張?zhí)m勇，曹　岸，杜逸璇

( 哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院， 哈爾濱　150001)

基于以太網(wǎng)的試驗(yàn)水池集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

張?zhí)m勇，曹岸，杜逸璇

( 哈爾濱工程大學(xué) 自動化學(xué)院， 哈爾濱150001)

摘要：提出了試驗(yàn)水池集控系統(tǒng)基于交換式雙環(huán)冗余工業(yè)以太網(wǎng)的總體構(gòu)成方案，進(jìn)行了系統(tǒng)冗余分析和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了控制器，組態(tài)了系統(tǒng)各層次之間的通訊網(wǎng)絡(luò)；提出了各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用現(xiàn)場總線技術(shù)設(shè)計(jì)了與現(xiàn)場設(shè)備的接口；提出了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的流程，建立了監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)對試驗(yàn)過程的監(jiān)視和控制，在試驗(yàn)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境下具有可靠性高，人機(jī)界面友好，維護(hù)方便，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，具較高的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：試驗(yàn)水池；集控系統(tǒng)；工業(yè)以太網(wǎng)；雙環(huán)冗余

試驗(yàn)水池是開展深海裝備開發(fā)必不可少的試驗(yàn)手段，穩(wěn)定可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)是核心的問題之一。試驗(yàn)水池按功能分為多個子單元，具有控制功能復(fù)雜，監(jiān)視數(shù)據(jù)多，系統(tǒng)工作環(huán)境差，電磁環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。目前，工業(yè)監(jiān)控上普遍應(yīng)用的分布式控制控制系統(tǒng)(DCS)是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和圖形顯示技術(shù)于一體的系統(tǒng)。具有通用性強(qiáng)、系統(tǒng)組態(tài)靈活、控制功能完善、數(shù)據(jù)處理方便、顯示操作集中、人機(jī)界面友好、安裝簡單規(guī)范化、調(diào)試方便、運(yùn)行安全可靠的特點(diǎn)。本集控系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)場總線技術(shù)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備的監(jiān)視和控制。充分考慮了可靠性和安全性，監(jiān)控主網(wǎng)采用了雙環(huán)冗余的交換式工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場設(shè)備的控制則采用實(shí)時(shí)性好的現(xiàn)場總線技術(shù)。

1深水試驗(yàn)水池集控系統(tǒng)總體構(gòu)成方案

1.1　基本結(jié)構(gòu)

大型深水試驗(yàn)水池集控系統(tǒng)按功能分為9個子系統(tǒng)，分別為試驗(yàn)環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、環(huán)境參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)、造流控制子系統(tǒng)、假底控制子系統(tǒng)、燈光控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、發(fā)射控制子系統(tǒng)、造波控制子系統(tǒng)和拖車控制子系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)水池集控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

子系統(tǒng)的上層有集中監(jiān)控主機(jī)、服務(wù)器和工作站。各子系統(tǒng)包含實(shí)現(xiàn)其功能的各種設(shè)備如分布式I/O、變頻器、人機(jī)接口組件等。用交換機(jī)把各子系統(tǒng)和上層的集中監(jiān)控主機(jī)連接起來，構(gòu)成雙環(huán)冗余的工業(yè)以太網(wǎng)，其中有兩臺交換機(jī)為冗余管理交換機(jī)，各子系統(tǒng)和上層設(shè)備的數(shù)據(jù)交換采用以太網(wǎng)的方式，可以確保大量的數(shù)據(jù)信息傳送。交換式以太網(wǎng)克服了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的傳輸不確定性。子系統(tǒng)中的通訊方式為了現(xiàn)場總線方式，此方式傳輸數(shù)據(jù)量較少，但實(shí)時(shí)性好，可以保證系統(tǒng)控制功能的實(shí)時(shí)性和可靠性。

根據(jù)以上分析可將深水試驗(yàn)水池集控系統(tǒng)按功能劃分為4個層次，如圖2所示。

第1層是集中監(jiān)控主機(jī)和操作站，集中監(jiān)控主機(jī)配有人機(jī)交互單元和緊急操作臺，與各子系統(tǒng)相連。操作站通過交換機(jī)與服務(wù)器連接。操作員站具有兩方面功能：通過服務(wù)器直接采集各子系統(tǒng)的狀態(tài)信息并顯示；經(jīng)服務(wù)器操作集中監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制，完成對實(shí)驗(yàn)過程的控制操作。

