劉  峰

1  前言
廣東汕頭市月浦水廠(chǎng)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)監控系統”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)家認為，月浦水廠(chǎng)自控系統采用ControlNet網(wǎng)絡(luò )作為主控制網(wǎng)絡(luò )，而且網(wǎng)絡(luò )結構是冗余雙網(wǎng)，運行安全可靠、易于擴展、實(shí)時(shí)性強；系統設計合理、功能完善、操作簡(jiǎn)便。該系統的運用，能有效降低生產(chǎn)能耗，提高出廠(chǎng)水質(zhì)，是全國水行業(yè)ControlNet冗余網(wǎng)的成功應用之一，達到國內自來(lái)水實(shí)時(shí)監控系統的先進(jìn)水平。
該網(wǎng)絡(luò )從運行到現在已三年多，運行穩定，已取得良好的社會(huì )和經(jīng)濟效益?，F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
傳統的控制通信網(wǎng)絡(luò )，如RS-485網(wǎng)絡(luò )等，無(wú)法構成冗余系統，系統可靠性低，數據通信方式為命令響應式，系統的實(shí)時(shí)性、執行速度受限制；校驗技術(shù)陳舊，容錯、糾錯能力差。
ControlNet是一種用于對信息傳送有時(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)間苛刻要求的報文數據，但不會(huì )對有時(shí)間苛刻要求的數據傳送造成沖擊。該網(wǎng)絡(luò )具有如下優(yōu)點(diǎn)：
①  網(wǎng)絡(luò )所有節點(diǎn)同步、信息吞吐量大、速度快、效率高，從而能實(shí)現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 )的任意節點(diǎn)均可主動(dòng)向其他節點(diǎn)傳送信息，可方便地構成冗余系統，系統可靠性高。
③  節點(diǎn)可分成不同的優(yōu)先級，以滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求。
④  每幀信息都有CRC校驗和其他校驗措施，數據傳輸誤碼率極低。
⑤  有嚴重故障的節點(diǎn)可自動(dòng)從網(wǎng)絡(luò )上切除，保證網(wǎng)絡(luò )的正常運行。
它作為控制器I/O設備之間的一條高速通信鏈路，綜合了現有的遠程I/O和DH+鏈路的能力。完全可以滿(mǎn)足水廠(chǎng)的生產(chǎn)要求。
3  網(wǎng)絡(luò )結構與特點(diǎn)
月浦水廠(chǎng)采用集散型測控管理系統，設一個(gè)中心控制室主站和五個(gè)現場(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PC機和服務(wù)器通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò )通訊?，F場(chǎng)測控由PLC完成，數據監控及分析由工作站計算機承擔。各分站獨立運行。通過(guò)網(wǎng)絡(luò )分享信息資源；中控室可監控各分站的運行，實(shí)行優(yōu)化調度。主控制網(wǎng)ControlNet冗余網(wǎng)下掛4臺型號為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 )帶了一定數量型號為1747－L524的SLC，用于監控一些比較獨立和分散的設備。這種三層網(wǎng)絡(luò )結構是水廠(chǎng)比較常用的網(wǎng)絡(luò )結構，第一層信息層采用以太網(wǎng)，用于全廠(chǎng)的數據采集、歷史數據查詢(xún)和程序的維護；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、報文傳送。第三層設備層，用于底層設備的低成本、高效率信息集成。 

