采用Devicenet總線產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)水處理中泵站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、前言

水資源是人類賴以生存的基本條件，是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈?，F(xiàn)實(shí)情況表明，由于全球性水資源短缺加上日趨嚴(yán)重的水資源污染，已對(duì)世界經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的協(xié)調(diào)產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。我國(guó)是一個(gè)貧水國(guó)家，人均淡水資源每年為0.24萬(wàn)m3，相當(dāng)于世界人均淡水資源的1/4，美國(guó)的1/5。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)代化的加快，人口的高度集中，城市用水量和污水的排放量不斷增加，加劇了用水緊張和水質(zhì)污染。因此，世界各國(guó)都非常重視水處理，我國(guó)更是如此。在水處理中大多數(shù)已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

由于水處理系統(tǒng)設(shè)備點(diǎn)分散，使用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)時(shí)需要敷設(shè)大量電纜，給設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試和維護(hù)帶來(lái)很大麻煩，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在我國(guó)水處理行業(yè)開(kāi)始采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。本項(xiàng)目嘗試使用。我所已根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)（IEC620263）開(kāi)發(fā)了Devicenet總線的產(chǎn)品。

2、工程簡(jiǎn)介

污水泵站設(shè)備由高低壓進(jìn)線柜、水泵、格柵除污機(jī)、壓榨機(jī)、閘門、液位計(jì)等組成。這些設(shè)備根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。當(dāng)格柵后液位達(dá)到一定高度時(shí)，水泵自動(dòng)開(kāi)啟，當(dāng)液位下降到一定高度時(shí)，水泵自動(dòng)停止運(yùn)行。而且水泵開(kāi)啟的臺(tái)數(shù)也由液位決定。當(dāng)格柵前后液位差達(dá)到一定值時(shí)，格柵除污機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)。平時(shí)所有閘門應(yīng)處于開(kāi)足狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)過(guò)壓、欠壓或三相電流不平衡時(shí)，水泵停止運(yùn)行。

PLC的開(kāi)關(guān)量輸入信號(hào)（無(wú)源信號(hào)）

（1）高低壓進(jìn)線柜：合閘、故障、工作位置、試驗(yàn)位置等

（2）閘門：遠(yuǎn)控、開(kāi)足、關(guān)足、開(kāi)運(yùn)行、關(guān)運(yùn)行、故障等

（3）格柵除污機(jī)：遠(yuǎn)控、運(yùn)行、故障等

（4）壓榨機(jī)：遠(yuǎn)控、運(yùn)行、故障等

（5）水泵：遠(yuǎn)控、合閘、運(yùn)行、過(guò)載、過(guò)熱、泄漏、軟起動(dòng)器故障等

PLC的開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)（24DC繼電器輸出）

（1）閘門：開(kāi)/關(guān)/停控制

（2）格柵除污機(jī)：開(kāi)/?？刂?/p>

（3）壓榨機(jī)：開(kāi)/停控制

（4）水泵：開(kāi)/?？刂?/p>

PLC的模擬量輸入信號(hào)（4～20mA）

（1）閘門：開(kāi)度（0%～100%）

（2）液位計(jì)：格柵前、后液位（0～10m）

（3）變壓器：溫度（-50～100℃）

（4）水泵：三相電流（0～300A）、溫度（-50～100℃）

3、Devicenet技術(shù)概要

從20世紀(jì)90年代起現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)技術(shù)快速發(fā)展，結(jié)合Internet和Intranet的迅猛發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)技術(shù)越來(lái)越顯示出其傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無(wú)可替代的優(yōu)越性?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)技術(shù)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中的一個(gè)熱點(diǎn)。傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品是否具有總線接口將成為其在市場(chǎng)能否生存的一個(gè)必要條件。

Devicenet是由美國(guó)Rockwell公司在CAN基礎(chǔ)上推出的一種低成本的通信鏈接，系一種低端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它將基本工業(yè)設(shè)備（如：限位開(kāi)關(guān)、光電傳感器、閥組、電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器、過(guò)程傳感器、條形碼讀取器、變頻驅(qū)動(dòng)器、物料流量計(jì)、電子秤、顯示器和操作員接口等）連接到網(wǎng)絡(luò)，從而避免了昂貴和繁瑣的硬接線。DeviceNet是一種簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時(shí)，減少了配線和安裝工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備的成本和時(shí)間。DeviceNet的直接互連性不僅改善了設(shè)備間的通信，而且同時(shí)提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級(jí)診斷功能。

在一個(gè)完整的現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)可以分為三個(gè)層次，即信息層網(wǎng)絡(luò)、控制層網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)。Devicenet是一種設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)。（系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖1）

3.1技術(shù)特點(diǎn)

