工業(yè)以太網在城北水廠自動控制系統中的應用

鄧剛

【摘要】簡要介紹了工業(yè)以太網技術以及羅克韋爾公司網絡組態(tài)軟件。對目前改造后的城北水廠自動化控制系統網絡進行了描述，通過比較，對網絡結構、性能等方面做出了評價分析。

【關鍵詞】工業(yè)以太網；三網集成；實時性；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

隨著自動化控制技術的日益成熟，南京市各水廠正逐漸加大自動化控制技術在生產控制中的應用范圍。作為南京市第一座高度自動化的水廠，城北水廠擁有較為完善的自動化控制體系和實際應用經驗。

本文對城北水廠的控制過程及原理進行研究，通過對改造前后的自控系統比對，介紹新技術在凈水工藝上的應用及控制模式的完善，同時還介紹了羅克韋爾公司的Ethernet/IP、ControlNet、DeviceNet在城北水廠控制網絡結構中的應用。

1、應用技術簡介

1.1工業(yè)以太網

第三代控制平臺Controllogix系列推出時，Rockwell還提出了網絡融合的概念，通過以太網、控制網、設備網三層網絡構架，形成基于通訊的控制組態(tài)。

工業(yè)以太網是指在自動化控制領域中應用的以太網技術，在商用以太網的基礎上針對工業(yè)要求在網絡拓撲結構及網絡實時性進行了改進，具有更好的抗干擾性及適應性。EtherNet/IP是一個開放的、適用于工業(yè)環(huán)境的通信網絡，利用CIP協議進行實時I/O控制和點對點信息交換，它允許工業(yè)設備交換對時間有苛刻要求的應用信息。

ControlNet網絡是一種開放式控制網絡，可滿足實時、高吞吐量應用項目的要求。ControlNet 支持控制器之間的互鎖以及對 I/O、驅動器和閥的實時控制。它還提供了在離散和過程應用項目（包括高可用性應用項目）中的控制聯網。

DeviceNet網絡提供適用于簡單工業(yè)設備的開放式、設備級控制和信息網絡。它支持傳感器和執(zhí)行器與更高級別的設備（如可編程控制器和計算機）之間的通信。它通過一根兼具電源電纜和信號線電纜功能的電纜，提供簡單而經濟實用的接線選件。

1.2Rslinx及Networx

Rslinx是羅克韋爾自動化軟件中不可缺少的重要組成部分，主要功能為網絡組態(tài)及監(jiān)控；Networx軟件主要用于DeviceNet及ControlNet的網絡設計及管理。

2、系統描述

2.1硬件及網絡組成

城北水廠自控系統按照凈水處理的工藝流程，由6個現場控制站點和1個中心控制站點組成。中心控制室采用2套客戶-服務系統互為冗余備用，并通過大容量UPS進行供電，保證操作機器的不間斷供電。

城北水廠自動化控制系統采用工業(yè)以太網的網絡形式，網絡拓撲方式為環(huán)形連接。整個環(huán)網以光纖進行連接，并以鎧裝線纜的形式地埋至廠區(qū)各個控制節(jié)點。其他網絡通過一臺硬件防火墻單行讀取工控網數據，通過硬件防火墻設置，防止病毒對控制網絡的干擾。

2.2通信組態(tài)

數據的通信采用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、系統性能評價分析

3.1控制工藝

水廠自動化控制實際上是對凈水工藝各個流程進行控制的系統，按照工藝流程，城北水廠自動化系統分為5個大站，由Controllogix作為主控單元進行控制；濾池采用7個Compactlogix對14座濾池進行控制，及每個Compactlogix站點完成對兩個濾池的控制任務；1個中心控制室，在自動化控制系統中起到中心調度、系統及設備檢測、遠程操作等。

工藝流程中，設置各種指標檢測儀表進行控制參量采集及系統檢測。

在控制方式上分為全自動、半自動、遠程手動、現場手動四種模式。全自動及完全由系統通過儀表反饋數據進行自動控制；半自動需要人工設定參數來實現現場設備的控制；遠程手動通過中心控制室操作機由操作人員對設備進行具體控制，例如啟動與停止設備、頻率調節(jié)等等；而現場手動則跳過處理單元（PLC），通過現場操作箱、設備控制面板對現場設備進行具體操作。

