中国水利水电第九工程有限公司 贵州贵阳 550081
摘要：砂石加工系统具有设备相对分散，设备种类多，功率较大等特点，使用传统的PLC控制方法很难达到良好的控制效果。针对砂石系统的复杂特性，本文结合基于冗余光纤通讯网络综合自动化控制在世界巨型砂石加工系统---观音岩水电站砂石加工系统中的首次应用，提出了新的控制技术在巨型砂石加工系统中的应用，为今后砂石加工行业综合自动化系统开辟新的设计思路和设计依据。
关键词：冗余光纤通讯 网络 综合自动化控制 观音岩水电站 砂石加工系统
1工程概况
观音岩水电站砂石加工系统布置在金沙江左岸塘坝河左岸冲沟地段，距观音岩水电站坝址左岸下游约1.5km，系统主要任务是生产供应观音岩水电站建设所需各种砂石骨料。其中碾压混凝土约470×104m3，常态混凝土约380×104m3，喷混凝土约15×104m3。系统需生产混凝土粗细骨料约1860×104t。系统需加工料源约1415×104m3，毛料全部由龙洞灰岩石料场开采获得。
砂石系统主要分两个区布置，即龙洞区和枢纽区。龙洞区主要有石料场、粗碎车间、竖井平硐转料胶带机运输线、龙洞半成品转料仓及装车平台；枢纽区则主要是布置将转运来的半成品加工为成品的砂石加工系统设施。
砂石系统粗碎设计处理能力3300t/h，成品生产能力为2700t/h。迄今为止，该系统为目前世界最大规模砂石加工系统。
2控制系统概述
观音岩生产加工区域（枢纽区）沿冲沟地段布置，主要由一筛车间、二筛车间、三筛车间、四筛车间、大石补充车间、水处理车间、中碎车间、细碎车间、超细碎车间及成品装车转运车间构成。整个系统受控设备共340台套，系统直线距离总长约1000m，共设7个配电室，各配电室分设PLC和工业电视监控支系统，工业电视监控系统设备共有22台套，由于各车间内受控设备功率大、数量多，相应的控制室设置也较多，线形长，因此采用以往的线缆连接及分散控制造价高，工程施工难度大，操作人员多，运行安全可靠性差，后期维护工作量大，为了克服以上各种因素，结合我局半干式制砂工艺的特点，本系统在设计时采用以环形冗余光纤以太网作为主干通讯网络，将各配电室信息管理系统、上位机监控系统、PLC控制系统、工业电视监控系统、语音通讯系统、智能仪表采集装置、噪音监测、粉尘监测、大屏幕显示系统有机结合成一体，通过一根小小的光纤取代大量的电缆将各种信息传输到中央控制室集中管理，同时也将有关信息反馈到各配电室，并将系统运行相关信息传输到领导办公室。
3系统结构
系统网络结构图见图1
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图1 系统网络结构图
4光纤通讯网络
通讯网络是整个系统最为核心的内容。通讯网络采用环形光纤冗余以太网作为通讯主干，环形光纤冗余以太网就像是一条信息高速公路，每一项监控内容、每一个工作站只需遵守相关通讯要求即可接入该信息高速公路。通讯网络采用TCP/IP协议作为网络传输协议，并配备目前最为可靠、成熟、先进的网络技术和工业以太网设备。
各站的网络拓扑为冗余环形结构，通过独有的工业以太环网将各站点及中央控制室连接成为一个光纤冗余环网，保证了链路的冗余。在环网中的任何一条链路出现故障，交换机的环形冗余切换协议X-Ring可以保证在10毫秒内切换到备用链路，从而保证整个网络通讯传输的“不中断”运行，这样的拓扑形式把通讯系统连接成一个有机冗余的整体，保证了系统运行的安全可靠。
考虑到现场设备的干扰问题，为保障数据传输的可靠与稳定，各监控站点的冗余环网交换机连接线采用光纤作为传输介质并选用光纤接口，构成高速的级联通道。
各配电室信息管理系统、上位机监控系统、PLC控制系统、工业电视监控系统、智能仪表采集系统、大屏幕显示系统、粉尘及噪音检测均通过光纤线路传输。在大量视频信号、语音信号、PLC控制系统信号、仪表检测信号同时传输的情况下，信号不会互相干扰，且通讯内容广，通讯速率高，信息量大，操作人员在中央控制室随时根据各种信息进行操控，光纤冗余环网使系统安全可靠运行得到重要保证。
5信息管理系统
