基于以太網的試驗水池集控系統設計研究

張蘭勇，曹　岸，杜逸璇

( 哈爾濱工程大學 自動化學院， 哈爾濱　150001)

基于以太網的試驗水池集控系統設計研究

張蘭勇，曹岸，杜逸璇

( 哈爾濱工程大學 自動化學院， 哈爾濱150001)

摘要：提出了試驗水池集控系統基于交換式雙環冗余工業以太網的總體構成方案，進行了系統冗余分析和設計，設計了控制器，組態了系統各層次之間的通訊網絡；提出了各子系統的設計方案，應用現場總線技術設計了與現場設備的接口；提出了系統軟件設計的流程，建立了監控界面，實現對試驗過程的監視和控制，在試驗現場的惡劣環境下具有可靠性高，人機界面友好，維護方便，可擴展性強等特點，具較高的實用價值。

關鍵詞：試驗水池；集控系統；工業以太網；雙環冗余

試驗水池是開展深海裝備開發必不可少的試驗手段，穩定可靠的實時監控系統是核心的問題之一。試驗水池按功能分為多個子單元，具有控制功能復雜，監視數據多，系統工作環境差，電磁環境復雜等特點。目前，工業監控上普遍應用的分布式控制控制系統(DCS)是集計算機技術、控制技術、網絡通信技術和圖形顯示技術于一體的系統。具有通用性強、系統組態靈活、控制功能完善、數據處理方便、顯示操作集中、人機界面友好、安裝簡單規范化、調試方便、運行安全可靠的特點。本集控系統采用工業以太網技術和現場總線技術相結合的方式，實現對現場設備的監視和控制。充分考慮了可靠性和安全性，監控主網采用了雙環冗余的交換式工業以太網結構，現場設備的控制則采用實時性好的現場總線技術。

1深水試驗水池集控系統總體構成方案

1.1　基本結構

大型深水試驗水池集控系統按功能分為9個子系統，分別為試驗環境監測子系統、環境參數監測子系統、造流控制子系統、假底控制子系統、燈光控制子系統、數據采集子系統、發射控制子系統、造波控制子系統和拖車控制子系統。如圖1所示。

圖1　試驗水池集控系統的總體結構

子系統的上層有集中監控主機、服務器和工作站。各子系統包含實現其功能的各種設備如分布式I/O、變頻器、人機接口組件等。用交換機把各子系統和上層的集中監控主機連接起來，構成雙環冗余的工業以太網，其中有兩臺交換機為冗余管理交換機，各子系統和上層設備的數據交換采用以太網的方式，可以確保大量的數據信息傳送。交換式以太網克服了傳統以太網的傳輸不確定性。子系統中的通訊方式為了現場總線方式，此方式傳輸數據量較少，但實時性好，可以保證系統控制功能的實時性和可靠性。

根據以上分析可將深水試驗水池集控系統按功能劃分為4個層次，如圖2所示。

第1層是集中監控主機和操作站，集中監控主機配有人機交互單元和緊急操作臺，與各子系統相連。操作站通過交換機與服務器連接。操作員站具有兩方面功能：通過服務器直接采集各子系統的狀態信息并顯示；經服務器操作集中監控主機進行系統控制，完成對實驗過程的控制操作。

第2層是服務器，完成監測數據和控制數據集中處理的任務。服務器和客戶機通訊采用局域網；各子系統通過總線將底層狀態監測數據傳送到服務器。為了提高可靠性，服務器采用雙服務器冗余模式。

第3層是現場控制層，完成具體的控制功能。該層的各個子系統之間可進行數據交換，可以將現場數據傳送給服務器。該層的每個子系統均在試驗現場和主控室都可控制。可進行本地/遙控、手動/自動等控制模式的選擇。另外現場設備還配有緊急停止開關，以應付緊急情況。

