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

摘要：針對(duì)水廠儀表可集成度低和網(wǎng)絡(luò)兼容性差的缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種多網(wǎng)絡(luò)融合的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)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(luò)接口與儀表／設(shè)備互連，并給出了硬件方案、工業(yè)以太／CAN網(wǎng)絡(luò)冗余算法和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀協(xié)議。該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)融合了安防等其他系統(tǒng)，仿真試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)冗余算法可靠性高，穩(wěn)定性好。
關(guān)鍵詞：多網(wǎng)絡(luò)融合；自動(dòng)化控制系統(tǒng)；智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)

引言
如何滿足市民日益增大的用水需要是當(dāng)前我國(guó)城市建設(shè)的突出問(wèn)題，城區(qū)水廠自動(dòng)化改造和建設(shè)也已成為當(dāng)務(wù)之急。隨著信息技術(shù)和工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的迅猛發(fā)展，供水行業(yè)的儀表與設(shè)備的數(shù)量、種類眾多，儀表與設(shè)備普遍存在接口不統(tǒng)一、網(wǎng)絡(luò)兼容性不高、使用不方便等問(wèn)題。雖然有部分研究機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商提供儀表和設(shè)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(shè)備的要求，應(yīng)用面較窄，與其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成度較低。
針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種多網(wǎng)絡(luò)融合的水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)提供多種網(wǎng)絡(luò)接口和模擬／開(kāi)關(guān)量接口，從智能儀表或現(xiàn)場(chǎng)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)經(jīng)由工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)送至上位監(jiān)控主機(jī)，同時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)融合了安防系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水廠廠區(qū)的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)視。該技術(shù)在通信效率、實(shí)時(shí)性、可靠性、兼容性、全面性等方面有著明顯的優(yōu)勢(shì)。由于具備較高的系統(tǒng)集成度和較好的性能優(yōu)勢(shì)，既提升了水廠信息化和工業(yè)化水平，又降低了水廠自動(dòng)化改造和建設(shè)的成本，減小了設(shè)備維護(hù)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 系統(tǒng)原理和總體結(jié)構(gòu)
多網(wǎng)絡(luò)融合的水廠自動(dòng)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(dòng)化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制層，各站位的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)從現(xiàn)場(chǎng)采集水頭水位、水池水位、閥門開(kāi)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(jī)各相電流／電壓／功角等現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控對(duì)象的參數(shù)和變量，并實(shí)時(shí)運(yùn)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(guò)網(wǎng)元層的工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)接收現(xiàn)場(chǎng)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和處理，并可根據(jù)實(shí)際需要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)行就地的實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制；中控室操作員站和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器也接收傳來(lái)的電氣設(shè)備的參數(shù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、分析、打印等，但是不具備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和控制權(quán)限分配的功能，在遠(yuǎn)程的水廠總公司服務(wù)器也能通過(guò)Internet互聯(lián)實(shí)現(xiàn)與水廠的數(shù)據(jù)庫(kù)共享。
為滿足水廠安防監(jiān)控的需要，自動(dòng)化控制系統(tǒng)同時(shí)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(tái)和攝像機(jī)，監(jiān)視視頻的模擬信號(hào)接入多路網(wǎng)絡(luò)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(wù)器將現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)采集的信號(hào)投射到中控站監(jiān)視電視墻上，實(shí)現(xiàn)水廠廠區(qū)的實(shí)時(shí)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(luò)視頻監(jiān)視的相關(guān)技術(shù)。

2 智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)
多網(wǎng)絡(luò)融合的智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)，既要在采集和傳輸現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備參數(shù)的同時(shí)接收中控室工程師工作站的指令來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，又要在現(xiàn)場(chǎng)控制有較高優(yōu)先級(jí)的場(chǎng)合(即本地控制優(yōu)先級(jí)高于上位監(jiān)控層控制)，能單獨(dú)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制；而且，在無(wú)人值守的情況下，智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)對(duì)緊急情況能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和報(bào)警，比如清水池水位過(guò)低時(shí)送水泵停機(jī)并報(bào)警，漏氯檢測(cè)儀發(fā)出“漏氯”報(bào)警時(shí)關(guān)閉加氯系統(tǒng)并將報(bào)警延伸至中控室等等。