水廠全分布式管控一體化網(wǎng)絡前端測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘要：目前，國內(nèi)大多數(shù)自來水廠采用的是一種基于PLC的集散式(DCS，Distributed Control System)控制模式。文中介紹的是基于現(xiàn)場總線技術(FCS，F(xiàn)ieldbus Control System)的管控一體化網(wǎng)絡前端測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，是一種真正意義上的全分布式管控一體化網(wǎng)絡的前端配置方案。
關鍵詞：現(xiàn)場總線；管控一體化網(wǎng)絡；LonWorks；全分布式

    針對水廠的生產(chǎn)流程，文中所講到的全分布式管控一體化網(wǎng)絡采用的是一種混合網(wǎng)絡拓撲結(jié)構?，F(xiàn)場設備由智能節(jié)點通過雙絞線連接到LonWarkes總線網(wǎng)段上，總線網(wǎng)段再通過網(wǎng)絡接口設備連接到Internet／Intranet上，實現(xiàn)水廠控制網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡一體化。總體結(jié)構如圖1所示，上位機負責監(jiān)控整個水廠現(xiàn)場生產(chǎn)情況，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)處理、信息存儲、報警、遠程控制等功能；網(wǎng)絡適配器PCNSS負責數(shù)據(jù)的上傳下
達，可把控制網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)上傳到上位機，也可以把上位機的控制命令下發(fā)到控制網(wǎng)絡。也可以使用i．Lon100把上位機和前端現(xiàn)場控制網(wǎng)連接起來。i．Lon100既可以作為高性能的網(wǎng)絡接口，又可以作為底層節(jié)點開發(fā)工具。另外，i．Lon100還提供進程分配、數(shù)據(jù)記錄、信號傳送、信號檢測及報警等功能，既是路由器又是符合工業(yè)標準的Web服務器，可把LonWorks網(wǎng)絡上的智能設備連接起來，供Internet上的用戶訪問。這里，通過組態(tài)軟件CentruyStar及服務器LNS DDEServer／iLon100構建上層監(jiān)控平臺，實現(xiàn)控制與管理的集成以及遠程監(jiān)控。底層通過LON網(wǎng)連接各智能節(jié)點、變送器、執(zhí)行機構，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)(如液位、溫度、壓力、流量等)采集與控制；遠程計算機通過Internet實現(xiàn)現(xiàn)場組態(tài)畫面的Web頁發(fā)布，授權用戶可通過瀏覽器在線瀏覽監(jiān)控。

1 前端測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)
    如圖1所示，在底層，也就是前端測控現(xiàn)場，通過LonWorks中的LonMaker組建底層控制網(wǎng)LON(Local Operation Network)，利用NodeBu ilder編寫智能節(jié)點應用程序，以網(wǎng)絡變量實現(xiàn)LON網(wǎng)絡上的通信。圖中使用LON通用智能節(jié)點與各測試設備和控制裝置連接，向上與i．Lon 100連接。

    智能節(jié)點使用的是一種基于LonWorks控制網(wǎng)絡技術的HLC-1回路控制器，它不僅能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與處理，完成控制等功能，還提供通信接口，以公共協(xié)議進行通信，內(nèi)設12位A／D轉(zhuǎn)換器，可對4路模擬信號進行轉(zhuǎn)換，輸入信號0～5 V或4～20 mA，即4通道模擬信號輸入；內(nèi)設12位D／A轉(zhuǎn)換器，可對2路數(shù)字量信號進行轉(zhuǎn)換，輸出信號0～5 V或4～20 mA、即2通道模擬量輸出；另外還有2通道數(shù)字量(觸點或電平)輸入及2通道開關量輸出；還能實現(xiàn)2通道變量實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)。在安裝完成后，HLC-1回路控制器不僅可以實時接收上位機的控制命令，實現(xiàn)對前端執(zhí)行機構的控制，還可脫離上層管理系統(tǒng)，自行完成數(shù)據(jù)采集處理及前端設備運行調(diào)控。
    在前端，根據(jù)受控對象的不同選用的設備有可編程控制器(PLC)、FRENIC5000G／P11S變頻器、網(wǎng)絡適配器等。可編程控制器，比如S7-200 CPU224XP CN，本身就具有很強的編程控制能力，因此可順利完成前端的監(jiān)控功能。網(wǎng)絡適配器選用的是PCLTA-10，可插在PC機的擴展槽上，作為一個特殊的智能接口設備，既能與所有和總線掛接的現(xiàn)場智能節(jié)點進行對等雙向通信，又能快速實現(xiàn)復雜的數(shù)據(jù)處理和高級監(jiān)控功能，在PC機與現(xiàn)場智能節(jié)點之間起到“上傳下達”的紐帶作用。
    前端變送器與執(zhí)行機構的選用，是基于水廠生產(chǎn)控制流程。所要采集的數(shù)據(jù)有液位、pH值、溫度、壓力、流量、余氯和泥土界面等。因此所使用的測試儀和變送器有超聲液位計、pH測量儀、溫度變送器、壓力變送器、電磁流量計、余氯分析儀、泥土界面儀、濁度儀、漏氯報警儀等。采用的控制有電機變頻調(diào)速、加氯與投藥泵計量、電磁閥開啟度控制等?，F(xiàn)場執(zhí)行裝置有調(diào)頻電機、電磁閥、繼電器等。系統(tǒng)運行時，整體構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，自動運行，自動調(diào)節(jié)。管理人員也可從監(jiān)控計算機發(fā)出指令，控制前端執(zhí)行機構。

