CN205992161U - 一种光纤环网控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种光纤环网控制系统，包括：中央控制室、操作总站、分布式I/O站、现场检测保护装置。其中，操作总站通过光缆连接所述中央控制室的核心交换机；分布式I/O站和操作总站中的PLC主站利用光纤连接，以形成环形网络结构；现场检测保护装置，通过控制电缆接入预设位置的分布式I/O站。本实用新型利用了采用分布式I/O站，信号采集区域划分明确，使用更加方便，并且可以节省控制电缆。另外，光纤形成的环网连接操作总站，如果单个网中断不会导致网络瘫痪，可以从另一环路连接正常工作，可靠性高，并且故障诊断更方便，查出更快。另外，光纤组成的网络可以保证网络数据传输速度，并且不受电磁干扰，信号稳定。

Description

一种光纤环网控制系统

技术领域

本实用新型自动化通讯领域，尤其涉及一种光纤环网控制系统。

背景技术

随着科学技术的不断发展，自动化通讯也得到了飞速的发展。例如，港口码头上，现在大多采用自动化设备对整个港口码头的出货、运行等提供支持。具体来说，将各个设备通过电缆连接各个设备，并且在中控室使用PLC柜控制整个港口的运行。

但是，目前使用的控制系统连接电缆多，控制回路敷设线路长，成本高，并且受线路干扰影响大，故障查找困难。

实用新型内容

本实用新型提供了一种光纤环网控制系统，以解决目前使用的控制系统连接电缆多，受线路干扰影响大，故障查找困难的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种光纤环网控制系统，包括：

中央控制室；

操作总站，包括PLC主站和其他操作站，所述操作总站通过光缆连接所述中央控制室的核心交换机；

分布式I/O站，和PLC主站利用光纤连接，以形成环形网络结构；

现场检测保护装置，通过控制电缆接入预设位置的分布式I/O站。

优选的，所述中央控制室包括：

大屏幕显示器、散货流程操作站、大屏幕服务器、工程师站、视频监控站、高干灯控制站、容错服务器，分别和所述核心交换机连接。

优选的，所述其他操作站包括：翻车机、装车机、装船机、堆取料机。

优选的，所述PLC主站具体为散货冗余PLC主站。

优选的，所述分布式I/O站包括：5#变电所I/O站、6#变电所I/O站、7#变电所I/O站、1#趸船I/O站、4#趸船I/O站、远程I/O站、1#皮带机转运站。

优选的，所述远程I/O站包括：

T1-1远程I/O站、T1-9远程I/O站、T1-10远程I/O站、T1-11远程I/O站、T1-12远程I/O站、T1-13远程I/O站、T1-14远程I/O站、T2-1远程I/O站、T2-2远程I/O站、T2-3远程I/O站、T2-4远程I/O站、T2-5远程I/O站、T2-6远程I/O站、T2-7远程I/O站、T2-8远程I/O站、T2-9远程I/O站、T2-10远程I/O站、T2-11远程I/O站、T2-12远程I/O站、T2-13远程I/O站。

优选的，所述现场检测保护装置包括：

皮带机拉绳开关、跑偏开关、料流检测器、堵料检测器、速度检测器、撕裂检测器、张紧检测器、温度检测器、到位检测器。

优选的，在所述中央控制室设置有紧急停机按钮，可控制所述现场检测保护装置。

优选的，在所述中央控制室设置有报警器，当所述现场检测保护装置出现故障时，发出声光报警信号，以作提醒。

通过本实用新型的一个或者多个技术方案，本实用新型具有以下有益效果或者优点：

本实用新型提供了一种光纤环网控制系统，包括：中央控制室、操作总站、分布式I/O站、现场检测保护装置。其中，操作总站通过光缆连接所述中央控制室的核心交换机；分布式I/O站和操作总站中的PLC主站利用光纤连接，以形成环形网络结构；现场检测保护装置，通过控制电缆接入预设位置的分布式I/O站。本实用新型利用了采用分布式I/O站，信号采集区域划分明确，使用更加方便，并且可以节省控制电缆。另外，光纤形成的环网连接操作总站，如果单个网中断不会导致网络瘫痪，可以从另一环路连接正常工作，可靠性高，并且故障诊断更方便，查出更快。另外，光纤组成的网络可以保证网络数据传输速度，并且不受电磁干扰，信号稳定。

