大型散粮储运项目控制系统扩建和性能提升

◎ 卢 曼，刘玉苹，李 堑

（郑州中粮科研设计院有限公司，河南 郑州 450001）

粮食物流能力是现代粮食行业的核心竞争力，自动控制系统是现代粮食物流发展水平的重要体现。随着国内粮食物流企业的不断发展壮大，自动控制系统对于提高企业效率、降低运营成本、提高安全生产起到关键作用。

1 大型散粮储运项目建设背景

近年来，随着粮食仓储、物流、加工企业仓容规模的不断扩大，尤其是大型粮食仓储、加工物流园区的建设逐渐增多，许多项目是在原有项目基础上进行新建或者扩建。大型新建项目设计时，需要考虑自动控制技术的先进性和系统容量扩展的前瞻性。扩建工程自控系统除了需考虑自动控制技术的先进性和系统容量扩展的前瞻性，不可避免地需要考虑续建工程和原有工程控制系统的融合和数据交互问题，同时也需要考虑针对不同建设时期所建项目自控系统软硬件版本的兼容性、技术的先进性及升级改造的可行性。

2 扩建项目自控系统架构设计

扩建项目自动控制系统设计时应先根据其控制系统能力、业务需要和投资等情况，选择不同的方式，如同PLC扩展（即控制程序在同一个CPU内）或各期项目独立控制（每一期工程均由单独CPU控制）的技术架构。

2.1 同CPU扩建，统一控制

同CPU扩建，即控制程序在同一个CPU内，对整个系统工艺全局考虑，各期项目控制程序无缝衔接，融为一体。若原有项目的PLC系统CPU在性能及容量已为扩建工程的自动控制系统留存余量，扩建项目直接作为控制分站接入控制系统。但如果原有项目的PLC系统CPU在性能及容量均存在不足，扩建项目时可先对原有控制系统进行硬件升级，更换原有控制系统CPU，再将扩建项目作为控制分站接入控制系统。为了保证控制系统的稳定性和可靠性，满足连续生产要求，大型扩建项目控制系统可设计为冗余系统，提高容错性能。

2.2 各期项目独立控制，单独设CPU

若续建工程与原有工程流程工艺交互少，或能明显界定工艺边界，且续建项目在本期工程工艺内可基本独立完成进仓、出仓、倒仓等大部分工艺流程操作，则每期工程可单独设置PLC系统，各期PLC系统间通过通信进行必要的数据交互。

选用这种控制方案扩建工程时可避免原有系统的掣肘，不必选择与原有系统相同编程平台的控制系统，也无需考虑原有项目的编程方式和策略，同时减少了控制系统的复杂度。各期控制系统相互独立，某一期项目控制系统的故障完全不影响或基本不影响其他其控制系统的正常运作。

3 大型散粮储运项目自控系统功能提升

粮食仓储物流企业通常采用基于PLC技术的监控系统和主控系统，主要完成工艺流程操作所要求的流程逆序启动、顺序停止、故障停机及控制系统操作、监控等功能。大型散粮储运项目自控系统可从以下各方面提升其功能。

3.1 采用稳定可靠的网络结构

自控系统离不开稳定的网络架构，大型散粮储运项目扩建工程一般控制点、控制分站较多，可通过构建冗余控制架构，采用网络冗余或系统冗余、环网等技术来减少系统出现故障的概率。

为保证系统稳定可靠运行，控制系统可采用冗余控制架构，冗余控制大体分为以下4种：①处理器冗余。②网络通信冗余。③I/O卡件及I/O点冗余。④供电电源冗余[1]。

如某大型粮库项目控制点约6 000点，控制分站多而且分散。自控系统规划时采用处理器冗余、网络通信冗余，在PLC站点较为集中的配电间内设置工业以太网交换机，各工业以太网交换机直接形成环网结构。当分站之间距离较远时，控制网络之间采用光纤通信模式，这既保证了网络的稳定性、准确性又保证了网络通信的快速性。这种处理器冗余和网络冗余控制方式保证了系统对现场设备（皮带机、斗提机、闸阀门和风机等）的故障、启停、流程控制及数据交换等高效可靠处理，最大限度的保障系统的连续运行。

3.2 引入智能化配电系统

智能配电柜方案是在高、低压配电柜，变压器，箱式变电站，配电箱及动力柜（箱）实现智能化的基础上，通过移动互联网接入云平台，建立用户侧智慧配电管理系统。大型散粮储运项目扩建工程可考虑智能配电柜方案，利用网络通信代替二次接线柜内选用带有标准总线接口的元器件，实现元器件的网络连接，一网到底控制元器件自带测量功能，方便自控系统读取电流、电能、温度、运行时间等数据，业主方运维人员可通过手机App、计算机Web或监控中心大屏，随时随地对供配电系统的智能化安全实时监控与远程运维管理。