（1）每個(gè)Devicenet網(wǎng)絡(luò)最多可連接64個(gè)節(jié)點(diǎn)；

（2）主干線-分支線結(jié)構(gòu)；

（3）可選的數(shù)據(jù)傳輸波特率為125K，250K及500K；

（4）使用便利的密封或開(kāi)放形式的連接器；

（5）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，多主或主/從通信；

（6）可帶電更換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在線修改網(wǎng)絡(luò)配置；

（7）采用CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約，使用CAN規(guī)約芯片，得到國(guó)際上主要芯片制造商的支持；

（8）支持選通、輪詢、循環(huán)、狀態(tài)變化和應(yīng)用觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳送；

（9）是一種低成本、高可靠性的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)；

（10）既適用于連接低端工業(yè)設(shè)備，又能連接象變頻器、人機(jī)終端這樣的智能設(shè)備；

（11）采用無(wú)損位仲裁機(jī)制CSMA/NBA（Carrier Sense Multiple Access with Non-destruction bitwise Arbitration）實(shí)現(xiàn)按優(yōu)先級(jí)發(fā)送信息；

（12）具有通信錯(cuò)誤分級(jí)檢測(cè)機(jī)制、通信故障的自動(dòng)判別和恢復(fù)功能；

（13）電源結(jié)構(gòu)的可調(diào)整性，以滿足各類應(yīng)用的需要以及大電流容量（每個(gè)電源最大容量可以達(dá)到16安培）；

（14）總線供電；主干線中包括電源線及信號(hào)線；

（15）得到眾多制造商的支持，如：Rockwell、OMRON、Hitachi、Cutter-Hammer、Turck等。Devicenet制造商協(xié)會(huì)擁有的三百多個(gè)全球會(huì)員遍布世界各地。（見(jiàn)表1）

3.2通信方式

Devicenet是在CAN總線基礎(chǔ)上的開(kāi)放式數(shù)據(jù)總線，它使用CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，11位標(biāo)識(shí)符，加上DeviceNet的應(yīng)用層，形成可靠靈活的通信規(guī)約。DeviceNet總線是以連接為基礎(chǔ)的總線，它使用11位CAN標(biāo)識(shí)符作為連接標(biāo)識(shí)符，在總線上的通信伙伴通過(guò)建立連接，確定這個(gè)標(biāo)識(shí)符。連接建立以后通過(guò)這個(gè)標(biāo)識(shí)符識(shí)別自己的報(bào)文，和用這個(gè)標(biāo)識(shí)符向通信伙伴發(fā)送報(bào)文。

Devicenet規(guī)約定義了顯式報(bào)文（Explicit Message）和I/O報(bào)文（I/O Message）兩種不同性質(zhì)的報(bào)文，兩種報(bào)文可以同時(shí)在總線上傳送。I/O報(bào)文是定時(shí)周期傳送的，傳送的內(nèi)容和數(shù)據(jù)格式是預(yù)先定義好的，I/O報(bào)文具有較高的優(yōu)先級(jí)，會(huì)得到優(yōu)先傳送，從而保證它的實(shí)時(shí)性。它們自動(dòng)地排列發(fā)送的次序，能夠充分利用總線的空隙。而顯式報(bào)文雖然也需要預(yù)先定義數(shù)據(jù)的格式，但服務(wù)項(xiàng)目和數(shù)據(jù)內(nèi)容是在報(bào)文中指定的，因此這要靈活得多，使用顯式報(bào)文不僅可以查詢或設(shè)置某一個(gè)參數(shù)的內(nèi)容，也可以實(shí)現(xiàn)某一個(gè)操作，它是通過(guò)規(guī)定格式的顯式報(bào)文來(lái)表示要實(shí)現(xiàn)的操作，和對(duì)那一個(gè)參數(shù)進(jìn)行操作，每一個(gè)顯式報(bào)文只做一個(gè)操作，在任何需要的時(shí)刻都可以發(fā)送報(bào)文，而不需要的時(shí)刻就沒(méi)有這種報(bào)文的傳送。因此，顯式報(bào)文很適合于設(shè)備的參數(shù)設(shè)置，故障查詢，以及調(diào)用不是經(jīng)常需要監(jiān)控的參數(shù)。

Devicenet總線在運(yùn)行時(shí)，如果設(shè)置了I/O連接，那么I/O報(bào)文是周期傳送的，同時(shí)各節(jié)點(diǎn)之間可任意傳送顯式報(bào)文。

為了降低對(duì)于設(shè)備的要求，Devicenet規(guī)約定義了主/從連接組通信。作為主/從連接中的從站設(shè)備，設(shè)備要求相對(duì)簡(jiǎn)單，降低了控制芯片的要求和開(kāi)發(fā)成本，而在一般的應(yīng)用中主/從連接通信已完全能夠滿足要求，所以實(shí)用上都使用主/從連接的通信。