第2層是服務(wù)器，完成監(jiān)測數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)集中處理的任務(wù)。服務(wù)器和客戶機(jī)通訊采用局域網(wǎng)；各子系統(tǒng)通過總線將底層狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器。為了提高可靠性，服務(wù)器采用雙服務(wù)器冗余模式。

第3層是現(xiàn)場控制層，完成具體的控制功能。該層的各個子系統(tǒng)之間可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以將現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器。該層的每個子系統(tǒng)均在試驗(yàn)現(xiàn)場和主控室都可控制?？蛇M(jìn)行本地/遙控、手動/自動等控制模式的選擇。另外現(xiàn)場設(shè)備還配有緊急停止開關(guān)，以應(yīng)付緊急情況。

第4層是現(xiàn)場設(shè)備層，包括電機(jī)，變頻器，傳感器、變送器、閥，泵，開關(guān)，接觸器，顯示燈等。完成監(jiān)視數(shù)據(jù)采集和控制動作執(zhí)行的功能。

圖2　深水試驗(yàn)水池集控系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

1.2　通訊網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

以太網(wǎng)從其發(fā)明之日起就是一種總線網(wǎng)絡(luò),其邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從其功能上講,是一條總線,但因其實(shí)際網(wǎng)絡(luò)布線方式的不同,可以構(gòu)成星形、總線形和環(huán)形等不同的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在辦公自動化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中,一般對于可靠性沒有特別的要求,同時(shí)為了網(wǎng)絡(luò)管理和布線的方便,多采用星形的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)中,由于目前的大型控制系統(tǒng)大多為分布式系統(tǒng),因此多采用總線結(jié)構(gòu)或環(huán)形結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性,可以采用雙星形、雙總線或雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余。表1比較了各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。

表1　各網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔容^表

在本集控系統(tǒng)中，采用雙環(huán)型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的通信系統(tǒng),如圖3所示。環(huán)形以太網(wǎng)雖然在物理上是個環(huán)狀結(jié)構(gòu),但在邏輯上還是個總線結(jié)構(gòu)。當(dāng)某一段雙絞線或某一個交換機(jī)發(fā)生故障時(shí),冗余的環(huán)網(wǎng)具備“自愈”能力，允許交換機(jī)、兩處雙絞線、網(wǎng)卡四種故障( 但其中的一個環(huán)型網(wǎng)不允許出現(xiàn)多處斷點(diǎn))，網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時(shí)間小于0.3 s。

通過計(jì)算比較單環(huán)以太網(wǎng)、雙環(huán)以太網(wǎng)的系統(tǒng)故障率.假設(shè)各相鄰節(jié)點(diǎn)的通信故障率λ相同且近似等于相鄰交換機(jī)之間的通信連接出錯的概率.假設(shè)系統(tǒng)有n個節(jié)點(diǎn),每個交換機(jī)上只連接一個設(shè)備節(jié)點(diǎn).單環(huán)以太網(wǎng)的系統(tǒng)故障率為p= 1-(1-λ)n， 雙網(wǎng)運(yùn)行時(shí),系統(tǒng)故障率為p= (1-(1-λ)n)2，相比較雙網(wǎng)具有明顯的優(yōu)越性。

圖3　通訊網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3　通訊網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成

主網(wǎng)采用以交換機(jī)作為冗余管理器的雙環(huán)冗余結(jié)構(gòu)，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(jiān)控主機(jī)、第2層的服務(wù)器均有雙網(wǎng)卡，通過SCALANCE X400交換機(jī)連接到主網(wǎng)的雙環(huán)中。第3層的S7-300PLC控制器通過SCALANCE X200交換機(jī)連接到主網(wǎng)。SCALANCE X400交換機(jī)作為冗余管理器采用HSR協(xié)議通過發(fā)送監(jiān)測幀監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)，發(fā)生故障時(shí)整個網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)時(shí)間小于0.3s。

現(xiàn)場設(shè)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(jīng)濟(jì)性和實(shí)時(shí)性都要好過PROFINET。但傳輸數(shù)據(jù)量少于PROFINET總線。

1.4　通訊網(wǎng)絡(luò)的組態(tài)

1.4.1集中監(jiān)控和服務(wù)器層與現(xiàn)場控制層之間的PROFINET組態(tài)

