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劉  峰

1  前言
廣東汕頭市月浦水廠20萬噸/日首期工程的“自來水冗余工業(yè)網(wǎng)絡實時監(jiān)控系統(tǒng)”由汕頭市自來水總公司與廣東省科學院自動化中心聯(lián)合開發(fā)，已經(jīng)在2000年4月通過廣東省科委組織專家進行科技成果鑒定。與會專家認為，月浦水廠自控系統(tǒng)采用ControlNet網(wǎng)絡作為主控制網(wǎng)絡，而且網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是冗余雙網(wǎng)，運行安全可靠、易于擴展、實時性強；系統(tǒng)設(shè)計合理、功能完善、操作簡便。該系統(tǒng)的運用，能有效降低生產(chǎn)能耗，提高出廠水質(zhì)，是全國水行業(yè)ControlNet冗余網(wǎng)的成功應用之一，達到國內(nèi)自來水實時監(jiān)控系統(tǒng)的先進水平。
該網(wǎng)絡從運行到現(xiàn)在已三年多，運行穩(wěn)定，已取得良好的社會和經(jīng)濟效益。現(xiàn)將該網(wǎng)絡采用的AB控制網(wǎng)介紹如下：
2  AB控制網(wǎng)（ControlNet）的概述
傳統(tǒng)的控制通信網(wǎng)絡，如RS-485網(wǎng)絡等，無法構(gòu)成冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性低，數(shù)據(jù)通信方式為命令響應式，系統(tǒng)的實時性、執(zhí)行速度受限制；校驗技術(shù)陳舊，容錯、糾錯能力差。
ControlNet是一種用于對信息傳送有時間苛刻要求的、高速確定性的網(wǎng)絡。它允許傳送無時間苛刻要求的報文數(shù)據(jù)，但不會對有時間苛刻要求的數(shù)據(jù)傳送造成沖擊。該網(wǎng)絡具有如下優(yōu)點：
①  網(wǎng)絡所有節(jié)點同步、信息吞吐量大、速度快、效率高，從而能實現(xiàn)精確的同步控制以及實時性高的網(wǎng)絡控制。
②  網(wǎng)絡的任意節(jié)點均可主動向其他節(jié)點傳送信息，可方便地構(gòu)成冗余系統(tǒng)，系統(tǒng)可靠性高。
③  節(jié)點可分成不同的優(yōu)先級，以滿足不同的實時要求。
④  每幀信息都有CRC校驗和其他校驗措施，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率極低。
⑤  有嚴重故障的節(jié)點可自動從網(wǎng)絡上切除，保證網(wǎng)絡的正常運行。
它作為控制器I/O設(shè)備之間的一條高速通信鏈路，綜合了現(xiàn)有的遠程I/O和DH+鏈路的能力。完全可以滿足水廠的生產(chǎn)要求。
3  網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)與特點
月浦水廠采用集散型測控管理系統(tǒng)，設(shè)一個中心控制室主站和五個現(xiàn)場分站（見圖1）。各PLC站之間通過ControlNet網(wǎng)絡通訊，中控室四臺PC機和服務器通過以太網(wǎng)絡通訊。現(xiàn)場測控由PLC完成，數(shù)據(jù)監(jiān)控及分析由工作站計算機承擔。各分站獨立運行。通過網(wǎng)絡分享信息資源；中控室可監(jiān)控各分站的運行，實行優(yōu)化調(diào)度。主控制網(wǎng)ControlNet冗余網(wǎng)下掛4臺型號為1785－L540/C的PLC，分別控制取水、加藥、濾池、送水四個分站。根據(jù)各個分站的不同情況，各個PLC通過KA5連接DH485網(wǎng)絡帶了一定數(shù)量型號為1747－L524的SLC，用于監(jiān)控一些比較獨立和分散的設(shè)備。這種三層網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是水廠比較常用的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，第一層信息層采用以太網(wǎng)，用于全廠的數(shù)據(jù)采集、歷史數(shù)據(jù)查詢和程序的維護；第二層自動化控制層采用ControlNet網(wǎng)絡，用于實時I/O控制、報文傳送。第三層設(shè)備層，用于底層設(shè)備的低成本、高效率信息集成。 

