現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　1、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)系統(tǒng)
　　
　　1.1現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概述
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線（Fieldbus）是連接現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備（如智能化的傳感器、變送器、測(cè)量?jī)x表和執(zhí)行器等）和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向傳輸、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，用于完成智能設(shè)備之間以及智能設(shè)備與監(jiān)控計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，它融入了智能儀表、控制、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字通訊和開放系統(tǒng)互聯(lián)等技術(shù)的精粹，是一種高性能的通信技術(shù)。
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)是隨著控制、計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種總線技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的出現(xiàn)引起了自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，它逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動(dòng)化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS是繼集散控制系統(tǒng)DCS之后的又一代控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)是開放的、具有良好互操作性的和分散的雙向傳輸數(shù)字化互連網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的集成。目前，現(xiàn)場(chǎng)總線已在自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，是工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的焦點(diǎn)，代表了自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向。
　　
　　1.2工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
　　
　　以太網(wǎng)是目前世界上應(yīng)用zui廣的局域網(wǎng)技術(shù)。隨著Internet的發(fā)展，以太網(wǎng)已經(jīng)成為事實(shí)上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，TCP/IP的簡(jiǎn)單實(shí)用已深入人心，為廣大用戶所接受。目前不僅在辦公自動(dòng)化領(lǐng)域內(nèi)，而且各個(gè)企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò)也使用以太網(wǎng)。在工業(yè)控制領(lǐng)域，隨著儀器儀表智能化的提高和工業(yè)管理智能化的深入，系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒘勘貙⒃黾?，未來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能以不滿足幾十個(gè)字節(jié)，甚至可以是WEB網(wǎng)頁，所以網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇笕萘吭诠I(yè)控制中越來越重要，而以太網(wǎng)可以滿足工業(yè)控制的這種需求。
　　
　　另外，工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議數(shù)目眾多，不同協(xié)議的兼容問題一直困擾工業(yè)界。底層網(wǎng)絡(luò)引入以太網(wǎng)不僅使現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和管理層在垂直層方便集成，更能降低不同廠家設(shè)備在水平層面上的集成成本，所以以太網(wǎng)向現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的底層延伸是順理成章的。
　　
　　1.3基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)
　　
　　由于嵌入技術(shù)使Ethernet能到達(dá)傳感器和執(zhí)行器，這使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸效應(yīng)集中在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備層上的問題得以解決，可構(gòu)成如圖1所示的新型現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)。　　
　　這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：首先，Ethernet貫穿于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層次，它使網(wǎng)絡(luò)成為透明的、覆蓋整個(gè)企業(yè)范圍的應(yīng)用實(shí)體。它實(shí)現(xiàn)了辦公自動(dòng)化與工業(yè)自動(dòng)化的無縫結(jié)合，其良好的互連性和可擴(kuò)展性使之成為一種真正意義上的全開放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，一種真正意義上的大統(tǒng)一。其次，采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，將保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展。由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和大量的技術(shù)投入，保證了以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展。如果工業(yè)控制領(lǐng)域采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場(chǎng)總線，將保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展，并在技術(shù)升級(jí)方面無需獨(dú)自的研究投入。這一點(diǎn)是任何現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)*的。另外，低成本是基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)*的*性。相對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線卡的價(jià)格，以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價(jià)格只有其十分之一。并且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還會(huì)進(jìn)一步下降。由于以太網(wǎng)已被使用多年，人們對(duì)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)用有很多經(jīng)驗(yàn)，這就意味著可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費(fèi)用。
　　
