现场总线技术在水厂自动化控制系统中的应用

1 现场总线技术系统
1.1 现场总线技术概述
现场总线（Fieldbus）是连接现场智能设备（如智能化的传感器、变送器、测量仪表和执行器等）和计算机系统的开放式、数字化、双向传输、多点通信的底层控制网络，用于完成智能设备之间以及智能设备与监控计算机之间的数据交换，它融入了智能仪表、控制、计算机、网络，数字通讯和开放系统互联等技术的精粹，是一种高性能的通信技术。
现场总线技术是随着控制、计算机、通信、网络等技术的发展而发展起来的一种总线技术，现场总线技术的出现引起了自动化系统结构的变革，它逐步形成以网络集成自动化系统为基础的企业信息系统，现场总线控制系统FCS是继集散控制系统DCS之后的又一代控制系统。现场总线控制系统是开放的、具有良好互操作性的和分散的双向传输数字化互连网络，是现代计算机技术、通信技术和控制技术的集成。目前，现场总线已在自动化领域发挥优势，是工业自动化技术发展的焦点，代表了自动化技术的发展方向。
1.2 工业以太网技术的发展与应用
以太网是目前世界上应用最广的局域网技术。随着Internet的发展，以太网已经成为事实上的工业标准，TCP/IP的简单实用已深入人心，为广大用户所接受。目前不仅在办公自动化领域内，而且各个企业的管理网络也使用以太网。在工业控制领域，随着仪器仪表智能化的提高和工业管理智能化的深入，系统传输的信息量必将增加，未来传输的数据可能以不满足几十个字节，甚至可以是WEB网页，所以网络传输的大容量在工业控制中越来越重要，而以太网可以满足工业控制的这种需求。
另外，工业底层网络的现场总线协议数目众多，不同协议的兼容问题一直困扰工业界。底层网络引入以太网不仅使现场层、控制层和管理层在垂直层方便集成，更能降低不同厂家设备在水平层面上的集成成本，所以以太网向现场总线控制系统的底层延伸是顺理成章的。
1.3 基于以太网的现场总线控制系统
由于嵌入技术使Ethernet能到达传感器和执行器，这使得整个网络的瓶颈效应集中在应用现场总线的设备层上的问题得以解决，可构成如图1所示的新型现场总线控制系统。


这个网络的特点是：首先，Ethernet贯穿于整个网络的各个层次，它使网络成为透明的、覆盖整个企业范围的应用实体。它实现了办公自动化与工业自动化的无缝结合，其良好的互连性和可扩展性使之成为一种真正意义上的全开放的网络体系结构，一种真正意义上的大统一。其次，采用以太网作为现场总线，将保证技术上的可持续发展。由于以太网的广泛应用，使它的发展一直受到广泛的重视和大量的技术投入，保证了以太网技术的不断发展。如果工业控制领域采用以太网作为现场总线，将保证技术上的可持续发展，并在技术升级方面无需独自的研究投入。这一点是任何现有的现场总线技术无法比拟的。另外，低成本是基于以太网的现场总线系统无可比拟的优越性。相对于现场总线卡的价格，以太网网卡的价格只有其十分之一。并且随着集成电路技术的发展，其价格还会进一步下降。由于以太网已被使用多年，人们对以太网设计应用有很多经验，这就意味着可以显著降低系统的开发和培训费用。
随着以太网的实时性、稳定性和抗干扰问题的逐步解决，以太网大规模进入工业控制领域将指日可待。将以太网应用到工业控制领域，可以形成真正意义上的开放式系统，真正实现不同厂家的以太网产品互连。如果说现场总线系统是工业控制领域里的一场革命，那么以太网技术将现场总线系统带入又一个新时代。以太网应用于工业现场设备层是网络发展的趋势，也是信息技术发展的必然结果。
2 水厂自动化控制系统
为了实现水厂的高度自动化，实现各生产现场的无人值守，整个水厂在正常情况下可以无人干预运行，在中央控制室即可实现运行参数的监视及控制。利用先进成熟的网络技术构成水厂的自控网络：
（1）采用10/100兆工业以太网作为主网络；
（2）采用光纤网络通讯媒体并构成光线环网，使之具有冗余功能；
（3）采用全双工的光交换机，构成全双工光纤以太网环；
（4）配有以太网通讯模块的PLC可直接链入光纤以太网中，成为以太网络节点；
（5）选择具有智能I/O现场总线通讯功能的PLC作为现场控制器。
由图2可知，该自控网络属于光纤以太网与现场总线相结合的多层网络，主控制层为10/100兆全双工光纤工业以太网；网络中所有的PLC控制器、PC机和光交换机均遵循TCP/IP协议。


