控制网

刘  峰

1  前言
广东汕头市月浦水厂20万吨/日首期工程的“自来水冗余工业网络实时监控系统”由汕头市自来水总公司与广东省科学院自动化中心联合开发，已经在2000年4月通过广东省科委组织专家进行科技成果鉴定。与会专家认为，月浦水厂自控系统采用ControlNet网络作为主控制网络，而且网络结构是冗余双网，运行安全可靠、易于扩展、实时性强；系统设计合理、功能完善、操作简便。该系统的运用，能有效降低生产能耗，提高出厂水质，是全国水行业ControlNet冗余网的成功应用之一，达到国内自来水实时监控系统的先进水平。
该网络从运行到现在已三年多，运行稳定，已取得良好的社会和经济效益。现将该网络采用的AB控制网介绍如下：
2  AB控制网（ControlNet）的概述
传统的控制通信网络，如RS-485网络等，无法构成冗余系统，系统可靠性低，数据通信方式为命令响应式，系统的实时性、执行速度受限制；校验技术陈旧，容错、纠错能力差。
ControlNet是一种用于对信息传送有时间苛刻要求的、高速确定性的网络。它允许传送无时间苛刻要求的报文数据，但不会对有时间苛刻要求的数据传送造成冲击。该网络具有如下优点：
①  网络所有节点同步、信息吞吐量大、速度快、效率高，从而能实现精确的同步控制以及实时性高的网络控制。
②  网络的任意节点均可主动向其他节点传送信息，可方便地构成冗余系统，系统可靠性高。
③  节点可分成不同的优先级，以满足不同的实时要求。
④  每帧信息都有CRC校验和其他校验措施，数据传输误码率极低。
⑤  有严重故障的节点可自动从网络上切除，保证网络的正常运行。
它作为控制器I/O设备之间的一条高速通信链路，综合了现有的远程I/O和DH+链路的能力。完全可以满足水厂的生产要求。
3  网络结构与特点
月浦水厂采用集散型测控管理系统，设一个中心控制室主站和五个现场分站（见图1）。各PLC站之间通过ControlNet网络通讯，中控室四台PC机和服务器通过以太网络通讯。现场测控由PLC完成，数据监控及分析由工作站计算机承担。各分站独立运行。通过网络分享信息资源；中控室可监控各分站的运行，实行优化调度。主控制网ControlNet冗余网下挂4台型号为1785－L540/C的PLC，分别控制取水、加药、滤池、送水四个分站。根据各个分站的不同情况，各个PLC通过KA5连接DH485网络带了一定数量型号为1747－L524的SLC，用于监控一些比较独立和分散的设备。这种三层网络结构是水厂比较常用的网络结构，第一层信息层采用以太网，用于全厂的数据采集、历史数据查询和程序的维护；第二层自动化控制层采用ControlNet网络，用于实时I/O控制、报文传送。第三层设备层，用于底层设备的低成本、高效率信息集成。 