2 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制程序設計
    本系統(tǒng)采用HLC-1回路控制器，該智能節(jié)點主要完成模擬量、數(shù)字量的輸入輸出控制。筆者使用NodeBuilder開發(fā)設計了智能節(jié)點前端控制程序。數(shù)據(jù)采集設備的輸出信號通過變送器連接到智能節(jié)點的模擬輸入端；執(zhí)行機構連接到智能節(jié)點的模擬輸出端。通過NodeBuilder編寫控制算法程序，經(jīng)組態(tài)監(jiān)控平臺下發(fā)控制命令，控制前端執(zhí)行機構在要求的范圍內(nèi)工作。
    這里選用智能節(jié)點的Neurowire輸入／輸出作為I／O對象，實現(xiàn)與外部器件的同步通信。下面儀說明一個節(jié)點變量的定義，并以模擬量輸出、模擬量輸入和數(shù)字量輸出為例，說明程序設計。
    1)Neurowire輸入／輸出對象語法結(jié)構定義：
    IO_8 neuronwire masterlslave[select(pin—nbr)][timeout(pin—nbr)]
    [kbaud(const—expr)Ⅱclockedge(+|-)]io—object—name
    IO_8：Neurowire輸入／輸出對象使用引腳IO_8～IO_10，IO_8是時鐘引腳，IO_9是串行數(shù)據(jù)輸出引腳，IO_10是串行數(shù)據(jù)輸入引腳；
    Master：指定Neuron 芯片在引腳IO_8上提供時鐘，被指定為輸出；
    Slave：指定Neuron芯片檢測引腳IO_8上的時鐘，被設置為輸入；
    Select(pin—nbr)：為Neurowire master指定片選引腳，為IO_0～IO_7引腳之一；
    Timeout(pin-nbr)：為Neurowire slave指定一個可選擇的超時信號引腳，其范圍是IO_0～IO_7。當使用超時信號引腳時，當neuron芯片等待時鐘的上升沿或下降沿時，將檢查該引腳的邏輯電平。如果檢測到邏輯電平為“1”，則傳輸停止；
     Kbaud(const-expr)：為Neurowire master指定比特率，const-expr可以為1 kb／s、10 kb／s或20 kb／s；對于10 MHz的Neuron芯片輸入時鐘，缺省值為20 kb／s；
    Clockedge(+|-)：指定觸發(fā)時鐘信號極性，clockedge(+)為上升沿，clockedge(-)為下降沿；
    io-object-name：由用戶為該I／O對象指定的名字。
    2)模擬量輸出程序——電流表控制程序

    3)模擬量輸入程序
    在生產(chǎn)現(xiàn)場，液位、溫度、壓力等變送器輸出的4～20 mA電流信號或0～5 V電壓信號，經(jīng)變送器連接到智能節(jié)點的模擬量輸入通道上，經(jīng)過節(jié)點內(nèi)部運算放大器、12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7844和光電隔離后送入神經(jīng)元芯片處理，再由LON網(wǎng)絡以變量形式上傳到組態(tài)監(jiān)控平臺，完成采集數(shù)據(jù)的實時檢測。程序如下：
   

    4)數(shù)字量輸出程序
    以溫度控制為例，當加熱器加熱時，溫度變送器輸出4～20 mA電流值從智能節(jié)點的模擬量輸入通道，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，若該值超出設定報警值上限時，控制命令自動從智能節(jié)點的IO_1口送出，將繼電器斷開，加熱器停止加熱；當溫度下降到報警值下限時，又使繼電器吸合，加熱器重新加熱。程序如下：



3 結(jié)論
    現(xiàn)場總線技術(FCS，F(xiàn)ieldbus Control System)是一種全分布式的控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)大型企業(yè)管控一體化網(wǎng)絡系統(tǒng)的建立。文中研究結(jié)果證明，該系統(tǒng)完全可用于自來水廠的生產(chǎn)過程控制中，且優(yōu)于當前所采用的基于PLC的集散式(DCS)控制模式。