鄧剛

【摘要】簡要介紹了工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以及羅克韋爾公司網(wǎng)絡(luò)組態(tài)軟件。對(duì)目前改造后的城北水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了描述，通過比較，對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、性能等方面做出了評(píng)價(jià)分析。

【關(guān)鍵詞】工業(yè)以太網(wǎng)；三網(wǎng)集成；實(shí)時(shí)性；安全性

The Application of Industrial Ethernet Using in Water Plant Automatic Control System of Chengbei

Abstract： This paper briefly introduced IndustrialEthernet and network management software.The enhanced automation system of plant of Chengbei was described in this paper， the solution such as network was analyzed with the comparisons of the enhanced and the former system.

Keywords： network； network integration； promptness； safety

前言

隨著自動(dòng)化控制技術(shù)的日益成熟，南京市各水廠正逐漸加大自動(dòng)化控制技術(shù)在生產(chǎn)控制中的應(yīng)用范圍。作為南京市第一座高度自動(dòng)化的水廠，城北水廠擁有較為完善的自動(dòng)化控制體系和實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

本文對(duì)城北水廠的控制過程及原理進(jìn)行研究，通過對(duì)改造前后的自控系統(tǒng)比對(duì)，介紹新技術(shù)在凈水工藝上的應(yīng)用及控制模式的完善，同時(shí)還介紹了羅克韋爾公司的Ethernet/IP、ControlNet、DeviceNet在城北水廠控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

1、應(yīng)用技術(shù)簡介

1.1工業(yè)以太網(wǎng)

第三代控制平臺(tái)Controllogix系列推出時(shí)，Rockwell還提出了網(wǎng)絡(luò)融合的概念，通過以太網(wǎng)、控制網(wǎng)、設(shè)備網(wǎng)三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，形成基于通訊的控制組態(tài)。

工業(yè)以太網(wǎng)是指在自動(dòng)化控制領(lǐng)域中應(yīng)用的以太網(wǎng)技術(shù)，在商用以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上針對(duì)工業(yè)要求在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性進(jìn)行了改進(jìn)，具有更好的抗干擾性及適應(yīng)性。EtherNet/IP是一個(gè)開放的、適用于工業(yè)環(huán)境的通信網(wǎng)絡(luò)，利用CIP協(xié)議進(jìn)行實(shí)時(shí)I/O控制和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息交換，它允許工業(yè)設(shè)備交換對(duì)時(shí)間有苛刻要求的應(yīng)用信息。

ControlNet網(wǎng)絡(luò)是一種開放式控制網(wǎng)絡(luò)，可滿足實(shí)時(shí)、高吞吐量應(yīng)用項(xiàng)目的要求。ControlNet 支持控制器之間的互鎖以及對(duì) I/O、驅(qū)動(dòng)器和閥的實(shí)時(shí)控制。它還提供了在離散和過程應(yīng)用項(xiàng)目（包括高可用性應(yīng)用項(xiàng)目）中的控制聯(lián)網(wǎng)。

DeviceNet網(wǎng)絡(luò)提供適用于簡單工業(yè)設(shè)備的開放式、設(shè)備級(jí)控制和信息網(wǎng)絡(luò)。它支持傳感器和執(zhí)行器與更高級(jí)別的設(shè)備（如可編程控制器和計(jì)算機(jī)）之間的通信。它通過一根兼具電源電纜和信號(hào)線電纜功能的電纜，提供簡單而經(jīng)濟(jì)實(shí)用的接線選件。

1.2Rslinx及Networx

Rslinx是羅克韋爾自動(dòng)化軟件中不可缺少的重要組成部分，主要功能為網(wǎng)絡(luò)組態(tài)及監(jiān)控；Networx軟件主要用于DeviceNet及ControlNet的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及管理。