3.2評價分析

3.2.1網絡部分

改造之前，城北水廠采用羅克韋爾公司的DH+通信網絡，在傳輸距離短，節(jié)點數少的自動控制系統中，DH+作為專門為工業(yè)控制開發(fā)的網絡，具有較大優(yōu)勢。但在城北水廠實際應用中，傳輸距離長，節(jié)點數多，數據信息流大等因素使DH+網絡逐漸不能適用于自動控制當中，甚至成為控制系統性能發(fā)揮的阻礙。

EtherNet/IP工業(yè)以太網在TCP/UPD/IP協議之上采用CIP協議作為通用的應用層協議，可在不同設備間提供高達100Mbit/s，通過以太網交換技術和全雙工數據傳輸方式的應用，EtherNet/IP網絡上的數據沖突明顯減小，具有優(yōu)越的網絡性能。羅克韋爾公司開發(fā)的以太網系統在兼容了DH+網絡的大部分性能以外，又具有DH+網絡不具有的優(yōu)越性：

1）可實現IP地址的動態(tài)分配；2）在單一網絡節(jié)點總數不受限制；3）計算機無需增加其他模塊即可與自控網絡進行對等連接；

工業(yè)以太網的應用最大的優(yōu)點是通信的實時性得到大幅增強，這與控制系統的實時性是相符合的。通過增加以太網模塊，城北水廠各個控制點均采用以太網作為數據傳輸網絡。通過實際對比，信息傳輸速率有顯著提高。直觀上，反饋數據在上位機上完全達到了實時顯示的要求。由于工業(yè)以太網對節(jié)點數沒有限制并且具有較高的數據傳輸速率，所以為自動化控制系統的擴展在網絡方面提供了保證。

由于工業(yè)以太網與商用以太網兼容，所以在網絡安全性方面不如只是針對控制網絡開發(fā)的DH+網絡，因此在與外網（除工業(yè)控制網絡外的其他網絡）進行數據通信時須經過硬件防火墻過濾，防止病毒對工控網的干擾。通過硬件防火墻設置只允許數據的單一流向，從而保證了自控網絡的安全性與可靠性。

自控網絡采用環(huán)形拓撲結構。為了保證通信的順利進行：1）光纖以鎧裝的形式地埋在電纜溝內，大大減小了外界環(huán)境的損壞與信號干擾；2）光纖交換機及光纖熔接盒安裝在PLC機柜內（濾池子站有專門的電氣柜安放光纖交換機和熔接盒），安全性較高?？紤]到以上兩點，再加上環(huán)網有一點斷開時不會對通信產生影響（一點斷開時，由環(huán)網變成總線形網絡拓撲結構），而環(huán)網形成兩個斷點的情況非常小，所以采取了單環(huán)網通信方案。

3.3.2數據連接

數據通信連接由RSLinx完成。RSLinx實際上是提供應用底層數據連接的通信服務，通過形成OPC數據源為應用層提供規(guī)范的數據接口。城北水廠控制系統中，除了兩臺進行生產控制操作客戶機外，還有一臺遠傳至總公司中心調度的數據采集機。通過RSLinx形成的數據軟連接，數據采集系統從自控系統中讀取所需要信息并遠傳至總公司。

3.3.3時間同步系統

控制系統中涉及大量控制器、反饋儀表、應用軟件等，網絡中的反饋信息尤其是報警信息需要具有統一的系統時間屬性。城北水廠控制系統中引進電力保護單元中的GPS時間校正達到控制系統網絡中時間同步的目的。

4、結束語

城北水廠的自控改造過程解決了持續(xù)了較長時間的網絡延遲問題，規(guī)范了控制系統的結構模式，整個系統的擴展也變得簡單易行。作為一套經歷了時間驗證的控制系統，同樣適用于同水源大部分水廠的自動化實現。

參考文獻

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