多網(wǎng)絡(luò)融合的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅久云,李安

(南昌大學(xué)電子信息工程系,南昌330031)

羅久云(工程師),主要研究方向?yàn)楣I(yè)網(wǎng)絡(luò)、汽車電子、車載視頻處理。

引 言

如何滿足市民日益增大的用水需要是當(dāng)前我國(guó)城市建設(shè)的突出問題,城區(qū)水廠自動(dòng)化改造和建設(shè)也已成為當(dāng)務(wù)之急。隨著信息技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展,供水行業(yè)的儀表與設(shè)備的數(shù)量、種類眾多,儀表與設(shè)備普遍存在接口不統(tǒng)一、網(wǎng)絡(luò)兼容性不高、使用不方便等問題。雖然有部分研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商提供儀表和設(shè)備的協(xié)議接口轉(zhuǎn)換器,但是它們的功能單一,只能滿足少部分儀表和設(shè)備的要求,應(yīng)用面較窄,與其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成度較低[1]。

針對(duì)以上問題,本文提出一種多網(wǎng)絡(luò)融合的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng),系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)提供多種網(wǎng)絡(luò)接口和模擬/開關(guān)量接口,從智能儀表或現(xiàn)場(chǎng)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)送至上位監(jiān)控主機(jī),同時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)融合了安防系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠廠區(qū)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視。該技術(shù)在通信效率、實(shí)時(shí)性、可靠性、兼容性、全面性等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。由于具備較高的系統(tǒng)集成度和較好的性能優(yōu)勢(shì),既提升了水廠信息化和工業(yè)化水平,又降低了水廠自動(dòng)化改造和建設(shè)的成本,減小了設(shè)備維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)原理和總體結(jié)構(gòu)

多網(wǎng)絡(luò)融合的水廠自動(dòng)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。

在自動(dòng)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制層,各站位的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從現(xiàn)場(chǎng)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(jī)各相電流/電壓/功角等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控對(duì)象的參數(shù)和變量,并實(shí)時(shí)運(yùn)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(luò)接收現(xiàn)場(chǎng)發(fā)來的數(shù)據(jù),進(jìn)行分析和處理,并可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)行就地的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制;中控室操作員站和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器也接收傳來的電氣設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、分析、打印等,但是不具備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和控制權(quán)限分配的功能,在遠(yuǎn)程的水廠總公司服務(wù)器也能通過Internet互聯(lián)實(shí)現(xiàn)與水廠的數(shù)據(jù)庫(kù)共享。

為滿足水廠安防監(jiān)控的需要,自動(dòng)化控制系統(tǒng)同時(shí)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(tái)和攝像機(jī),監(jiān)視視頻的模擬信號(hào)接入多路網(wǎng)絡(luò)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(wù)器將現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)采集的信號(hào)投射到中控站監(jiān)視電視墻上,實(shí)現(xiàn)水廠廠區(qū)的實(shí)時(shí)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(luò)視頻監(jiān)視的相關(guān)技術(shù)。

圖1 多網(wǎng)絡(luò)融合的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

多網(wǎng)絡(luò)融合的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn),既要在采集和傳輸現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)的同時(shí)接收中控室工程師工作站的指令來控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備,又要在現(xiàn)場(chǎng)控制有較高優(yōu)先級(jí)的場(chǎng)合(即本地控制優(yōu)先級(jí)高于上位監(jiān)控層控制),能單獨(dú)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制;而且,在無人值守的情況下,智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)對(duì)緊急情況能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和報(bào)警,比如清水池水位過低時(shí)送水泵停機(jī)并報(bào)警,漏氯檢測(cè)儀發(fā)出“漏氯”報(bào)警時(shí)關(guān)閉加氯系統(tǒng)并將報(bào)警延伸至中控室等等。

智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)主控芯片采用Microchip公司生產(chǎn)的 PIC32MX795F512L[2]。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(chǔ)器和512 KB的Flash閃存,集成度高,芯片內(nèi)部的預(yù)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(biāo)準(zhǔn)串行口模塊,USB接口、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)控制器等。由于PIC32MX795F512L芯片外設(shè)資源非常豐富,外圍硬件電路非常簡(jiǎn)單,從而提高了智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的兼容性和穩(wěn)定性。智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

PIC32MX795F512L內(nèi)置的以太網(wǎng)控制器與LAN8700I相連,TX+、TX-、RX+、RX-信號(hào)線經(jīng)過隔離變壓器隔離后,再連接網(wǎng)元層的交換機(jī)。本設(shè)計(jì)采用基于RMII(Reduced Media Independent Interface,簡(jiǎn)化媒體獨(dú)立接口)的10/100 Mbps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(hào)線少,連接簡(jiǎn)單。

圖2 智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

PIC32MX795F512L內(nèi)置CAN控制器的輸出信號(hào),須經(jīng)過光電隔離后,再連接CAN控制器接口芯片。設(shè)計(jì)使用Microchip公司的MCP2551[3]作為接口芯片,該芯片完全滿足ISO11898標(biāo)準(zhǔn)物理層規(guī)范要求,通信速率可達(dá)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(qiáng)的抗噪特性,其欠壓保護(hù)功能使得未上電的節(jié)點(diǎn)或欠壓節(jié)點(diǎn)對(duì)總線無任何影響,具有很強(qiáng)的保護(hù)總線能力。設(shè)計(jì)中將芯片的CAN控制器2作為工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的冗余,一旦智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)生故障則報(bào)警,同時(shí)CAN網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)投切,保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)上傳到中控室,并執(zhí)行中控室發(fā)來的遠(yuǎn)程控制命令。