附图说明

图1-图5为本实用新型实施例提供的一种光纤环网控制系统的网络示意图。

附图标记说明：大屏幕显示器01、散货流程操作站02、大屏幕服务器03、工程师站04、视频监控站05、高干灯控制站06、容错服务器07、核心交换机08、控制电缆09、皮带机拉绳开关10、跑偏开关11、料流检测器12、堵料检测器13、速度检测器14、撕裂检测器15、张紧检测器16、温度检测器17、到位检测器18。

具体实施方式

为了使本实用新型所属技术领域中的技术人员更清楚地理解本实用新型，下面结合附图，通过具体实施例对本实用新型技术方案作详细描述。

参见图1，是本实用新型实施例提供的一种光纤环网控制系统的网络示意图，包括：中央控制室、操作总站、分布式I/O站、现场检测保护装置。

下面分别介绍上述设备。

中央控制室，可以设置在前方调度楼。

所述中央控制室包括：大屏幕显示器01、散货流程操作站02、大屏幕服务器03、工程师站04、视频监控站05、高干灯控制站06、容错服务器07。

这些设备分别和所述核心交换机08连接。

另外，在所述中央控制室设置有紧急停机按钮，可控制所述现场检测保护装置。除此之外，在所述中央控制室还可以设置报警器，当所述现场检测保护装置出现故障时，发出声光报警信号，以作提醒。

操作总站包括PLC主站和其他操作站。

而所述操作总站通过光缆连接所述中央控制室的核心交换机08。

具体来说，PLC主站实际上是散货冗余PLC主站。散货冗余PLC主站的热备冗余系统由以下部件构成：

(1)系统机架

系统机架用于安装所有系统模块。

在PAC3I冗余系统中，使用的系统机架为IC695CHS007，共7个插槽，支持带电热插拔。

(2)冗余CPU模块

冗余CPU模块的型号为IC695CRU320，主频1GHz，内存容量为64M，处理速度为0.047ms/K布尔逻辑。

其最大IO容量为数字量输入32K，数字量输出32K，模拟量输入32K，模拟量输出32K。

(3)冗余同步模块(RMX模块)。

冗余同步模块用于2个冗余CPU交换数据，包括主控制器的RMX模块和备用控制器的RMX模块，2个RMX模块通过光纤连接起来。RMX模块上有用于控制切换的开关，可以实现两个冗余CPU的切换。同步距离最大可达300米

(4)IO子系统

IO系统采用快速以太网总线(Profinet)。通过光纤总线控制器和光纤设备组成。

而其他操作站包括：翻车机、装车机、装船机、堆取料机，这些操作站与码头PLC控制系统进行数据通讯。例如图1中列举的：装船机SL1-1PLC、装船机SL1-1PLC、堆取料机SR/4PLC、堆取料机SR/5PLC、堆取料机SR/6PLC、堆取料机SR/7PLC、火车装车机PLC、火车翻车机PLC。

中央控制室的核心交换机08还预留有通信接口与翻车机、装车机、装船机、堆取料机的独立PLC控制系统进行数据通讯。

分布式I/O站一共有26个，都和PLC主站利用光纤连接，以形成环形网络结构。

这些分布式I/O站分别设在转运房、变电所，就近采集皮带机、除尘装置、喷洒装置等工艺设备及皮带机驱动装置配电柜处。PLC主站与分布式I/O站的通信采用Profinet协议的光纤连接。