图1  月浦水厂网络结构图

ControlNet网络具有吞吐量高、资源共享、传输介质为同轴电缆或光纤、支持冗余介质、体系结构灵活等特点。当通信速度为5Mb/s时，网络刷新时间最小可达到2ms，可寻址节点数为99个，同轴电缆传输距离达3km（光纤介质使用中继器时可达到30km）。这种通讯速度和距离在水行业的应用是绰绰有余的，有些水厂的取水泵房离厂区比较远，就存在着取水泵房和中控室的通讯问题，可根据距离或当地的实际情况选用同轴电缆或光纤，也可用无线电台。
ControlNet网络组态和编程简单，通过Control Logix Gateway，它能实现与Ethernet（以太网）、DeviceNet（设备网）、RIO（远程IO）及DH（数据高速公路）网络之间的数据交换。这种灵活的连接方式使扩容升级很容易，如月浦水厂远期要达到80万吨的生产能力，只须在网络上直接增加PLC，对原有系统不须更改。又如以后要采用变频器或智能电机控制器，只要利用SCANport接口连上控制网，既可以向与其相连的拖动设备发送命令、控制设备的运行，又可以从设备读取数据、监视设备的状态、连接简易、编程方便。
ControlNet网络是一个高速确定性冗余网络，而1785－L540/C也是一个冗余CPU，当一条网线中断时PLC会提示哪一条网线通讯中断，另一条网线会立即工作，对通讯和控制没有任何影响，保证安全生产和连续生产。
ControlNet网络支持主从通信、多主通信、对等通信及这些通信的任意混合形式。对输入数据和对等通信数据实行多信道广播，通信形式可以组态选择，应用灵活，并可以改进网络的性能。在传送对时间有苛刻要求的控制信息（如IO状态和互锁的控制信号等）的同时，对其他无时间苛求的信息（如程序的上载和下载等）也能传送。在每个网络刷新周期内，对时间有苛求的信息（预定信息）是一定要传输的。这就保证了控制的实时性和可靠性，对水厂应用而言，这些都是用户最关心的。下面介绍实现上述功能的重要的通信模式。
4  通信模式
ControlNet网络是一种符合开放系统互连（OSI）参考模型底层要求的新型通信网络，网络是基于开放网络技术的一种新的“生产者/客户”通信模式。该模式使用多信道广播方式，包括输入数据的多信道广播和对等通信数据的多信道广播。它允许网络上的所有节点，同时从单个的数据源存取相同的数据。基于这种生产者/客户模式网络的优点：① 提高效率。数据源一旦发送数据，多个节点能够同时接收数据，报文通过目录来识别的。② 精确的同步化。更多的设备能够加到网络上，但不需要增加网络的通信量，并且所有节点的数据同时到达。

 图2  传统的源/目的网络模式

(1)  传统的源/目的网络模式特点（图2所示）
①  需要多个数据包传送相同的信息到多台设备；
②  数据到达不同的目的地的时间不同；
③  产生附加的网络通信量，影响网络性能；
④  报文发送和对时间有苛求的I/O数据，需要使用不同的网络。
(2)  生产者/客户网络模式特点（图3所示）

 图3  生产者/客户网络模式

①  多个节点能够从单个生产者（数据源）接收数据；
②  节点能够同步化（多信道广播）；
③  优化的带宽潜力能用于增强系统功能；
④  使用同一网络进行编程和I/O信息传送。
5  月浦水厂AB控制网的应用情况及维护
月浦水厂的控制网络从运行到现在比较稳定。曾出现一次单网断网的故障，由于有冗余双网热备起作用，对生产没有影响。这次故障是由于挖断电缆所致，后经抢修，很快接通恢复正常。
月浦水厂的ControlNet网络为总线型，网络两端各有一个50V的终结器，传输介质为同轴电缆，电缆有五层屏蔽。采用同轴电缆使维护显得比较简单。ControlNet网络采用的组态软件是RSNETWORK，它能提供一个图形化的网络视图，能改善带宽的利用率，具有在线和离线组态网络的能力。这个软件是配置控制网和维护控制网必备的软件。
我们在收到系统的断网报警后，处理过程是先观察PLC处理器或插在计算机扩展槽的1784-KTCX卡的网络通讯灯，如发现A网或B网的灯在红绿交替闪烁，则表示该网通讯异常，如果只是A网故障，B网正常，可直接断开A网，这不影响网络通讯和正常生产。把A网按分站分成两段，逐段检查，查出是哪一段，再按分站分成两段，逐段检查，直到查出断点。连接断点时，只要用所配的控制网工具箱的专用工具，剥开电缆，装上BNC头，并钳紧。在断开通讯电缆两头的BNC头接好后，把两个的BNC头连在专用接件上，外面作一下防水处理，连接就是这样简单。如果查了网络电缆没问题，就要从软件着手检查，启动RSNETWORK，检查网络配置是否正确，如不正确，可用原有备份的网络配置程序重新下载到PLC中，必要时进行修改后再下载。
由于月浦水厂所处位置属多雷区，ControlNet网络虽然传输速度高可靠性好，但是传输信号弱小，所以，为确保整个系统的安全运行，必须对整个监控系统进行严密的防雷保护。月浦水厂ControlNet网络采用英国Telematic公司的NP08避雷器，笔者对避雷器的接地电阻每年进行三、四次检测，确保网络的安全运行。
6  结语
总体上说来，ControlNet网络是一种先进的实时控制网络和控制系统平台，是规模庞大、扩容简单、稳定安全、技术先进的PLC冗余控制网，能保证水厂安全生产和连续生产，完全可以满足水厂的生产要求。新建水厂或改造老水厂可以考虑使用。