多網(wǎng)絡(luò)融合的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PIC32MX795F512L內(nèi)置的以太網(wǎng)控制器與LAN8700I相連，TX+、TX-、RX+、RX-信號線經(jīng)過隔離變壓器隔離后，再連接網(wǎng)元層的交換機(jī)。本設(shè)計(jì)采用基丁RMII(Reduced Media Independent Interface，簡化媒體獨(dú)立接口)的10／100Mbps；以太MAC與LAN8700I相連，其幀格式遵循IEEE802．3(10M)／IEEE802．3u(100M)協(xié)議，端口信號線少，連接簡單。
PIC32MX795F512L內(nèi)置CAN控制器的輸出信號，須經(jīng)過光電隔離后，再連接CAN控制器接口芯片。設(shè)計(jì)使用Microchip公司的MCP2551作為接口芯片，該芯片完全滿足ISO11898標(biāo)準(zhǔn)物理層規(guī)范要求，通信速率可達(dá)1 Mb／s，抗工業(yè)環(huán)境中的高壓瞬間干擾，其差分總線具有很強(qiáng)的抗噪特性，其欠壓保護(hù)功能使得未上電的節(jié)點(diǎn)或欠壓節(jié)點(diǎn)對總線無任何影響，具有很強(qiáng)的保護(hù)總線能力。設(shè)計(jì)中將芯片的CAN控制器2作為工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)的冗余，一旦智能測控節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)絡(luò)接口發(fā)生故障則報(bào)警，同時(shí)CAN網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)投切，保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)能實(shí)時(shí)上傳到中控室，并執(zhí)行中控室發(fā)來的遠(yuǎn)程控制命令。
智能測控節(jié)點(diǎn)有友好的人機(jī)界面接口，節(jié)點(diǎn)使用觸摸液晶屏(10．4英寸TFT，800×600圖形點(diǎn)陣)在現(xiàn)場顯示設(shè)備狀態(tài)。本設(shè)計(jì)通過節(jié)點(diǎn)的串口和迪文科技的DMG80600S104智能顯示終端連接。DMG80600S104基于圖形界面操作，通過設(shè)置／下載觸控配置文件后，可直接讀取觸摸鍵值。圖形顯示和觸摸感應(yīng)的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，方便人員完成各個(gè)節(jié)點(diǎn)功能參數(shù)的設(shè)定(包括節(jié)點(diǎn)地址、通信速率、操作優(yōu)先級等)及設(shè)備控制。
PIC32MX795F512L支持符合USB 2．0規(guī)范的全速設(shè)備和OTG(On-The-Go)控制器，系統(tǒng)的智能測控節(jié)點(diǎn)連接一個(gè)USB接口的針式報(bào)警打印機(jī)，用于在設(shè)備現(xiàn)場實(shí)時(shí)記錄和輸出報(bào)警，方便高效。
系統(tǒng)的每個(gè)智能測控節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)都與圖2類似，只是不同節(jié)點(diǎn)有不同的現(xiàn)場監(jiān)控對象。按照區(qū)域劃分，通常水廠的監(jiān)控對象有取水泵站的取水頭水位、閥門狀態(tài)；加礬系統(tǒng)的濁度儀、流量計(jì)、礬池液位計(jì)的變量，計(jì)量泵電動(dòng)沖程控制和攪拌系統(tǒng)控制；加氯系統(tǒng)的源水流量計(jì)、氯氣管隔膜壓力表的數(shù)值，余氯分析儀、漏氯報(bào)警儀的變量、真空調(diào)節(jié)器入口閥開關(guān)狀態(tài)、水射器和加氯機(jī)控制等；送水泵站的清水池水位、送水泵出口壓力值、閥門狀態(tài)、送水泵的各相電壓和電流、變頻器控制等。以上的智能儀表有些需要RS232和RS485等通信接口(譬如濁度儀等)，而智能測控節(jié)點(diǎn)提供了多類型的接口和儀表連接，具有很強(qiáng)的兼容性和很高的可集成度。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)的冗余策略
由于水廠廠區(qū)面積較大，容易發(fā)生現(xiàn)場智能測控節(jié)點(diǎn)與中控室的網(wǎng)絡(luò)鏈接故障，并且為滿足網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)的低成本需求，設(shè)計(jì)采用網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余的方法解決這個(gè)問題。設(shè)計(jì)中，工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和CAN網(wǎng)絡(luò)分別鋪設(shè)，減小同時(shí)發(fā)生網(wǎng)絡(luò)鏈路故障的概率，同時(shí)使用PPT，衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)投切的冗余策略，以保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性。
定義智能測控節(jié)點(diǎn)巡檢周期時(shí)間PPTnode(Node Polling Periodic Time)為節(jié)點(diǎn)通過工業(yè)以太網(wǎng)向上層發(fā)送現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間，一般取200～1000 ms，本文取200 ms，即
PPTnode=0．2s (1)
上位機(jī)巡檢周期時(shí)間PPThost(Host Polling Periodic Time)簡稱PPT，為上位機(jī)收到智能測控節(jié)點(diǎn)上傳現(xiàn)場數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間。那么，使用上位機(jī)定時(shí)器從t=t0時(shí)刻開始可測量出一個(gè)無限長的樣本，即
PPThost=PPT=(PPT1，PPT2，…，PPTn，…)
0n+∞ (2)
引入上位機(jī)平滑巡檢周期時(shí)間PPTs(Smooth Polling Periodic Time)作為衡量工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)平臺的智能測控節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)之間通信質(zhì)量，表示為：

第一次測量到PPT樣本時(shí)，PPTs值取節(jié)點(diǎn)的巡檢周期時(shí)間為：PPTnode，以后每測量到一個(gè)新的PPT樣本，就按上式重新計(jì)算一次PPTs。
依照經(jīng)驗(yàn)，取α=0．25，若
PPTs>0．8 (4)
則認(rèn)為通信鏈路斷開，自動(dòng)投切到CAN網(wǎng)絡(luò)。