4、與傳統(tǒng)PLC的比較

在本系統(tǒng)中，PLC采用日本OMRON公司的CJ系列產(chǎn)品，Devicenet設(shè)備采用我所自行開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。

傳統(tǒng)的PLC實(shí)行集中控制，所有的電纜都必須連接至PLC控制柜，布線和接線相當(dāng)繁瑣。（見(jiàn)圖2）

從圖中可以看出，在泵站現(xiàn)場(chǎng)可將Devicenet分別安裝在分散的設(shè)備附近，從而降低設(shè)備的安裝費(fèi)用和時(shí)間，本系統(tǒng)中的水泵、閘門、格柵、液位計(jì)等可通過(guò)通信電纜、接插件等產(chǎn)品進(jìn)行長(zhǎng)距離通信。通過(guò)DeviceNet配置器提供直觀的界面，可方便地進(jìn)行配置、調(diào)試和故障診斷。相對(duì)于傳統(tǒng)PLC，DeviceNet具有強(qiáng)大的通信功能，支持多種通信方式，可以更加靈活地應(yīng)用于控制系統(tǒng)中。

5、操作界面

在工藝流程圖（見(jiàn)圖3）中可以顯示出水泵的運(yùn)行及控制狀態(tài)，工藝流程圖可通過(guò)設(shè)備顏色的變化表示出格柵進(jìn)水閘門、出水閘門、旁通閘門的開(kāi)足、關(guān)足及控制狀態(tài)。

在流程圖中鼠標(biāo)移至各泵處點(diǎn)擊可分別切換至泵組監(jiān)控圖（見(jiàn)圖4）。

將流程圖中的“自動(dòng)投入”開(kāi)關(guān)置為“開(kāi)”，彈出自動(dòng)開(kāi)泵確認(rèn)對(duì)話框，點(diǎn)擊“確定”，就可以將系統(tǒng)切換至自動(dòng)狀態(tài)，即根據(jù)所設(shè)置的水位狀況自動(dòng)開(kāi)泵，自動(dòng)停泵。

泵組監(jiān)控圖用于顯示各臺(tái)水泵的運(yùn)行及控制狀態(tài)。泵組監(jiān)控圖中通過(guò)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)能表示出泵的運(yùn)行狀態(tài)。閘閥上方電機(jī)指示燈的顏色表示閥當(dāng)前的狀態(tài)。在泵組監(jiān)控圖中可控制泵的開(kāi)停，當(dāng)泵處于中控狀態(tài)時(shí)，可將控制選擇開(kāi)關(guān)切換至鍵控狀態(tài)，點(diǎn)擊綠色的開(kāi)按鈕可以開(kāi)泵，點(diǎn)擊紅色的停按鈕則停泵。

泵組監(jiān)控圖可察看泵的各項(xiàng)模擬量參數(shù)。以1號(hào)泵組的監(jiān)控系統(tǒng)圖為例，如圖所示，圖中水泵的左側(cè)以數(shù)字標(biāo)簽的形式顯示了水泵的當(dāng)前轉(zhuǎn)速；水泵右側(cè)的溫度計(jì)顯示出水泵電機(jī)的溫升，點(diǎn)擊溫度計(jì)可以查看電機(jī)溫升的曲線；泵組監(jiān)控圖中水泵上方的三個(gè)電流表顯示出水泵電機(jī)的三相電流，點(diǎn)擊水泵可以查看三相電流的曲線。

在泵組監(jiān)控圖或工藝流程圖中點(diǎn)擊閘閥即可打開(kāi)相應(yīng)的閘閥開(kāi)?？刂拼翱凇＠?，在1號(hào)泵組的監(jiān)控系統(tǒng)圖中點(diǎn)擊進(jìn)水閘閥，就可進(jìn)入1號(hào)進(jìn)水閘閥監(jiān)控圖。在1號(hào)進(jìn)水閘閥監(jiān)控圖中，當(dāng)閘閥處于中控狀態(tài)時(shí)，點(diǎn)擊開(kāi)按鈕可以開(kāi)閥，綠燈亮；點(diǎn)擊關(guān)按鈕可以關(guān)閥，紅燈亮；點(diǎn)擊停按鈕可以停止動(dòng)作，黃燈亮；閘閥開(kāi)/關(guān)完畢，動(dòng)作停止后，黃燈亮。

6、結(jié)論

采用現(xiàn)場(chǎng)總線Devicenet技術(shù)的泵站監(jiān)控系統(tǒng)已順利通過(guò)驗(yàn)收，現(xiàn)已投入正常運(yùn)行。雖然作為第一個(gè)試點(diǎn)，只使用了簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程I/O單元，尚未完全顯示現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)點(diǎn)，但已可以看到，用DeviceNet實(shí)現(xiàn)水處理行業(yè)中的自動(dòng)化控制是一種非常好的方案，具有非常廣闊的前景。

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