多網(wǎng)絡融合的水廠自動化控制系統(tǒng)設計 - 全文

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　　本文提出一種多網(wǎng)絡融合的水廠自動化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)點提供多種網(wǎng)絡接口和模擬/開關(guān)量接口，從智能儀表或現(xiàn)場獲取設備運行狀態(tài)，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)絡送至上位監(jiān)控主機，同時自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡平臺融合了安防系統(tǒng)，以實現(xiàn)對水廠廠區(qū)的實時視頻監(jiān)視。該技術(shù)在通信效率、實時性、可靠性、兼容性、全面性等方面有著明顯的優(yōu)勢。由于具備較高的系統(tǒng)集成度和較好的性能優(yōu)勢，既提升了水廠信息化和工業(yè)化水平，又降低了水廠自動化改造和建設的成本，減小了設備維護的勞動強度。

　　1 系統(tǒng)原理和總體結(jié)構(gòu)

　　多網(wǎng)絡融合的水廠自動化控制系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集方式，共分3層結(jié)構(gòu)：上位監(jiān)控層、網(wǎng)元層和數(shù)據(jù)采集與控制層。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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　　在自動化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制層，各站位的智能測控節(jié)點負責從現(xiàn)場采集水頭水位、水池水位、閥門開關(guān)狀態(tài)、水泵出口水壓/流量大小、濁度和PH值等水質(zhì)參數(shù)、電機各相電流/電壓/功角等現(xiàn)場監(jiān)控對象的參數(shù)和變量，并實時運算和處理，這些數(shù)據(jù)再經(jīng)由網(wǎng)元層發(fā)送到高層。在上位監(jiān)控層，中控室工程師站通過網(wǎng)元層的工業(yè)以太網(wǎng)絡接收現(xiàn)場發(fā)來的數(shù)據(jù)，進行分析和處理，并可根據(jù)實際需要對現(xiàn)場設備實行就地的實時監(jiān)視和控制;中控室操作員站和數(shù)據(jù)庫服務器也接收傳來的電氣設備的參數(shù)進行顯示、存儲、分析、打印等，但是不具備對現(xiàn)場設備的控制和控制權(quán)限分配的功能，在遠程的水廠總公司服務器也能通過Internet互聯(lián)實現(xiàn)與水廠的數(shù)據(jù)庫共享。

　　為滿足水廠安防監(jiān)控的需要，自動化控制系統(tǒng)同時融合了安防系統(tǒng)。安防系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制層、各站位和道路等其他重要區(qū)域安裝了云臺和攝像機，監(jiān)視視頻的模擬信號接入多路網(wǎng)絡視頻編碼器，數(shù)字化編碼后再經(jīng)由網(wǎng)元層發(fā)送到高層;在上位監(jiān)控層，中控室的視頻服務器將現(xiàn)場攝像機采集的信號投射到中控站監(jiān)視電視墻上，實現(xiàn)水廠廠區(qū)的實時視頻監(jiān)視。由于安防系統(tǒng)技術(shù)成熟，本文不討論網(wǎng)絡視頻監(jiān)視的相關(guān)技術(shù)。

　　2 智能測控節(jié)點的硬件設計

　　多網(wǎng)絡融合的智能測控節(jié)點，既要在采集和傳輸現(xiàn)場設備參數(shù)的同時接收中控室工程師工作站的指令來控制現(xiàn)場設備，又要在現(xiàn)場控制有較高優(yōu)先級的場合(即本地控制優(yōu)先級高于上位監(jiān)控層控制)，能單獨對設備進行控制;而且，在無人值守的情況下，智能測控節(jié)點對緊急情況能實現(xiàn)自動控制和報警，比如清水池水位過低時送水泵停機并報警，漏氯檢測儀發(fā)出“漏氯”報警時關(guān)閉加氯系統(tǒng)并將報警延伸至中控室等等。

　　智能測控節(jié)點主控芯片采用Microchip公司生產(chǎn)的PIC32MX795F512L。它是一款基于M4K內(nèi)核的32位RISC嵌入式處理器，內(nèi)置128 KB的SRAM存儲器和512 KB的Flash閃存，集成度高，芯片內(nèi)部的預取高速緩存模塊可加速閃存的執(zhí)行速度。此外，芯片內(nèi)置最多16通道10位ADC、2路CAN2.0控制器、6路UART標準串行口模塊，USB接口、工業(yè)以太網(wǎng)絡控制器等。由于PIC32MX795F512L芯片外設資源非常豐富，外圍硬件電路非常簡單，從而提高了智能測控節(jié)點的兼容性和穩(wěn)定性。智能測控節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

