智能化閘控系統網絡通信的關鍵技術

張建明

（河南省水利勘察設計研究有限公司，河南 鄭州 450000）

0 引 言

南水北調中線一期工程是國家重點工程，總干渠長度1 432 km，共設有液壓啟閉機474套。渠道水量主要通過液壓啟閉機操控閘門的啟閉進行調節，因此啟閉機能否正常工作直接影響通水運行的可靠性和安全性。總干渠常年供水，全線總體調度，控制范圍廣，數據量大，對智能化控制及供水保證率要求較高。智能化的閘閥控制系統包括高效可靠的控制構架、安全暢通的網絡通信構架以及智能化的電動執行器終端。因為工程采用的液壓啟閉機廠家各異，所以在長時間運行后會導致協議轉換器設備與PLC之間的通信通道阻塞。PLC無法采集智能儀表數據，必須重新啟動協議轉換器或者交換機才能重新采集開度儀表數據。此外，它的功能、閘站數據通信和采集方式不統一，嚴重降低了整個智能化控制系統的安全性和可靠性，簡要分析智能化閘閥控制系統的網絡通信和數據處理。

1 通信方式的分析

在工業以太網網絡通信構架中，采用不同的通信方式與終端設備和分布式子系統等相連通，采集、接收并發送相關數據信息是該網絡構架中極其關鍵的一環[1]。作為控制終端的閘閥電動執行器，它支持的控制方式一般為開關量、模擬量以及數字量等。閘閥電動執行器與上位機的各種數據傳輸特性如下。

（1）模擬量數據傳輸（電流信號）理論傳輸距離可達幾千米甚至幾十千米，但是精度受傳輸距離影響較大。它的信號衰減大，易受環境溫度等外在因素影響導致溫漂現象。此外，數據的可靠性和穩定性較差，長距離采集數據一般不予采用，不宜用于智能化控制系統。

（2）采用OPC服務器中轉的通信方式?？刂平K端采用Modbus通信方式將數據傳至支持此協議的分站PLC，如西門子S7-1200。PLC采用以太網方式將數據傳送到上位機的PC Access中，上位機組態軟件通過OPC服務器進行數據通信[2]。該模式雖然經濟性較好但流程較為復雜，且經轉OPC服務器時會造成通信數據的不穩定引起通信中斷，安全性較差[3]。

（3）采用Modbus通信方式。在控制終端采用Modbus通信方式將數據傳至支持此協議的分站PLC如S7-1500，然后S7-1500通過Profibus通信方式與上位機連接，采集到組態軟件中。該模式結構較為簡潔且安全性高，但是RS485的物理層通信距離有限，波特率在9.6 kb/s以下時，一般不超過1 000 m，且Profibus負載能力有限，須通過增加中繼器提高其負載能力。

（4）采用無線通信方式。控制終端采用無線轉換模塊，利用無線收發器實現數據傳輸，并在控制分站或主站處轉換為串口通信或以太網的傳輸方式。無線傳輸方式多種多樣，如WiFi、Zigbee以及GPRS等，但是受收發器功率、傳輸距離、電磁環境以及外部環境等影響較大，經常性造成數據通信中斷、錯發或漏發數據包等情況，安全性和可靠性較差。

（5）采用光纖的通信方式?？刂平K端采用Modbus轉光纖模塊的通信方式將數據傳至主站PLC或上位機的光纖收發器，再通過以太網傳輸至上位機PC。該模式安全性較高，傳輸距離遠，負載能力強，適用性及擴展性較好，并具有較好的前瞻性，控制系統的升級換代也較為方便[4]。

2 通信網絡構架

以西門子的Simatic S7-1500 H系列冗余控制PLC系統為例，S7-1500 H通過標準化編程方式，采用TIA Portal STEP 7編程程序，把標準程序自動從主PLC系統保存到其冗余系統[5]。Simatic S7-1500 H具有的高性能和高可靠性，可有效預防數據包的丟失及停機故障的發生。冗余系列控制系統采用了Ethernet網絡系統冗余方式。因具有高效性、靈活性以及可靠性等特點，它為整個控制網絡構架提供了可靠的安全屏障[6]。

