邓刚

【摘要】简要介绍了工业以太网技术以及罗克韦尔公司网络组态软件。对目前改造后的城北水厂自动化控制系统网络进行了描述，通过比较，对网络结构、性能等方面做出了评价分析。

【关键词】工业以太网；三网集成；实时性；安全性

The Application of Industrial Ethernet Using in Water Plant Automatic Control System of Chengbei

Abstract： This paper briefly introduced IndustrialEthernet and network management software.The enhanced automation system of plant of Chengbei was described in this paper， the solution such as network was analyzed with the comparisons of the enhanced and the former system.

Keywords： network； network integration； promptness； safety

前言

随着自动化控制技术的日益成熟，南京市各水厂正逐渐加大自动化控制技术在生产控制中的应用范围。作为南京市第一座高度自动化的水厂，城北水厂拥有较为完善的自动化控制体系和实际应用经验。

本文对城北水厂的控制过程及原理进行研究，通过对改造前后的自控系统比对，介绍新技术在净水工艺上的应用及控制模式的完善，同时还介绍了罗克韦尔公司的Ethernet/IP、ControlNet、DeviceNet在城北水厂控制网络结构中的应用。

1、应用技术简介

1.1工业以太网

第三代控制平台Controllogix系列推出时，Rockwell还提出了网络融合的概念，通过以太网、控制网、设备网三层网络构架，形成基于通讯的控制组态。

工业以太网是指在自动化控制领域中应用的以太网技术，在商用以太网的基础上针对工业要求在网络拓扑结构及网络实时性进行了改进，具有更好的抗干扰性及适应性。EtherNet/IP是一个开放的、适用于工业环境的通信网络，利用CIP协议进行实时I/O控制和点对点信息交换，它允许工业设备交换对时间有苛刻要求的应用信息。

ControlNet网络是一种开放式控制网络，可满足实时、高吞吐量应用项目的要求。ControlNet 支持控制器之间的互锁以及对 I/O、驱动器和阀的实时控制。它还提供了在离散和过程应用项目（包括高可用性应用项目）中的控制联网。

DeviceNet网络提供适用于简单工业设备的开放式、设备级控制和信息网络。它支持传感器和执行器与更高级别的设备（如可编程控制器和计算机）之间的通信。它通过一根兼具电源电缆和信号线电缆功能的电缆，提供简单而经济实用的接线选件。

1.2Rslinx及Networx

Rslinx是罗克韦尔自动化软件中不可缺少的重要组成部分，主要功能为网络组态及监控；Networx软件主要用于DeviceNet及ControlNet的网络设计及管理。

2、系统描述

2.1硬件及网络组成

城北水厂自控系统按照净水处理的工艺流程，由6个现场控制站点和1个中心控制站点组成。中心控制室采用2套客户-服务系统互为冗余备用，并通过大容量UPS进行供电，保证操作机器的不间断供电。

城北水厂自动化控制系统采用工业以太网的网络形式，网络拓扑方式为环形连接。整个环网以光纤进行连接，并以铠装线缆的形式地埋至厂区各个控制节点。其他网络通过一台硬件防火墙单行读取工控网数据，通过硬件防火墙设置，防止病毒对控制网络的干扰。

2.2通信组态

数据的通信采用RSLinx，其中SE中集成了RSLinx Enterprise版本，ControlNet及DeviceNet组态是需要用到Networx工具软件。

3、系统性能评价分析

3.1控制工艺

水厂自动化控制实际上是对净水工艺各个流程进行控制的系统，按照工艺流程，城北水厂自动化系统分为5个大站，由Controllogix作为主控单元进行控制；滤池采用7个Compactlogix对14座滤池进行控制，及每个Compactlogix站点完成对两个滤池的控制任务；1个中心控制室，在自动化控制系统中起到中心调度、系统及设备检测、远程操作等。