信息管理系统位于观音岩水电站砂石系统综合办公楼内，主要由信息管理终端组成。信息管理终端可以为任意一台连至综合自动化控制系统交换机上的计算机。通过信息管理终端可实现对系统内所有视频监控信号和自动化控制系统信号的实时监视，通过信息管理系统主要反映系统工艺流程、设备运行与否、大功率设备（包括皮带机、振动筛、破碎机等）电流、各个配电室用电量、汽车衡报表以及当前大气粉尘含量、噪音值等常规自动化控制系统信息和所有的工业电视监控画面。信息管理系统只需通过连接相应的网页浏览服务器（Web Server）的IP地址，即可实现信息管理终端的所有功能，而不需每台计算机插入相关运行锁等，结构灵活，大大节省了用户的投资成本。
信息管理系统中只对自动化系统和工业电视监控系统进行远程监视而不参与控制。
6上位机监控系统
6.1 上位机监控系统组成及特点
上位机监控系统位于系统中央控制室内，主要有3套台湾研华IPC-610H工控机组成。其中两套工控机为双击热备系统,另外一套为网页浏览服务器（Web Server）。
所谓双机热备份就是一台主机为工作机，另一台主机为备份机，在系统正常情况下，工作机为PLC控制系统提供上位支持，备份机监视工作机的运行情况并同时提供PLC控制系统提供上位支持（工作机也同时监视备份机是否正常，有时备份机因某种原因出现异常，工作机可尽早通知系统管理员解决，确保下一次切换的可靠性）。当工作机出现异常，不能提供上位系统继续运行时，备份机主动接管（Take Over）工作机的工作，继续支持PLC控制系统，从而保证上位机监控系统能够不间断的运行。原工作机经过修复正常后，自动将备份机的工作切换回工作机。此时，原来的备份机就成了工作机，而原来的工作机就成了备份机，从而保证系统永不停机，且数据不会丢失。
网页浏览服务器是为信息管理系统提供自动化方面的提供信息服务而构建的平台，网页浏览服务器的构建大大的方便了工程技术人员在工程调试以及信息管理终端进行远程浏览时，不需另配上位机加密运行而直接浏览，从而降低工程投资成本。在网页浏览服务器中对允许连接本主机的IP地址及MAC进行绑定，并分配每一台登录网页浏览服务器的各终端一个独一无二的用户名和密码。
上位机监控系统采用基于WINDOWS XP平台的ControX(开物)2000全中文界面软件，根据观音岩砂石加工系统工艺开发出形象逼真的动态画面，并且具有全中文对话、动态浏览、软件加密、用户登录、分级授权等功能。通过上位监控画面可清晰的了解现场设备运行状况，包括设备运行与否、电流大小、粉尘含量、噪音值以及报警信息等等实时数据，通过历史查询可方便查阅以往某个时间或时间段内的各种信息。上位机监控系统对诸如破碎机、大功率皮带机等设备的运行实时累计，且不会出现系统因故而造成数据计不准确等情况。
上位机系统具备一键还原功能，在系统出现崩溃的情况下可轻松恢复，因为数据同步备份至其他位置，从而不会导致以往数
6.2 上位机监控系统操作方式
在观音岩水电站砂石系统中提供了多种操作方式，主要包括：控制台自动操作、计算机操作和现场手动操作方式。
（1）控制台自动操作。控制台自动操作是指操作人员通过控制台的操作元件实现对各个支系统自动操作。当控制台上各支系统转换开关位于自动位置时，操作人员在控制台上根据所启动的工艺流程将各流程选择开关做好选择后，按下该支系统自动机启停按钮后系统将自动启动或停止。控制台上设各支系统的紧急停机按钮，便于控制室操作人员在发现紧急情况下实现设备的急停操作。
（2）计算机操作方式。当控制台某转换开关位于计算机操作时，可实现上位计算机对该系统设备的计算机操作，计算机操作分为上位机自动操作或者软手操操作。上位机自动操作原理和控制台操作原理一样，所不同的是通过上位机界面上的软按钮代替控制台上的各支系统启动或者停机操作。
上位机软手操指的是操作人员可在上位机画面上点击各台设备进行单独的启动或停机操作，此时无任何联锁关系，可启停任何设备。上位机软手操主要在调试或检修时使用。
（3）手动操作方式。手动操作是指现场运行人员通过配电柜面板对系统内各设备进行单独的启停操作。手动操作主要在调试或检修时使用。
（4）现场巡视人员发现紧急情况下可通过位于每台设备现场的事故停机按钮实现设备紧急停机保护。
（5）长距离皮带机安装跑偏开关，并设轻度跑偏报警，重度跑偏停机保护/报警等功能。
（5）无论系统在何种操作状态下，控制台上各支系统急停按钮，盘柜上停机按钮以及控制室上位计算机、现场急停按钮，现场保护传感器均可实现对系统设备的停机操作。
