1、前言

水資源是人類賴以生存的基本條件，是經濟發展的命脈。現實情況表明，由于全球性水資源短缺加上日趨嚴重的水資源污染，已對世界經濟和環境的協調產生嚴重的威脅。我國是一個貧水國家，人均淡水資源每年為0.24萬m3，相當于世界人均淡水資源的1/4，美國的1/5。隨著經濟的發展，工業現代化的加快，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。在水處理中大多數已實現自動控制。

由于水處理系統設備點分散，使用傳統的控制系統時需要敷設大量電纜，給設計、施工、調試和維護帶來很大麻煩，隨著網絡技術的發展，在我國水處理行業開始采用現場總線技術。本項目嘗試使用。我所已根據IEC標準（IEC620263）開發了Devicenet總線的產品。

2、工程簡介

污水泵站設備由高低壓進線柜、水泵、格柵除污機、壓榨機、閘門、液位計等組成。這些設備根據需要實現自動控制。當格柵后液位達到一定高度時，水泵自動開啟，當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也由液位決定。當格柵前后液位差達到一定值時，格柵除污機自動啟動。平時所有閘門應處于開足狀態。當出現過壓、欠壓或三相電流不平衡時，水泵停止運行。

PLC的開關量輸入信號（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、關足、開運行、關運行、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的開關量輸出信號（24DC繼電器輸出）

（1）閘門：開/關/停控制

（2）格柵除污機：開/停控制

（3）壓榨機：開/停控制

（4）水泵：開/停控制

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技術概要

從20世紀90年代起現場總線控制系統技術快速發展，結合Internet和Intranet的迅猛發展，現場總線控制系統技術越來越顯示出其傳統控制系統無可替代的優越性。現場總線控制系統技術已成為工業控制領域中的一個熱點。傳統機電產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基礎上推出的一種低成本的通信鏈接，系一種低端網絡系統。它將基本工業設備（如：限位開關、光電傳感器、閥組、電動機啟動器、過程傳感器、條形碼讀取器、變頻驅動器、物料流量計、電子秤、顯示器和操作員接口等）連接到網絡，從而避免了昂貴和繁瑣的硬接線。DeviceNet是一種簡單的網絡解決方案，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自動化設備的成本和時間。DeviceNet的直接互連性不僅改善了設備間的通信，而且同時提供了相當重要的設備級診斷功能。

在一個完整的現代控制系統中，網絡可以分為三個層次，即信息層網絡、控制層網絡和設備層網絡。Devicenet是一種設備層網絡。（系統網絡圖見圖1）

3.1技術特點

（1）每個Devicenet網絡最多可連接64個節點；

（2）主干線-分支線結構；

（3）可選的數據傳輸波特率為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）可帶電更換網絡節點，在線修改網絡配置；

（7）采用CAN物理層和數據鏈路層規約，使用CAN規約芯片，得到國際上主要芯片制造商的支持；

（8）支持選通、輪詢、循環、狀態變化和應用觸發的數據傳送；

（9）是一種低成本、高可靠性的數據網絡；

（10）既適用于連接低端工業設備，又能連接象變頻器、人機終端這樣的智能設備；

（11）采用無損位仲裁機制CSMA/NBA（Carrier Sense Multiple Access with Non-destruction bitwise Arbitration）實現按優先級發送信息；

（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功能；

（13）電源結構的可調整性，以滿足各類應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制造商協會擁有的三百多個全球會員遍布世界各地。（見表1）

3.2通信方式

Devicenet是在CAN總線基礎上的開放式數據總線，它使用CAN的物理層和數據鏈路層，11位標識符，加上DeviceNet的應用層，形成可靠靈活的通信規約。DeviceNet總線是以連接為基礎的總線，它使用11位CAN標識符作為連接標識符，在總線上的通信伙伴通過建立連接，確定這個標識符。連接建立以后通過這個標識符識別自己的報文，和用這個標識符向通信伙伴發送報文。

Devicenet規約定義了顯式報文（Explicit Message）和I/O報文（I/O Message）兩種不同性質的報文，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，傳送的內容和數據格式是預先定義好的，I/O報文具有較高的優先級，會得到優先傳送，從而保證它的實時性。它們自動地排列發送的次序，能夠充分利用總線的空隙。而顯式報文雖然也需要預先定義數據的格式，但服務項目和數據內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置某一個參數的內容，也可以實現某一個操作，它是通過規定格式的顯式報文來表示要實現的操作，和對那一個參數進行操作，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備的參數設置，故障查詢，以及調用不是經常需要監控的參數。

Devicenet總線在運行時，如果設置了I/O連接，那么I/O報文是周期傳送的，同時各節點之間可任意傳送顯式報文。

為了降低對于設備的要求，Devicenet規約定義了主/從連接組通信。作為主/從連接中的從站設備，設備要求相對簡單，降低了控制芯片的要求和開發成本，而在一般的應用中主/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PLC的比較

在本系統中，PLC采用日本OMRON公司的CJ系列產品，Devicenet設備采用我所自行開發的產品。

傳統的PLC實行集中控制，所有的電纜都必須連接至PLC控制柜，布線和接線相當繁瑣。（見圖2）

從圖中可以看出，在泵站現場可將Devicenet分別安裝在分散的設備附近，從而降低設備的安裝費用和時間，本系統中的水泵、閘門、格柵、液位計等可通過通信電纜、接插件等產品進行長距離通信。通過DeviceNet配置器提供直觀的界面，可方便地進行配置、調試和故障診斷。相對于傳統PLC，DeviceNet具有強大的通信功能，支持多種通信方式，可以更加靈活地應用于控制系統中。

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，工藝流程圖可通過設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、關足及控制狀態。

在流程圖中鼠標移至各泵處點擊可分別切換至泵組監控圖（見圖4）。

將流程圖中的“自動投入”開關置為“開”，彈出自動開泵確認對話框，點擊“確定”，就可以將系統切換至自動狀態，即根據所設置的水位狀況自動開泵，自動停泵。

泵組監控圖用于顯示各臺水泵的運行及控制狀態。泵組監控圖中通過軸的轉動能表示出泵的運行狀態。閘閥上方電機指示燈的顏色表示閥當前的狀態。在泵組監控圖中可控制泵的開停，當泵處于中控狀態時，可將控制選擇開關切換至鍵控狀態，點擊綠色的開按鈕可以開泵，點擊紅色的停按鈕則停泵。

泵組監控圖可察看泵的各項模擬量參數。以1號泵組的監控系統圖為例，如圖所示，圖中水泵的左側以數字標簽的形式顯示了水泵的當前轉速；水泵右側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。

在泵組監控圖或工藝流程圖中點擊閘閥即可打開相應的閘閥開停控制窗口。例如，在1號泵組的監控系統圖中點擊進水閘閥，就可進入1號進水閘閥監控圖。在1號進水閘閥監控圖中，當閘閥處于中控狀態時，點擊開按鈕可以開閥，綠燈亮；點擊關按鈕可以關閥，紅燈亮；點擊停按鈕可以停止動作，黃燈亮；閘閥開/關完畢，動作停止后，黃燈亮。

6、結論

采用現場總線Devicenet技術的泵站監控系統已順利通過驗收，現已投入正常運行。雖然作為第一個試點，只使用了簡單的遠程I/O單元，尚未完全顯示現場總線的優點，但已可以看到，用DeviceNet實現水處理行業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。

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