劉  峰

1  前言
廣東汕頭市月浦水廠20萬(wàn)噸/日首期工程的“自來(lái)水冗余工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)”由汕頭市自來(lái)水總公司與廣東省科學(xué)院自動(dòng)化中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)，已經(jīng)在2000年4月通過(guò)廣東省科委組織專(zhuān)家進(jìn)行科技成果鑒定。與會(huì)專(zhuān)家認(rèn)為，月浦水廠自控系統(tǒng)采用ControlNet網(wǎng)絡(luò)作為主控制網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是冗余雙網(wǎng)，運(yùn)行安全可靠、易于擴(kuò)展、實(shí)時(shí)性強(qiáng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、功能完善、操作簡(jiǎn)便。該系統(tǒng)的運(yùn)用，能有效降低生產(chǎn)能耗，提高出廠水質(zhì)，是全國(guó)水行業(yè)ControlNet冗余網(wǎng)的成功應(yīng)用之一，達(dá)到國(guó)內(nèi)自來(lái)水實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的先進(jìn)水平。
該網(wǎng)絡(luò)從運(yùn)行到現(xiàn)在已三年多，運(yùn)行穩(wěn)定，已取得良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。現(xiàn)將該網(wǎng)絡(luò)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(luò)，如RS-485網(wǎng)絡(luò)等，無(wú)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(yīng)式，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、執(zhí)行速度受限制；校驗(yàn)技術(shù)陳舊，容錯(cuò)、糾錯(cuò)能力差。
ControlNet是一種用于對(duì)信息傳送有時(shí)間苛刻要求的、高速確定性的網(wǎng)絡(luò)。它允許傳送無(wú)時(shí)間苛刻要求的報(bào)文數(shù)據(jù)，但不會(huì)對(duì)有時(shí)間苛刻要求的數(shù)據(jù)傳送造成沖擊。該網(wǎng)絡(luò)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
①  網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)同步、信息吞吐量大、速度快、效率高，從而能實(shí)現(xiàn)精確的同步控制以及實(shí)時(shí)性高的網(wǎng)絡(luò)控制。
②  網(wǎng)絡(luò)的任意節(jié)點(diǎn)均可主動(dòng)向其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)可分成不同的優(yōu)先級(jí)，以滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求。
④  每幀信息都有CRC校驗(yàn)和其他校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)傳輸誤碼率極低。
⑤  有嚴(yán)重故障的節(jié)點(diǎn)可自動(dòng)從網(wǎng)絡(luò)上切除，保證網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)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(yuǎn)程I/O和DH+鏈路的能力。完全可以滿(mǎn)足水廠的生產(chǎn)要求。
3  網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)
月浦水廠采用集散型測(cè)控管理系統(tǒng)，設(shè)一個(gè)中心控制室主站和五個(gè)現(xiàn)場(chǎng)分站（見(jiàn)圖1）。各PLC站之間通過(guò)ControlNet網(wǎng)絡(luò)通訊，中控室四臺(tái)PC機(jī)和服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)通訊。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控由PLC完成，數(shù)據(jù)監(jiān)控及分析由工作站計(jì)算機(jī)承擔(dān)。各分站獨(dú)立運(yùn)行。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分享信息資源；中控室可監(jiān)控各分站的運(yùn)行，實(shí)行優(yōu)化調(diào)度。主控制網(wǎng)ControlNet冗余網(wǎng)下掛4臺(tái)型號(hào)為1785－L540/C的PLC，分別控制取水、加藥、濾池、送水四個(gè)分站。根據(jù)各個(gè)分站的不同情況，各個(gè)PLC通過(guò)KA5連接DH485網(wǎng)絡(luò)帶了一定數(shù)量型號(hào)為1747－L524的SLC，用于監(jiān)控一些比較獨(dú)立和分散的設(shè)備。這種三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是水廠比較常用的網(wǎng)絡(luò)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(xún)和程序的維護(hù)；第二層自動(dòng)化控制層采用ControlNet網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)時(shí)I/O控制、報(bào)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(luò)結(jié)構(gòu)圖

