1、現(xiàn)場總線技術(shù)系統(tǒng)
1.1現(xiàn)場總線技術(shù)概述
現(xiàn)場總線（fieldbus）是連接現(xiàn)場智能設(shè)備（如智能化的傳感器、變送器、測量儀表和執(zhí)行器等）和計算機(jī)系統(tǒng)的開放式、數(shù)字化、雙向傳輸、多點通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)，用于完成智能設(shè)備之間以及智能設(shè)備與監(jiān)控計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換，它融入了智能儀表、控制、計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)，數(shù)字通訊和開放系統(tǒng)互聯(lián)等技術(shù)的精粹，是一種高性能的通信技術(shù)。
現(xiàn)場總線技術(shù)是隨著控制、計算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種總線技術(shù)，現(xiàn)場總線技術(shù)的出現(xiàn)引起了自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變革，它逐步形成以網(wǎng)絡(luò)集成自動化系統(tǒng)為基礎(chǔ)的企業(yè)信息系統(tǒng)，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)fcs是繼集散控制系統(tǒng)dcs之后的又一代控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是開放的、具有良好互操作性的和分散的雙向傳輸數(shù)字化互連網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的集成。目前，現(xiàn)場總線已在自動化領(lǐng)域發(fā)揮優(yōu)勢，是工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展的焦點，代表了自動化技術(shù)的發(fā)展方向。
1.2工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用
以太網(wǎng)是目前世界上應(yīng)用zui廣的局域網(wǎng)技術(shù)。隨著internet的發(fā)展，以太網(wǎng)已經(jīng)成為事實上的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，tcp/ip的簡單實用已深入人心，為廣大用戶所接受。目前不僅在辦公自動化領(lǐng)域內(nèi)，而且各個企業(yè)的管理網(wǎng)絡(luò)也使用以太網(wǎng)。在工業(yè)控制領(lǐng)域，隨著儀器儀表智能化的提高和工業(yè)管理智能化的深入，系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒘勘貙⒃黾樱磥韨鬏數(shù)臄?shù)據(jù)可能以不滿足幾十個字節(jié)，甚至可以是web網(wǎng)頁，所以網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇笕萘吭诠I(yè)控制中越來越重要，而以太網(wǎng)可以滿足工業(yè)控制的這種需求。
另外，工業(yè)底層網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)場總線協(xié)議數(shù)目眾多，不同協(xié)議的兼容問題一直困擾工業(yè)界。底層網(wǎng)絡(luò)引入以太網(wǎng)不僅使現(xiàn)場層、控制層和管理層在垂直層方便集成，更能降低不同廠家設(shè)備在水平層面上的集成成本，所以以太網(wǎng)向現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的底層延伸是順理成章的。
1.3基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)
由于嵌入技術(shù)使ethernet能到達(dá)傳感器和執(zhí)行器，這使得整個網(wǎng)絡(luò)的瓶頸效應(yīng)集中在應(yīng)用現(xiàn)場總線的設(shè)備層上的問題得以解決，可構(gòu)成如圖1所示的新型現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)。
這個網(wǎng)絡(luò)的特點是：首先，ethernet貫穿于整個網(wǎng)絡(luò)的各個層次，它使網(wǎng)絡(luò)成為透明的、覆蓋整個企業(yè)范圍的應(yīng)用實體。它實現(xiàn)了辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫結(jié)合，其良好的互連性和可擴(kuò)展性使之成為一種真正意義上的全開放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，一種真正意義上的大統(tǒng)一。其次，采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，將保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展。由于以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，使它的發(fā)展一直受到廣泛的重視和大量的技術(shù)投入，保證了以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展。如果工業(yè)控制領(lǐng)域采用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，將保證技術(shù)上的可持續(xù)發(fā)展，并在技術(shù)升級方面無需獨自的研究投入。這一點是任何現(xiàn)有的現(xiàn)場總線技術(shù)*的。另外，低成本是基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線系統(tǒng)*的優(yōu)越性。相對于現(xiàn)場總線卡的價格，以太網(wǎng)網(wǎng)卡的價格只有其十分之一。并且隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，其價格還會進(jìn)一步下降。由于以太網(wǎng)已被使用多年，人們對以太網(wǎng)設(shè)計應(yīng)用有很多經(jīng)驗，這就意味著可以顯著降低系統(tǒng)的開發(fā)和培訓(xùn)費用。