智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)有友好的人機(jī)界面接口,節(jié)點(diǎn)使用觸摸液晶屏(10.4英寸TFT,800×600圖形點(diǎn)陣)在現(xiàn)場(chǎng)顯示設(shè)備狀態(tài)。本設(shè)計(jì)通過節(jié)點(diǎn)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(shè)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(yīng)的實(shí)時(shí)性強(qiáng),方便人員完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)功能參數(shù)的設(shè)定(包括節(jié)點(diǎn)地址、通信速率、操作優(yōu)先級(jí)等)及設(shè)備控制。

PIC32MX795F512L支持符合 USB 2.0規(guī)范的全速設(shè)備和OTG(On-The-Go)控制器,系統(tǒng)的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)USB接口的針式報(bào)警打印機(jī),用于在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)記錄和輸出報(bào)警,方便高效。

系統(tǒng)的每個(gè)智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)都與圖2類似,只是不同節(jié)點(diǎn)有不同的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控對(duì)象。按照區(qū)域劃分,通常水廠的監(jiān)控對(duì)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(jì)、礬池液位計(jì)的變量,計(jì)量泵電動(dòng)沖程控制和攪拌系統(tǒng)控制;加氯系統(tǒng)的源水流量計(jì)、氯氣管隔膜壓力表的數(shù)值,余氯分析儀、漏氯報(bào)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(jī)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(cè)控節(jié)點(diǎn)提供了多類型的接口和儀表連接,具有很強(qiáng)的兼容性和很高的可集成度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)的冗余策略

由于水廠廠區(qū)面積較大,容易發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)與中控室的網(wǎng)絡(luò)鏈接故障,并且為滿足網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)的低成本需求,設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余的方法解決這個(gè)問題。設(shè)計(jì)中,工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)分別鋪設(shè),減小同時(shí)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)鏈路故障的概率,同時(shí)使用PPTs衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切的冗余策略,以保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性。

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

上位機(jī)巡檢周期時(shí)間PPThost(Host Polling Periodic Time)簡(jiǎn)稱PPT,為上位機(jī)收到智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)上傳現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間。那么,使用上位機(jī)定時(shí)器從t=t0時(shí)刻開始可測(cè)量出一個(gè)無限長(zhǎng)的樣本,即

引入上位機(jī)平滑巡檢周期時(shí)間PPTs(Smooth Polling Periodic Time)作為衡量工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)之間通信質(zhì)量,表示為:

第一次測(cè)量到PPT樣本時(shí),PPTs值取節(jié)點(diǎn)的巡檢周期時(shí)間為PPTnode,以后每測(cè)量到一個(gè)新的PPT樣本,就按上式重新計(jì)算一次PPTs。

依照經(jīng)驗(yàn),取α=0.25,若

則認(rèn)為通信鏈路斷開,自動(dòng)投切到CAN網(wǎng)絡(luò)。

3.2 智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信協(xié)議

MODBUS協(xié)議[4]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(shè)備,使得不同廠商生產(chǎn)的控制設(shè)備可以連成工業(yè)網(wǎng)絡(luò),進(jìn)行集中監(jiān)控。本設(shè)計(jì)中,智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)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(qǐng)求-應(yīng)答方式,且應(yīng)答幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不固定,其格式如圖 3所示。

在工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái),智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)連接使用TCP方式,TCP幀數(shù)據(jù)直接使用表 1中的 MODBUS ADU;在CAN網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),由于使用多主短幀方式,CAN數(shù)據(jù)幀仲裁場(chǎng)18位擴(kuò)展識(shí)別符寫入目的站地址和PDU子幀序號(hào),數(shù)據(jù)場(chǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 MODBUS RTU傳輸模式的一般幀格式

本文使用Matlab軟件對(duì)用PPTs衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切的冗余算法進(jìn)行仿真。由于以太網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)延時(shí)的分布符合Pareto分布,其突發(fā)序列長(zhǎng)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[5-7]進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)仿真分析。本文使用Matlab7.1中GPRND()函數(shù)隨機(jī)生成的數(shù)據(jù),滿足Pareto分布(x=0.3,k=0.82,θ=σ=1),Pareto分布的PPT樣本值如圖5所示。圖6是使用式(3)計(jì)算后的仿真結(jié)果(α=0.25)。

圖4 CAN數(shù)據(jù)幀中仲裁場(chǎng)和數(shù)據(jù)場(chǎng)格式

圖5 Pareto分布的PPT樣本值

圖5和圖6的每個(gè)樣本采集的時(shí)間間隔為0.2 s,第55個(gè)時(shí)間單位的時(shí)間間隔的PPT=2.380 8 s,數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間間隔過長(zhǎng),超過連續(xù)12個(gè)命令幀無響應(yīng),使得PPTS＞0.8時(shí)認(rèn)為通信鏈路斷開;第 22、35、72、98個(gè)時(shí)間單位的PPT雖然都大于1 s,但是隨后的命令幀有響應(yīng),能快速恢復(fù);PPTs＜0.8時(shí)網(wǎng)絡(luò)能自動(dòng)識(shí)別鏈路沒有斷開。因此,用式(3)、(4)計(jì)算和判定網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài),穩(wěn)定性較好。

結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種多網(wǎng)絡(luò)融合的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng),自動(dòng)化系統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)可融合安防系統(tǒng)等。該系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)提供了多網(wǎng)絡(luò)接口與智能儀表或設(shè)備互連,并給出以太/CAN網(wǎng)自動(dòng)投切的算法和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀協(xié)議。

仿真實(shí)驗(yàn)表明,以太/CAN網(wǎng)冗余算法能很好地識(shí)別網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)和衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

圖6 PPTs仿真結(jié)果

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

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