1 引言
随着工业自动化控制技术、计算机及网络技术发展的突飞猛进，工业自动化已经渗透到各行各业的生产当中。近年来，随着港口物流的兴起，粮食港口开始使用工业自动化技术进行粮食的中转调运，使管理和统计方便快捷。
罗克韦尔自动化公司的自动化产品十几年来在国内得到了广泛的应用，特别是ControlLogix系统已经应用到全国各行业的实际生产中。本文以某粮食港口为例，介绍了该粮食码头的工艺流程并应用ControlLogix系统对该粮港口自动控制系统进行了设计。

2 项目概况
该粮食现代物流项目规划总仓容30万吨，本期建设仓容10万吨，由立筒库、计量塔、工作塔、火车、汽车卸粮坑及转接地沟、汽车发放站、输送栈桥办公楼组成。该粮食码头是以散粮装卸为主，包粮为辅的粮食专业码头，其接卸能力为1000吨/小时，设计年通过能力为400万吨，储粮品种为玉米、小麦和大豆，粮食以中转为主，由火车和汽车运来，由汽车或船舶运出。该港口粮流图如图1所示。

图1 粮流图

2.1 系统工艺描述
该港散粮系统输送工艺包括了港区的装船工艺、卸车工艺、装车工艺、筒仓工艺等多种粮食储运作业。根据装卸工艺及粮食输送能力，储运流程分为四类:
入仓流程:卸火车入(筒/星)仓、卸汽车入(筒/星)仓;
出仓流程:出仓装船、出仓装汽车;
倒仓流程:筒仓—筒仓、筒仓—星仓、星仓—筒仓;
转运流程:卸火车装船、卸汽车装船、卸火车装汽车。
根据对粮食的操作及所用设备不同，以上每一组又有多条路径。整个工艺流程共八组，近300个流程(不包括仓号的变化)。
对于包粮在进卸粮坑前加开包流程和在运出前加打包流程。
2.2 控制对象
该港粮食系统主要包括大型设备(输送粮食的刮板机、皮带机、斗提机等)、除尘器、阀闸三类设备。需要控制设备包括气垫式皮带机，皮带机风机，斗提机，埋刮板机，除尘器，电动阀闸，气动阀闸，料位器，电子秤，布料器，变频器及其它辅助设备。

3 应用ControlLogix系统对自动控制系统的设计
3.1 控制系统结构
本控制系统由硬件和软件两部分组成。
(1) 硬件系统
硬件部分包括现场传感器、MCC(低压配电柜)、PLC控制系统、上位机监控系统、UPS(不间断电源)。参见图2。

图2 ControlLogix 构架

其中PLC控制系统选择Rockwell Automation的ControlLogix系统，它是Rockwell Automation众多产品中功能最强大的一个系列，能够提供一个先进、高效、高灵活性和高扩展性的控制平台。图2为ControlLogix 构架，它提供了各种输入和输出模块，以适应从高速离散控制到过程控制的多种应用场合。

整个系统的特点以及应用于该项目中优点:
●ControlLogix系统将PLC与DCS的功能结合在一起。提供顺序控制，过程控制，传动及运动控制的统一的控制平台。完全能够满足粮食物流行业对于将多种设备、多种控制方式、控制要求集中在一起的需求。
●ControlLogix具有非常强大的、高性能的处理器。支持多维数组和用户定义数据结构，从而可以实现基于对象的编程，非常适合粮食工艺流程中筒仓、皮带机、粉尘控制、阀门、闸门等控制对象的应用。处理器的内存可以扩充到8M，能够满足未来二期、三期工程的扩展需求。
●ControlLogix采用标签寻址方式(即编程与具体的I/O分配无关)以及模块化的编程方式，可以大大提高代码的代码的可重利用率，从而降低系统扩展的编程成本。
●ControlLogix的I/O为高性能，智能化I/O模块，所有的模块都具有高性能的微处理器，全部通过软件组态就可完成I/O配置。同时具有I/O掉线检测、无负载检测、模块级的工程单位转换，双重高低报警。时间标签记录等内置的超强的诊断和工程调试功能，减少了现场调试的周期，大大方便了维修、维护人员整个控制系统采用分布式方式，对于衔接各个分布控制站的网络架构(如图3所示)，笔者采用Rockwell Automation的NetLinx 开放性网络集成框架中DeviceNet(设备网)，ControlNet(控制网)和信息层网络Ethernet(以太网)来实现无缝连接，参见图3。