2、系統(tǒng)描述

2.1硬件及網(wǎng)絡(luò)組成

城北水廠自控系統(tǒng)按照凈水處理的工藝流程，由6個(gè)現(xiàn)場控制站點(diǎn)和1個(gè)中心控制站點(diǎn)組成。中心控制室采用2套客戶-服務(wù)系統(tǒng)互為冗余備用，并通過大容量UPS進(jìn)行供電，保證操作機(jī)器的不間斷供電。

城北水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)形式，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞绞綖榄h(huán)形連接。整個(gè)環(huán)網(wǎng)以光纖進(jìn)行連接，并以鎧裝線纜的形式地埋至廠區(qū)各個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。其他網(wǎng)絡(luò)通過一臺(tái)硬件防火墻單行讀取工控網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過硬件防火墻設(shè)置，防止病毒對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)的干擾。

2.2通信組態(tài)

數(shù)據(jù)的通信采用RSLinx，其中SE中集成了RSLinx Enterprise版本，ControlNet及DeviceNet組態(tài)是需要用到Networx工具軟件。

3、系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)分析

3.1控制工藝

水廠自動(dòng)化控制實(shí)際上是對(duì)凈水工藝各個(gè)流程進(jìn)行控制的系統(tǒng)，按照工藝流程，城北水廠自動(dòng)化系統(tǒng)分為5個(gè)大站，由Controllogix作為主控單元進(jìn)行控制；濾池采用7個(gè)Compactlogix對(duì)14座濾池進(jìn)行控制，及每個(gè)Compactlogix站點(diǎn)完成對(duì)兩個(gè)濾池的控制任務(wù)；1個(gè)中心控制室，在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中起到中心調(diào)度、系統(tǒng)及設(shè)備檢測、遠(yuǎn)程操作等。

工藝流程中，設(shè)置各種指標(biāo)檢測儀表進(jìn)行控制參量采集及系統(tǒng)檢測。

在控制方式上分為全自動(dòng)、半自動(dòng)、遠(yuǎn)程手動(dòng)、現(xiàn)場手動(dòng)四種模式。全自動(dòng)及完全由系統(tǒng)通過儀表反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)控制；半自動(dòng)需要人工設(shè)定參數(shù)來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備的控制；遠(yuǎn)程手動(dòng)通過中心控制室操作機(jī)由操作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行具體控制，例如啟動(dòng)與停止設(shè)備、頻率調(diào)節(jié)等等；而現(xiàn)場手動(dòng)則跳過處理單元（PLC），通過現(xiàn)場操作箱、設(shè)備控制面板對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行具體操作。

3.2評(píng)價(jià)分析

3.2.1網(wǎng)絡(luò)部分

改造之前，城北水廠采用羅克韋爾公司的DH+通信網(wǎng)絡(luò)，在傳輸距離短，節(jié)點(diǎn)數(shù)少的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，DH+作為專門為工業(yè)控制開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)，具有較大優(yōu)勢。但在城北水廠實(shí)際應(yīng)用中，傳輸距離長，節(jié)點(diǎn)數(shù)多，數(shù)據(jù)信息流大等因素使DH+網(wǎng)絡(luò)逐漸不能適用于自動(dòng)控制當(dāng)中，甚至成為控制系統(tǒng)性能發(fā)揮的阻礙。

EtherNet/IP工業(yè)以太網(wǎng)在TCP/UPD/IP協(xié)議之上采用CIP協(xié)議作為通用的應(yīng)用層協(xié)議，可在不同設(shè)備間提供高達(dá)100Mbit/s，通過以太網(wǎng)交換技術(shù)和全雙工數(shù)據(jù)傳輸方式的應(yīng)用，EtherNet/IP網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)沖突明顯減小，具有優(yōu)越的網(wǎng)絡(luò)性能。羅克韋爾公司開發(fā)的以太網(wǎng)系統(tǒng)在兼容了DH+網(wǎng)絡(luò)的大部分性能以外，又具有DH+網(wǎng)絡(luò)不具有的優(yōu)越性：

