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　　本文提出一種多網(wǎng)絡(luò)融合的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)提供多種網(wǎng)絡(luò)接口和模擬/開(kāi)關(guān)量接口，從智能儀表或現(xiàn)場(chǎng)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)送至上位監(jiān)控主機(jī)，同時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)融合了安防系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠廠區(qū)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視。該技術(shù)在通信效率、實(shí)時(shí)性、可靠性、兼容性、全面性等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。由于具備較高的系統(tǒng)集成度和較好的性能優(yōu)勢(shì)，既提升了水廠信息化和工業(yè)化水平，又降低了水廠自動(dòng)化改造和建設(shè)的成本，減小了設(shè)備維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

　　1 系統(tǒng)原理和總體結(jié)構(gòu)

　　多網(wǎng)絡(luò)融合的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集方式，共分3層結(jié)構(gòu)：上位監(jiān)控層、網(wǎng)元層和數(shù)據(jù)采集與控制層。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

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　　在自動(dòng)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制層，各站位的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從現(xiàn)場(chǎng)采集水頭水位、水池水位、閥門開(kāi)關(guān)狀態(tài)、水泵出口水壓/流量大小、濁度和PH值等水質(zhì)參數(shù)、電機(jī)各相電流/電壓/功角等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控對(duì)象的參數(shù)和變量，并實(shí)時(shí)運(yùn)算和處理，這些數(shù)據(jù)再經(jīng)由網(wǎng)元層發(fā)送到高層。在上位監(jiān)控層，中控室工程師站通過(guò)網(wǎng)元層的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)接收現(xiàn)場(chǎng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和處理，并可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)行就地的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制;中控室操作員站和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器也接收傳來(lái)的電氣設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、分析、打印等，但是不具備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和控制權(quán)限分配的功能，在遠(yuǎn)程的水廠總公司服務(wù)器也能通過(guò)Internet互聯(lián)實(shí)現(xiàn)與水廠的數(shù)據(jù)庫(kù)共享。

　　為滿足水廠安防監(jiān)控的需要，自動(dòng)化控制系統(tǒng)同時(shí)融合了安防系統(tǒng)。安防系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制層、各站位和道路等其他重要區(qū)域安裝了云臺(tái)和攝像機(jī)，監(jiān)視視頻的模擬信號(hào)接入多路網(wǎng)絡(luò)視頻編碼器，數(shù)字化編碼后再經(jīng)由網(wǎng)元層發(fā)送到高層;在上位監(jiān)控層，中控室的視頻服務(wù)器將現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)采集的信號(hào)投射到中控站監(jiān)視電視墻上，實(shí)現(xiàn)水廠廠區(qū)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視。由于安防系統(tǒng)技術(shù)成熟，本文不討論網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)視的相關(guān)技術(shù)。

　　2 智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

　　多網(wǎng)絡(luò)融合的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)，既要在采集和傳輸現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)的同時(shí)接收中控室工程師工作站的指令來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，又要在現(xiàn)場(chǎng)控制有較高優(yōu)先級(jí)的場(chǎng)合(即本地控制優(yōu)先級(jí)高于上位監(jiān)控層控制)，能單獨(dú)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制;而且，在無(wú)人值守的情況下，智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)對(duì)緊急情況能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和報(bào)警，比如清水池水位過(guò)低時(shí)送水泵停機(jī)并報(bào)警，漏氯檢測(cè)儀發(fā)出“漏氯”報(bào)警時(shí)關(guān)閉加氯系統(tǒng)并將報(bào)警延伸至中控室等等。

　　智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)主控芯片采用Microchip公司生產(chǎn)的PIC32MX795F512L。它是一款基于M4K內(nèi)核的32位RISC嵌入式處理器，內(nèi)置128 KB的SRAM存儲(chǔ)器和512 KB的Flash閃存，集成度高，芯片內(nèi)部的預(yù)取高速緩存模塊可加速閃存的執(zhí)行速度。此外，芯片內(nèi)置最多16通道10位ADC、2路CAN2.0控制器、6路UART標(biāo)準(zhǔn)串行口模塊，USB接口、工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)控制器等。由于PIC32MX795F512L芯片外設(shè)資源非常豐富，外圍硬件電路非常簡(jiǎn)單，從而提高了智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的兼容性和穩(wěn)定性。智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

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　　PIC32MX795F512L內(nèi)置的以太網(wǎng)控制器與LAN8700I相連，TX+、TX-、RX+、RX-信號(hào)線經(jīng)過(guò)隔離變壓器隔離后，再連接網(wǎng)元層的交換機(jī)。本設(shè)計(jì)采用基丁RMII(Reduced Media Independent Interface，簡(jiǎn)化媒體獨(dú)立接口)的10/100Mbps;以太MAC與LAN8700I相連，其幀格式遵循IEEE802.3(10M)/IEEE802.3u(100M)協(xié)議，端口信號(hào)線少，連接簡(jiǎn)單。