图3 网络构架

●将生产应用中的现场控制、传感设备赋予智能化，通过设备网(DeviceNet)上的网络总线完成现场设备与控制器之间的控制，信息，诊断数据的传递，提供现场设备的可靠性和易维护性和智能化，降低安装费用和工期。本设计中对于智能MCC是通过设备网DeviceNet连接到主控制系统中来。
●直接对生产过程进行的控制，包括连锁和循环控制，驱动控制和测量的监控。不同的控制器通过具有实时性，确定性和可重复性的主干控制网(ControlNet)(实时5Mbps带宽)完成，ControlNet具有预定信息和非预定信息的传递。统一的硬件和软件控制平台将顺序控制，过程控制和传动控制有机的结合起来。本设计中对于不同的三个配电中心的PLC工作站之间以及各个工作站的不同I/O框架之间采用冗余的控制网(ControlNet)来实现智能化的高速的实时控制，并共享数据和信息。
●在工业控制中EtherNet以太网常用于程序的维护，对生产工艺过程进行监控和给以操作指导，以及将工厂级的数据传入或传出到更高的级别的MIS管理信息系统或MES生产执行系统，完成批量数据的存储，分类，管理及优化事件登录等功能。本设计中上位监控RSViewSE的服务器和客户端之间以及控制系统与管理信息系统之间的通讯是通过EtherNet来完成的。
上位机监控系统包括工控机、彩色显示器、激光打印机等。上位机系统的配置原则是能适应工业现场(防磁、防尘、防震)，直观方便地监视和控制设备并且可以打印报表与文档。本系统采用SERVER-CLIENT结构。构成CLIENT端的多台图形工作站(CGP)均可作为监视及操作平台，使操作员在中央控制室(CCR)即可以实现对现场全线设备的监控。系统操作方式分为“就地”和“远程”两种。其中“就地”又分为TEST和LOCAL，“远程”分为集中手动和自动，而只有“远程”方式才是操作员在CCR可以操作的方式。