第1步： S7-400主站的硬件組態(tài)，各S7-300從站的硬件組態(tài)，設(shè)定各站點(diǎn)的IP地址；

第2步：建立主站，從站之間通過交換機(jī)端口的連接，設(shè)置交換機(jī)的屬性，設(shè)置冗余管理交換機(jī)；

第3步：程序編寫，調(diào)用FB12“BSEND”和FB13“BRCV”進(jìn)行通訊，S7-300 一次可發(fā)送多達(dá)32 768個字節(jié)的數(shù)據(jù)，S7-400 一次可發(fā)送多達(dá)65 534個字節(jié)的數(shù)據(jù)；

第4步：下載硬件組態(tài)，網(wǎng)絡(luò)組態(tài)到對應(yīng)的站。

1.4.2現(xiàn)場控制層與現(xiàn)場設(shè)備層的之間的PROFIBUS-DP組態(tài)

在本系統(tǒng)中用到了S7-300與ET-200M的PROFIBUS-DP連接，組態(tài)過程如下：

第1步：配置S7-300主站，建立PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)；

第2步：連接ET-200M到PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)，配置ET-200S的模塊；

第3步：分布式I/O與本地I/O無本質(zhì)上區(qū)別，可像處理本地I/O一樣處理分布式I/O采集到的數(shù)字量和模擬量。

2系統(tǒng)冗余分析及控制器設(shè)計(jì)

2.1　系統(tǒng)冗余分析

一般根據(jù)應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)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(dāng)主設(shè)備故障時(shí)，通過特定硬件判別、備份方式無間隙地自動切換到備用設(shè)備;暖冗余,即軟冗余方式，主要通過編程方式來實(shí)現(xiàn)冗余。系統(tǒng)切換的時(shí)間較硬冗余稍長;冷冗余，即一套或部分冗余的設(shè)備準(zhǔn)備待命。

2.2　系統(tǒng)冗余實(shí)現(xiàn)

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(shè)備，在本系統(tǒng)中采用的S7-400H系統(tǒng)CPU 具有硬件冗余功能。

軟冗余方式，主要通過編程方式來實(shí)現(xiàn)冗余。軟冗余的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示：軟冗余系統(tǒng)是由兩套相對獨(dú)立的S7-300PLC系統(tǒng)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)4個方面的冗余：主機(jī)架電源、背板總線等冗余、PLC處理器冗余、PROFIBUS現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)冗余。

集中監(jiān)控主機(jī)是整個系統(tǒng)的大腦，復(fù)雜整個系統(tǒng)的監(jiān)視和控制任務(wù)，通訊量大，可靠性要求高，一旦發(fā)生故障則整個系統(tǒng)必須停機(jī)。所以必須采用硬冗余(熱冗余)的方式，同時(shí)集中監(jiān)控主機(jī)與各子系統(tǒng)的通訊也采用冗余設(shè)計(jì)，這樣當(dāng)一套設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，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(tǒng)的現(xiàn)場控制層的設(shè)備采取軟冗余的方式，通過編程來實(shí)現(xiàn)冗余功能。

2.3　控制器設(shè)計(jì)

集中監(jiān)控主機(jī)選擇了具有雙CPU硬冗余功能的S7-400H,該P(yáng)LC具有中高檔性能，適用對可靠性要求極高的大型復(fù)雜控制系統(tǒng)，運(yùn)行速度快，存儲量大，可擴(kuò)展能力強(qiáng)，通訊能力強(qiáng)，方便的冗余控制，診斷功能強(qiáng)。

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(wù)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?！?/p>

在S7-400H上主要功能是采集下層控制設(shè)備的數(shù)據(jù)，控制下層設(shè)備的動作，并且為上層服務(wù)器提供數(shù)據(jù)。通過PROFINET接口與上下層的設(shè)備組成工業(yè)以太網(wǎng)。

現(xiàn)場控制層采用西門子S7-300PLC，主要的功能是處理現(xiàn)場設(shè)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(xiàn)場采集信號采集，防護(hù)等級為IP20，能在惡劣的現(xiàn)場環(huán)境中長期正常工作 。通過PROFIBUS-DP與上層PLC進(jìn)行通訊。ET200M的數(shù)字量和模擬量模塊用來采集現(xiàn)場的信號。

圖4　系統(tǒng)冗余的硬件結(jié)構(gòu)

