现场总线在水厂自动控制中的应用

摘要：  本文阐述了FCS的构成与特点，详细描述了三菱机电公司现场网络CC-LINK先进性能及其在深圳笔架山水厂泵房自控系统中的具体应用的硬件构成及软件编程，该模式的成功应用，给我国水厂自动控制提供了有益借鉴。

近年来，无论在大型的自动化展览会，还是在学术交流会上，现场总线始终是一个热门话题。现场总线给工业自动化领域带来的又一次革命，其深度和广度将超过历史上任何一次，甚至被称为“开创了工业自动化新纪元”。

一、现场总线综述
现场总线系统（ＦＣＳ）是全数字串行、双向通信系统。系统内测量和控制设备如探头、激励器和控制器可相互连接、监测和控制。在工厂网络的分级中，它既作为过程控制（如ＰＬＣ，ＬＣ等）和应用智能仪表（如变频器、阀门、条码阅读器等）的局部网，又具有在网络上分布控制应用的内嵌功能。由于其广阔的应用前景，众多国外有实力的厂家竞相投入力量，进行产品开发。目前，国际上已知的现场总线类型有四十余种，比较典型的现场总线有：ＦＦ，Ｐrofibus,LON works,CAN，HART，CC-LINK等。
    现场总线技术改变过去的集中式工厂控制方式为现场完全分散控制方式，是一种真正交互操作、完全开放、增强型现场控制和具有最少安装费用的模式。其主要特点如下：
⑴ 用可靠的数字信号取代４∽２０mA模拟信号。以HART总线为例说明，HART是一种串行传输方法，其信号是一种数字通信，它对普通的模拟信号加以调制，以两种频率（“0”：1200HZ和“1”：2200HZ）正弦波传输。这种具有传输能耗低，果然少，效率高的优点。
⑵ 许多现场总线采用就地设备由智能化仪表管理，控制/报警/计算等功能装置均分散在现场，现场仪表的布线采用并行布线方法，能节省大量的信号电缆，安装简便，使工程费用降低。
    ⑶ 不同品牌设备可相互连接及操作。
⑷ 完全采用标准化结构，网络结构简单。以Profibus现场总线为例，如图一所示

图一、现场总线（Profibus）的通信系统
图中，Profibus—FMS 是总线报文规范，Profibus-DP为现场设备总线协议， Profibus-PA是Profibus-DP 向现场的延伸，所不同的是它在物理层采用了IEC1158-2传输技术，使测量变送器和执行机构也能够在易爆危险区域远距离地同中央自控仪表/系统通信，且可通过现场总线馈电。
Profibus总线访问协议是一种混合协议，主站之间的令牌传递方式（Token Passing）和主站与从站之间的主从方式（Master-Slave）。其传输技术应用NRZ码、RS485，采用双绞线、双线电缆或光缆。通讯速率从9.6Kb/s达到12Mb/s。网络拓扑结构可为总线型、星型、环型。布线方式改变过去的串行为并行，取消了常规布线的配线架、电源隔离器和现场分线箱，网络结构更加简单。
    ⑸  组态十分方便。现场总线的应用，能方便实现变量访问、程序调用、运行控制和事件管理。
⑹ 可查询更多信息，具有一致数据库。
总之，现场总线可较大幅度地降低成本，其准确度和可靠性更高。

二、CC-LINK 的先进性能　
　CC-LINK是三菱公司在FA领域中新开发的现场网络，具有实时性强、控制分散、与众多品牌的现场设备（如支持Profibus—DP、MODBUS协议的设备等）互相连接，为用户提供多厂商设备的使用环境。该网络完全满足用户对开放结构与可靠性的严格要求。其主要特点如下：
  ① 传输速度：1.2Km为156Kbps，100m可达10Mbps。
  ② 采用双绞线组成总线网。
  ③ 主、从站之间可一次传送128位元和16个字组。
  ④ 可加备用主站，且有网络监控功能。
  ⑤ 可进行远距离编程。
  ⑥ 拥有超过38间公司协议成为CC-LINK配备产品的合作开发伙伴（如SMC，  Msystem，SUNX，Token，Yamatake，Honeywell等）。
  CC-LINK现场总线系统应用如图二所示。

