多網(wǎng)絡融合的水廠自動化控制系統(tǒng)設計
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智能測控節(jié)點主控芯片采用Microchip公司生產(chǎn)的PIC32MX795F512L。它是一款基于M4K內(nèi)核的32位RISC嵌入式處理器，內(nèi)置128 KB的SRAM存儲器和512 KB的Flash閃存，集成度高，芯片內(nèi)部的預取高速緩存模塊可加速閃存的執(zhí)行速度。此外，芯片內(nèi)置最多16通道10位ADC、2路CAN2．0控制器、6路UART標準串行口模塊，USB接口、工業(yè)以太網(wǎng)絡控制器等。由于PIC32MX795F512L芯片外設資源非常豐富，外圍硬件電路非常簡單，從而提高了智能測控節(jié)點的兼容性和穩(wěn)定性。智能測控節(jié)點的硬件結構框圖如圖2所示。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/161403.htm
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。本設計采用基丁RMII(Reduced Media Independent Interface，簡化媒體獨立接口)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。設計使用Microchip公司的MCP2551作為接口芯片，該芯片完全滿足ISO11898標準物理層規(guī)范要求，通信速率可達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的抗噪特性，其欠壓保護功能使得未上電的節(jié)點或欠壓節(jié)點對總線無任何影響，具有很強的保護總線能力。設計中將芯片的CAN控制器2作為工業(yè)以太網(wǎng)絡的冗余，一旦智能測控節(jié)點的以太網(wǎng)絡接口發(fā)生故障則報警，同時CAN網(wǎng)絡自動投切，保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)能實時上傳到中控室，并執(zhí)行中控室發(fā)來的遠程控制命令。
智能測控節(jié)點有友好的人機界面接口，節(jié)點使用觸摸液晶屏(10．4英寸TFT，800×600圖形點陣)在現(xiàn)場顯示設備狀態(tài)。本設計通過節(jié)點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的實時性強，方便人員完成各個節(jié)點功能參數(shù)的設定(包括節(jié)點地址、通信速率、操作優(yōu)先級等)及設備控制。
PIC32MX795F512L支持符合USB 2．0規(guī)范的全速設備和OTG(On-The-Go)控制器，系統(tǒng)的智能測控節(jié)點連接一個USB接口的針式報警打印機，用于在設備現(xiàn)場實時記錄和輸出報警，方便高效。
系統(tǒng)的每個智能測控節(jié)點硬件結構都與圖2類似，只是不同節(jié)點有不同的現(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、礬池液位計的變量，計量泵電動沖程控制和攪拌系統(tǒng)控制；加氯系統(tǒng)的源水流量計、氯氣管隔膜壓力表的數(shù)值，余氯分析儀、漏氯報警儀的變量、真空調(diào)節(jié)器入口閥開關狀態(tài)、水射器和加氯機控制等；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)點提供了多類型的接口和儀表連接，具有很強的兼容性和很高的可集成度。
3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 工業(yè)以太網(wǎng)絡和CAN網(wǎng)絡的冗余策略
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)點與中控室的網(wǎng)絡鏈接故障，并且為滿足網(wǎng)絡建設和維護的低成本需求，設計采用網(wǎng)絡鏈路冗余的方法解決這個問題。設計中，工業(yè)以太網(wǎng)絡和CAN網(wǎng)絡分別鋪設，減小同時發(fā)生網(wǎng)絡鏈路故障的概率，同時使用PPT，衡量網(wǎng)絡質(zhì)量以實現(xiàn)自動投切的冗余策略，以保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和安全性。
定義智能測控節(jié)點巡檢周期時間PPTnode(Node Polling Periodic Time)為節(jié)點通過工業(yè)以太網(wǎng)向上層發(fā)送現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)的間隔時間，一般取200～1000 ms，本文取200 ms，即
PPTnode=0．2s (1)
上位機巡檢周期時間PPThost(Host Polling Periodic Time)簡稱PPT，為上位機收到智能測控節(jié)點上傳現(xiàn)場數(shù)據(jù)的間隔時間。那么，使用上位機定時器從t=t0時刻開始可測量出一個無限長的樣本，即
PPThost=PPT=(PPT1，PPT2，…，PPTn，…)
0n+∞ (2)
引入上位機平滑巡檢周期時間PPTs(Smooth Polling Periodic Time)作為衡量工業(yè)以太網(wǎng)絡平臺的智能測控節(jié)點和上位機之間通信質(zhì)量，表示為：
第一次測量到PPT樣本時，PPTs值取節(jié)點的巡檢周期時間為：PPTnode，以后每測量到一個新的PPT樣本，就按上式重新計算一次PPTs。
依照經(jīng)驗，取α=0．25，若
PPTs>0．8 (4)
則認為通信鏈路斷開，自動投切到CAN網(wǎng)絡。
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