第4層是現場設備層，包括電機，變頻器，傳感器、變送器、閥，泵，開關，接觸器，顯示燈等。完成監視數據采集和控制動作執行的功能。

圖2　深水試驗水池集控系統的層次結構

1.2　通訊網絡拓撲結構

以太網從其發明之日起就是一種總線網絡,其邏輯拓撲結構,從其功能上講,是一條總線,但因其實際網絡布線方式的不同,可以構成星形、總線形和環形等不同的物理拓撲結構。在辦公自動化網絡系統中,一般對于可靠性沒有特別的要求,同時為了網絡管理和布線的方便,多采用星形的網絡結構。在工業自動化網絡中,由于目前的大型控制系統大多為分布式系統,因此多采用總線結構或環形結構。為了進一步提高網絡的可靠性,可以采用雙星形、雙總線或雙環網絡結構實現網絡冗余。表1比較了各種結構的優缺點。

表1　各網絡拓撲比較表

在本集控系統中，采用雙環型以太網結構的通信系統,如圖3所示。環形以太網雖然在物理上是個環狀結構,但在邏輯上還是個總線結構。當某一段雙絞線或某一個交換機發生故障時,冗余的環網具備“自愈”能力，允許交換機、兩處雙絞線、網卡四種故障( 但其中的一個環型網不允許出現多處斷點)，網絡重構時間小于0.3 s。

通過計算比較單環以太網、雙環以太網的系統故障率.假設各相鄰節點的通信故障率λ相同且近似等于相鄰交換機之間的通信連接出錯的概率.假設系統有n個節點,每個交換機上只連接一個設備節點.單環以太網的系統故障率為p= 1-(1-λ)n， 雙網運行時,系統故障率為p= (1-(1-λ)n)2，相比較雙網具有明顯的優越性。

圖3　通訊網絡的拓撲結構

1.3　通訊網絡的構成

主網采用以交換機作為冗余管理器的雙環冗余結構，通訊方式為PROFINET，可以保證大量信息的快速傳遞。第1層集中監控主機、第2層的服務器均有雙網卡，通過SCALANCE X400交換機連接到主網的雙環中。第3層的S7-300PLC控制器通過SCALANCE X200交換機連接到主網。SCALANCE X400交換機作為冗余管理器采用HSR協議通過發送監測幀監控網絡鏈路狀態，發生故障時整個網絡重構時間小于0.3s。

現場設備層的HMI和ET-200M通過PROFIBUS-DP總線連接到S7-300PLC控制器。PROFIBUS-DP總線的經濟性和實時性都要好過PROFINET。但傳輸數據量少于PROFINET總線。

1.4　通訊網絡的組態

1.4.1集中監控和服務器層與現場控制層之間的PROFINET組態

第1步： S7-400主站的硬件組態，各S7-300從站的硬件組態，設定各站點的IP地址；

第2步：建立主站，從站之間通過交換機端口的連接，設置交換機的屬性，設置冗余管理交換機；

第3步：程序編寫，調用FB12“BSEND”和FB13“BRCV”進行通訊，S7-300 一次可發送多達32 768個字節的數據，S7-400 一次可發送多達65 534個字節的數據；

第4步：下載硬件組態，網絡組態到對應的站。

1.4.2現場控制層與現場設備層的之間的PROFIBUS-DP組態

在本系統中用到了S7-300與ET-200M的PROFIBUS-DP連接，組態過程如下：

第1步：配置S7-300主站，建立PROFIBUS-DP網絡；

第2步：連接ET-200M到PROFIBUS-DP網絡，配置ET-200S的模塊；

第3步：分布式I/O與本地I/O無本質上區別，可像處理本地I/O一樣處理分布式I/O采集到的數字量和模擬量。

2系統冗余分析及控制器設計

2.1　系統冗余分析

一般根據應用和需求的不同可分為處理器冗余、通信冗余、I/O冗余和電源冗余等類型的冗余。

按實現方式來分大致可分為硬冗余即采用特殊的硬件模塊或PLC中固化的程序來實現PLC同步、故障切換的冗余方式;軟冗余即采用編程的方式來實現PLC同步、故障切換的冗余方式。

