DeviceNet技术在水处理行业中的应用

1 前言 水资源是人类赖以生存的基本条件，是经济发展的命脉。现实情况表明，由于全球性水资源短缺加上日趋严重的水资源污染，已对世界经济和环境的协调产生严重的威胁。我国是一个贫水国家，人均淡水资源每年为0.24万m3,相当于世界人均淡水资源的1/4，美国的1/5。随着经济的发展，工业现代化的加快，人口的高度集中，城市用水量和污水的排放量不断增加，加剧了用水紧张和水质污染。因此，世界各国都非常重视水处理，我国更是如此。在水处理中大多数已实现自动控制。 由于水处理系统设备点分散，使用传统的控制系统时需要敷设大量电缆，给设计、施工、调试和维护带来很大麻烦，随着网络技术的发展，在我国水处理行业开始采用现场总线技术。本项目尝试使用。我所已根据IEC标准（IEC620263）开发了DeviceNet总线的产品。 2 工程简介 污水泵站设备由高低压进线柜、水泵、格栅除污机、压榨机、闸门、液位计等组成。这些设备根据需要实现自动控制。当格栅后液位达到一定高度时，水泵自动开启，当液位下降到一定高度时，水泵自动停止运行。而且水泵开启的台数也由液位决定。当格栅前后液位差达到一定值时，格栅除污机自动启动。平时所有闸门应处于开足状态。当出现过压、欠压或三相电流不平衡时，水泵停止运行。 PLC的开关量输入信号（无源信号） (1)高低压进线柜：合闸、故障、工作位置、试验位置等 (2)闸门：远控、开足、关足、开运行、关运行、故障等 (3)格栅除污机：远控、运行、故障等 (4)压榨机：远控、运行、故障等 (5)水泵：远控、合闸、运行、过载、过热、泄漏、软起动器故障等 PLC的开关量输出信号（24DC继电器输出） (1)闸门：开/关/停控制 (2)格栅除污机：开/停控制 (3)压榨机：开/停控制 (4)水泵：开/停控制 PLC的模拟量输入信号（4~20mA） (1)闸门：开度（0%~100%） (2)液位计：格栅前、后液位（0~10m） (3)变压器：温度（-50~100℃） (4)水泵：三相电流（0~300A）、温度（-50~100℃） 3 DeviceNet技术概要 从20世纪90年代起现场总线控制系统技术快速发展，结合Internet和Intranet的迅猛发展，现场总线控制系统技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制系统技术已成为工业控制领域中的一个热点。传统机电产品是否具有总线接口将成为其在市场能否生存的一个必要条件。 DeviceNet是由美国Rockwell公司在CAN基础上推出的一种低成本的通信链接，系一种低端网络系统。它将基本工业设备（如：限位开关、光电传感器、阀组、电动机启动器、过程传感器、条形码读取器、变频驱动器、物料流量计、电子秤、显示器和操作员接口等）连接到网络，从而避免了昂贵和繁琐的硬接线。DeviceNet是一种简单的网络解决方案，在提供多供货商同类部件间的可互换性的同时，减少了配线和安装工业自动化设备的成本和时间。DeviceNet的直接互连性不仅改善了设备间的通信，而且同时提供了相当重要的设备级诊断功能。 在一个完整的现代控制系统中，网络可以分为三个层次，即信息层网络、控制层网络和设备层网络。DeviceNet是一种设备层网络。（系统网络图见图1） 3.1技术特点 (1)每个DeviceNet网络最多可连接64个节点； (2)主干线-分支线结构； (3)可选的数据传输波特率为125K，250K及500K； (4)使用便利的密封或开放形式的连接器； (5)点对点，多主或主/从通信； (6)可带电更换网络节点，在线修改网络配置； (7)采用CAN物理层和数据链路层规约，使用CAN规约芯片，得到国际上主要芯片制造商的支持； (8)支持选通、轮询、循环、状态变化和应用触发的数据传送； (9)是一种低成本、高可靠性的数据网络； (10)既适用于连接低端工业设备，又能连接象变频器、人机终端这样的智能设备； (11)采用无损位仲裁机制CSMA/NBA(Carrier Sense Multiple Access with Non-destruction bitwise Arbitration)实现按优先级发送信息； (12)具有通信错误分级检测机制、通信故障的自动判别和恢复功能； (13)电源结构的可调整性，以满足各类应用的需要以及大电流容量（每个电源最大容量可以达到16安培）； (14)总线供电；主干线中包括电源线及信号线； (15)得到众多制造商的支持，如：Rockwell、OMRON、Hitachi、Cutter-Hammer、Turck等。DeviceNet制造商协会拥有的三百多个全球会员遍布世界各地。