現場總線在水廠自動控制中的應用

摘要： 本文闡述了FCS的構成與特點，詳細描述了三菱機電公司現場網絡CC-LINK先進性能及其在深圳筆架山水廠泵房自控系統中的具體應用的硬件構成及軟件編程，該模式的成功應用，給我國水廠自動控制提供了有益借鑒。 近年來，無論在大型的自動化展覽會，還是在學術交流會上，現場總線始終是一個熱門話題。現場總線給工業自動化領域帶來的又一次革命，其深度和廣度將超過歷史上任何一次，甚至被稱為“開創了工業自動化新紀元”。 一、現場總線綜述 現場總線系統（ＦＣＳ）是全數字串行、雙向通信系統。系統內測量和控制設備如探頭、激勵器和控制器可相互連接、監測和控制。在工廠網絡的分級中，它既作為過程控制（如ＰＬＣ，ＬＣ等）和應用智能儀表（如變頻器、閥門、條碼閱讀器等）的局部網，又具有在網絡上分布控制應用的內嵌功能。由于其廣闊的應用前景，眾多國外有實力的廠家競相投入力量，進行產品開發。目前，國際上已知的現場總線類型有四十余種，比較典型的現場總線有：ＦＦ，Ｐrofibus,LON works,CAN，HART，CC-LINK等。 現場總線技術改變過去的集中式工廠控制方式為現場完全分散控制方式，是一種真正交互操作、完全開放、增強型現場控制和具有最少安裝費用的模式。其主要特點如下： ⑴ 用可靠的數字信號取代４∽２０mA模擬信號。以HART總線為例說明，HART是一種串行傳輸方法，其信號是一種數字通信，它對普通的模擬信號加以調制，以兩種頻率（“0”：1200HZ和“1”：2200HZ）正弦波傳輸。這種具有傳輸能耗低，果然少，效率高的優點。 ⑵ 許多現場總線采用就地設備由智能化儀表管理，控制/報警/計算等功能裝置均分散在現場，現場儀表的布線采用并行布線方法，能節省大量的信號電纜，安裝簡便，使工程費用降低。 ⑶ 不同品牌設備可相互連接及操作。 ⑷ 完全采用標準化結構，網絡結構簡單。以Profibus現場總線為例，如圖一所示 圖一、現場總線（Profibus）的通信系統 圖中，Profibus—FMS 是總線報文規范，Profibus-DP為現場設備總線協議， Profibus-PA是Profibus-DP 向現場的延伸，所不同的是它在物理層采用了IEC1158-2傳輸技術，使測量變送器和執行機構也能夠在易爆危險區域遠距離地同中央自控儀表/系統通信，且可通過現場總線饋電。 Profibus總線訪問協議是一種混合協議，主站之間的令牌傳遞方式（Token Passing）和主站與從站之間的主從方式（Master-Slave）。其傳輸技術應用NRZ碼、RS485，采用雙絞線、雙線電纜或光纜。通訊速率從9.6Kb/s達到12Mb/s。網絡拓撲結構可為總線型、星型、環型。布線方式改變過去的串行為并行，取消了常規布線的配線架、電源隔離器和現場分線箱，網絡結構更加簡單。 ⑸ 組態十分方便。現場總線的應用，能方便實現變量訪問、程序調用、運行控制和事件管理。 ⑹ 可查詢更多信息，具有一致數據庫。 總之，現場總線可較大幅度地降低成本，其準確度和可靠性更高。 二、CC-LINK 的先進性能　 　CC-LINK是三菱公司在FA領域中新開發的現場網絡，具有實時性強、控制分散、與眾多品牌的現場設備（如支持Profibus—DP、MODBUS協議的設備等）互相連接，為用戶提供多廠商設備的使用環境。該網絡完全滿足用戶對開放結構與可靠性的嚴格要求。其主要特點如下： ① 傳輸速度：1.2Km為156Kbps，100m可達10Mbps。 ② 采用雙絞線組成總線網。 ③ 主、從站之間可一次傳送128位元和16個字組。 ④ 可加備用主站，且有網絡監控功能。 ⑤ 可進行遠距離編程。 ⑥ 擁有超過38間公司協議成為CC-LINK配備產品的合作開發伙伴（如SMC， Msystem，SUNX，Token，Yamatake，Honeywell等）。 CC-LINK現場總線系統應用如圖二所示。 圖二 CC-LINK 系統應用圖 三、應用系統硬件構成 深圳市自來水集團開天源自動化有限公司在對深圳筆架山水廠泵房自動化工程設計時，經過分析、比較時考慮到原廠已部分實現車間PLC控制，正在使用PLC品牌有：ABB的MODCELL 100、三菱F1-40MR等，經過價格及性能分析、比較確定：選用了三菱公司的CC-LINK現場總線產品作為主控設備，控制硬件系統結構圖如下圖三所示。 圖三 筆架山水廠泵房控制系統硬件結構圖 圖中，主站控制一臺送水泵、兩臺真空泵和一臺排水泵，監控與管理整個泵房CC-LINK網絡的情況，包括： 1、 遠程離線：對操作不正常的遠程模塊或從站自動和網絡讓其離線。 2、 自動恢復：不正常的遠程模塊或從站一旦恢復正常，自動與網絡接上。 3、 自動診斷：運用自檢功能檢查硬件及系統接線狀態。 4、 網絡監視：將網絡狀態儲存在在CPU的寄器中。 5、 負責接受來自（從站）七臺泵的開真空泵命令、轉發廠站的各泵狀態、出廠水水質數據及傳送由廠站調度下達的開泵命令。 1#∽3#從站各自監測和控制兩臺送水泵運行，接受來自主站的開泵命令、發送給主站的各泵狀態數據。 4#∽7#從站監測和控制配電室。對高壓配電（合/分閘、變壓器、電容補償）進行監測，對低壓配電（合/分閘、變壓器、直流電屏）進行監測和控制。 遠程I/O站采集部分配電參數。 四 、應用系統軟件 CC-LINK是開放式雙絞線網絡，安全可靠且速度高。其通信數據使用分布方式進行交換，如圖三所示。 圖三 CC-LINK數據交換圖 [注]循環傳送指位傳送和字傳送，瞬間傳送指專用指令的傳送。 圖中，RX、RY分別指數字輸入及數字輸出，CC-LINK中數字變量采取位傳送，每邏輯站可傳送數字輸入、輸出個各32點；RWw、RWr分別指模擬輸入及模擬輸出，CC-LINK中模擬變量采取字傳送，每邏輯站可傳送模擬輸入、輸出個各4點。邏輯站的意義在于組網時，須考慮最大站數不得超過64個，對于不同的模塊占用的站數情形如下：遠程I/O模塊（遠程I/O站）占用1個邏輯站；本地站占用4個邏輯站；模 模擬轉換模塊（遠程裝置站）占用2個邏輯站。 筆架山水廠泵房控制系統軟件流程如下圖四所示： 本應用系統是針對深圳市自來水公司筆架山水廠泵房內設備。應用CC-LINK現場總線產品后，最明顯的優點是： ⑴ 泵房內自動控制系統網絡速度高達2.5Mbps（100m時），數據采集速度快，系統響應時間短，提高了控制精度和可靠性。 ⑵ 系統抗干擾能力明顯增強。 ⑶ 布線簡單，故障診斷定位快速。 ⑷ 控制系統的引入，較大程度地減輕工人的勞動強度，提高了生產效率。 ⑸ 故障自動隔離。當一個從站或智能儀表故障時系統可自動分離此站，不影響整個網絡運行。 ⑹ 系統擴展方便。增加站或備用站可在線連于網絡上，只需將其設為保留站即可。 ⑺ 與其它品牌設備互連性強，本系統將CC-LIN連在MODBUS網絡上，顯示出網間連接性能穩定，數據傳輸準確及時。對于解決不同品牌設備互連的問題提供了解決辦法。 圖四 筆架山水廠泵房控制系統軟件流程圖 本應用系統所采用的FCS模式比以往的DCS或PLCS模式更先進、更可靠。隨著時間的推移，相信在我國自來水行業使用現場總線模式越來越多，后來者居上是歷史發展的必然趨勢。