（6）无论系统在任何操作状态下，PLC系统和中控室上位机均可实现对系统设备运行状态的实时监视。
（7）在计算机操作或自动操作状态下，如不是上位机系统停机时，现场设备停机，则系统立即采取故障保护措施，故障点上游设备立即停机，破碎机（大功率主机）除外，除非破碎机自身故障停机，其他情况下故障保护不停破碎机。
（8）因为砂石系统设备运行的特殊性，在特殊情况时运行中设备进行简单调整，所以在系统设计时采用要对在系统自动运行设备进行短暂停机检修时，只需将该设备配电柜上“手动/自动”转换开关置于“手动”切除自动运行程序，然后停机检修即可，而不必将该系统设备全部停机，检修完毕后手动将该设备启动并将其转换开关置于“自动”位置后，投入PLC系统自动操作。该设计避免系统中因某台设备需短时间检修而造成系统大范围停机带来的不便和再次启动设备所带来的电力消耗。
7PLC控制系统
观音岩水电站枢纽区砂石加工系统共有8个配电房。其中1～3号配电房为成品加工系统配电室，主要负责成品加工系统工艺中各台设备的供配电任务，4号配电室为成品大石，中石，小石装运装车系统，5号配电室为成品砂转运装车系统，6～7号配电室为水处理车间配电室。PLC控制系统主要设在中央控制室和1～3号配电室内，4～7号配电室为成品装车系统和水处理系统不再另设PLC控制。
7.1 PLC系统选型
PLC控制系统在观音岩水电站砂石加工系统起着至关重要的作用，是实现逻辑控制、定时控制、计时控制、数据计算、网络通讯的重要环节之一。PLC的选型采用美国GE Fanuc公司的VersaMax产品。VersaMax产品具有使用方便， 模块安装、扩展不需任何工具， 真正的即插即用，产品的设计遵照"Six Sigma"原则进行优化设计，可带电插拔，支持高达34种不同类型的I/O模块，具有安装费用低，模块化结构等特点。
7.2 IO清单
PLC控制系统主要设置于系统中央控制室和1~3号配电室内分别用于监视和控制一筛车间，二筛车间，三筛车间，四筛车间，大石补充车间，中碎车间，细碎车间，超细碎车间的各台工艺设备。各配电间IO见下表所示。
表1 PLC系统IO一览表
7.3 通讯
PLC系统的CPU单元选用IC200CPUE05，该CPU单元集成以太网端口，系统建立通讯时只需通过网线将CPU单元接到各配电间冗余以太网交换机，经公用光纤通讯线路进行PLC系统间的数据交换和PLC系统与上位机监控系统的网络通讯。
8工业电视监控系统
工业电视监控系统分布于系统1～5号配电室，工业电视监控系统共设22各彩色一体化室外摄像机且每个配电室设监控终端，用于采集所属摄像头的视频信号和控制云台上下左右动作。工业电视监控系统主要用于实时监视运行情况、设备情况、料仓料位、水池液位等内容，现场各配电间监控终端可单独操控下属摄像头并通过冗余光纤交换机将视频信号和控制信号经公用光纤通讯线路传输至位于中控室内的工业电视主机上，通过中央控制室监控主机可实现对厂区22个监控点实行实时显示、远程操控、远程录像、数据备份、历史回放等功能。
表2 工业电视监控点数一览表
9智能仪表采集系统
智能仪表采集主要用于电流检测、粉尘检测、噪音检测、称重测量上。
（1）电流采集。电流采集系统摒弃了传统的电流互感器+电流变送器+PLC模拟量输入模块的传统设计思路，采用电流互感器+电流采集装置的方式实现9路电流信号采集和1路电压信号采集的新模式，电流采集装置通过RS485网络送入PLC系统，系统设计更加简洁，成本大大降低。PLC系统通过实时测得的电流值实现对设备的过流提示，超限停机报警等功能。
（2）粉尘检测、噪音检测、称重测量等方面则采取通讯转换器接入公用光纤通讯网络供与上位机控制系统进行通讯。
10语音通讯系统
语音通讯系统在原有上位机监控系统和光纤通讯网络基础上添加相关音响设备构成。
系统在自动启动或软手操操作过程中，上位机监控系统会自动发出本台设备的人声启动语音，预告完毕后延时10S启动该设备，在发生设备故障时，上位机监控系统自动发出故障设备名称，故障设备等信息，并列入报警记录中。语音系统同样接受来自上位机监控系统内部音频文件和麦克风输入信号。
语音系统发出语音提示后音频信号经光纤通讯网络传输至各配电间，经信号分离放大后送至现场高音喇叭。
11大屏幕显示系统
