输水工程控制系统远程通信方案

李 可，杜昆祥

(1.辽宁省东水西调工程建设局，沈阳 110003;2.辽宁润中供水有限责任公司，沈阳 110166)

辽宁省大伙房水库输水工程在运行中设置了调度中心和配水站分中心，整个自动化控制系统通信网络采用开放式、分布式、分层式网络结构。

第一层通信网络:调度中心采用冗余以太网与取水头部分中心及各配水站分中心进行网络通信。相关设备主要由光端机、服务器、网关机、磁盘阵列、交换机、路由器、网闸等组成。

第二层通信网络:各配水站分中心监控计算机与现场主控制单元CCU采用冗余以太网进行通信。相关设备主要包括服务器、交换机、工作站、双绞线等。

第三层通信网络:各现场主控单元CCU采用ControlNet现场总线与控制器、现场控制单元LCU、远程采集单元RTU、现场设备、传感器之间进行通信。相关设备包括CCU/LCU/RTU、网关设备、通信电缆、同轴电缆等。

三层间通信至关重要，尤其是各配水站调度分中心与现场控制单元、采集单元、传感器等的通信，直接影响着调度生产运行的监控。

1 各配水站控制系统的特点

辽宁省大伙房水库输水工程配水站担负着从干线取水、协调流量、处理紧急事故的重要作用，它的运行状况直接影响着输水工程的安全运行。图1为其自动化控制系统网络示意图。

图1 辽宁省大伙房水库输水工程配水站自动化控制系统网络示意图

配水站由调流阀室、流量计室、配水阀室、加氯间、稳压塔等组成，其控制系统有以下特点:ⓐ控制设备种类多，包括电动蝶阀、调流阀、集水坑潜水泵、高低压断路器、加氯装置、站外远方RTU单元等;ⓑ监视数据量大，包括各种控制设备的运行状态、流量、流速、压力、温度、高程、交流采样等;ⓒ设备之间协调运行工况复杂，配水站要求各个设备之间根据调度令精确、及时地进行调节，部分设备根据现场情况能进行自动调节控制;ⓓ控制方式多层分级，分为远程调度控制、分中心控制、触摸屏控制、现地手动控制;ⓔ通信设备量大，为了提高数据采集的可靠性，支持通信的设备 (如阀门、加氯装置等)均加有通信方式的数据采集。

2 远程通信方案

2.1 Anybus的串口接入

Anybus的串口接入网络方案属于控制层网络，它不仅可以实现I/O数据和实时数据传输，同时，也可在单一的物理链路上进行对等数据包的传输。对等通信的能力因其所具有的数据能力和高速控制而得到明显增强。此方案采用的是Modbus通信，Modbus协议对控制器所能够识别并使用的报文结构进行了定义，同时也描述控制器与其他设备的通信过程。

在原有设备的基础上，系统另外配置了西门子通信扩展模块 (CP341)、串口网关模块 (Anybus X-gateway模块)、串口转光纤模块 (NPORT5130)等。工作过程中，西门子PLC首先通过串口通信模件将数据信号接入RS-232/485总线，数据信号至串口转光纤模块后进行转换，并在光纤链路中长距离传输，传输至配水站串口转光纤模块转换成RS-232/485总线，最后通过串口网关实现RS-232/485总线与ControlNet总线的互通。详见下页图2。

2.2 Ethernet/IP的协议转换接入

图2 基于Anybus串口接入的网络拓扑示意图

Ethernet/IP使用CIP(Control and Information Protocol)作为应用协议的开放式工业网络标准，能够与目前所有的标准以太网设备进行透明衔接工作。工业应用中，所需传输的数据类型有程序上载、下载、互锁、配置、I/O、故障诊断等，不同类型的数据对传输服务质量亦有不同的要求。Ethernet/IP利用物理介质、TCP/IP套件和现有以太网的通信芯片，在应用层使用控制及信息协议 (CIP协议)，根据数据对传输服务质量要求的不同将报文分为隐性报文和显性报文，进行多种类型数据的传输，从而使Ethernet/IP在工业控制应用中能够进行网络组态、数据采集和实时控制。