　　PIC32MX795F512L內(nèi)置CAN控制器的輸出信號(hào)，須經(jīng)過(guò)光電隔離后，再連接CAN控制器接口芯片。設(shè)計(jì)使用Microchip公司的MCP2551作為接口芯片，該芯片完全滿足ISO11898標(biāo)準(zhǔn)物理層規(guī)范要求，通信速率可達(dá)1 Mb/s，抗工業(yè)環(huán)境中的高壓瞬間干擾，其差分總線具有很強(qiáng)的抗噪特性，其欠壓保護(hù)功能使得未上電的節(jié)點(diǎn)或欠壓節(jié)點(diǎn)對(duì)總線無(wú)任何影響，具有很強(qiáng)的保護(hù)總線能力。設(shè)計(jì)中將芯片的CAN控制器2作為工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的冗余，一旦智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)生故障則報(bào)警，同時(shí)CAN網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)投切，保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)上傳到中控室，并執(zhí)行中控室發(fā)來(lái)的遠(yuǎn)程控制命令。

　　智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)有友好的人機(jī)界面接口，節(jié)點(diǎn)使用觸摸液晶屏(10.4英寸TFT，800×600圖形點(diǎn)陣)在現(xiàn)場(chǎng)顯示設(shè)備狀態(tài)。本設(shè)計(jì)通過(guò)節(jié)點(diǎn)的串口和迪文科技的DMG80600S104智能顯示終端連接。DMG80600S104基于圖形界面操作，通過(guò)設(shè)置/下載觸控配置文件后，可直接讀取觸摸鍵值。圖形顯示和觸摸感應(yīng)的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，方便人員完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)功能參數(shù)的設(shè)定(包括節(jié)點(diǎn)地址、通信速率、操作優(yōu)先級(jí)等)及設(shè)備控制。

　　PIC32MX795F512L支持符合USB 2.0規(guī)范的全速設(shè)備和OTG(On-The-Go)控制器，系統(tǒng)的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)USB接口的針式報(bào)警打印機(jī)，用于在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)記錄和輸出報(bào)警，方便高效。

　　系統(tǒng)的每個(gè)智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)都與圖2類似，只是不同節(jié)點(diǎn)有不同的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控對(duì)象。按照區(qū)域劃分，通常水廠的監(jiān)控對(duì)象有取水泵站的取水頭水位、閥門狀態(tài);加礬系統(tǒng)的濁度儀、流量計(jì)、礬池液位計(jì)的變量，計(jì)量泵電動(dòng)沖程控制和攪拌系統(tǒng)控制;加氯系統(tǒng)的源水流量計(jì)、氯氣管隔膜壓力表的數(shù)值，余氯分析儀、漏氯報(bào)警儀的變量、真空調(diào)節(jié)器入口閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)、水射器和加氯機(jī)控制等;送水泵站的清水池水位、送水泵出口壓力值、閥門狀態(tài)、送水泵的各相電壓和電流、變頻器控制等。以上的智能儀表有些需要RS232和RS485等通信接口(譬如濁度儀等)，而智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)提供了多類型的接口和儀表連接，具有很強(qiáng)的兼容性和很高的可集成度。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)的冗余策略

　　由于水廠廠區(qū)面積較大，容易發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)與中控室的網(wǎng)絡(luò)鏈接故障，并且為滿足網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)的低成本需求，設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余的方法解決這個(gè)問(wèn)題。設(shè)計(jì)中，工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)分別鋪設(shè)，減小同時(shí)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)鏈路故障的概率，同時(shí)使用PPT，衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切的冗余策略，以保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性。

　　定義智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)巡檢周期時(shí)間PPTnode(Node Polling Periodic Time)為節(jié)點(diǎn)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)向上層發(fā)送現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間，一般取200～1000 ms，本文取200 ms，即

　　PPTnode=0.2s (1)

　　上位機(jī)巡檢周期時(shí)間PPThost(Host Polling Periodic Time)簡(jiǎn)稱PPT，為上位機(jī)收到智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)上傳現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間。那么，使用上位機(jī)定時(shí)器從t=t0時(shí)刻開(kāi)始可測(cè)量出一個(gè)無(wú)限長(zhǎng)的樣本，即

　　PPThost=PPT=(PPT1，PPT2，…，PPTn，…)

　　0

　　引入上位機(jī)平滑巡檢周期時(shí)間PPTs(Smooth Polling Periodic Time)作為衡量工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)之間通信質(zhì)量，表示為：

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　　第一次測(cè)量到PPT樣本時(shí)，PPTs值取節(jié)點(diǎn)的巡檢周期時(shí)間為：PPTnode，以后每測(cè)量到一個(gè)新的PPT樣本，就按上式重新計(jì)算一次PPTs。

　　依照經(jīng)驗(yàn)，取α=0.25，若

　　PPTs>0.8 (4)

　　則認(rèn)為通信鏈路斷開(kāi)，自動(dòng)投切到CAN網(wǎng)絡(luò)。