所述分布式I/O站包括：5#变电所I/O站、6#变电所I/O站、7#变电所I/O站、1#趸船I/O站、4#趸船I/O站、远程I/O站、1#皮带机转运站。进一步的，所述远程I/O站包括：T1-1远程I/O站、T1-9远程I/O站、T1-10远程I/O站、T1-11远程I/O站、T1-12远程I/O站、T1-13远程I/O站、T1-14远程I/O站、T2-1远程I/O站、T2-2远程I/O站、T2-3远程I/O站、T2-4远程I/O站、T2-5远程I/O站、T2-6远程I/O站、T2-7远程I/O站、T2-8远程I/O站、T2-9远程I/O站、T2-10远程I/O站、T2-11远程I/O站、T2-12远程I/O站、T2-13远程I/O站。

分布式I/O站的接口模块可以但不限于采用CE公司的VERSAMAX系列产品。

VERSAMAX系列产品为开放式的控制系统提供了一套通用的、模块化的、经济实用的控制方案。

VERSAMAX系列产品提供了多种类型的I/O模块，除了常规的开关量、模拟量模块外，还有热电阻RTD、热电偶TC和高速计数器HSC等特殊模块，以满足用户广泛的应用需求。

VERSAMAX系列产品I/O卡件的先进的诊断功能、自动配置或软件配置功能、模块的带电插拔、快速的现场接线等特性，为用户带来了极大的便利，还显著的改善了系统的性能。

VERSAMAX系列产品IO设计新颖、结构紧凑、通用性强、配置灵活、经济实用

VERSAMAX系列产品是GE公司按照独一无二的著名的“Six Sigma(六个西格玛)”质量管理体系进行优化设计制造的。“Six Sigma(六个西格玛)”意味着应用全面的研究和开发技术、分析众多的用户要求和符合严格的质量控制标准。

VERSAMAX系列产品完全满足UL，CUL，CE，Class I Zone2和Class IDivision 2等国际标准。能够承受工业环境的严格要求。

(1)I/O站接口模块参数

型号：IC200PNS002。

2口，单一MAC地址。

自带多模光纤接口，每个节点最远2000米。

嵌入式带管理功能的交换机。

(2)IO站采集模块性能参数：

A、模拟量输入模块IC200ALG260：

输入点数：8点。

输入范围：0-20mA，4-20mA，±10VDC，0-10VDC。

刷新速度：0.4ms。

分辨率：12BIT，1/4096。

精度：0.5％。

输入阻抗：电流时上限200欧姆，电压时上限126k欧姆。

外部连接：拆卸端子。

隔离保护：≥1500V RMS。

MTBF：≥200000小时。

B、数字量输入模块IC200MDL640：

输入16通道。

15-30VDC。

逻辑1，15-30VDC，电流2-5.5mA。

逻辑0，0-5VDC，电流0-0.5mA。

输入阻抗10K。

响应时间ON<0.5mS，OFF<0.5Ms。

MTBF：≥200000小时。

D、数字量输出模块IC200MDL740：

输出16通道。

输出电压：10.2-30VDC。

响应时间ON<0.2mS，OFF<1.0mS。

最大负载电流0.5A。

MTBF：≥200000小时。

E、电源模块IC200PWR102和底座IC200CHS022。

VersaMax可以根据I/O配置的电源消耗，选择合适的电源模块，需要时还可以增加辅助电源IC200PWB001(及辅助电源底座)。

VersaMax的电源模块具有以下特点：

提供3.3V或5V电压，最大输出电流1.5A。

扩展电源提供1.0A电流给需要3.3V电压的模块。

具有短路和过载保护。

直流供电具有反极性保护功能。

在CPU、NIU或辅助电源底座上有电源状态LED指示。

既能作主供电源，也能作为辅助供电电源。

现场检测保护装置，通过控制电缆09接入预设位置的分布式I/O站。具体来说，所述现场检测保护装置包括：皮带机拉绳开关10、跑偏开关11、料流检测器12、堵料检测器13、速度检测器14、撕裂检测器15、张紧检测器16、温度检测器17、到位检测器18。

具体来说，现场检测保护装置包括皮带机拉绳开关10、跑偏开关11、料流检测器12、溜槽堵塞检测器和撕裂检测器15等检测开关。所有现场检测传感器通过控制电缆09就近接入相应的分布式I/O站。