基于原有设备，系统另外需配置Echochange网关模块 (以太网网关)、部分路由器及交换机。利用INAT GmbH公司的Echochange网关可以将两个不同协议的以太网进行连接的特点，将EtherNet/IP以太网和Profinet以太网连接，从而间接实现了Control-Logix与西门子PLC的以太网通信。详见图3。

2.3 SST设备和Profibus的总线接入

图3 基于Echochange协议转换接入的网络拓扑示意图

Profibus利用一根电缆将所有具有统一通信接口及协议的现场设备连接，由数字化通信网络构成现场设备与通信系统间的信息互换，是一种高速低成本的用于设备级控制系统与分散式I/O的通信。它支持广播和多点通信，传输速率支持9.6kbps～12Mbps制，可实现单主站、多从站的分散式数字控制及现场通信的网络结构。自动化监控系统中，Profibus现场总线的应用在工程费用方面能有效降低成本，同时在工程应用方面可增强系统对现场信息的集成能力及系统的可维护性。

基于原有设备，系统另外配置了PFB转光纤模块(OLM G11-1300)、SST模块 (SST-PFB-CLX-RLL模块)、通信扩展连接头等。为了实现西门子CPU与ControlLogix CPU的直接通信，需要从ControlLogix底板插槽上分出一个槽位，将SST模块作为一个插入式模块直接插入，作为Profibus网关，从而使数据包在两个控制器间进行周期性的交换。当控制变量存储于传输的数据包中时，这种方式能够确保所传数据的一致性。此方案的通信实质是将两套控制系统进行物理的连接，在此物理通道中，两控制器间进行数据的交换。此方案中两个控制器不仅能在它们各自的网络中进行数据交互，并且在此过程中，还可以各自与其他ControlLogix和西门子自动化网络建立通信连接，且连接稳定性较高。详见图4。

图4 基于SST设备和Profibus总线接入的网络拓扑示意图

2.4 Anybus的总线接入

Anybus是瑞典HMS工业网络有限公司于1995年针对多种现场总线给设备制造商带来的问题而提出的一种“可互换性 (Interchangeable)总线接口模块”概念，用来实现不同现场总线设备之间的互联。目前，Anybus技术在自动化监控系统应用比较广泛，已成为全球应用广泛的第三方现场总线连接技术。

基于原有设备，系统另外配置了PFB转光纤模块(OLM G11-1300)、PFB转CNT模块 (Anybus X-gateway模块)、直线T型接头1786-TPS等。工作过程中，西门子控制箱与PFB转光纤模块间通过ProfiBus总线连接，在PFB转光纤模块的作用下将电信号进行转换，通过光纤链路实现远距离传输至站内。站内一端以同样的方式进行逆转换，最终通过PFB转CNT模块在ProfiBus总线和ContrlNet总线间建立连接，实现双方的互通。详见图5。

图5 基于Anybus总线接入的网络拓扑示意图

3 方案优劣分析

基于Anybus的串口接入方案在工程成本上是最低的，但由于该方案中需采用Modbus通信，导致其通信速率较低，且编程较为复杂，适用于对实时性要求不高、数据量小的工程;基于SST设备Profibus的总线接入，虽然SST设备在实时性及数据吞吐量上都比较占优，但其工程成本太高，并且将SST设备直接插入到ControlLogix槽位中，对ControlLogix控制系统会产生一定的负荷;基于Ethernet/IP的协议转换接入相对于其他方案较简易，但其实时性、确定性及报文利用率上不如其他方案，且需要通过编程来实现其与罗克韦尔PLC的冗余通信。

上述方案的不足之处，使用Anybus的总线接入不仅能有效避免，并且可实现Profibus总线和Control-Net总线的直接高速互通，通信速率可达5Mbps，是适合于该工程的一种方案。