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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“自來水冗余工業網絡實時監控系統”由汕頭市自來水總公司與廣東省科學院自動化中心聯合開發，已經在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，月浦水廠自控系統采用ControlNet網絡作為主控制網絡，而且網絡結構是冗余雙網，運行安全可靠、易于擴展、實時性強；系統設計合理、功能完善、操作簡便。該系統的運用，能有效降低生產能耗，提高出廠水質，是全國水行業ControlNet冗余網的成功應用之一，達到國內自來水實時監控系統的先進水平。
該網絡從運行到現在已三年多，運行穩定，已取得良好的社會和經濟效益。現將該網絡采用的AB控制網介紹如下：
2  AB控制網（ControlNet）的概述
傳統的控制通信網絡，如RS-485網絡等，無法構成冗余系統，系統可靠性低，數據通信方式為命令響應式，系統的實時性、執行速度受限制；校驗技術陳舊，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、高速確定性的網絡。它允許傳送無時間苛刻要求的報文數據，但不會對有時間苛刻要求的數據傳送造成沖擊。該網絡具有如下優點：
①  網絡所有節點同步、信息吞吐量大、速度快、效率高，從而能實現精確的同步控制以及實時性高的網絡控制。
②  網絡的任意節點均可主動向其他節點傳送信息，可方便地構成冗余系統，系統可靠性高。
③  節點可分成不同的優先級，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，數據傳輸誤碼率極低。
⑤  有嚴重故障的節點可自動從網絡上切除，保證網絡的正常運行。
它作為控制器I/O設備之間的一條高速通信鏈路，綜合了現有的遠程I/O和DH+鏈路的能力。完全可以滿足水廠的生產要求。
3  網絡結構與特點
月浦水廠采用集散型測控管理系統，設一個中心控制室主站和五個現場分站（見圖1）。各PLC站之間通過ControlNet網絡通訊，中控室四臺PC機和服務器通過以太網絡通訊。現場測控由PLC完成，數據監控及分析由工作站計算機承擔。各分站獨立運行。通過網絡分享信息資源；中控室可監控各分站的運行，實行優化調度。主控制網ControlNet冗余網下掛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。根據各個分站的不同情況，各個PLC通過KA5連接DH485網絡帶了一定數量型號為1747－L524的SLC，用于監控一些比較獨立和分散的設備。這種三層網絡結構是水廠比較常用的網絡結構，第一層信息層采用以太網，用于全廠的數據采集、歷史數據查詢和程序的維護；第二層自動化控制層采用ControlNet網絡，用于實時I/O控制、報文傳送。第三層設備層，用于底層設備的低成本、高效率信息集成。 