　　隨著以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和抗干擾問題的逐步解決，以太網(wǎng)大規(guī)模進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)⒅溉湛纱?。將以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，可以形成真正意義上的開放式系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)不同廠家的以太網(wǎng)產(chǎn)品互連。如果說現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)是工業(yè)控制領(lǐng)域里的一場(chǎng)革命，那么以太網(wǎng)技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)帶入又一個(gè)新時(shí)代。以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)，也是信息技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。
　　
　　2、水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)
　　
　　為了實(shí)現(xiàn)水廠的高度自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)各生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的無人值守，整個(gè)水廠在正常情況下可以無人干預(yù)運(yùn)行，在中央控制室即可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)視及控制。利用*成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成水廠的自控網(wǎng)絡(luò)：
　　
　　（1）采用10/100兆工業(yè)以太網(wǎng)作為主網(wǎng)絡(luò)；
　　
　　（2）采用光纖網(wǎng)絡(luò)通訊媒體并構(gòu)成光線環(huán)網(wǎng)，使之具有冗余功能；
　　
　　（3）采用全雙工的光交換機(jī)，構(gòu)成全雙工光纖以太網(wǎng)環(huán)；
　　
　?。?）配有以太網(wǎng)通訊模塊的PLC可直接鏈入光纖以太網(wǎng)中，成為以太網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；
　　
　　（5）選擇具有智能I/O現(xiàn)場(chǎng)總線通訊功能的PLC作為現(xiàn)場(chǎng)控制器。
　　
　　由圖2可知，該自控網(wǎng)絡(luò)屬于光纖以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合的多層網(wǎng)絡(luò)，主控制層為10/100兆全雙工光纖工業(yè)以太網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)中所有的PLC控制器、PC機(jī)和光交換機(jī)均遵循TCP/IP協(xié)議。　　
　　2.1水廠控制系統(tǒng)的組成
　　
　　整個(gè)水廠共設(shè)深井站、加藥站、送水站、加壓站四個(gè)PLC子站及一個(gè)中央控制室。各PLC子站及中央控制室皆為高速工業(yè)以太網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，它們之間可以通過以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，光纖環(huán)網(wǎng)的冗余功能保證了以太網(wǎng)通訊的可靠性。通過工業(yè)以太網(wǎng)，中央控制室可以向各PLC站下達(dá)控制指令、修改系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、讀取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)等；也可以實(shí)現(xiàn)各PLC站之間的數(shù)據(jù)傳送。
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)層是PLC的智能I/O現(xiàn)場(chǎng)總線。各PLC站與某些現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備如高壓電機(jī)控制柜的多功能保護(hù)器之間以Profibus總線通訊連接；現(xiàn)場(chǎng)的觸摸操作屏之間以MPI通訊連接。通過下層現(xiàn)場(chǎng)總線，PLC站向連接在總線上的設(shè)備發(fā)送控制命令、讀取設(shè)備數(shù)據(jù)。
　　
　　2.2中央控制室的系統(tǒng)組成
　　
　　中央控制室配有監(jiān)控操作計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、UPS等設(shè)備，其中監(jiān)控操作計(jì)算機(jī)時(shí)中央控制室的主體。所有設(shè)備通過自身安裝的以太網(wǎng)網(wǎng)卡以及一臺(tái)光交換機(jī)接入工業(yè)以太網(wǎng)與各PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站相連。在監(jiān)控操作計(jì)算機(jī)上裝有WinCC組態(tài)軟件，在WinCC的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的組態(tài)開發(fā)，完成水廠數(shù)據(jù)的技術(shù)統(tǒng)計(jì)和系統(tǒng)的控制，為操作員提供人機(jī)界面，用于下達(dá)操作和控制指令等。
　　
　　通過上述配置，調(diào)度人員能及時(shí)掌握為實(shí)現(xiàn)水廠優(yōu)化管理而需要的各管理對(duì)象的狀態(tài)和控制參數(shù)，并能把所有的數(shù)據(jù)整理存檔，以便繪制曲線、打印報(bào)表和歷史查詢使用。
　　
　　2.3PLC站系統(tǒng)的組成
　　
　　各PLC站均有一個(gè)電源模塊、一個(gè)CPU模塊、一個(gè)以太網(wǎng)通訊模塊、若干個(gè)模擬量輸入輸出模塊和若干個(gè)數(shù)字量輸入輸出模塊組成。
　　
　　其中電源模塊負(fù)責(zé)向其它模塊提供直流電源；各輸入輸出模塊同現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接相連；PLC站的數(shù)字量輸入模塊采集現(xiàn)場(chǎng)的閥門狀態(tài)、水位開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行與否等信號(hào)；數(shù)字量輸出模塊將PLC的控制命令開閥門、關(guān)閥門、啟動(dòng)設(shè)備、停止設(shè)備等信號(hào)送到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；模擬量輸入模塊采集電機(jī)軸承溫度、原水濁度、出水濁度、液位信息等等；模擬量輸出模塊控制變頻器輸出頻率等。
　　
　　CPU模塊的NPI接口同現(xiàn)場(chǎng)的觸摸操作屏相連，構(gòu)成MPI連接，操作人員可以通過現(xiàn)場(chǎng)的觸摸操作屏監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行。CPU模塊的接口同現(xiàn)場(chǎng)的PLC從站及高壓電機(jī)柜的多功能保護(hù)器相連構(gòu)成總線。CPU通過總線獲得各水泵電機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)并發(fā)送控制指令。
　　
　　以太網(wǎng)通訊模塊通過光交換模塊使PLC站接入工業(yè)以太網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各PLC站及中央控制室間的數(shù)據(jù)通訊，使得中央控制室可以監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行及各PLC站之間的聯(lián)控。
　　
　　3、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)思想
　　
　　控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行，根據(jù)控制系統(tǒng)功能，將程序分為如下幾個(gè)模塊：信息采集模塊和顯示模塊，主要負(fù)擔(dān)顯示信息和切換控制系統(tǒng)功能的任務(wù)；通訊模塊，主要負(fù)擔(dān)主從機(jī)間信息交換任務(wù)；控制模塊和打印模塊，主要負(fù)擔(dān)信息、報(bào)表等的打印。串行通訊程序由上位機(jī)通訊程序和下位機(jī)通訊程序組成。上下位機(jī)通訊程序密切配合、協(xié)調(diào)一致，共同完成兩者之間的通訊。
　　
　　4、結(jié)束語
　　
　　現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)的發(fā)展和成熟給工業(yè)控制領(lǐng)域帶來了巨大變革，基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)在開放性、分散性、可靠性和安全性等方面有很大進(jìn)步。