隨著以太網(wǎng)的實時性、穩(wěn)定性和抗干擾問題的逐步解決，以太網(wǎng)大規(guī)模進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)⒅溉湛纱⒁蕴W(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)控制領(lǐng)域，可以形成真正意義上的開放式系統(tǒng)，真正實現(xiàn)不同廠家的以太網(wǎng)產(chǎn)品互連。如果說現(xiàn)場總線系統(tǒng)是工業(yè)控制領(lǐng)域里的一場革命，那么以太網(wǎng)技術(shù)將現(xiàn)場總線系統(tǒng)帶入又一個新時代。以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢，也是信息技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。
2、水廠自動化控制系統(tǒng)
為了實現(xiàn)水廠的高度自動化，實現(xiàn)各生產(chǎn)現(xiàn)場的無人值守，整個水廠在正常情況下可以無人干預(yù)運行，在中央控制室即可實現(xiàn)運行參數(shù)的監(jiān)視及控制。利用先進(jìn)成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成水廠的自控網(wǎng)絡(luò)：
（1）采用10/100兆工業(yè)以太網(wǎng)作為主網(wǎng)絡(luò)；
（2）采用光纖網(wǎng)絡(luò)通訊媒體并構(gòu)成光線環(huán)網(wǎng)，使之具有冗余功能；
（3）采用全雙工的光交換機(jī)，構(gòu)成全雙工光纖以太網(wǎng)環(huán)；
（4）配有以太網(wǎng)通訊模塊的plc可直接鏈入光纖以太網(wǎng)中，成為以太網(wǎng)絡(luò)節(jié)點；
（5）選擇具有智能i/o現(xiàn)場總線通訊功能的plc作為現(xiàn)場控制器。
由圖2可知，該自控網(wǎng)絡(luò)屬于光纖以太網(wǎng)與現(xiàn)場總線相結(jié)合的多層網(wǎng)絡(luò)，主控制層為10/100兆全雙工光纖工業(yè)以太網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)中所有的plc控制器、pc機(jī)和光交換機(jī)均遵循tcp/ip協(xié)議。
2.1水廠控制系統(tǒng)的組成
整個水廠共設(shè)深井站、加藥站、送水站、加壓站四個plc子站及一個中央控制室。各plc子站及中央控制室皆為高速工業(yè)以太網(wǎng)的節(jié)點，它們之間可以通過以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)，光纖環(huán)網(wǎng)的冗余功能保證了以太網(wǎng)通訊的可靠性。通過工業(yè)以太網(wǎng)，中央控制室可以向各plc站下達(dá)控制指令、修改系統(tǒng)運行參數(shù)、讀取現(xiàn)場數(shù)據(jù)等；也可以實現(xiàn)各plc站之間的數(shù)據(jù)傳送。
現(xiàn)場層是plc的智能i/o現(xiàn)場總線。各plc站與某些現(xiàn)場設(shè)備如高壓電機(jī)控制柜的多功能保護(hù)器之間以profibus總線通訊連接；現(xiàn)場的觸摸操作屏之間以mpi通訊連接。通過下層現(xiàn)場總線，plc站向連接在總線上的設(shè)備發(fā)送控制命令、讀取設(shè)備數(shù)據(jù)。
2.2中央控制室的系統(tǒng)組成
中央控制室配有監(jiān)控操作計算機(jī)、打印機(jī)、ups等設(shè)備，其中監(jiān)控操作計算機(jī)時中央控制室的主體。所有設(shè)備通過自身安裝的以太網(wǎng)網(wǎng)卡以及一臺光交換機(jī)接入工業(yè)以太網(wǎng)與各plc現(xiàn)場控制站相連。在監(jiān)控操作計算機(jī)上裝有wincc組態(tài)軟件，在wincc的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的組態(tài)開發(fā)，完成水廠數(shù)據(jù)的技術(shù)統(tǒng)計和系統(tǒng)的控制，為操作員提供人機(jī)界面，用于下達(dá)操作和控制指令等。
通過上述配置，調(diào)度人員能及時掌握為實現(xiàn)水廠優(yōu)化管理而需要的各管理對象的狀態(tài)和控制參數(shù)，并能把所有的數(shù)據(jù)整理存檔，以便繪制曲線、打印報表和歷史查詢使用。
2.3plc站系統(tǒng)的組成
各plc站均有一個電源模塊、一個cpu模塊、一個以太網(wǎng)通訊模塊、若干個模擬量輸入輸出模塊和若干個數(shù)字量輸入輸出模塊組成。
其中電源模塊負(fù)責(zé)向其它模塊提供直流電源；各輸入輸出模塊同現(xiàn)場設(shè)備直接相連；plc站的數(shù)字量輸入模塊采集現(xiàn)場的閥門狀態(tài)、水位開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備運行與否等信號；數(shù)字量輸出模塊將plc的控制命令開閥門、關(guān)閥門、啟動設(shè)備、停止設(shè)備等信號送到現(xiàn)場設(shè)備；模擬量輸入模塊采集電機(jī)軸承溫度、原水濁度、出水濁度、液位信息等等；模擬量輸出模塊控制變頻器輸出頻率等。
cpu模塊的npi接口同現(xiàn)場的觸摸操作屏相連，構(gòu)成mpi連接，操作人員可以通過現(xiàn)場的觸摸操作屏監(jiān)控設(shè)備的運行。cpu模塊的接口同現(xiàn)場的plc從站及高壓電機(jī)柜的多功能保護(hù)器相連構(gòu)成總線。cpu通過總線獲得各水泵電機(jī)的運行數(shù)據(jù)并發(fā)送控制指令。
以太網(wǎng)通訊模塊通過光交換模塊使plc站接入工業(yè)以太網(wǎng)，實現(xiàn)各plc站及中央控制室間的數(shù)據(jù)通訊，使得中央控制室可以監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的運行及各plc站之間的聯(lián)控。
3、控制系統(tǒng)軟件設(shè)計思想
控制系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方法進(jìn)行，根據(jù)控制系統(tǒng)功能，將程序分為如下幾個模塊：信息采集模塊和顯示模塊，主要負(fù)擔(dān)顯示信息和切換控制系統(tǒng)功能的任務(wù)；通訊模塊，主要負(fù)擔(dān)主從機(jī)間信息交換任務(wù)；控制模塊和打印模塊，主要負(fù)擔(dān)信息、報表等的打印。串行通訊程序由上位機(jī)通訊程序和下位機(jī)通訊程序組成。上下位機(jī)通訊程序密切配合、協(xié)調(diào)一致，共同完成兩者之間的通訊。
4、結(jié)束語
現(xiàn)場總線技術(shù)和工業(yè)以太網(wǎng)通訊技術(shù)的發(fā)展和成熟給工業(yè)控制領(lǐng)域帶來了巨大變革，基于現(xiàn)場總線技術(shù)的水廠自動化控制系統(tǒng)在開放性、分散性、可靠性和安全性等方面有很大進(jìn)步。