1 前言 水資源是人類賴以生存的基本條件，是經(jīng)濟發(fā)展的命脈?，F(xiàn)實情況表明，由于全球性水資源短缺加上日趨嚴(yán)重的水資源污染，已對世界經(jīng)濟和環(huán)境的協(xié)調(diào)產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅。我國是一個貧水國家，人均淡水資源每年為0.24萬m3,相當(dāng)于世界人均淡水資源的1/4，美國的1/5。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)現(xiàn)代化的加快，人口的高度集中，城市用水量和污水的排放量不斷增加，加劇了用水緊張和水質(zhì)污染。因此，世界各國都非常重視水處理，我國更是如此。在水處理中大多數(shù)已實現(xiàn)自動控制。 由于水處理系統(tǒng)設(shè)備點分散，使用傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)時需要敷設(shè)大量電纜，給設(shè)計、施工、調(diào)試和維護帶來很大麻煩，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在我國水處理行業(yè)開始采用現(xiàn)場總線技術(shù)。本項目嘗試使用。我所已根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)（IEC620263）開發(fā)了DeviceNet總線的產(chǎn)品。 2 工程簡介 污水泵站設(shè)備由高低壓進線柜、水泵、格柵除污機、壓榨機、閘門、液位計等組成。這些設(shè)備根據(jù)需要實現(xiàn)自動控制。當(dāng)格柵后液位達到一定高度時，水泵自動開啟，當(dāng)液位下降到一定高度時，水泵自動停止運行。而且水泵開啟的臺數(shù)也由液位決定。當(dāng)格柵前后液位差達到一定值時，格柵除污機自動啟動。平時所有閘門應(yīng)處于開足狀態(tài)。當(dāng)出現(xiàn)過壓、欠壓或三相電流不平衡時，水泵停止運行。 PLC的開關(guān)量輸入信號（無源信號） (1)高低壓進線柜：合閘、故障、工作位置、試驗位置等 (2)閘門：遠控、開足、關(guān)足、開運行、關(guān)運行、故障等 (3)格柵除污機：遠控、運行、故障等 (4)壓榨機：遠控、運行、故障等 (5)水泵：遠控、合閘、運行、過載、過熱、泄漏、軟起動器故障等 PLC的開關(guān)量輸出信號（24DC繼電器輸出） (1)閘門：開/關(guān)/停控制 (2)格柵除污機：開/?？刂?(3)壓榨機：開/停控制 (4)水泵：開/?？刂? PLC的模擬量輸入信號（4~20mA） (1)閘門：開度（0%~100%） (2)液位計：格柵前、后液位（0~10m） (3)變壓器：溫度（-50~100℃） (4)水泵：三相電流（0~300A）、溫度（-50~100℃） 3 DeviceNet技術(shù)概要 從20世紀(jì)90年代起現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)技術(shù)快速發(fā)展，結(jié)合Internet和Intranet的迅猛發(fā)展，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)技術(shù)越來越顯示出其傳統(tǒng)控制系統(tǒng)無可替代的優(yōu)越性?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)技術(shù)已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中的一個熱點。傳統(tǒng)機電產(chǎn)品是否具有總線接口將成為其在市場能否生存的一個必要條件。 DeviceNet是由美國Rockwell公司在CAN基礎(chǔ)上推出的一種低成本的通信鏈接，系一種低端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它將基本工業(yè)設(shè)備（如：限位開關(guān)、光電傳感器、閥組、電動機啟動器、過程傳感器、條形碼讀取器、變頻驅(qū)動器、物料流量計、電子秤、顯示器和操作員接口等）連接到網(wǎng)絡(luò)，從而避免了昂貴和繁瑣的硬接線。DeviceNet是一種簡單的網(wǎng)絡(luò)解決方案，在提供多供貨商同類部件間的可互換性的同時，減少了配線和安裝工業(yè)自動化設(shè)備的成本和時間。