带式输送机的起动，正常停止，紧急停止的控制操作方式有中控室(CCR)中央控制系统流程联动控制、中控室(CCR)集中手动控制、机旁通过PLC的手动控制和机旁不通过PLC的现场测试方式四种。

控制系统要求当安全保护和检测装置一旦动作发出信息送入PLC站的同时，此信息应实时地送入中控室(CCR)，以保证快速的可靠控制，并故障报警，显示类别及故障位置点。带式输送机的安全保护和检测装置有如下多种：

(1)电动机制动器状态检测装置

制动器设有行程开关，用来检测制动器工作状态。运行前制动器未打开，就报警且不能使带式输送机运行。

(2)紧急停机拉绳开关。

为带式输送机紧急停机而设置的拉绳开关。设置在输送机两侧每隔50m一对(以输送机图纸为准)，同侧的拉绳开关为一组，每条皮带分两组，PLC能检测到同侧拉绳开关的状态和位置，并能在上位机上显示同侧拉绳开关的状态。在流程运行时，拉绳开关动作，立即停止皮带机运行，依据上游设备急停，下游设备顺停的原则停机。

为保证皮带机在输料过程发生意外时，能使皮带机系统紧急停机，皮带机拉线急停开关(该开关采用金属外壳，防水、防震)均匀布置在皮带机两侧，间隔50米一个，两侧布置。拉线开关应人工复位，且复位简单，且不因拉线自重而导致误动作。拉绳及拉环、弹簧采用钢制镀锌材料，拉线开关带有一对无公共点的一常开和一常闭触点。

拉线开关应安装有防护罩，以避免皮带落料而引起拉线开关的误动作。拉绳开关应具有自锁功能，保证监控系统计算机能有效记录拉线开关瞬间动作的报警记录。

(3)跑偏检测开关。

按带式输送机长度设置输送带跑偏检测装置。

皮带设2组跑偏检测开关，皮带机头部、尾部各设1组，皮带跑偏开关11设有两级保护动作，皮带轻度跑偏时，跑偏开关11向控制系统发出报警信号，当皮带重度跑偏时，跑偏开关11向控制系统发出故障信号使皮带机停止运行。跑偏检测开关的两级报警输出均带有一对无公共点的一常开和一常闭触点。跑偏检测装置设有两级保护动作开关，输送带轻跑偏时，跑偏开关11向控制系统发出报警信号，当重度跑偏时向控制系统发出故障信号，使带式输送机停止运行，依据上游设备急停，下游设备顺停的原则停机。

PLC检测到皮带机皮带的状态和位置，分别显示和报警。

(4)驱动电机温度检测。

在电机的两个轴承和绕组位置设有温度检测点，用于监视电机工作温度。要求在中控室实时显示电机温度，当温度达到设定值1报警，达到设定值2报警并使该带式输送机故障停止，依据上游设备急停，下游设备顺停的原则停机。

皮带电动机轴承及绕组温度信号通过现场总线方式采集，并用通信电缆传送至中控室PLC进行分析、处理。1)当轴承温度超过90℃时，向中控室报警，当温度超过95℃时，停止皮带机运行；2)当绕组温度超过150℃时，向中控室报警，当温度超过160℃时，停止皮带机运行；3)每台电动机至少采集3个点的温度信号。

(7)料流检测器12。

在转运站的料流前方带式输送机设置检测带式输送机有无料流的装置。料流信号用于转运站物料转接点的洒水除尘及其他控制用。

(8)防纵向撕裂保护装置。

当装置动作时发出故障信号，PLC控制输送机故障停止(依据上游设备急停，下游设备顺停的原则停机)，显示和报警。

(9)皮带机速度监测装置。

在皮带机从动轮侧面安装有转速非接触式检测器，检测从动轮的转速，如果低于额定转速，会自动输出开关报警。

以上便是本实用新型描述的系统的结构示意图。

而在实际应用中，本实用新型的系统实际上为分布式计算机网络控制系统。该系统的网络由管理网络和控制网络组成。

管理网络由计算机管理服务器、核心交换机08通过防火墙与控制网络连接，主要完成生产作业及行政管理等工作。控制网络和管理网络通过以太网交换机进行通信，相互交换数据，但管理网络不参与控制网络中控制系统的操作和控制。为保证控制系统的安全，在控制网和管理网之间通过防火墙进行隔离。