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　　PIC32MX795F512L內(nèi)置的以太網(wǎng)控制器與LAN8700I相連，TX+、TX-、RX+、RX-信號線經(jīng)過隔離變壓器隔離后，再連接網(wǎng)元層的交換機。本設計采用基丁RMII(Reduced Media Independent Interface，簡化媒體獨立接口)的10/100Mbps;以太MAC與LAN8700I相連，其幀格式遵循IEEE802.3(10M)/IEEE802.3u(100M)協(xié)議，端口信號線少，連接簡單。

　　PIC32MX795F512L內(nèi)置CAN控制器的輸出信號，須經(jīng)過光電隔離后，再連接CAN控制器接口芯片。設計使用Microchip公司的MCP2551作為接口芯片，該芯片完全滿足ISO11898標準物理層規(guī)范要求，通信速率可達1 Mb/s，抗工業(yè)環(huán)境中的高壓瞬間干擾，其差分總線具有很強的抗噪特性，其欠壓保護功能使得未上電的節(jié)點或欠壓節(jié)點對總線無任何影響，具有很強的保護總線能力。設計中將芯片的CAN控制器2作為工業(yè)以太網(wǎng)絡的冗余，一旦智能測控節(jié)點的以太網(wǎng)絡接口發(fā)生故障則報警，同時CAN網(wǎng)絡自動投切，保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)能實時上傳到中控室，并執(zhí)行中控室發(fā)來的遠程控制命令。

　　智能測控節(jié)點有友好的人機界面接口，節(jié)點使用觸摸液晶屏(10.4英寸TFT，800×600圖形點陣)在現(xiàn)場顯示設備狀態(tài)。本設計通過節(jié)點的串口和迪文科技的DMG80600S104智能顯示終端連接。DMG80600S104基于圖形界面操作，通過設置/下載觸控配置文件后，可直接讀取觸摸鍵值。圖形顯示和觸摸感應的實時性強，方便人員完成各個節(jié)點功能參數(shù)的設定(包括節(jié)點地址、通信速率、操作優(yōu)先級等)及設備控制。

　　PIC32MX795F512L支持符合USB 2.0規(guī)范的全速設備和OTG(On-The-Go)控制器，系統(tǒng)的智能測控節(jié)點連接一個USB接口的針式報警打印機，用于在設備現(xiàn)場實時記錄和輸出報警，方便高效。

　　系統(tǒng)的每個智能測控節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)都與圖2類似，只是不同節(jié)點有不同的現(xiàn)場監(jiān)控對象。按照區(qū)域劃分，通常水廠的監(jiān)控對象有取水泵站的取水頭水位、閥門狀態(tài);加礬系統(tǒng)的濁度儀、流量計、礬池液位計的變量，計量泵電動沖程控制和攪拌系統(tǒng)控制;加氯系統(tǒng)的源水流量計、氯氣管隔膜壓力表的數(shù)值，余氯分析儀、漏氯報警儀的變量、真空調(diào)節(jié)器入口閥開關(guān)狀態(tài)、水射器和加氯機控制等;送水泵站的清水池水位、送水泵出口壓力值、閥門狀態(tài)、送水泵的各相電壓和電流、變頻器控制等。以上的智能儀表有些需要RS232和RS485等通信接口(譬如濁度儀等)，而智能測控節(jié)點提供了多類型的接口和儀表連接，具有很強的兼容性和很高的可集成度。

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　3.1 工業(yè)以太網(wǎng)絡和CAN網(wǎng)絡的冗余策略

　　由于水廠廠區(qū)面積較大，容易發(fā)生現(xiàn)場智能測控節(jié)點與中控室的網(wǎng)絡鏈接故障，并且為滿足網(wǎng)絡建設和維護的低成本需求，設計采用網(wǎng)絡鏈路冗余的方法解決這個問題。設計中，工業(yè)以太網(wǎng)絡和CAN網(wǎng)絡分別鋪設，減小同時發(fā)生網(wǎng)絡鏈路故障的概率，同時使用PPT，衡量網(wǎng)絡質(zhì)量以實現(xiàn)自動投切的冗余策略，以保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和安全性。

　　定義智能測控節(jié)點巡檢周期時間PPTnode(Node Polling Periodic Time)為節(jié)點通過工業(yè)以太網(wǎng)向上層發(fā)送現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)的間隔時間，一般取200～1000 ms，本文取200 ms，即