圖1  月浦水廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )結構圖

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)、體系結構靈活等特點(diǎn)。當通信速度為5Mb/s時(shí)，網(wǎng)絡(luò )刷新時(shí)間最小可達到2ms，可尋址節點(diǎn)數為99個(gè)，同軸電纜傳輸距離達3km（光纖介質(zhì)使用中繼器時(shí)可達到30km）。這種通訊速度和距離在水行業(yè)的應用是綽綽有余的，有些水廠(chǎng)的取水泵房離廠(chǎng)區比較遠，就存在著(zhù)取水泵房和中控室的通訊問(wèn)題，可根據距離或當地的實(shí)際情況選用同軸電纜或光纖，也可用無(wú)線(xiàn)電臺。
ControlNet網(wǎng)絡(luò )組態(tài)和編程簡(jiǎn)單，通過(guò)Control Logix Gateway，它能實(shí)現與Ethernet（以太網(wǎng)）、DeviceNet（設備網(wǎng)）、RIO（遠程IO）及DH（數據高速公路）網(wǎng)絡(luò )之間的數據交換。這種靈活的連接方式使擴容升級很容易，如月浦水廠(chǎng)遠期要達到80萬(wàn)噸的生產(chǎn)能力，只須在網(wǎng)絡(luò )上直接增加PLC，對原有系統不須更改。又如以后要采用變頻器或智能電機控制器，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)設備發(fā)送命令、控制設備的運行，又可以從設備讀取數據、監視設備的狀態(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，對通訊和控制沒(méi)有任何影響，保證安全生產(chǎn)和連續生產(chǎn)。
ControlNet網(wǎng)絡(luò )支持主從通信、多主通信、對等通信及這些通信的任意混合形式。對輸入數據和對等通信數據實(shí)行多信道廣播，通信形式可以組態(tài)選擇，應用靈活，并可以改進(jìn)網(wǎng)絡(luò )的性能。在傳送對時(shí)間有苛刻要求的控制信息（如IO狀態(tài)和互鎖的控制信號等）的同時(shí)，對其他無(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，對時(shí)間有苛求的信息（預定信息）是一定要傳輸的。這就保證了控制的實(shí)時(shí)性和可靠性，對水廠(chǎng)應用而言，這些都是用戶(hù)最關(guān)心的。下面介紹實(shí)現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，包括輸入數據的多信道廣播和對等通信數據的多信道廣播。它允許網(wǎng)絡(luò )上的所有節點(diǎn)，同時(shí)從單個(gè)的數據源存取相同的數據?；谶@種生產(chǎn)者/客戶(hù)模式網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)點(diǎn)：① 提高效率。數據源一旦發(fā)送數據，多個(gè)節點(diǎn)能夠同時(shí)接收數據，報文通過(guò)目錄來(lái)識別的。② 精確的同步化。更多的設備能夠加到網(wǎng)絡(luò )上，但不需要增加網(wǎng)絡(luò )的通信量，并且所有節點(diǎn)的數據同時(shí)到達。

 圖2  傳統的源/目的網(wǎng)絡(luò )模式

(1)  傳統的源/目的網(wǎng)絡(luò )模式特點(diǎn)（圖2所示）
①  需要多個(gè)數據包傳送相同的信息到多臺設備；
②  數據到達不同的目的地的時(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  報文發(fā)送和對時(shí)間有苛求的I/O數據，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)節點(diǎn)能夠從單個(gè)生產(chǎn)者（數據源）接收數據；
②  節點(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系統功能；
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(chǎng)AB控制網(wǎng)的應用情況及維護
月浦水廠(chǎng)的控制網(wǎng)絡(luò )從運行到現在比較穩定。曾出現一次單網(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，很快接通恢復正常。
月浦水廠(chǎng)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)和維護控制網(wǎng)必備的軟件。
我們在收到系統的斷網(wǎng)報警后，處理過(guò)程是先觀(guān)察PLC處理器或插在計算機擴展槽的1784-KTCX卡的網(wǎng)絡(luò )通訊燈，如發(fā)現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(zhù)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(chǎng)所處位置屬多雷區，ControlNet網(wǎng)絡(luò )雖然傳輸速度高可靠性好，但是傳輸信號弱小，所以，為確保整個(gè)系統的安全運行，必須對整個(gè)監控系統進(jìn)行嚴密的防雷保護。月浦水廠(chǎng)ControlNet網(wǎng)絡(luò )采用英國Telematic公司的NP08避雷器，筆者對避雷器的接地電阻每年進(jìn)行三、四次檢測，確保網(wǎng)絡(luò )的安全運行。
6  結語(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 )和控制系統平臺，是規模龐大、擴容簡(jiǎn)單、穩定安全、技術(shù)先進(jìn)的PLC冗余控制網(wǎng)，能保證水廠(chǎng)安全生產(chǎn)和連續生產(chǎn)，完全可以滿(mǎn)足水廠(chǎng)的生產(chǎn)要求。新建水廠(chǎng)或改造老水廠(chǎng)可以考慮使用。