控制系统的网络结构分为四层：第一层为工业以太网，包括操作员站、工程师站04、容错服务器07、核心交换机08、DLP大屏幕等组成，并与件散货生产业务管理系统交换数据，构成管控一体划系统的整体。第二层为控制层，主要有散货冗余PLC主站提高了系统的可靠性、各单机设备PLC。第三层为光纤Profinet环网组成的现场层，主要由PLC主站、各变电所、转运站的分布式现场I/O站(共26个)等组成，主要完成对各工艺机械设备的控制、操作、显示及生产管理。通过光纤环网连接所有现场I/O站。第四层为设备层，主要由皮带沿线拉绳、跑偏、料流、堵料、撕裂、速度、到位等保护检测开关组成。

本实用新型的方案设计考虑了节能应用。散货作业控制系统提供两种启动方式，即传统的逆料流启动、顺料流停止的方式；顺料流启动、顺料流停止的方式，从而实现节能降耗的目的。

为能够实现系统的最优控制，在系统设计时首先考虑所有元件均能在工作现场最恶劣的气候和最差环境的状况下长期连续的工作，设备运行安全可靠效率高，操作维修简单容易的特点，对人员和周围环境没有任何有害的影响。特确定如下原则：

(1)上位工控机的系统设备和制造需要具备成熟和实用的技术。可以但不限于选用研华公司的产品，

(2)下位控制机(可编程逻辑控制器，即Programmable Logic Controller简称PLC)可以但不限于选用GE公司产品。

(3)本项目的备品及备件的供货和硬、软件的升级可以但不限于采用GE公司元器件和产品；

(4)为了防止线路干扰，现场采集的信号经过继电器处理，再进入PLC的I/O模块，从而保证现场设备运行状态的准确性；

(5)系统控制将采用多重隔离技术、容错技术确保系统运行可靠性、抗干扰性。在用电设备上选择电源隔离，执行单元中采用继电器隔离，在信号传输中采用数据隔离，在软件编程中数据滤波与容错措施，确保系统运行具备高度安全性、可靠性、容错性和稳定性；

(6)在电气设计考虑机械、电气双重联锁。同时在安全重点部位加装声光报警装置，可充分保证现场安装、运行的灵活性和维护的方便性；

(7)PLC主站与分布式I/O站之间采用Profinet光纤环网连接，达到了双重保险作用，减少系统的电缆使用量，节约了成本，提高了系统安全运行的可靠性；

(8)在中控室操作台上设置一个紧急停机按钮，按下后断开所有皮带机MCC柜断路器，并一直保持直至确认后方可复位；

(9)在中控室操作台上设置一个报警器，当皮带机系统设备出现故障时，发出声光报警信号，提醒工作人员注意监视；

(10)综合考虑5#、6#、7#变电所其中任意一个变电所停电时，控制系统连锁运行的安全互锁问题；

(11)对多皮带机同时启动时，系统通过计算机采用分段延时错峰技术启动各个皮带机。延时时间根据皮带长度可调。以减少皮带机电动机启动电流对电网的冲击；

(12)对皮带机流程启动，控制系统提供两种启动方式，即一种为传统的逆料流启动、顺料流停止的启动方式；另一种为顺料流启动、顺料流停止的启动方式，从而实现节能降耗的目的；

(13)与其他自成系统的设备(翻车机、堆取料机、装船机、装车机)的接口采用标准通用的接口(如工业以太网EthernetIP，现场总线ProfiBus-DP等)，接口规范简单、便于系统的扩展、易于连接。同时基于安全性的考虑，还提供硬线连接，确保系统运行的安全可靠。