按冗余的切換方式來分大致可分為熱冗余,即硬冗余方式，當主設備故障時，通過特定硬件判別、備份方式無間隙地自動切換到備用設備;暖冗余,即軟冗余方式，主要通過編程方式來實現冗余。系統切換的時間較硬冗余稍長;冷冗余，即一套或部分冗余的設備準備待命。

2.2　系統冗余實現

硬冗余方式，通過特定硬件判別、備份方式無間隙地自動切換到備用設備，在本系統中采用的S7-400H系統CPU 具有硬件冗余功能。

軟冗余方式，主要通過編程方式來實現冗余。軟冗余的硬件結構如圖4所示：軟冗余系統是由兩套相對獨立的S7-300PLC系統組成，能夠實現4個方面的冗余：主機架電源、背板總線等冗余、PLC處理器冗余、PROFIBUS現場總線網絡冗余。

集中監控主機是整個系統的大腦，復雜整個系統的監視和控制任務，通訊量大，可靠性要求高，一旦發生故障則整個系統必須停機。所以必須采用硬冗余(熱冗余)的方式，同時集中監控主機與各子系統的通訊也采用冗余設計，這樣當一套設備發生故障時，可以無間隙切換到另一套，通訊斷路的概率大大降低。各子系統的現場控制層的設備采取軟冗余的方式，通過編程來實現冗余功能。

2.3　控制器設計

集中監控主機選擇了具有雙CPU硬冗余功能的S7-400H,該PLC具有中高檔性能，適用對可靠性要求極高的大型復雜控制系統，運行速度快，存儲量大，可擴展能力強，通訊能力強，方便的冗余控制，診斷功能強。

我用克雷洛夫的寓言來回答他們：蜜蜂在花朵里辛勤工作，老鷹鄙夷它：“辛苦又有何指望？”蜜蜂說：“我生來是為大家服務的，看到許多的蜂蜜中有一滴是我釀造的，這就是我的安慰了。”

在S7-400H上主要功能是采集下層控制設備的數據，控制下層設備的動作，并且為上層服務器提供數據。通過PROFINET接口與上下層的設備組成工業以太網。

現場控制層采用西門子S7-300PLC，主要的功能是處理現場設備層的信號，完成和上層的通訊。與上層的通訊采用PROFINET接口，與下層的通訊為PROFIBUS-DP。

ET200M用于現場采集信號采集，防護等級為IP20，能在惡劣的現場環境中長期正常工作 。通過PROFIBUS-DP與上層PLC進行通訊。ET200M的數字量和模擬量模塊用來采集現場的信號。

圖4　系統冗余的硬件結構

3子系統設計

3.1　子系統硬件設計

各子系統功能不同，但都以S7-300為控制器中心，配置不同的模塊，其基本結構上相似的。采用了分布式控制系統的優勢就是可以不用去考慮信號的具體形式，而直接把信號按形式分為模擬量輸入(AI)、模擬量輸出(AO)、數字量輸入(DI)、數字量輸出(DO)模塊。

計算各輸入輸出信號的數量，確定各種信號模塊的數量。然后選擇CPU模塊，電源模塊和通信處理模塊的型號后就可以進行硬件組態。在STEP7中生成一個與實際硬件系統完全相同的系統，如圖5所示。

3.2　子系統軟件設計

子系統的軟件設計流程如圖6所示，通訊模塊的編程通過對PROFIBUS-DP和PROFINET的系統功能塊的調用來實現。對需要控制的模擬量采用閉環控制，利用編程軟件自帶的控制功能塊SFB41-SFB43可實現常規PID控制。