图二  CC-LINK 系统应用图
三、应用系统硬件构成
深圳市自来水集团开天源自动化有限公司在对深圳笔架山水厂泵房自动化工程设计时，经过分析、比较时考虑到原厂已部分实现车间PLC控制，正在使用PLC品牌有：ABB的MODCELL 100、三菱F1-40MR等，经过价格及性能分析、比较确定：选用了三菱公司的CC-LINK现场总线产品作为主控设备，控制硬件系统结构图如下图三所示。

图三 笔架山水厂泵房控制系统硬件结构图
图中，主站控制一台送水泵、两台真空泵和一台排水泵，监控与管理整个泵房CC-LINK网络的情况，包括：
1、远程离线：对操作不正常的远程模块或从站自动和网络让其离线。
2、自动恢复：不正常的远程模块或从站一旦恢复正常，自动与网络接上。
3、自动诊断：运用自检功能检查硬件及系统接线状态。
4、网络监视：将网络状态储存在在CPU的寄器中。
5、负责接受来自（从站）七台泵的开真空泵命令、转发厂站的各泵状态、出厂水水质数据及传送由厂站调度下达的开泵命令。
  1#∽3#从站各自监测和控制两台送水泵运行，接受来自主站的开泵命令、发送给主站的各泵状态数据。
  4#∽7#从站监测和控制配电室。对高压配电（合/分闸、变压器、电容补偿）进行监测，对低压配电（合/分闸、变压器、直流电屏）进行监测和控制。
远程I/O站采集部分配电参数。
四 、应用系统软件
  CC-LINK是开放式双绞线网络，安全可靠且速度高。其通信数据使用分布方式进行交换，如图三所示。

图三  CC-LINK数据交换图  
[注]循环传送指位传送和字传送，瞬间传送指专用指令的传送。
图中，RX、RY分别指数字输入及数字输出，CC-LINK中数字变量采取位传送，每逻辑站可传送数字输入、输出个各32点；RWw、RWr分别指模拟输入及模拟输出，CC-LINK中模拟变量采取字传送，每逻辑站可传送模拟输入、输出个各4点。逻辑站的意义在于组网时，须考虑最大站数不得超过64个，对于不同的模块占用的站数情形如下：远程I/O模块（远程I/O站）占用1个逻辑站；本地站占用4个逻辑站；模
模拟转换模块（远程装置站）占用2个逻辑站。
  笔架山水厂泵房控制系统软件流程如下图四所示：
  本应用系统是针对深圳市自来水公司笔架山水厂泵房内设备。应用CC-LINK现场总线产品后，最明显的优点是：
   ⑴ 泵房内自动控制系统网络速度高达2.5Mbps（100m时），数据采集速度快，系统响应时间短，提高了控制精度和可靠性。
   ⑵ 系统抗干扰能力明显增强。
   ⑶ 布线简单，故障诊断定位快速。
   ⑷ 控制系统的引入，较大程度地减轻工人的劳动强度，提高了生产效率。
   ⑸ 故障自动隔离。当一个从站或智能仪表故障时系统可自动分离此站，不影响整个网络运行。
   ⑹ 系统扩展方便。增加站或备用站可在线连于网络上，只需将其设为保留站即可。
   ⑺ 与其它品牌设备互连性强，本系统将CC-LIN连在MODBUS网络上，显示出网间连接性能稳定，数据传输准确及时。对于解决不同品牌设备互连的问题提供了解决办法。

图四  笔架山水厂泵房控制系统软件流程图
本应用系统所采用的FCS模式比以往的DCS或PLCS模式更先进、更可靠。随着时间的推移，相信在我国自来水行业使用现场总线模式越来越多，后来者居上是历史发展的必然趋势。