（见表1） 网络大小 最多64个节点 网络长度 可选的端—端网络长度随网络传输速度变化 波特率 距离 125kbp 500m(1640ft) 250kbp 250m(820ft) 500kbp 100m(328ft) 数据包 0-8字节 总线拓扑结构 线性（干线/支线）； 电源和信号在同一网络电缆中 总线寻址 带多点传送（一对多）的点对点；多主站和主/从；轮询或状态改变（基于例外） 系统特性 支持设备的热插拔，无须网络断电 表1.技术特点 3.2通信方式 DeviceNet是在CAN总线基础上的开放式数据总线，它使用CAN的物理层和数据链路层，11位标识符，加上DeviceNet的应用层，形成可靠灵活的通信规约。DeviceNet总线是以连接为基础的总线，它使用11位CAN标识符作为连接标识符，在总线上的通信伙伴通过建立连接，确定这个标识符。连接建立以后通过这个标识符识别自己的报文，和用这个标识符向通信伙伴发送报文。 DeviceNet规约定义了显式报文（Explicit Message）和I/O报文（I/O Message）两种不同性质的报文，两种报文可以同时在总线上传送。I/O报文是定时周期传送的，传送的内容和数据格式是预先定义好的，I/O报文具有较高的优先级，会得到优先传送，从而保证它的实时性。它们自动地排列发送的次序，能够充分利用总线的空隙。而显式报文虽然也需要预先定义数据的格式，但服务项目和数据内容是在报文中指定的，因此这要灵活得多，使用显式报文不仅可以查询或设置某一个参数的内容，也可以实现某一个操作，它是通过规定格式的显式报文来表示要实现的操作，和对那一个参数进行操作，每一个显式报文只做一个操作，在任何需要的时刻都可以发送报文，而不需要的时刻就没有这种报文的传送。因此，显式报文很适合于设备的参数设置，故障查询，以及调用不是经常需要监控的参数。 DeviceNet总线在运行时，如果设置了I/O连接，那么I/O报文是周期传送的，同时各节点之间可任意传送显式报文。 为了降低对于设备的要求，DeviceNet规约定义了主/从连接组通信。作为主/从连接中的从站设备，设备要求相对简单，降低了控制芯片的要求和开发成本，而在一般的应用中主/从连接通信已完全能够满足要求，所以实用上都使用主/从连接的通信。 4与传统PLC的比较 在本系统中，PLC采用日本OMRON公司的CJ系列产品，DeviceNet设备采用我所自行开发的产品。 传统的PLC实行集中控制，所有的电缆都必须连接至PLC控制柜，布线和接线相当繁琐。(见图2) 从图中可以看出，在泵站现场可将DeviceNet分别安装在分散的设备附近，从而降低设备的安装费用和时间，本系统中的水泵、闸门、格栅、液位计等可通过通信电缆、接插件等产品进行长距离通信。通过DeviceNet配置器提供直观的界面，可方便地进行配置、调试和故障诊断。相对于传统PLC，DeviceNet具有强大的通信功能，支持多种通信方式，可以更加灵活地应用于控制系统中。 传统PLC DeviceNet 图2.现场原理框图 5操作界面 在工艺流程图（见图3）中可以显示出水泵的运行及控制状态，工艺流程图可通过设备颜色的变化表示出格栅进水闸门、出水闸门、旁通闸门的开足、关足及控制状态。 在流程图中鼠标移至各泵处点击可分别切换至泵组监控图（见图4）。 将流程图中的“自动投入”开关置为“开”，弹出自动开泵确认对话框，点击“确定”，就可以将系统切换至自动状态，即根据所设置的水位状况自动开泵，自动停泵。 图3.工艺流程图 图4.泵组图 泵组监控图用于显示各台水泵的运行及控制状态。泵组监控图中通过轴的转动能表示出泵的运行状态。闸阀上方电机指示灯的颜色表示阀当前的状态。在泵组监控图中可控制泵的开停，当泵处于中控状态时，可将控制选择开关切换至键控状态，点击绿色的开按钮可以开泵，点击红色的停按钮则停泵。 泵组监控图可察看泵的各项模拟量参数。以1号泵组的监控系统图为例，如图所示，图中水泵的左侧以数字标签的形式显示了水泵的当前转速；水泵右侧的温度计显示出水泵电机的温升，点击温度计可以查看电机温升的曲线；泵组监控图中水泵上方的三个电流表显示出水泵电机的三相电流，点击水泵可以查看三相电流的曲线。 在泵组监控图或工艺流程图中点击闸阀即可打开相应的闸阀开停控制窗口。例如，在1号泵组的监控系统图中点击进水闸阀，就可进入1号进水闸阀监控图。在1号进水闸阀监控图中，当闸阀处于中控状态时，点击开按钮可以开阀，绿灯亮；点击关按钮可以关阀，红灯亮；点击停按钮可以停止动作，黄灯亮；闸阀开/关完毕，动作停止后，黄灯亮。 6结论 采用现场总线DeviceNet技术的泵站监控系统已顺利通过验收，现已投入正常运行。虽然作为第一个试点，只使用了简单的远程I/O单元，尚未完全显示现场总线的优点，但已可以看到，用DeviceNet实现水处理行业中的自动化控制是一种非常好的方案，具有非常广阔的前景。