現(xiàn)場總線技術(shù)在水廠自動化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用
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2 水廠自動化控制系統(tǒng)
為了實現(xiàn)水廠的高度自動化，實現(xiàn)各生產(chǎn)現(xiàn)場的無人值守，整個水廠在正常情況下可以無人干預(yù)運行，在中央控制室即可實現(xiàn)運行參數(shù)的監(jiān)視及控制。利用先進成熟的網(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，構(gòu)成全雙工光纖以太網(wǎng)環(huán)；
（4）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；
（5）選擇具有智能I/O現(xiàn)場總線通訊功能的PLC作為現(xiàn)場控制器。
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機和光交換機均遵循TCP/IP協(xié)議。
2.1 水廠控制系統(tǒng)的組成
整個水廠共設(shè)深井站、加藥站、送水站、加壓站四個PLC子站及一個中央控制室。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，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站下達控制指令、修改系統(tǒng)運行參數(shù)、讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)等；也可以實現(xiàn)各PLC站之間的數(shù)據(jù)傳送。
現(xiàn)場層是PLC的智能I/O現(xiàn)場總線。各PLC站與某些現(xiàn)場設(shè)備如高壓電機控制柜的多功能保護器之間以PROFIBUS總線通訊連接；現(xiàn)場的觸摸操作屏之間以MPI通訊連接。通過下層現(xiàn)場總線，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)控操作計算機、打印機、UPS等設(shè)備，其中監(jiān)控操作計算機時中央控制室的主體。所有設(shè)備通過自身安裝的以太網(wǎng)網(wǎng)卡以及一臺光交換機接入工業(yè)以太網(wǎng)與各PLC現(xiàn)場控制站相連。在監(jiān)控操作計算機上裝有WinCC組態(tài)軟件，在WinCC的基礎(chǔ)上做進一步的組態(tài)開發(fā)，完成水廠數(shù)據(jù)的技術(shù)統(tǒng)計和系統(tǒng)的控制，為操作員提供人機界面，用于下達操作和控制指令等。
通過上述配置，調(diào)度人員能及時掌握為實現(xiàn)水廠優(yōu)化管理而需要的各管理對象的狀態(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、打印報表和歷史查詢使用。
2.3 PLC站系統(tǒng)的組成
各PLC站均有一個電源模塊、一個CPU模塊、一個以太網(wǎng)通訊模塊、若干個模擬量輸入輸出模塊和若干個數(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)場設(shè)備直接相連；PLC站的數(shù)字量輸入模塊采集現(xiàn)場的閥門狀態(tài)、水位開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備運行與否等信號；數(shù)字量輸出模塊將PLC的控制命令開閥門、關(guān)閥門、啟動設(shè)備、停止設(shè)備等信號送到現(xiàn)場設(shè)備；模擬量輸入模塊采集電機軸承溫度、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)場的觸摸操作屏監(jiān)控設(shè)備的運行。CPU模塊的接口同現(xiàn)場的PLC從站及高壓電機柜的多功能保護器相連構(gòu)成總線。CPU通過總線獲得各水泵電機的運行數(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)場設(shè)備的運行及各PLC站之間的聯(lián)控。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計思想
控制系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法進行，根據(jù)控制系統(tǒng)功能，將程序分為如下幾個模塊：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、報表等的打印。串行通訊程序由上位機通訊程序和下位機通訊程序組成。上下位機通訊程序密切配合、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)場總線技術(shù)的水廠自動化控制系統(tǒng)在開放性、分散性、可靠性和安全性等方面有很大進步。
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