　　PPTnode=0.2s (1)

　　上位機巡檢周期時間PPThost(Host Polling Periodic Time)簡稱PPT，為上位機收到智能測控節(jié)點上傳現(xiàn)場數(shù)據(jù)的間隔時間。那么，使用上位機定時器從t=t0時刻開始可測量出一個無限長的樣本，即

　　PPThost=PPT=(PPT1，PPT2，…，PPTn，…)

　　0

　　引入上位機平滑巡檢周期時間PPTs(Smooth Polling Periodic Time)作為衡量工業(yè)以太網(wǎng)絡平臺的智能測控節(jié)點和上位機之間通信質(zhì)量，表示為：

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　　第一次測量到PPT樣本時，PPTs值取節(jié)點的巡檢周期時間為：PPTnode，以后每測量到一個新的PPT樣本，就按上式重新計算一次PPTs。

　　依照經(jīng)驗，取α=0.25，若

　　PPTs>0.8 (4)

　　則認為通信鏈路斷開，自動投切到CAN網(wǎng)絡。

　　3.2 智能測控節(jié)點的數(shù)據(jù)通信協(xié)議

　　MODBUS協(xié)議最早由Modicon公司開發(fā)，現(xiàn)在已成為工業(yè)領(lǐng)域全球最流行的協(xié)議之一。該協(xié)議支持RS-232、RS-422、RS-485和以太網(wǎng)等多種設備，使得不同廠商生產(chǎn)的控制設備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡，進行集中監(jiān)控。本設計中，智能測控節(jié)點和上位機的通信協(xié)議只采用MODBUS協(xié)議的RTU幀數(shù)據(jù)格式，通信方式采用命令請求-應答方式，且應答幀數(shù)據(jù)長度不固定，其格式如圖3所示。

　　在工業(yè)以太網(wǎng)平臺，智能測控節(jié)點和上位機連接使用TCP方式，TCP幀數(shù)據(jù)直接使用表1中的MODBUSADU;在CAN網(wǎng)絡平臺，由于使用多主短幀方式，CAN數(shù)據(jù)幀仲裁場18位擴展識別符寫入目的站地址和PDU子幀序號，數(shù)據(jù)場寫入PDU的8字節(jié)子幀，以適合CAN數(shù)據(jù)幀的合并和拼接，數(shù)據(jù)格式如圖4所示。

　　4 實驗結(jié)果

　　本文使用Matlab軟件對用PPTs衡量網(wǎng)絡質(zhì)量以實現(xiàn)自動投切的冗余算法進行仿真。由于以太網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生網(wǎng)絡延時的分布符合Pare to分布，其突發(fā)序列長度的性質(zhì)具有自相似特征，我們可以使用Pareto分布建立的自相似模型進行網(wǎng)絡仿真分析。本文使用Matlab7.1中GP RND()函數(shù)隨機生成的數(shù)據(jù)，滿足Pareto分布(x=0.3，k=0.82，θ=σ=1)，Paret0分布的PPT樣本值如圖5所示。圖6是使用式(3)計算后的仿真結(jié)果(σ=0.25)。

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　　圖5和圖6的每個樣本采集的時間間隔為0.2 s，第55個時間單位的時間間隔的PPT=2.380 8s，數(shù)據(jù)傳輸時間間隔過長，超過連續(xù)12個命令幀無響應，使得PPTs>0.8時認為通信鏈路斷開;第22、35、72、98個時間單位的PPT雖然都大于1 s，但是隨后的命令幀有響應，能快速恢復;PPTs<0.8時網(wǎng)絡能自動識別鏈路沒有斷開。因此，用式(3)、(4)計算和判定網(wǎng)絡鏈路狀態(tài)，穩(wěn)定性較好。

　　結(jié)語

　　本文設計了一種多網(wǎng)絡融合的水廠自動化控制系統(tǒng)，自動化系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)絡平臺可融合安防系統(tǒng)等。該系統(tǒng)節(jié)點提供了多網(wǎng)絡接口與智能儀表或設備互連，并給出以太/CAN網(wǎng)自動投切的算法和異構(gòu)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)幀協(xié)議。

　　仿真實驗表明，以太/CAN網(wǎng)冗余算法能很好地識別網(wǎng)絡鏈路狀態(tài)和衡量網(wǎng)絡質(zhì)量。

　　該系統(tǒng)通信質(zhì)量高，抗干擾能力強，可靠性好，可集成度高，組態(tài)靈活，有著良好的應用前景。