工艺流程中，设置各种指标检测仪表进行控制参量采集及系统检测。

在控制方式上分为全自动、半自动、远程手动、现场手动四种模式。全自动及完全由系统通过仪表反馈数据进行自动控制；半自动需要人工设定参数来实现现场设备的控制；远程手动通过中心控制室操作机由操作人员对设备进行具体控制，例如启动与停止设备、频率调节等等；而现场手动则跳过处理单元（PLC），通过现场操作箱、设备控制面板对现场设备进行具体操作。

3.2评价分析

3.2.1网络部分

改造之前，城北水厂采用罗克韦尔公司的DH+通信网络，在传输距离短，节点数少的自动控制系统中，DH+作为专门为工业控制开发的网络，具有较大优势。但在城北水厂实际应用中，传输距离长，节点数多，数据信息流大等因素使DH+网络逐渐不能适用于自动控制当中，甚至成为控制系统性能发挥的阻碍。

EtherNet/IP工业以太网在TCP/UPD/IP协议之上采用CIP协议作为通用的应用层协议，可在不同设备间提供高达100Mbit/s，通过以太网交换技术和全双工数据传输方式的应用，EtherNet/IP网络上的数据冲突明显减小，具有优越的网络性能。罗克韦尔公司开发的以太网系统在兼容了DH+网络的大部分性能以外，又具有DH+网络不具有的优越性：

1）可实现IP地址的动态分配；2）在单一网络节点总数不受限制；3）计算机无需增加其他模块即可与自控网络进行对等连接；

工业以太网的应用最大的优点是通信的实时性得到大幅增强，这与控制系统的实时性是相符合的。通过增加以太网模块，城北水厂各个控制点均采用以太网作为数据传输网络。通过实际对比，信息传输速率有显著提高。直观上，反馈数据在上位机上完全达到了实时显示的要求。由于工业以太网对节点数没有限制并且具有较高的数据传输速率，所以为自动化控制系统的扩展在网络方面提供了保证。

由于工业以太网与商用以太网兼容，所以在网络安全性方面不如只是针对控制网络开发的DH+网络，因此在与外网（除工业控制网络外的其他网络）进行数据通信时须经过硬件防火墙过滤，防止病毒对工控网的干扰。通过硬件防火墙设置只允许数据的单一流向，从而保证了自控网络的安全性与可靠性。

自控网络采用环形拓扑结构。为了保证通信的顺利进行：1）光纤以铠装的形式地埋在电缆沟内，大大减小了外界环境的损坏与信号干扰；2）光纤交换机及光纤熔接盒安装在PLC机柜内（滤池子站有专门的电气柜安放光纤交换机和熔接盒），安全性较高。考虑到以上两点，再加上环网有一点断开时不会对通信产生影响（一点断开时，由环网变成总线形网络拓扑结构），而环网形成两个断点的情况非常小，所以采取了单环网通信方案。

3.3.2数据连接

数据通信连接由RSLinx完成。RSLinx实际上是提供应用底层数据连接的通信服务，通过形成OPC数据源为应用层提供规范的数据接口。城北水厂控制系统中，除了两台进行生产控制操作客户机外，还有一台远传至总公司中心调度的数据采集机。通过RSLinx形成的数据软连接，数据采集系统从自控系统中读取所需要信息并远传至总公司。

3.3.3时间同步系统

控制系统中涉及大量控制器、反馈仪表、应用软件等，网络中的反馈信息尤其是报警信息需要具有统一的系统时间属性。城北水厂控制系统中引进电力保护单元中的GPS时间校正达到控制系统网络中时间同步的目的。

4、结束语

城北水厂的自控改造过程解决了持续了较长时间的网络延迟问题，规范了控制系统的结构模式，整个系统的扩展也变得简单易行。作为一套经历了时间验证的控制系统，同样适用于同水源大部分水厂的自动化实现。

参考文献

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[2]李凤阁，佟为明.《电气控制与可编程序控制器应用技术》.机械工业出版社

[3]皮特鲁泽拉.《PLC教程》人民邮电出版社

[4]钱晓龙，李晓理.《ControlLogix系统在给水处理行业中的应用》.机械工业出版社，2011.8