圖1  月浦水廠網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

ControlNet網(wǎng)絡具有吞吐量高、資源共享、傳輸介質(zhì)為同軸電纜或光纖、支持冗余介質(zhì)、體系結(jié)構(gòu)靈活等特點。當通信速度為5Mb/s時，網(wǎng)絡刷新時間最小可達到2ms，可尋址節(jié)點數(shù)為99個，同軸電纜傳輸距離達3km（光纖介質(zhì)使用中繼器時可達到30km）。這種通訊速度和距離在水行業(yè)的應用是綽綽有余的，有些水廠的取水泵房離廠區(qū)比較遠，就存在著取水泵房和中控室的通訊問題，可根據(jù)距離或當?shù)氐膶嶋H情況選用同軸電纜或光纖，也可用無線電臺。
ControlNet網(wǎng)絡組態(tài)和編程簡單，通過Control Logix Gateway，它能實現(xiàn)與Ethernet（以太網(wǎng)）、DeviceNet（設(shè)備網(wǎng)）、RIO（遠程IO）及DH（數(shù)據(jù)高速公路）網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)交換。這種靈活的連接方式使擴容升級很容易，如月浦水廠遠期要達到80萬噸的生產(chǎn)能力，只須在網(wǎng)絡上直接增加PLC，對原有系統(tǒng)不須更改。又如以后要采用變頻器或智能電機控制器，只要利用SCANport接口連上控制網(wǎng)，既可以向與其相連的拖動設(shè)備發(fā)送命令、控制設(shè)備的運行，又可以從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)、監(jiān)視設(shè)備的狀態(tài)、連接簡易、編程方便。
ControlNet網(wǎng)絡是一個高速確定性冗余網(wǎng)絡，而1785－L540/C也是一個冗余CPU，當一條網(wǎng)線中斷時PLC會提示哪一條網(wǎng)線通訊中斷，另一條網(wǎng)線會立即工作，對通訊和控制沒有任何影響，保證安全生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)。
ControlNet網(wǎng)絡支持主從通信、多主通信、對等通信及這些通信的任意混合形式。對輸入數(shù)據(jù)和對等通信數(shù)據(jù)實行多信道廣播，通信形式可以組態(tài)選擇，應用靈活，并可以改進網(wǎng)絡的性能。在傳送對時間有苛刻要求的控制信息（如IO狀態(tài)和互鎖的控制信號等）的同時，對其他無時間苛求的信息（如程序的上載和下載等）也能傳送。在每個網(wǎng)絡刷新周期內(nèi)，對時間有苛求的信息（預定信息）是一定要傳輸?shù)摹＿@就保證了控制的實時性和可靠性，對水廠應用而言，這些都是用戶最關(guān)心的。下面介紹實現(xiàn)上述功能的重要的通信模式。
4  通信模式
ControlNet網(wǎng)絡是一種符合開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型底層要求的新型通信網(wǎng)絡，網(wǎng)絡是基于開放網(wǎng)絡技術(shù)的一種新的“生產(chǎn)者/客戶”通信模式。該模式使用多信道廣播方式，包括輸入數(shù)據(jù)的多信道廣播和對等通信數(shù)據(jù)的多信道廣播。它允許網(wǎng)絡上的所有節(jié)點，同時從單個的數(shù)據(jù)源存取相同的數(shù)據(jù)。基于這種生產(chǎn)者/客戶模式網(wǎng)絡的優(yōu)點：① 提高效率。數(shù)據(jù)源一旦發(fā)送數(shù)據(jù)，多個節(jié)點能夠同時接收數(shù)據(jù)，報文通過目錄來識別的。② 精確的同步化。更多的設(shè)備能夠加到網(wǎng)絡上，但不需要增加網(wǎng)絡的通信量，并且所有節(jié)點的數(shù)據(jù)同時到達。

