多网络融合的水厂自动化控制系统设计

引言
    如何满足市民日益增大的用水需要是当前我国城市建设的突出问题，城区水厂自动化改造和建设也已成为当务之急。随着信息技术和工业自动化技术的迅猛发展，供水行业的仪表与设备的数量、种类众多，仪表与设备普遍存在接口不统一、网络兼容性不高、使用不方便等问题。虽然有部分研究机构和生产厂商提供仪表和设备的协议接口转换器，但是它们的功能单一，只能满足少部分仪表和设备的要求，应用面较窄，与其他网络系统的集成度较低。
    针对以上问题，本文提出一种多网络融合的水厂自动化控制系统，系统节点提供多种网络接口和模拟／开关量接口，从智能仪表或现场获取设备运行状态，并将现场数据经由工业以太网络送至上位监控主机，同时自动化系统网络平台融合了安防系统，以实现对水厂厂区的实时视频监视。该技术在通信效率、实时性、可靠性、兼容性、全面性等方面有着明显的优势。由于具备较高的系统集成度和较好的性能优势，既提升了水厂信息化和工业化水平，又降低了水厂自动化改造和建设的成本，减小了设备维护的劳动强度。

1 系统原理和总体结构
    多网络融合的水厂自动化控制系统采用分布式数据采集方式，共分3层结构：上位监控层、网元层和数据采集与控制层。其系统结构框图如图1所示。

    在自动化控制系统的数据采集与控制层，各站位的智能测控节点负责从现场采集水头水位、水池水位、阀门开关状态、水泵出口水压／流量大小、浊度和PH值等水质参数、电机各相电流／电压／功角等现场监控对象的参数和变量，并实时运算和处理，这些数据再经由网元层发送到高层。在上位监控层，中控室工程师站通过网元层的工业以太网络接收现场发来的数据，进行分析和处理，并可根据实际需要对现场设备实行就地的实时监视和控制；中控室操作员站和数据库服务器也接收传来的电气设备的参数进行显示、存储、分析、打印等，但是不具备对现场设备的控制和控制权限分配的功能，在远程的水厂总公司服务器也能通过Internet互联实现与水厂的数据库共享。
    为满足水厂安防监控的需要，自动化控制系统同时融合了安防系统。安防系统的数据采集与控制层、各站位和道路等其他重要区域安装了云台和摄像机，监视视频的模拟信号接入多路网络视频编码器，数字化编码后再经由网元层发送到高层；在上位监控层，中控室的视频服务器将现场摄像机采集的信号投射到中控站监视电视墙上，实现水厂厂区的实时视频监视。由于安防系统技术成熟，本文不讨论网络视频监视的相关技术。

2 智能测控节点的硬件设计
    多网络融合的智能测控节点，既要在采集和传输现场设备参数的同时接收中控室工程师工作站的指令来控制现场设备，又要在现场控制有较高优先级的场合(即本地控制优先级高于上位监控层控制)，能单独对设备进行控制；而且，在无人值守的情况下，智能测控节点对紧急情况能实现自动控制和报警，比如清水池水位过低时送水泵停机并报警，漏氯检测仪发出“漏氯”报警时关闭加氯系统并将报警延伸至中控室等等。[page]

    智能测控节点主控芯片采用Microchip公司生产的PIC32MX795F512L。它是一款基于M4K内核的32位RISC嵌入式处理器，内置128 KB的SRAM存储器和512 KB的Flash闪存，集成度高，芯片内部的预取高速缓存模块可加速闪存的执行速度。此外，芯片内置最多16通道10位ADC、2路CAN2．0控制器、6路UART标准串行口模块，USB接口、工业以太网络控制器等。由于PIC32MX795F512L芯片外设资源非常丰富，外围硬件电路非常简单，从而提高了智能测控节点的兼容性和稳定性。智能测控节点的硬件结构框图如图2所示。

    PIC32MX795F512L内置的以太网控制器与LAN8700I相连，TX+、TX-、RX+、RX-信号线经过隔离变压器隔离后，再连接网元层的交换机。本设计采用基丁RMII(Reduced Media Independent Interface，简化媒体独立接口)的10／100Mbps；以太MAC与LAN8700I相连，其帧格式遵循IEEE802．3(10M)／IEEE802．3u(100M)协议，端口信号线少，连接简单。
    PIC32MX795F512L内置CAN控制器的输出信号，须经过光电隔离后，再连接CAN控制器接口芯片。设计使用Microchip公司的MCP2551作为接口芯片，该芯片完全满足ISO11898标准物理层规范要求，通信速率可达1 Mb／s，抗工业环境中的高压瞬间干扰，其差分总线具有很强的抗噪特性，其欠压保护功能使得未上电的节点或欠压节点对总线无任何影响，具有很强的保护总线能力。设计中将芯片的CAN控制器2作为工业以太网络的冗余，一旦智能测控节点的以太网络接口发生故障则报警，同时CAN网络自动投切，保证现场数据能实时上传到中控室，并执行中控室发来的远程控制命令。
    智能测控节点有友好的人机界面接口，节点使用触摸液晶屏(10．4英寸TFT，800×600图形点阵)在现场显示设备状态。本设计通过节点的串口和迪文科技的DMG80600S104智能显示终端连接。DMG80600S104基于图形界面操作，通过设置／下载触控配置文件后，可直接读取触摸键值。图形显示和触摸感应的实时性强，方便人员完成各个节点功能参数的设定(包括节点地址、通信速率、操作优先级等)及设备控制。
    PIC32MX795F512L支持符合USB 2．0规范的全速设备和OTG(On-The-Go)控制器，系统的智能测控节点连接一个USB接口的针式报警打印机，用于在设备现场实时记录和输出报警，方便高效。
    系统的每个智能测控节点硬件结构都与图2类似，只是不同节点有不同的现场监控对象。按照区域划分，通常水厂的监控对象有取水泵站的取水头水位、阀门状态；加矾系统的浊度仪、流量计、矾池液位计的变量，计量泵电动冲程控制和搅拌系统控制；加氯系统的源水流量计、氯气管隔膜压力表的数值，余氯分析仪、漏氯报警仪的变量、真空调节器入口阀开关状态、水射器和加氯机控制等；送水泵站的清水池水位、送水泵出口压力值、阀门状态、送水泵的各相电压和电流、变频器控制等。以上的智能仪表有些需要RS232和RS485等通信接口(譬如浊度仪等)，而智能测控节点提供了多类型的接口和仪表连接，具有很强的兼容性和很高的可集成度。