3.3　子系統控制算法設計

本集控系統中采用多種智能PID控制算法。常規PID控制器方程的標準形式為

u(t)=KPe(t)+KI∫e(t)dt+KDde(t)/dt

其中：e(t)為控制器偏差輸入；u(t)為控制器輸出；KP、KI、KD為分別為比例、積分和微分項系數。

Fuzzy-PID是Fuzzy和常規PID兩類控制規律的結合，Fuzzy控制采用帶修正因子的Fuzzy控制器，其控制規則為

其中：u(k)、e(k)分別為輸出和給定值與測量值之差；ec(k)=e(k)-e(k-1)為偏差變化率；α為加權修正因子，在0~1之間取值。α取值大小直接影響著被控量偏差和偏差變化率的加權程度，當被控對象數學模型的階次較高時，對偏差變化率的加權應大于偏差的加權值，因而α可取較小值，反之亦然。用這種方法生成的控制規則能避免了以往控制規則定義中的空檔或跳變現象。

基于BP神經網絡的智能自整定PID控制器可以用于沒有數學模型的控制系統，比常規PID具有更大的靈活性。其參數整定方法是基于BP神經網絡的辨識參數的方法。也為了保證辨識效果，采用3層的BP網絡，輸入為要求的恒定值，如溫度、壓力、流量等，輸出分別為PID的3個參數。

圖5　子系統硬件設計結構

圖6　子系統軟件設計流程

4軟件及監控界面設計

4.1　軟件設計

總體軟件設計包括總體流程如圖7所示。

圖7　系統軟件設計流程

4.2　監控界面和報警數據庫設計

根據需要各子系統的功能和需要監控的參數設計人機交互界面。在WINCC上實現人機交互界面設計。數據庫管理和報警組態將深水試驗水池集控系統運行中的參數建立數據庫管理，將有些重要參數進行報警組態。這樣系統運行過程中就可以歸檔并且可以實時報警，并編輯歷史趨勢曲線，對于整套系統的維護和運行能夠起到很好的輔助作用。

5結論

本文基于交換式工業以太網和現場總線技術，設計了大型深水試驗水池集控系統集中監控系統。提出了集中監控系統的總體結構和各子系統的設計，組態了通訊網絡，設計了人機界面。由于采用了傳輸數字信號的工業以太網、現場總線技術、防護等級高的設備器件并且進行了冗余設計，所以本集控系統在惡劣的現場環境下具有很高的可靠性；由于采用了交換式工業以太網和現場總線技術使本集控克服傳統以太網傳輸的缺點具有非常好的擴展性；設計了人機接口、集中監控主機和服務器的監控界面，使系統具有多重、方便的操作方式。

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(責任編輯唐定國)

收稿日期：2015-01-15

基金項目：中國博士后科學基金(2012M510924)；黑龍江省博士后科學基金(LBH-12078)；中央高校基本科研業務費專項資助(HEUCFX41305)；高等學校博士學科點專項科研基金(20132304120015)

作者簡介：張蘭勇(1983—)，男，講師，主要從事控制理論與控制工程、隨機信號處理、物聯網應用技術等研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.035

中圖分類號：TP415

文獻標識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)07-0139-05

本文引用格式：張蘭勇，曹岸，杜逸璇.基于以太網的試驗水池集控系統設計研究[J].四川兵工學報，2015(7):139-143.

Citation format:ZHANG Lan-yong, CAO An, DU Yi-xuan.Design of Centralized Control and Monitor System of Experimental Basin Based on Ethernet[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(7):139-143.

Design of Centralized Control and Monitor System of
Experimental Basin Based on Ethernet

ZHANG Lan-yong, CAO An, DU Yi-xuan

(College of Automation, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

Abstract:We designed a centralized control and monitor system based on Dual-Ring Redundancy Industrial Ethernet and found the main frame of the system. Taking the redundancy into consideration, we designed the controllers and built communication configuration with switches. Then we designed the subsystems and interface to the field devices based on field-bus technology. Outlet the flow chart of the software was put forward. The monitor interface using configuration software was set up. The results show a great application value with dependable in terrible environment, and it is easy to maintenance, and is extensible and convenient to human-machine interface．

Key words:experimental basin; centralized control and monitor system; industry Ethernet; dual-ring redundancy

【機械制造與檢測技術】