DeviceNet的直接互連性不僅改善了設(shè)備間的通信，而且同時提供了相當(dāng)重要的設(shè)備級診斷功能。 在一個完整的現(xiàn)代控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)可以分為三個層次，即信息層網(wǎng)絡(luò)、控制層網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)。DeviceNet是一種設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)。（系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖見圖1） 3.1技術(shù)特點 (1)每個DeviceNet網(wǎng)絡(luò)最多可連接64個節(jié)點； (2)主干線-分支線結(jié)構(gòu)； (3)可選的數(shù)據(jù)傳輸波特率為125K，250K及500K； (4)使用便利的密封或開放形式的連接器； (5)點對點，多主或主/從通信； (6)可帶電更換網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，在線修改網(wǎng)絡(luò)配置； (7)采用CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)約，使用CAN規(guī)約芯片，得到國際上主要芯片制造商的支持； (8)支持選通、輪詢、循環(huán)、狀態(tài)變化和應(yīng)用觸發(fā)的數(shù)據(jù)傳送； (9)是一種低成本、高可靠性的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)； (10)既適用于連接低端工業(yè)設(shè)備，又能連接象變頻器、人機終端這樣的智能設(shè)備； (11)采用無損位仲裁機制CSMA/NBA(Carrier Sense Multiple Access with Non-destruction bitwise Arbitration)實現(xiàn)按優(yōu)先級發(fā)送信息； (12)具有通信錯誤分級檢測機制、通信故障的自動判別和恢復(fù)功能； (13)電源結(jié)構(gòu)的可調(diào)整性，以滿足各類應(yīng)用的需要以及大電流容量（每個電源最大容量可以達到16安培）； (14)總線供電；主干線中包括電源線及信號線； (15)得到眾多制造商的支持，如：Rockwell、OMRON、Hitachi、Cutter-Hammer、Turck等。DeviceNet制造商協(xié)會擁有的三百多個全球會員遍布世界各地。（見表1） 網(wǎng)絡(luò)大小 最多64個節(jié)點 網(wǎng)絡(luò)長度 可選的端—端網(wǎng)絡(luò)長度隨網(wǎng)絡(luò)傳輸速度變化 波特率 距離 125kbp 500m(1640ft) 250kbp 250m(820ft) 500kbp 100m(328ft) 數(shù)據(jù)包 0-8字節(jié) 總線拓撲結(jié)構(gòu) 線性（干線/支線）； 電源和信號在同一網(wǎng)絡(luò)電纜中 總線尋址 帶多點傳送（一對多）的點對點；多主站和主/從；輪詢或狀態(tài)改變（基于例外） 系統(tǒng)特性 支持設(shè)備的熱插拔，無須網(wǎng)絡(luò)斷電 表1.技術(shù)特點 3.2通信方式 DeviceNet是在CAN總線基礎(chǔ)上的開放式數(shù)據(jù)總線，它使用CAN的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，11位標(biāo)識符，加上DeviceNet的應(yīng)用層，形成可靠靈活的通信規(guī)約。DeviceNet總線是以連接為基礎(chǔ)的總線，它使用11位CAN標(biāo)識符作為連接標(biāo)識符，在總線上的通信伙伴通過建立連接，確定這個標(biāo)識符。連接建立以后通過這個標(biāo)識符識別自己的報文，和用這個標(biāo)識符向通信伙伴發(fā)送報文。 DeviceNet規(guī)約定義了顯式報文（Explicit Message）和I/O報文（I/O Message）兩種不同性質(zhì)的報文，兩種報文可以同時在總線上傳送。I/O報文是定時周期傳送的，傳送的內(nèi)容和數(shù)據(jù)格式是預(yù)先定義好的，I/O報文具有較高的優(yōu)先級，會得到優(yōu)先傳送，從而保證它的實時性。它們自動地排列發(fā)送的次序，能夠充分利用總線的空隙。