ControlNet網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。當(dāng)通信速度為5Mb/s時(shí)，網(wǎng)絡(luò)刷新時(shí)間最小可達(dá)到2ms，可尋址節(jié)點(diǎn)數(shù)為99個(gè)，同軸電纜傳輸距離達(dá)3km（光纖介質(zhì)使用中繼器時(shí)可達(dá)到30km）。這種通訊速度和距離在水行業(yè)的應(yīng)用是綽綽有余的，有些水廠的取水泵房離廠區(qū)比較遠(yuǎn)，就存在著取水泵房和中控室的通訊問(wèn)題，可根據(jù)距離或當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況選用同軸電纜或光纖，也可用無(wú)線(xiàn)電臺(tái)。
ControlNet網(wǎng)絡(luò)組態(tài)和編程簡(jiǎn)單，通過(guò)Control Logix Gateway，它能實(shí)現(xiàn)與Ethernet（以太網(wǎng)）、DeviceNet（設(shè)備網(wǎng)）、RIO（遠(yuǎn)程IO）及DH（數(shù)據(jù)高速公路）網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換。這種靈活的連接方式使擴(kuò)容升級(jí)很容易，如月浦水廠遠(yuǎn)期要達(dá)到80萬(wàn)噸的生產(chǎn)能力，只須在網(wǎng)絡(luò)上直接增加PLC，對(duì)原有系統(tǒng)不須更改。又如以后要采用變頻器或智能電機(jī)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(dòng)設(shè)備發(fā)送命令、控制設(shè)備的運(yùn)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(jiǎn)易、編程方便。
ControlNet網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)高速確定性冗余網(wǎng)絡(luò)，而1785－L540/C也是一個(gè)冗余CPU，當(dāng)一條網(wǎng)線(xiàn)中斷時(shí)PLC會(huì)提示哪一條網(wǎng)線(xiàn)通訊中斷，另一條網(wǎng)線(xiàn)會(huì)立即工作，對(duì)通訊和控制沒(méi)有任何影響，保證安全生產(chǎn)和連續(xù)生產(chǎn)。
ControlNet網(wǎng)絡(luò)支持主從通信、多主通信、對(duì)等通信及這些通信的任意混合形式。對(duì)輸入數(shù)據(jù)和對(duì)等通信數(shù)據(jù)實(shí)行多信道廣播，通信形式可以組態(tài)選擇，應(yīng)用靈活，并可以改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的性能。在傳送對(duì)時(shí)間有苛刻要求的控制信息（如IO狀態(tài)和互鎖的控制信號(hào)等）的同時(shí)，對(duì)其他無(wú)時(shí)間苛求的信息（如程序的上載和下載等）也能傳送。在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)刷新周期內(nèi)，對(duì)時(shí)間有苛求的信息（預(yù)定信息）是一定要傳輸?shù)摹＿@就保證了控制的實(shí)時(shí)性和可靠性，對(duì)水廠應(yīng)用而言，這些都是用戶(hù)最關(guān)心的。下面介紹實(shí)現(xiàn)上述功能的重要的通信模式。
4  通信模式
ControlNet網(wǎng)絡(luò)是一種符合開(kāi)放系統(tǒng)互連（OSI）參考模型底層要求的新型通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)是基于開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種新的“生產(chǎn)者/客戶(hù)”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(duì)等通信數(shù)據(jù)的多信道廣播。它允許網(wǎng)絡(luò)上的所有節(jié)點(diǎn)，同時(shí)從單個(gè)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(hù)模式網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)：① 提高效率。數(shù)據(jù)源一旦發(fā)送數(shù)據(jù)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠同時(shí)接收數(shù)據(jù)，報(bào)文通過(guò)目錄來(lái)識(shí)別的。② 精確的同步化。更多的設(shè)備能夠加到網(wǎng)絡(luò)上，但不需要增加網(wǎng)絡(luò)的通信量，并且所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)同時(shí)到達(dá)。