當主CPU因故障無法運行時，該系統備用CPU將根據提示信號自動運行程序控制系統，使得整個控制系統可快速恢復正常運行，最大限度地避免數據包丟失和故障宕機?；诠I以太網絡Ethernet系統冗余的通信方式可大大提高末端設備的可靠性。對支持以太網Ethernet冗余功能的末端現場設備，可通過以太網Ethernet連接到后臺冗余CPU，進一步實現工業以太網Ethernet的冗余通信。即便是在網絡中斷等故障情況下，末端現場設備也可通過冗余網絡繼續運行[7]。同時，CPU 1500 H帶有專門的光纖同步模塊，可以實現快速、平滑的切換。環網冗余網絡構架圖如圖1所示。

圖1 環網冗余網路構架圖

3 數據處理

數據處理是系統工程和自動控制的基本環節。工業控制系統一般是由主控制器進行數據采集、存儲、分析以及執行。分析和執行主要由內部程序實現，數據采集和存儲方式會使整個程序的運行簡單化或復雜化，關系著整個控制系統的正常運行。

3.1 PLC存儲卡容量選擇

數據處理離不開軟件的支持，整個控制系統要想高速、可靠以及安全運行，必須保證PLC存儲容量足夠大。存儲卡內存也影響著系統運行的循環周期，故應預留10%～20%余量。一般存儲容量可根據控制規模和方式進行估算。對于開關量控制、模擬量控制和采樣控制，存儲器容量M的估算方法分別為：

其中，DI為開關量輸入信號，Do為開關量輸出信號，AI為模擬量輸入信號，km為每個接點所占存儲器字節數。

3.2 數據傳輸

在工業控制系統中，采集、接收以及發送的數據無外乎控制數據和狀態數據?？刂茢祿挚煞譃殚_關量、模擬量以及數字量；狀態數據可分為開關量、模擬量、數字量、實時數據、故障信息數據、時間數據以及人員信息數據等。不同數據的存儲和傳輸各不相同。

執行器與分布式站點數據報表格式應優先選用系統自帶標準報文，也可根據控制需要采用自由報文，并根據控制字、控制雙字、狀態字以及報警狀態字分組進行編制。比如，開關啟停等控制信號獨立一個報文結構，閘閥的開度一個報文結構，其相應的反饋狀態值和故障信息各一個報文結構。如此分類可使數據傳輸過程更加迅速和完整，并可避免因數據丟包導致的控制異常。

分站與主站（非PC端）及主站至上位機PC端的數據傳輸同樣要遵循以上規約，但不是要將所有的終端數據全部上傳至PC端，而是根據需要和重要程度進行數據篩選。比如，總調度上位機端僅需某個閘閥開啟狀態和關鍵的故障信息，根據需要設置緊急處理信號，而其他數據信息則不需要占用通信線路，以減輕通信網絡負擔，提高網絡的安全性。

關鍵數據的定時記錄存盤，對故障原由的查找和故障的快速處理至關重要。數據記錄必須包含但不限于記錄時間、操作人員、發送指令以及關鍵狀態反饋信息。數據類型應包含設備安全運行所必須的數據，但不是越多越好，過多的數據記錄會影響系統運行的速度和安全性。此外，對存儲時間和存儲容量的要求也相對較高，數據自動記錄時間應根據設備操作頻率自行確定，一般可設1～10 min。同時，該數據記錄應具有中斷功能，在發生故障時立即記錄故障發生時的操作指令、狀態反饋以及故障信息，并立即存盤。

4 結 論

南水北調中線一期工程涉及線路段較長且閘閥設備數量龐大，對智能化程度要求較高。因此，僅對相關智能化控制系統的關鍵網絡通信技術作簡要闡述分析，而完善該智能化系統還需更多的工作，如采用西門子最新CPU1500系列控制系統網絡構架。具體項目實施應參考相關產品技術手冊，并關注其關鍵的注意事項。