1）可實(shí)現(xiàn)IP地址的動(dòng)態(tài)分配；2）在單一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總數(shù)不受限制；3）計(jì)算機(jī)無需增加其他模塊即可與自控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)等連接；

工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用最大的優(yōu)點(diǎn)是通信的實(shí)時(shí)性得到大幅增強(qiáng)，這與控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是相符合的。通過增加以太網(wǎng)模塊，城北水廠各個(gè)控制點(diǎn)均采用以太網(wǎng)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。通過實(shí)際對(duì)比，信息傳輸速率有顯著提高。直觀上，反饋數(shù)據(jù)在上位機(jī)上完全達(dá)到了實(shí)時(shí)顯示的要求。由于工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)沒有限制并且具有較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以為自動(dòng)化控制系統(tǒng)的擴(kuò)展在網(wǎng)絡(luò)方面提供了保證。

由于工業(yè)以太網(wǎng)與商用以太網(wǎng)兼容，所以在網(wǎng)絡(luò)安全性方面不如只是針對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)開發(fā)的DH+網(wǎng)絡(luò)，因此在與外網(wǎng)（除工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)外的其他網(wǎng)絡(luò)）進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)須經(jīng)過硬件防火墻過濾，防止病毒對(duì)工控網(wǎng)的干擾。通過硬件防火墻設(shè)置只允許數(shù)據(jù)的單一流向，從而保證了自控網(wǎng)絡(luò)的安全性與可靠性。

自控網(wǎng)絡(luò)采用環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了保證通信的順利進(jìn)行：1）光纖以鎧裝的形式地埋在電纜溝內(nèi)，大大減小了外界環(huán)境的損壞與信號(hào)干擾；2）光纖交換機(jī)及光纖熔接盒安裝在PLC機(jī)柜內(nèi)（濾池子站有專門的電氣柜安放光纖交換機(jī)和熔接盒），安全性較高。考慮到以上兩點(diǎn)，再加上環(huán)網(wǎng)有一點(diǎn)斷開時(shí)不會(huì)對(duì)通信產(chǎn)生影響（一點(diǎn)斷開時(shí)，由環(huán)網(wǎng)變成總線形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)），而環(huán)網(wǎng)形成兩個(gè)斷點(diǎn)的情況非常小，所以采取了單環(huán)網(wǎng)通信方案。

3.3.2數(shù)據(jù)連接

數(shù)據(jù)通信連接由RSLinx完成。RSLinx實(shí)際上是提供應(yīng)用底層數(shù)據(jù)連接的通信服務(wù)，通過形成OPC數(shù)據(jù)源為應(yīng)用層提供規(guī)范的數(shù)據(jù)接口。城北水廠控制系統(tǒng)中，除了兩臺(tái)進(jìn)行生產(chǎn)控制操作客戶機(jī)外，還有一臺(tái)遠(yuǎn)傳至總公司中心調(diào)度的數(shù)據(jù)采集機(jī)。通過RSLinx形成的數(shù)據(jù)軟連接，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)從自控系統(tǒng)中讀取所需要信息并遠(yuǎn)傳至總公司。

3.3.3時(shí)間同步系統(tǒng)

控制系統(tǒng)中涉及大量控制器、反饋儀表、應(yīng)用軟件等，網(wǎng)絡(luò)中的反饋信息尤其是報(bào)警信息需要具有統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)間屬性。城北水廠控制系統(tǒng)中引進(jìn)電力保護(hù)單元中的GPS時(shí)間校正達(dá)到控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間同步的目的。

4、結(jié)束語

城北水廠的自控改造過程解決了持續(xù)了較長時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)延遲問題，規(guī)范了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式，整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展也變得簡單易行。作為一套經(jīng)歷了時(shí)間驗(yàn)證的控制系統(tǒng)，同樣適用于同水源大部分水廠的自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)。

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