大屏幕显示系统位于系统中央控制室内，主要有6台52英寸液晶显示器组成，分别用于显示系统中所有工业电视监控画面和上位机控制画面。
12粉尘及噪音检测
为执行国家有关标准，实现大唐观音岩水电站砂石加工系统绿色环保运行的最终目标，本系统在枢纽区砂石加工系统设置粉尘监测装置和噪音检测装置。
粉尘监测装置用于对大气中粉尘含量进行实时动态监测，并以此为依据动态调整生产加工工艺中的各个环节，从而保证大气中粉尘含量浓度低于5.0 mg/m3。
噪音监测装置对枢纽区砂石系统进行噪音监测，根据噪音监测结果对系统运行中存在噪音的生产环节进行动态跟踪处理，使厂区噪音标准值控制在国家3类标准范围之内。
13系统特点
以往砂石加工自动化控制系统大多只考虑PLC控制内容和工业电视监控系统，针对巨型砂石加工系统的实际运行过程却不能充分显示其在全自动运行方面的优势，观音岩水电站砂石加工系统综合自动化控制就是在综合考虑各方面因素和实际需要的前提下进行设计实施的。
系统特点如下：
（1）信息管理系统。信息管理系统是生产管理者实时掌握项目运行生产情况的重要环节，是建立在以往系统中仅依凭中控室的模式上建立开发出来的，通过信息管理系统，生产管理者可实时掌握生产过程中每个环节，通过焦作市斯达自控设备有限公司开发出来的信息管理平台，无需添加任何硬件成本的情况下随时实现工业电视监控和自动化监控，大大提高了自动化水平和生产管理能力。
（2）上位机监控系统。上位机监控系统中的双机热备和网页浏览服务器对于系统的安全性，多样性和实用性等方面都有着显著的作用。
（3）PLC控制系统。PLC控制系统和400V低压系统按厂区分区布置，且各PLC工作站间采用公用光纤通讯网络进行连接，而不需再另外敷设专用通讯线路。
（4）工业电视监控系统。工业电视监控系统采用各个配电室分别独立采集下属信号，然后通过公用光纤通讯网络传至中控室工业电视监控主机，而且信息管理系统工业电视监控终端则可直接连至配电间内视频采集装置实现远程监视。从而解决了以往现场摄像机向监控主机敷设数量众多且距离较长的视频电缆，通讯电缆和电源电缆的问题，也方便了位于信息管理系统的监控主机对系统中所有监控点的远程监视问题。
（5）智能仪表采集系统解决了因传统的信号采集而造成的设备众多，线路连接复杂，且工程造价和维护费用高等问题。智能仪表采集系统采用国际通用以太网通讯接口，便于用户二次仪表的接入，并通过公用光纤通讯网络进行数据通讯。
（6）大屏幕显示系统的在世界巨型砂石加工系统中的应用形象的展示了系统的工业电视画面和上位机系统画面，使系统工艺和现场视频形象的展示在操作人员面前。
（7）粉尘及噪音检测则是迄今为止首次在砂石加工系统应用，对于生产环节中噪音和粉尘含量的控制提供重要的数据参考，真正促进观音岩水电站砂石加工系统达到绿色，环保运行。
（8） 冗余光纤通讯网络的使用有以下几个特点。
1）实现了一网共享、一通上下：将信息管理、工业控制、工业电视监控、广播预告报警、智能仪表等内容通过公用的工业环形冗余光纤以太网进行数据交换。
2）网络冗余、快速修复：系统实现了网络冗余解决方案，确保在可能出现网络故障的情况下，始终如一地正常工作。
3）高速传输、抗磁干扰：网络充分利用了所有光传输技术的优点，传输速率高（100Mbit/s）、范围宽，并且完全抗电磁干扰等特点。
冗余光纤网络的采用避免传统的PLC控制系统、工业电视监控系统各成体系，电缆种类多，连接复杂，且成本高等弊端，保证系统通讯安全实用的前提下整个综合自动化网络具有结构简洁，投资少，效率高，内容广，且稳定性更强等特点。
14结语
作为世界巨型砂石加工系统----观音岩水电站砂石加工系统目前已经投入运行，综合自动化控制系统内各项内容均达到预期设计目标，中央控制室只需通过对现场的自动化控制和视频监控所反馈的信息就可轻松实现系统的各种操控功能，大大减少了以往系统运行中现场的巡视人员。信息管理、语音、工业电视、光纤通讯系统及各种二次仪表数据采集等新技术的应用对减少企业前期投资和后期维护费用，提高企业人性化管理、自动化运行水平等方面起到了至关重要的作用。
作者简介：
沈 杰，男，1971年出生，贵州贵阳人，中国水利水电第九工程局六公司党委书记兼总经理，高级工程师。长期从事从事砂石系统工艺设计、安装、运行等管理工作。