2.1 水厂控制系统的组成
整个水厂共设深井站、加药站、送水站、加压站四个PLC子站及一个中央控制室。各PLC子站及中央控制室皆为高速工业以太网的节点，它们之间可以通过以太网交换数据，光纤环网的冗余功能保证了以太网通讯的可靠性。通过工业以太网，中央控制室可以向各PLC站下达控制指令、修改系统运行参数、读取现场数据等；也可以实现各PLC站之间的数据传送。
现场层是PLC的智能I/O现场总线。各PLC站与某些现场设备如高压电机控制柜的多功能保护器之间以PROFIBUS总线通讯连接；现场的触摸操作屏之间以MPI通讯连接。通过下层现场总线，PLC站向连接在总线上的设备发送控制命令、读取设备数据。
2.2 中央控制室的系统组成
中央控制室配有监控操作计算机、打印机、UPS等设备，其中监控操作计算机时中央控制室的主体。所有设备通过自身安装的以太网网卡以及一台光交换机接入工业以太网与各PLC现场控制站相连。在监控操作计算机上装有WinCC组态软件，在WinCC的基础上做进一步的组态开发，完成水厂数据的技术统计和系统的控制，为操作员提供人机界面，用于下达操作和控制指令等。
通过上述配置，调度人员能及时掌握为实现水厂优化管理而需要的各管理对象的状态和控制参数，并能把所有的数据整理存档，以便绘制曲线、打印报表和历史查询使用。
2.3 PLC站系统的组成
各PLC站均有一个电源模块、一个CPU模块、一个以太网通讯模块、若干个模拟量输入输出模块和若干个数字量输入输出模块组成。
其中电源模块负责向其它模块提供直流电源；各输入输出模块同现场设备直接相连；PLC站的数字量输入模块采集现场的阀门状态、水位开关状态、设备运行与否等信号；数字量输出模块将PLC的控制命令开阀门、关阀门、启动设备、停止设备等信号送到现场设备；模拟量输入模块采集电机轴承温度、原水浊度、出水浊度、液位信息等等；模拟量输出模块控制变频器输出频率等。
CPU模块的NPI接口同现场的触摸操作屏相连，构成MPI连接，操作人员可以通过现场的触摸操作屏监控设备的运行。CPU模块的接口同现场的PLC从站及高压电机柜的多功能保护器相连构成总线。CPU通过总线获得各水泵电机的运行数据并发送控制指令。
以太网通讯模块通过光交换模块使PLC站接入工业以太网，实现各PLC站及中央控制室间的数据通讯，使得中央控制室可以监控现场设备的运行及各PLC站之间的联控。
3 控制系统软件设计思想
控制系统软件设计采用模块化设计方法进行，根据控制系统功能，将程序分为如下几个模块：信息采集模块和显示模块，主要负担显示信息和切换控制系统功能的任务；通讯模块，主要负担主从机间信息交换任务；控制模块和打印模块，主要负担信息、报表等的打印。串行通讯程序由上位机通讯程序和下位机通讯程序组成。上下位机通讯程序密切配合、协调一致，共同完成两者之间的通讯。
4 结束语
现场总线技术和工业以太网通讯技术的发展和成熟给工业控制领域带来了巨大变革，基于现场总线技术的水厂自动化控制系统在开放性、分散性、可靠性和安全性等方面有很大进步。