多網(wǎng)絡融合的水廠自動化控制系統(tǒng)設計

摘要：針對水廠儀表可集成度低和網(wǎng)絡兼容性差的缺點，設計了一種多網(wǎng)絡融合的水廠自動化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)節(jié)點選用Microchip公司基于M4K內(nèi)核的處理器PIC32MX795F512L，使用該芯片內(nèi)置的多種網(wǎng)絡接口與儀表／設備互連，并給出了硬件方案、工業(yè)以太／CAN網(wǎng)絡冗余算法和異構(gòu)網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)幀協(xié)議。該系統(tǒng)網(wǎng)絡平臺融合了安防等其他系統(tǒng)，仿真試驗表明，該系統(tǒng)網(wǎng)絡冗余算法可靠性高，穩(wěn)定性好。
關(guān)鍵詞：多網(wǎng)絡融合；自動化控制系統(tǒng)；智能測控節(jié)點

引言
如何滿足市民日益增大的用水需要是當前我國城市建設的突出問題，城區(qū)水廠自動化改造和建設也已成為當務之急。隨著信息技術(shù)和工業(yè)自動化技術(shù)的迅猛發(fā)展，供水行業(yè)的儀表與設備的數(shù)量、種類眾多，儀表與設備普遍存在接口不統(tǒng)一、網(wǎng)絡兼容性不高、使用不方便等問題。雖然有部分研究機構(gòu)和生產(chǎn)廠商提供儀表和設備的協(xié)議接口轉(zhuǎn)換器，但是它們的功能單一，只能滿足少部分儀表和設備的要求，應用面較窄，與其他網(wǎng)絡系統(tǒng)的集成度較低。
針對以上問題，本文提出一種多網(wǎng)絡融合的水廠自動化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)點提供多種網(wǎng)絡接口和模擬／開關(guān)量接口，從智能儀表或現(xiàn)場獲取設備運行狀態(tài)，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)絡送至上位監(jiān)控主機，同時自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡平臺融合了安防系統(tǒng)，以實現(xiàn)對水廠廠區(qū)的實時視頻監(jiān)視。該技術(shù)在通信效率、實時性、可靠性、兼容性、全面性等方面有著明顯的優(yōu)勢。由于具備較高的系統(tǒng)集成度和較好的性能優(yōu)勢，既提升了水廠信息化和工業(yè)化水平，又降低了水廠自動化改造和建設的成本，減小了設備維護的勞動強度。

1 系統(tǒng)原理和總體結(jié)構(gòu)
多網(wǎng)絡融合的水廠自動化控制系統(tǒng)采用分布式數(shù)據(jù)采集方式，共分3層結(jié)構(gòu)：上位監(jiān)控層、網(wǎng)元層和數(shù)據(jù)采集與控制層。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

在自動化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制層，各站位的智能測控節(jié)點負責從現(xiàn)場采集水頭水位、水池水位、閥門開關(guān)狀態(tài)、水泵出口水壓／流量大小、濁度和PH值等水質(zhì)參數(shù)、電機各相電流／電壓／功角等現(xiàn)場監(jiān)控對象的參數(shù)和變量，并實時運算和處理，這些數(shù)據(jù)再經(jīng)由網(wǎng)元層發(fā)送到高層。在上位監(jiān)控層，中控室工程師站通過網(wǎng)元層的工業(yè)以太網(wǎng)絡接收現(xiàn)場發(fā)來的數(shù)據(jù)，進行分析和處理，并可根據(jù)實際需要對現(xiàn)場設備實行就地的實時監(jiān)視和控制；中控室操作員站和數(shù)據(jù)庫服務器也接收傳來的電氣設備的參數(shù)進行顯示、存儲、分析、打印等，但是不具備對現(xiàn)場設備的控制和控制權(quán)限分配的功能，在遠程的水廠總公司服務器也能通過Internet互聯(lián)實現(xiàn)與水廠的數(shù)據(jù)庫共享。
為滿足水廠安防監(jiān)控的需要，自動化控制系統(tǒng)同時融合了安防系統(tǒng)。安防系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制層、各站位和道路等其他重要區(qū)域安裝了云臺和攝像機，監(jiān)視視頻的模擬信號接入多路網(wǎng)絡視頻編碼器，數(shù)字化編碼后再經(jīng)由網(wǎng)元層發(fā)送到高層；在上位監(jiān)控層，中控室的視頻服務器將現(xiàn)場攝像機采集的信號投射到中控站監(jiān)視電視墻上，實現(xiàn)水廠廠區(qū)的實時視頻監(jiān)視。由于安防系統(tǒng)技術(shù)成熟，本文不討論網(wǎng)絡視頻監(jiān)視的相關(guān)技術(shù)。

2 智能測控節(jié)點的硬件設計
多網(wǎng)絡融合的智能測控節(jié)點，既要在采集和傳輸現(xiàn)場設備參數(shù)的同時接收中控室工程師工作站的指令來控制現(xiàn)場設備，又要在現(xiàn)場控制有較高優(yōu)先級的場合(即本地控制優(yōu)先級高于上位監(jiān)控層控制)，能單獨對設備進行控制；而且，在無人值守的情況下，智能測控節(jié)點對緊急情況能實現(xiàn)自動控制和報警，比如清水池水位過低時送水泵停機并報警，漏氯檢測儀發(fā)出“漏氯”報警時關(guān)閉加氯系統(tǒng)并將報警延伸至中控室等等。