圖1  月浦水廠網絡結構圖

ControlNet網絡具有吞吐量高、資源共享、傳輸介質為同軸電纜或光纖、支持冗余介質、體系結構靈活等特點。當通信速度為5Mb/s時，網絡刷新時間最小可達到2ms，可尋址節點數為99個，同軸電纜傳輸距離達3km（光纖介質使用中繼器時可達到30km）。這種通訊速度和距離在水行業的應用是綽綽有余的，有些水廠的取水泵房離廠區比較遠，就存在著取水泵房和中控室的通訊問題，可根據距離或當地的實際情況選用同軸電纜或光纖，也可用無線電臺。
ControlNet網絡組態和編程簡單，通過Control Logix Gateway，它能實現與Ethernet（以太網）、DeviceNet（設備網）、RIO（遠程IO）及DH（數據高速公路）網絡之間的數據交換。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80萬噸的生產能力，只須在網絡上直接增加PLC，對原有系統不須更改。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，既可以向與其相連的拖動設備發送命令、控制設備的運行，又可以從設備讀取數據、監視設備的狀態、連接簡易、編程方便。
ControlNet網絡是一個高速確定性冗余網絡，而1785－L540/C也是一個冗余CPU，當一條網線中斷時PLC會提示哪一條網線通訊中斷，另一條網線會立即工作，對通訊和控制沒有任何影響，保證安全生產和連續生產。
ControlNet網絡支持主從通信、多主通信、對等通信及這些通信的任意混合形式。對輸入數據和對等通信數據實行多信道廣播，通信形式可以組態選擇，應用靈活，并可以改進網絡的性能。在傳送對時間有苛刻要求的控制信息（如IO狀態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。在每個網絡刷新周期內，對時間有苛求的信息（預定信息）是一定要傳輸的。這就保證了控制的實時性和可靠性，對水廠應用而言，這些都是用戶最關心的。下面介紹實現上述功能的重要的通信模式。
4  通信模式
ControlNet網絡是一種符合開放系統互連（OSI）參考模型底層要求的新型通信網絡，網絡是基于開放網絡技術的一種新的“生產者/客戶”通信模式。該模式使用多信道廣播方式，包括輸入數據的多信道廣播和對等通信數據的多信道廣播。它允許網絡上的所有節點，同時從單個的數據源存取相同的數據。基于這種生產者/客戶模式網絡的優點：① 提高效率。數據源一旦發送數據，多個節點能夠同時接收數據，報文通過目錄來識別的。② 精確的同步化。更多的設備能夠加到網絡上，但不需要增加網絡的通信量，并且所有節點的數據同時到達。

 圖2  傳統的源/目的網絡模式

(1)  傳統的源/目的網絡模式特點（圖2所示）
①  需要多個數據包傳送相同的信息到多臺設備；
②  數據到達不同的目的地的時間不同；
③  產生附加的網絡通信量，影響網絡性能；
④  報文發送和對時間有苛求的I/O數據，需要使用不同的網絡。
(2)  生產者/客戶網絡模式特點（圖3所示）

 圖3  生產者/客戶網絡模式

①  多個節點能夠從單個生產者（數據源）接收數據；
②  節點能夠同步化（多信道廣播）；
③  優化的帶寬潛力能用于增強系統功能；
④  使用同一網絡進行編程和I/O信息傳送。
5  月浦水廠AB控制網的應用情況及維護
月浦水廠的控制網絡從運行到現在比較穩定。曾出現一次單網斷網的故障，由于有冗余雙網熱備起作用，對生產沒有影響。這次故障是由于挖斷電纜所致，后經搶修，很快接通恢復正常。
月浦水廠的ControlNet網絡為總線型，網絡兩端各有一個50V的終結器，傳輸介質為同軸電纜，電纜有五層屏蔽。采用同軸電纜使維護顯得比較簡單。ControlNet網絡采用的組態軟件是RSNETWORK，它能提供一個圖形化的網絡視圖，能改善帶寬的利用率，具有在線和離線組態網絡的能力。這個軟件是配置控制網和維護控制網必備的軟件。
我們在收到系統的斷網報警后，處理過程是先觀察PLC處理器或插在計算機擴展槽的1784-KTCX卡的網絡通訊燈，如發現A網或B網的燈在紅綠交替閃爍，則表示該網通訊異常，如果只是A網故障，B網正常，可直接斷開A網，這不影響網絡通訊和正常生產。把A網按分站分成兩段，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。如果查了網絡電纜沒問題，就要從軟件著手檢查，啟動RSNETWORK，檢查網絡配置是否正確，如不正確，可用原有備份的網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，ControlNet網絡雖然傳輸速度高可靠性好，但是傳輸信號弱小，所以，為確保整個系統的安全運行，必須對整個監控系統進行嚴密的防雷保護。月浦水廠ControlNet網絡采用英國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，確保網絡的安全運行。
6  結語
總體上說來，ControlNet網絡是一種先進的實時控制網絡和控制系統平臺，是規模龐大、擴容簡單、穩定安全、技術先進的PLC冗余控制網，能保證水廠安全生產和連續生產，完全可以滿足水廠的生產要求。新建水廠或改造老水廠可以考慮使用。