 圖2  傳統(tǒng)的源/目的網(wǎng)絡模式

(1)  傳統(tǒng)的源/目的網(wǎng)絡模式特點（圖2所示）
①  需要多個數(shù)據(jù)包傳送相同的信息到多臺設(shè)備；
②  數(shù)據(jù)到達不同的目的地的時間不同；
③  產(chǎn)生附加的網(wǎng)絡通信量，影響網(wǎng)絡性能；
④  報文發(fā)送和對時間有苛求的I/O數(shù)據(jù)，需要使用不同的網(wǎng)絡。
(2)  生產(chǎn)者/客戶網(wǎng)絡模式特點（圖3所示）

 圖3  生產(chǎn)者/客戶網(wǎng)絡模式

①  多個節(jié)點能夠從單個生產(chǎn)者（數(shù)據(jù)源）接收數(shù)據(jù)；
②  節(jié)點能夠同步化（多信道廣播）；
③  優(yōu)化的帶寬潛力能用于增強系統(tǒng)功能；
④  使用同一網(wǎng)絡進行編程和I/O信息傳送。
5  月浦水廠AB控制網(wǎng)的應用情況及維護
月浦水廠的控制網(wǎng)絡從運行到現(xiàn)在比較穩(wěn)定。曾出現(xiàn)一次單網(wǎng)斷網(wǎng)的故障，由于有冗余雙網(wǎng)熱備起作用，對生產(chǎn)沒有影響。這次故障是由于挖斷電纜所致，后經(jīng)搶修，很快接通恢復正常。
月浦水廠的ControlNet網(wǎng)絡為總線型，網(wǎng)絡兩端各有一個50V的終結(jié)器，傳輸介質(zhì)為同軸電纜，電纜有五層屏蔽。采用同軸電纜使維護顯得比較簡單。ControlNet網(wǎng)絡采用的組態(tài)軟件是RSNETWORK，它能提供一個圖形化的網(wǎng)絡視圖，能改善帶寬的利用率，具有在線和離線組態(tài)網(wǎng)絡的能力。這個軟件是配置控制網(wǎng)和維護控制網(wǎng)必備的軟件。
我們在收到系統(tǒng)的斷網(wǎng)報警后，處理過程是先觀察PLC處理器或插在計算機擴展槽的1784-KTCX卡的網(wǎng)絡通訊燈，如發(fā)現(xiàn)A網(wǎng)或B網(wǎng)的燈在紅綠交替閃爍，則表示該網(wǎng)通訊異常，如果只是A網(wǎng)故障，B網(wǎng)正常，可直接斷開A網(wǎng)，這不影響網(wǎng)絡通訊和正常生產(chǎn)。把A網(wǎng)按分站分成兩段，逐段檢查，查出是哪一段，再按分站分成兩段，逐段檢查，直到查出斷點。連接斷點時，只要用所配的控制網(wǎng)工具箱的專用工具，剝開電纜，裝上BNC頭，并鉗緊。在斷開通訊電纜兩頭的BNC頭接好后，把兩個的BNC頭連在專用接件上，外面作一下防水處理，連接就是這樣簡單。如果查了網(wǎng)絡電纜沒問題，就要從軟件著手檢查，啟動RSNETWORK，檢查網(wǎng)絡配置是否正確，如不正確，可用原有備份的網(wǎng)絡配置程序重新下載到PLC中，必要時進行修改后再下載。
由于月浦水廠所處位置屬多雷區(qū)，ControlNet網(wǎng)絡雖然傳輸速度高可靠性好，但是傳輸信號弱小，所以，為確保整個系統(tǒng)的安全運行，必須對整個監(jiān)控系統(tǒng)進行嚴密的防雷保護。月浦水廠ControlNet網(wǎng)絡采用英國Telematic公司的NP08避雷器，筆者對避雷器的接地電阻每年進行三、四次檢測，確保網(wǎng)絡的安全運行。
6  結(jié)語
總體上說來，ControlNet網(wǎng)絡是一種先進的實時控制網(wǎng)絡和控制系統(tǒng)平臺，是規(guī)模龐大、擴容簡單、穩(wěn)定安全、技術(shù)先進的PLC冗余控制網(wǎng)，能保證水廠安全生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)，完全可以滿足水廠的生產(chǎn)要求。新建水廠或改造老水廠可以考慮使用。