本实用新型的系统目前的应用现状是：

1)、分布式I/O站采集方式可以节省控制电缆09达40％；

2)、光纤组成的网络可以不受电磁干扰，信号稳定；

3)、故障诊断更方便，查出更快；

4)、光纤形成的环网，如果单个网中断不会导致网络瘫痪，可以从另一环路连接正常工作，可靠性高；

5)、光纤组成的网络可以保证网络数据传输速度；

6)、采用分布式I/O站，信号采集区域划分明确，使用更加方便；

7)、光纤形成的网络传输距离(I/O之间)可以达到2km，传统的只能在百米；

8)、采取分散式采集信号，集中通过光纤网络与中控室PLC通讯，传输信号，控制电缆更少，施工更加容易。

因此，本实用新型的可以达到节省系统建设成本、系统更安全可靠、系统故障排查方便、系统稳定性高、系统运行速度快、区域划分明确、传输距离远、施工更简单等优点。

通过本实用新型的一个或者多个技术方案，本实用新型具有以下有益效果或者优点：

本实用新型提供了一种光纤环网控制系统，包括：中央控制室、操作总站、分布式I/O站、现场检测保护装置。其中，操作总站通过光缆连接所述中央控制室的核心交换机；分布式I/O站和操作总站中的PLC主站利用光纤连接，以形成环形网络结构；现场检测保护装置，通过控制电缆接入预设位置的分布式I/O站。本实用新型利用了采用分布式I/O站，信号采集区域划分明确，使用更加方便，并且可以节省控制电缆。另外，光纤形成的环网连接操作总站，如果单个网中断不会导致网络瘫痪，可以从另一环路连接正常工作，可靠性高，并且故障诊断更方便，查出更快。另外，光纤组成的网络可以保证网络数据传输速度，并且不受电磁干扰，信号稳定。

尽管已描述了本实用新型的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本实用新型范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种光纤环网控制系统，其特征在于，包括：

中央控制室；

操作总站，包括PLC主站和其他操作站，所述操作总站通过光缆连接所述中央控制室的核心交换机；

分布式I/O站，和PLC主站利用光纤连接，以形成环形网络结构；

现场检测保护装置，通过控制电缆接入预设位置的分布式I/O站。

2.如权利要求1所述的一种光纤环网控制系统，其特征在于，所述中央控制室包括：

大屏幕显示器、散货流程操作站、大屏幕服务器、工程师站、视频监控站、高干灯控制站、容错服务器，分别和所述核心交换机连接。

3.如权利要求1所述的一种光纤环网控制系统，其特征在于，所述其他操作站包括：翻车机、装车机、装船机、堆取料机。

4.如权利要求1所述的一种光纤环网控制系统，其特征在于，所述PLC主站具体为散货冗余PLC主站。

5.如权利要求1所述的一种光纤环网控制系统，其特征在于，所述分布式I/O站包括：5#变电所I/O站、6#变电所I/O站、7#变电所I/O站、1#趸船I/O站、4#趸船I/O站、远程I/O站、1#皮带机转运站。

6.如权利要求5所述的一种光纤环网控制系统，其特征在于，所述远程I/O站包括：

T1-1远程I/O站、T1-9远程I/O站、T1-10远程I/O站、T1-11远程I/O站、T1-12远程I/O站、T1-13远程I/O站、T1-14远程I/O站、T2-1远程I/O站、T2-2远程I/O站、T2-3远程I/O站、T2-4远程I/O站、T2-5远程I/O站、T2-6远程I/O站、T2-7远程I/O站、T2-8远程I/O站、T2-9远程I/O站、T2-10远程I/O站、T2-11远程I/O站、T2-12远程I/O站、T2-13远程I/O站。

7.如权利要求1所述的一种光纤环网控制系统，其特征在于，所述现场检测保护装置包括：

皮带机拉绳开关、跑偏开关、料流检测器、堵料检测器、速度检测器、撕裂检测器、张紧检测器、温度检测器、到位检测器。

8.如权利要求1所述的一种光纤环网控制系统，其特征在于，在所述中央控制室设置有紧急停机按钮，可控制所述现场检测保护装置。

9.如权利要求1所述的一种光纤环网控制系统，其特征在于，在所述中央控制室设置有报警器，当所述现场检测保护装置出现故障时，发出声光报警信号，以作提醒。