3.3 建立灵活的流程控制策略

近年来，随着粮食仓储、物流、加工企业仓容规模的不断扩大，大型粮食仓储、加工物流园区新建和扩建项目增多，大型项目工艺复杂，流程统计和流程选择过程复杂程度较高。当项目分期建设时，为保证分期项目工艺的整体性，需要将多期项目整体考虑，工艺流程选择算法便成为控制系统开发的技术难点，灵活的流程控制策略对于提高大型散粮储运项目自控系统性能起到了关键的决定作用。

灵活的流程控制策略主要体现在选用的流程算法的先进性，筛选和控制过程的易更改和可扩展性。如工艺复杂的大型散粮储运项目工艺流程发生改动时，控制系统只需简单调整程序即可满足修改目标；扩建工程与原有工程工艺交互较多，采用同CPU扩建时，控制系统宜采用模块化框架结构设计，可在原有程序架构下，进行流程空间和设备的灵活扩展。

灵活的控制策略还体现在节能、高效、安全的控制机制，除完成工艺流程操作所要求的流程逆序启动、顺序停止、故障停机及控制系统操作、监控等功能外，还需要考虑不断粮流的流程切换以减少启停设备次数及节能增效、仓高低料位报警时的流程处理、流程中设备异常停机时的流程处理和除尘设备及其风阀随流程启停处理等。

3.4 提升人机交互友好性

自动控制系统人机交互性能直接影响系统使用的流畅度和易操作性。系统界面应更加的人性化，操作便捷，每一步的操作都有相应的反馈信息，使操作员的操作更直观，提高系统的交互性。大型散粮储运项目工艺复杂度高，设备种类数量繁多，流程选择时宜根据操作员选择的首尾设备自动筛选可用路线，同时画面上高亮显示流程中选中设备，选中流程后自动校验被选流程设备是否可使用，便于操作人员了解整条流程设备状况。

自动控制系统可增加三维可视化技术的应用，三维交互画面更接近于现场作业情况，将精益化管理与生产实时监控有机地结合起来，实现业务、数据的可视化、智能化管理。

3.5 应用管控一体化，加强信息化融合

大型散粮储运项目自动控制系统通过对工艺设备的逻辑控制实现了生产过程的自动化，但在生产经营中计划下达、作业数据统计等生产数据与管理数据的精确化交互方面尚存在缺失或不完善之处。

管控一体化平台通过相应技术，实现企业经营计划、自动控制系统、仓容系统和计量系统等信息整合，生产计划直接下达到自动控制系统，作业、计量、能耗、仓容、粮情及设备运行数据自动采集，并与计划自动关联、汇总，保证数据的实时性、一致性，实现精细化管理，成本和效率的量化管理。

大型散粮储运项目加大管控一体化平台应用，可对散粮储运生产计划、生产过程、统计分析几大要素进行控制，实现生产计划的科学性、生产过程的可视化、统计分析的自动化。

3.6 实现生产数据上云部署

大型散粮储运项目可整合作业生产和管理相关数据并部署在云平台，实现跨平台数据汇总与数据二次发表，提供实时数据在线浏览与历史数据文件记录。用户通过手机App和Web页面浏览相关数据信息、实时作业远程监控，随时随地了解系统运行状况和异常情况、远程运维保障系统生产安全。

生产数据上云后，云平台可通过手机App、微信小程序、手机短信等多方式进行系统实时预警，同时将系统生成的作业数据报表（如能耗、班组作业统计、作业记录等）定时推送至相关人员邮箱，便于管理人员汇总生产信息和作业数据追溯，对无纸化办公、过程追溯、提高管理效率有明显的作用。

4 大型散粮储运项目实践

图1为国内某粮库扩建项目的规划图，项目总规划仓容98万t，由图可知，该项目已投入使用的一期、二期、在建的三期工程以及规划预留的四期项目共用码头接粮，工艺交互较多，续建的三期项目在本期工程工艺内无法独立完成进仓、出仓、倒仓工艺流程，进仓、出仓、倒仓过程均需要同时使用多台一二期的输送设备，且各期项目自动控制系统运营由业主方同一组人员完成，操作员需要同一台电脑对整个库区的自控系统进行流程选择、控制等操作，控制系统与管理信息系统也需要进行作业计划和作业数据的交互，四期预留规划部分亦存在这种情况。

图1 国内某粮库扩建项目的规划图

为保证项目的统一性和工艺的整体性，该项目自动控制系统设计人员考虑整体工程的工艺情况，对原有控制系统硬件升级，将PLC系统CPU更换为更高性能的设备，设备选型和网络规划兼顾原有、本期及未来项目规划，同时将整个系统的网络统一更换升级为以太网，并采用双CPU冗余和网络冗余。

5 结语

大型散粮储运项目自控系统的优越性和先进性主要体现在系统稳定性、生产智能化程度、生产数据与管理数据的精确化交互以及作业数据的可追溯性等多个方面。在对大型散粮储运项目扩建工程自控系统设计时，应明确项目整体需求选择适合的、先进的自控技术方案，增加其控制灵活性和可扩展性，同时注重对控制系统功能的提升，助力散粮储运企业高效发展、降低运营成本。