3 系统软件设计
3．1 工业以太网络和CAN网络的冗余策略
    由于水厂厂区面积较大，容易发生现场智能测控节点与中控室的网络链接故障，并且为满足网络建设和维护的低成本需求，设计采用网络链路冗余的方法解决这个问题。设计中，工业以太网络和CAN网络分别铺设，减小同时发生网络链路故障的概率，同时使用PPT，衡量网络质量以实现自动投切的冗余策略，以保证网络的稳定性和安全性。
    定义智能测控节点巡检周期时间PPTnode(Node Polling Periodic Time)为节点通过工业以太网向上层发送现场采集的数据的间隔时间，一般取200～1000 ms，本文取200 ms，即
     PPTnode=0．2s     (1)
    上位机巡检周期时间PPThost(Host Polling Periodic Time)简称PPT，为上位机收到智能测控节点上传现场数据的间隔时间。那么，使用上位机定时器从t=t0时刻开始可测量出一个无限长的样本，即
    PPThost=PPT=(PPT1，PPT2，…，PPTn，…)
    0    引入上位机平滑巡检周期时间PPTs(Smooth Polling Periodic Time)作为衡量工业以太网络平台的智能测控节点和上位机之间通信质量，表示为：
   
    第一次测量到PPT样本时，PPTs值取节点的巡检周期时间为：PPTnode，以后每测量到一个新的PPT样本，就按上式重新计算一次PPTs。
    依照经验，取α=0．25，若
    PPTs>0．8                 (4)
    则认为通信链路断开，自动投切到CAN网络。

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3．2 智能测控节点的数据通信协议
    MODBUS协议最早由Modicon公司开发，现在已成为工业领域全球最流行的协议之一。该协议支持RS-232、RS-422、RS-485和以太网等多种设备，使得不同厂商生产的控制设备可以连成工业网络，进行集中监控。本设计中，智能测控节点和上位机的通信协议只采用MODBUS协议的RTU帧数据格式，通信方式采用命令请求-应答方式，且应答帧数据长度不固定，其格式如图3所示。

    在工业以太网平台，智能测控节点和上位机连接使用TCP方式，TCP帧数据直接使用表1中的MODBUSADU；在CAN网络平台，由于使用多主短帧方式，CAN数据帧仲裁场18位扩展识别符写入目的站地址和PDU子帧序号，数据场写入PDU的8字节子帧，以适合CAN数据帧的合并和拼接，数据格式如图4所示。

4 实验结果
    本文使用Matlab软件对用PPTs衡量网络质量以实现自动投切的冗余算法进行仿真。由于以太网络的数据包产生网络延时的分布符合Pare to分布，其突发序列长度的性质具有自相似特征，我们可以使用Pareto分布建立的自相似模型进行网络仿真分析。本文使用Matlab7．1中GP RND()函数随机生成的数据，满足Pareto分布(x=0．3，k=0．82，θ=σ=1)，Paret0分布的PPT样本值如图5所示。图6是使用式(3)计算后的仿真结果(σ=0．25)。

           

    图5和图6的每个样本采集的时间间隔为0．2 s，第55个时间单位的时间间隔的PPT=2．380 8s，数据传输时间间隔过长，超过连续12个命令帧无响应，使得PPTs>0．8时认为通信链路断开；第22、35、72、98个时间单位的PPT虽然都大于1 s，但是随后的命令帧有响应，能快速恢复；PPTs<0．8时网络能自动识别链路没有断开。因此，用式(3)、(4)计算和判定网络链路状态，稳定性较好。

结语
    本文设计了一种多网络融合的水厂自动化控制系统，自动化系统的工业以太网络平台可融合安防系统等。该系统节点提供了多网络接口与智能仪表或设备互连，并给出以太／CAN网自动投切的算法和异构网络的数据帧协议。
    仿真实验表明，以太／CAN网冗余算法能很好地识别网络链路状态和衡量网络质量。
    该系统通信质量高，抗干扰能力强，可靠性好，可集成度高，组态灵活，有着良好的应用前景。