而顯式報文雖然也需要預(yù)先定義數(shù)據(jù)的格式，但服務(wù)項目和數(shù)據(jù)內(nèi)容是在報文中指定的，因此這要靈活得多，使用顯式報文不僅可以查詢或設(shè)置某一個參數(shù)的內(nèi)容，也可以實現(xiàn)某一個操作，它是通過規(guī)定格式的顯式報文來表示要實現(xiàn)的操作，和對那一個參數(shù)進行操作，每一個顯式報文只做一個操作，在任何需要的時刻都可以發(fā)送報文，而不需要的時刻就沒有這種報文的傳送。因此，顯式報文很適合于設(shè)備的參數(shù)設(shè)置，故障查詢，以及調(diào)用不是經(jīng)常需要監(jiān)控的參數(shù)。 DeviceNet總線在運行時，如果設(shè)置了I/O連接，那么I/O報文是周期傳送的，同時各節(jié)點之間可任意傳送顯式報文。 為了降低對于設(shè)備的要求，DeviceNet規(guī)約定義了主/從連接組通信。作為主/從連接中的從站設(shè)備，設(shè)備要求相對簡單，降低了控制芯片的要求和開發(fā)成本，而在一般的應(yīng)用中主/從連接通信已完全能夠滿足要求，所以實用上都使用主/從連接的通信。 4與傳統(tǒng)PLC的比較 在本系統(tǒng)中，PLC采用日本OMRON公司的CJ系列產(chǎn)品，DeviceNet設(shè)備采用我所自行開發(fā)的產(chǎn)品。 傳統(tǒng)的PLC實行集中控制，所有的電纜都必須連接至PLC控制柜，布線和接線相當(dāng)繁瑣。(見圖2) 從圖中可以看出，在泵站現(xiàn)場可將DeviceNet分別安裝在分散的設(shè)備附近，從而降低設(shè)備的安裝費用和時間，本系統(tǒng)中的水泵、閘門、格柵、液位計等可通過通信電纜、接插件等產(chǎn)品進行長距離通信。通過DeviceNet配置器提供直觀的界面，可方便地進行配置、調(diào)試和故障診斷。相對于傳統(tǒng)PLC，DeviceNet具有強大的通信功能，支持多種通信方式，可以更加靈活地應(yīng)用于控制系統(tǒng)中。 傳統(tǒng)PLC DeviceNet 圖2.現(xiàn)場原理框圖 5操作界面 在工藝流程圖（見圖3）中可以顯示出水泵的運行及控制狀態(tài)，工藝流程圖可通過設(shè)備顏色的變化表示出格柵進水閘門、出水閘門、旁通閘門的開足、關(guān)足及控制狀態(tài)。 在流程圖中鼠標(biāo)移至各泵處點擊可分別切換至泵組監(jiān)控圖（見圖4）。 將流程圖中的“自動投入”開關(guān)置為“開”，彈出自動開泵確認(rèn)對話框，點擊“確定”，就可以將系統(tǒng)切換至自動狀態(tài)，即根據(jù)所設(shè)置的水位狀況自動開泵，自動停泵。 圖3.工藝流程圖 圖4.泵組圖 泵組監(jiān)控圖用于顯示各臺水泵的運行及控制狀態(tài)。泵組監(jiān)控圖中通過軸的轉(zhuǎn)動能表示出泵的運行狀態(tài)。閘閥上方電機指示燈的顏色表示閥當(dāng)前的狀態(tài)。在泵組監(jiān)控圖中可控制泵的開停，當(dāng)泵處于中控狀態(tài)時，可將控制選擇開關(guān)切換至鍵控狀態(tài)，點擊綠色的開按鈕可以開泵，點擊紅色的停按鈕則停泵。 泵組監(jiān)控圖可察看泵的各項模擬量參數(shù)。以1號泵組的監(jiān)控系統(tǒng)圖為例，如圖所示，圖中水泵的左側(cè)以數(shù)字標(biāo)簽的形式顯示了水泵的當(dāng)前轉(zhuǎn)速；水泵右側(cè)的溫度計顯示出水泵電機的溫升，點擊溫度計可以查看電機溫升的曲線；泵組監(jiān)控圖中水泵上方的三個電流表顯示出水泵電機的三相電流，點擊水泵可以查看三相電流的曲線。 在泵組監(jiān)控圖或工藝流程圖中點擊閘閥即可打開相應(yīng)的閘閥開?？刂拼翱凇＠?，在1號泵組的監(jiān)控系統(tǒng)圖中點擊進水閘閥，就可進入1號進水閘閥監(jiān)控圖。在1號進水閘閥監(jiān)控圖中，當(dāng)閘閥處于中控狀態(tài)時，點擊開按鈕可以開閥，綠燈亮；點擊關(guān)按鈕可以關(guān)閥，紅燈亮；點擊停按鈕可以停止動作，黃燈亮；閘閥開/關(guān)完畢，動作停止后，黃燈亮。 6結(jié)論 采用現(xiàn)場總線DeviceNet技術(shù)的泵站監(jiān)控系統(tǒng)已順利通過驗收，現(xiàn)已投入正常運行。雖然作為第一個試點，只使用了簡單的遠程I/O單元，尚未完全顯示現(xiàn)場總線的優(yōu)點，但已可以看到，用DeviceNet實現(xiàn)水處理行業(yè)中的自動化控制是一種非常好的方案，具有非常廣闊的前景。