；重載啟動時，按逆料流方向啟動；系統停止或無料時延時自動停車。
（4）完善的信息處理功能，報警信息、運行參數、操作記錄等信息自動形成標準格式的數據庫文件，并在硬盤長期保存，供信息系統調用；實現系統集中監控，生產數據微機化管理［3］：
1）界面直觀友好，操作簡便，功能齊全。有形象逼真的動態畫面和全中文顯示，還具有實時報警監視、安全確認機制和數據記錄功能。對操作員素質無特殊要求，培訓簡單。
2）報警信息和重要運行參數在硬盤存儲，數據表格和曲線可隨時調出。
3）生產數據存入計算機硬盤，可由管理信息系統按需調用。
（5）具有故障自診斷功能
1）網絡故障自診斷。當網絡發生斷線、干擾等傳輸故障時，能自動偵測到，并發出報警信息。
2）PCC故障自診斷。當PCC的CPU和通訊適配器發生故障時，系統會通過網絡的通訊情況判斷故障，并發出報警信息；當PCC的I/O模塊發生故障時，CPU會通過I/O模塊的狀態位偵測到故障并判斷故障類型，系統將發出報警信息。
3）傳感器和信號線故障診斷。當模擬量傳感器或信號線發生斷線故障時，PCC通過測量值判斷故障并發出報警信息。
3.3 可實現自動化系統與生產管理系統數據共享
計算機管理工作站設信息管理系統，決策者通過管理工作站可根據各自權限遠程訪問監控上位機，并獲得現場生產數據報表、設備管理信息和生產統計分析。
3.4 維護簡便
（1）I/O模塊采用可拆卸端子排，當出現故障時，集控室將發出聲光報警信號，可在幾分鐘之內完成對故障部件的更換。
（2）系統擴展方便。當系統改進需要增加新設備時，可以方便地加入節點，并通過網絡在線修改程序。
（3）由于該系統具有自診斷功能，能及時報告故障時間、位置、類型等信息，便于維護。
4 結束語
通過長期運行的考驗，該港口膠帶運輸機集控系統總體運行情況良好，經濟效益顯著。
港口膠帶輸送機自動化系統涉及的范圍較廣，系統設計時要根據港口工藝、規模、港區布置，既要考慮到設備和系統的可靠性、投資方面的合理性，同時也要顧及港口擴建的可行性等因素，只有這樣才能滿足港口擴建、發展的需要。

參考文獻
［1］鄧則名，鄺穗芳.電器與可編程控制器應用技術［M］.北京：機械工業出版社，1999
［2］邱公偉 可編程序控制器網絡通信及應用. 北京：清華大學出版社，2000
［3］方承遠 工廠電氣控制技術. 北京：機械工業出版社，2000
［4］鄒金慧，黃宋魏楊，曉洪 可編程序控制器（PLC）原理及應用.昆明：云南科技出版社2000
［5］楊士元，可編程序控制器（PC）編程應用和維修. 北京：清華大學出版社，1995
［6］鄭瑜平，可編程序控制器. 北京：北京航空航天大學出版社，1995
［7］S7-200可編程序控制系統手冊. SIEMENS，2000
［8］袁滌非，電器控制. 北京：輕工業出版社。1993
［9］齊蓉（主編）,可編程計算機控制器原理及應用.西北工業大學出版社.2002.7