(2) 软件系统
软件部分选用的是RSLogix5000、RSViewSE、PLC应用程序、上位机监控软件。其中RSLogix5000是与ControlLogix系统配套的编程环境，提供了易于使用的标准接口，采用结构和数组的符号化编程，以及专用的顺序控制、运动控制、传动控制和过程控制场合的指令集，用来进行PLC应用程序的编写、下载、调试、修改，大大提高了编程效率。
灵活的继电器梯形图和功能块图编辑器，使用户创建应用程序变得轻松自如。在梯形图和功能块图编辑器中，用户能看到标准的、易于使用且直观的操作界面。
整个系统应用于该项目中优点:
●在线帮助(包括概述信息、编程信息、屏幕信息和参考信息)和在线参考书(包括电子版的相关参考手册和用户手册);
●易于使用的I/O寻址方法;
●灵活的、易于使用的功能块图编辑器;
●包括继电器梯形图和功能块指令的指令集;
●一个自由格式操作的梯形图编辑器，可以让用户同时修改多个逻辑梯级，也可以通过点击界面提示输入梯级;
●诊断监控能力，包括控制器的状态显示、程序验证功能和强有力的数据监控器;
●容易组态，包括图形化的控制器管理器，I/O组态对话框，运动组态工具和点击组态方法;
●完善的数据处理，采用数组和用户定义结构，可提供必要的灵活性满足应用系统要求，而不是强迫它去适应特殊的内存结构，如控制器的数据表内存;
●拖放编辑和导航功能，可以快速地从一个数据文件移动数据元素到另一个数据文件，从一个子程序或项目中把梯级移动到另一个，或从梯级将指令移动到另一个梯级，或在一个项目内的指令在功能块图之间相互移动。
RSViewSE作为上位机监控软件的开发和运行平台，要用它来完成通讯接口和驱动程序的配置、数据库的建立、画面的制作、动画的连接，运行过程的监控。
上位机监控软件的功能及特点:
监控画面上所有设备图形都是对具体设备微缩而成的三维图形或使用标准符号，易于辩识。运行状态要求动画显示，直观。
监控软件的主辅画面如上所述，熏蒸、空压、照明等系统对应的图标放在“辅助系统查询”画面上，可以使主画面简洁并加快了主画面的刷新速度。设备状态为运行、停止(阀门类设备为开到位、关到位)、故障，设备对应的图标的颜色不同，并且故障时图标会闪烁。单击设备对应的图标，将会弹出设备状态对话框，在自动方式下，该对话框中的指示灯将显示设备的状态;在手动方式(集中手动、机旁手动)下，对话框中除了显示设备状态的指示灯外，还有一些启动、停止或正转、反转、停止按钮。在集中手动方式下，可以点击按钮对设备进行操作;在机旁手动方式下，这些按钮点击操作无效，仅用来显示机旁按钮的状态。为了减少设备对话框的数量，同类设备公用一个对话框，设备切换时对话框中的按钮和指示灯对应的变量将重新赋值。在紧急状态下，可以点击画面上的急停按钮，立即停止输送设备的运行，同时关闭收粮和仓下发粮闸门，防止粮食溢出到设备外。
监控软件运行时会向PLC发送操作方式、输送路径、启动、停止、急停、复位信号，从而影响PLC程序的运行，改变生产流程。在PLC运行时，退出监控软件或切断上位机与PLC的通讯不影响PLC中程序的正常运行。
3.2 控制策略
根据该粮食物流的工艺要求，对输送过程的监控分10种方式:卸火车入(筒/星)仓、卸汽车入(筒/星)仓、出仓装船、出仓装汽车、卸火车装船、卸汽车装船、卸火车装汽车、倒仓、集中手动、机旁手动。前八种监控方式均为自动，即选定路径上设备的启动、停止，阀门的开、闭均可以自动完成。正如控制系统的目的就是实现粮食的入仓、倒仓、出仓的全过程自动化，并可实现手动操作。在这一过程中，为了减小启动设备对电网的冲击，防止因同时启动多台设备导致变压器过载跳闸，为了防止在物料输送过程中发生堵料、重载停车和堵料等事故。要求流程最基本的控制方式:启动时逆料流顺序启动;流程停止时顺料流顺序停止;当流程运行过程中，如果流程内某一设备出现故障，那么流程上游设备应该紧急停止，下游设备继续运行，以免发生物料的堵塞，从而造成粮食的撒漏或设备的损坏;当故障排除后，再按照逆料流的顺序依次启动流程内的设备。选择集中手动方式后，在中央控制室中操作员通过鼠标点击屏幕上的按钮即可完成设备的启停，阀门的开闭。为了单台设备调试方便，要求设置机旁操作箱，在设备旁可以对设备设备进行控制。机旁手动时，要求解除各设备间的联锁关系，任何设备的动作不依赖其它设备的状态或动作(输送机和输送机风机除外)，实现设备的就地控制。
由于物料在输送过程中会产生大量的粉尘，为防止粉尘引发安全事故，在大型设备的两两连接处还安装了除尘器。要求在流程启动前5min启动除尘器，流程设备停止后除尘器接着运行5min。如果在流程启动或者运行中除尘器发生故障，那么要求除尘器所关联的设备要立刻停止，并且由此引发该设备上游设备立刻停止。除尘器在控制上的特点是每个除尘器的启动和停止都可以用唯一一个大型设备的运行(选中状态)来选择运行。
所需要控制的闸阀包括三通闸(TW)、开关阀(AG)、和与除尘系统相关的气动、电动阀门。闸阀控制上的特点是可由上下游两个大型设备或除尘器就可以确定闸阀的开启或关闭方向。

4 结束语
ControlLogix系统采用模块化的结构, 通过背板实现模块间信息的高速传送;带控制器模块的系统，作为先进的控制平台不仅具有先进的通讯能力和最新的I/O技术，为实际应用提供了灵活的、方便的应用。本文介绍的ControlLogix系统强大功能中的一部分(顺序控制)，同时该系统在运动控制、传动控制等方面也具有卓越的功能。
该粮食控制系统是集计算机技术、控制技术、网络通信技术和图形显示技术于一体的系统。系统的结构、软件及主要技术环节的设计，都实现了生产过程的自动控制，提高了生产效率。在自动控制系统设计时遵循了以下原则:系统运行高效、可靠，软件操作容易、维护简单，设备检修快捷，系统扩展方便、性价比最优。