多網絡融合的水廠自動化控制系統設計

摘要：針對水廠儀表可集成度低和網絡兼容性差的缺點，設計了一種多網絡融合的水廠自動化控制系統。系統節點選用Microchip公司基于M4K內核的處理器PIC32MX795F512L，使用該芯片內置的多種網絡接口與儀表／設備互連，并給出了硬件方案、工業以太／CAN網絡冗余算法和異構網絡的數據幀協議。該系統網絡平臺融合了安防等其他系統，仿真試驗表明，該系統網絡冗余算法可靠性高，穩定性好。
關鍵詞：多網絡融合；自動化控制系統；智能測控節點

引言
如何滿足市民日益增大的用水需要是當前我國城市建設的突出問題，城區水廠自動化改造和建設也已成為當務之急。隨著信息技術和工業自動化技術的迅猛發展，供水行業的儀表與設備的數量、種類眾多，儀表與設備普遍存在接口不統一、網絡兼容性不高、使用不方便等問題。雖然有部分研究機構和生產廠商提供儀表和設備的協議接口轉換器，但是它們的功能單一，只能滿足少部分儀表和設備的要求，應用面較窄，與其他網絡系統的集成度較低。
針對以上問題，本文提出一種多網絡融合的水廠自動化控制系統，系統節點提供多種網絡接口和模擬／開關量接口，從智能儀表或現場獲取設備運行狀態，并將現場數據經由工業以太網絡送至上位監控主機，同時自動化系統網絡平臺融合了安防系統，以實現對水廠廠區的實時視頻監視。該技術在通信效率、實時性、可靠性、兼容性、全面性等方面有著明顯的優勢。由于具備較高的系統集成度和較好的性能優勢，既提升了水廠信息化和工業化水平，又降低了水廠自動化改造和建設的成本，減小了設備維護的勞動強度。

1 系統原理和總體結構
多網絡融合的水廠自動化控制系統采用分布式數據采集方式，共分3層結構：上位監控層、網元層和數據采集與控制層。其系統結構框圖如圖1所示。

在自動化控制系統的數據采集與控制層，各站位的智能測控節點負責從現場采集水頭水位、水池水位、閥門開關狀態、水泵出口水壓／流量大小、濁度和PH值等水質參數、電機各相電流／電壓／功角等現場監控對象的參數和變量，并實時運算和處理，這些數據再經由網元層發送到高層。在上位監控層，中控室工程師站通過網元層的工業以太網絡接收現場發來的數據，進行分析和處理，并可根據實際需要對現場設備實行就地的實時監視和控制；中控室操作員站和數據庫服務器也接收傳來的電氣設備的參數進行顯示、存儲、分析、打印等，但是不具備對現場設備的控制和控制權限分配的功能，在遠程的水廠總公司服務器也能通過Internet互聯實現與水廠的數據庫共享。
為滿足水廠安防監控的需要，自動化控制系統同時融合了安防系統。安防系統的數據采集與控制層、各站位和道路等其他重要區域安裝了云臺和攝像機，監視視頻的模擬信號接入多路網絡視頻編碼器，數字化編碼后再經由網元層發送到高層；在上位監控層，中控室的視頻服務器將現場攝像機采集的信號投射到中控站監視電視墻上，實現水廠廠區的實時視頻監視。由于安防系統技術成熟，本文不討論網絡視頻監視的相關技術。

2 智能測控節點的硬件設計
多網絡融合的智能測控節點，既要在采集和傳輸現場設備參數的同時接收中控室工程師工作站的指令來控制現場設備，又要在現場控制有較高優先級的場合(即本地控制優先級高于上位監控層控制)，能單獨對設備進行控制；而且，在無人值守的情況下，智能測控節點對緊急情況能實現自動控制和報警，比如清水池水位過低時送水泵停機并報警，漏氯檢測儀發出“漏氯”報警時關閉加氯系統并將報警延伸至中控室等等。