3子系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1　子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

各子系統(tǒng)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(jié)構(gòu)上相似的。采用了分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)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(shù)字量輸入(DI)、數(shù)字量輸出(DO)模塊。

計(jì)算各輸入輸出信號的數(shù)量，確定各種信號模塊的數(shù)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(jìn)行硬件組態(tài)。在STEP7中生成一個與實(shí)際硬件系統(tǒng)完全相同的系統(tǒng)，如圖5所示。

3.2　子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

子系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示，通訊模塊的編程通過對PROFIBUS-DP和PROFINET的系統(tǒng)功能塊的調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。對需要控制的模擬量采用閉環(huán)控制，利用編程軟件自帶的控制功能塊SFB41-SFB43可實(shí)現(xiàn)常規(guī)PID控制。

3.3　子系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)

本集控系統(tǒng)中采用多種智能PID控制算法。常規(guī)PID控制器方程的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)系數(shù)。

Fuzzy-PID是Fuzzy和常規(guī)PID兩類控制規(guī)律的結(jié)合，F(xiàn)uzzy控制采用帶修正因子的Fuzzy控制器，其控制規(guī)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(quán)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(quán)程度，當(dāng)被控對象數(shù)學(xué)模型的階次較高時(shí)，對偏差變化率的加權(quán)應(yīng)大于偏差的加權(quán)值，因而α可取較小值，反之亦然。用這種方法生成的控制規(guī)則能避免了以往控制規(guī)則定義中的空檔或跳變現(xiàn)象。

基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的智能自整定PID控制器可以用于沒有數(shù)學(xué)模型的控制系統(tǒng)，比常規(guī)PID具有更大的靈活性。其參數(shù)整定方法是基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的辨識參數(shù)的方法。也為了保證辨識效果，采用3層的BP網(wǎng)絡(luò)，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(shù)。

圖5　子系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

圖6　子系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

4軟件及監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

4.1　軟件設(shè)計(jì)

總體軟件設(shè)計(jì)包括總體流程如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

4.2　監(jiān)控界面和報(bào)警數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)需要各子系統(tǒng)的功能和需要監(jiān)控的參數(shù)設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面。在WINCC上實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)庫管理和報(bào)警組態(tài)將深水試驗(yàn)水池集控系統(tǒng)運(yùn)行中的參數(shù)建立數(shù)據(jù)庫管理，將有些重要參數(shù)進(jìn)行報(bào)警組態(tài)。這樣系統(tǒng)運(yùn)行過程中就可以歸檔并且可以實(shí)時(shí)報(bào)警，并編輯歷史趨勢曲線，對于整套系統(tǒng)的維護(hù)和運(yùn)行能夠起到很好的輔助作用。

5結(jié)論

本文基于交換式工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)，設(shè)計(jì)了大型深水試驗(yàn)水池集控系統(tǒng)集中監(jiān)控系統(tǒng)。提出了集中監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，組態(tài)了通訊網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了人機(jī)界面。由于采用了傳輸數(shù)字信號的工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線技術(shù)、防護(hù)等級高的設(shè)備器件并且進(jìn)行了冗余設(shè)計(jì)，所以本集控系統(tǒng)在惡劣的現(xiàn)場環(huán)境下具有很高的可靠性；由于采用了交換式工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線技術(shù)使本集控克服傳統(tǒng)以太網(wǎng)傳輸?shù)娜秉c(diǎn)具有非常好的擴(kuò)展性；設(shè)計(jì)了人機(jī)接口、集中監(jiān)控主機(jī)和服務(wù)器的監(jiān)控界面，使系統(tǒng)具有多重、方便的操作方式。

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(責(zé)任編輯唐定國)

收稿日期：2015-01-15

基金項(xiàng)目：中國博士后科學(xué)基金(2012M510924)；黑龍江省博士后科學(xué)基金(LBH-12078)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助(HEUCFX41305)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20132304120015)

作者簡介：張?zhí)m勇(1983—)，男，講師，主要從事控制理論與控制工程、隨機(jī)信號處理、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)等研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.07.035

中圖分類號：TP415

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-0707(2015)07-0139-05

本文引用格式：張?zhí)m勇，曹岸，杜逸璇.基于以太網(wǎng)的試驗(yàn)水池集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].四川兵工學(xué)報(bào)，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(jī)械制造與檢測技術(shù)】