 圖2  傳統(tǒng)的源/目的網(wǎng)絡(luò)模式

(1)  傳統(tǒng)的源/目的網(wǎng)絡(luò)模式特點(diǎn)（圖2所示）
①  需要多個(gè)數(shù)據(jù)包傳送相同的信息到多臺(tái)設(shè)備；
②  數(shù)據(jù)到達(dá)不同的目的地的時(shí)間不同；
③  產(chǎn)生附加的網(wǎng)絡(luò)通信量，影響網(wǎng)絡(luò)性能；
④  報(bào)文發(fā)送和對(duì)時(shí)間有苛求的I/O數(shù)據(jù)，需要使用不同的網(wǎng)絡(luò)。
(2)  生產(chǎn)者/客戶(hù)網(wǎng)絡(luò)模式特點(diǎn)（圖3所示）

 圖3  生產(chǎn)者/客戶(hù)網(wǎng)絡(luò)模式

①  多個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠從單個(gè)生產(chǎn)者（數(shù)據(jù)源）接收數(shù)據(jù)；
②  節(jié)點(diǎn)能夠同步化（多信道廣播）；
③  優(yōu)化的帶寬潛力能用于增強(qiáng)系統(tǒng)功能；
④  使用同一網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行編程和I/O信息傳送。
5  月浦水廠AB控制網(wǎng)的應(yīng)用情況及維護(hù)
月浦水廠的控制網(wǎng)絡(luò)從運(yùn)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(duì)生產(chǎn)沒(méi)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(fù)正常。
月浦水廠的ControlNet網(wǎng)絡(luò)為總線(xiàn)型，網(wǎng)絡(luò)兩端各有一個(gè)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(hù)顯得比較簡(jiǎn)單。ControlNet網(wǎng)絡(luò)采用的組態(tài)軟件是RSNETWORK，它能提供一個(gè)圖形化的網(wǎng)絡(luò)視圖，能改善帶寬的利用率，具有在線(xiàn)和離線(xiàn)組態(tài)網(wǎng)絡(luò)的能力。這個(gè)軟件是配置控制網(wǎng)和維護(hù)控制網(wǎng)必備的軟件。
我們?cè)谑盏较到y(tǒng)的斷網(wǎng)報(bào)警后，處理過(guò)程是先觀察PLC處理器或插在計(jì)算機(jī)擴(kuò)展槽的1784-KTCX卡的網(wǎng)絡(luò)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(kāi)A網(wǎng)，這不影響網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)。連接斷點(diǎn)時(shí)，只要用所配的控制網(wǎng)工具箱的專(zhuān)用工具，剝開(kāi)電纜，裝上BNC頭，并鉗緊。在斷開(kāi)通訊電纜兩頭的BNC頭接好后，把兩個(gè)的BNC頭連在專(zhuān)用接件上，外面作一下防水處理，連接就是這樣簡(jiǎn)單。如果查了網(wǎng)絡(luò)電纜沒(méi)問(wèn)題，就要從軟件著手檢查，啟動(dòng)RSNETWORK，檢查網(wǎng)絡(luò)配置是否正確，如不正確，可用原有備份的網(wǎng)絡(luò)配置程序重新下載到PLC中，必要時(shí)進(jìn)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(luò)雖然傳輸速度高可靠性好，但是傳輸信號(hào)弱小，所以，為確保整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，必須對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)密的防雷保護(hù)。月浦水廠ControlNet網(wǎng)絡(luò)采用英國(guó)Telematic公司的NP08避雷器，筆者對(duì)避雷器的接地電阻每年進(jìn)行三、四次檢測(cè)，確保網(wǎng)絡(luò)的安全運(yùn)行。
6  結(jié)語(yǔ)
總體上說(shuō)來(lái)，ControlNet網(wǎng)絡(luò)是一種先進(jìn)的實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)平臺(tái)，是規(guī)模龐大、擴(kuò)容簡(jiǎn)單、穩(wěn)定安全、技術(shù)先進(jìn)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(mǎn)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。