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國內近期建設的水廠所采用的自動化系統(tǒng)大都基于PLC。我們經過多年的探索和實踐，向大家推薦一套有較高性能價格比的自動化系統(tǒng)：美國OPTO 22（奧圖）公司基于工業(yè)現場總線的"前端分布式智能I/O系統(tǒng)"的解決方案。
(一)
水廠的自動化系統(tǒng)，采用的結構一般都是以車間為單位設立子站，子站一般采用PLC，它們之間通過專用網絡聯接，網絡中心設備及廠級監(jiān)控配置的PC放在水廠的中心監(jiān)控室。這種連接方法的一個缺點是現場的I/O信號線還是要集中拉到PLC子站處，信號電纜經長距離并大量集中在一起，不但大大增加了信號電纜布線的工程量，而且使信號受到干擾的可能性加大，以后系統(tǒng)維護的工作量也相應增大。現在有的PLC系統(tǒng)也在子站PLC下再接一層子PLC，但這種缺點還是沒有完全克服。
我們推薦的方案是采用三層的結構方式。首先在水廠廠區(qū)范圍內布置一套以太網，用于車間子站與中心監(jiān)控站及其它子站的通訊。當今世界上網絡采用以太網的占了絕大多數，以太網的技術飛速發(fā)展，已從前幾年的10M發(fā)展到100M甚至1000M，而且價格也下降得很快。在水廠采用以太網結構，不僅能緊跟世界科技發(fā)展的潮流，而且具有很好的性能價格比，與水司的辦公自動化網絡能很好結合。以太網可以采用的介質有細纜、粗纜、雙絞線或光纖，我們建議使用光纖，因為光纖的抗干擾性卓越、通訊距離長以及升級的方便。
方案以車間為單位設立子站，配置PC連接底層I/O，監(jiān)控子站范圍內的儀表設備的運行及生產過程，并負責與廠級上位機的通訊，還可以通過網絡觀察其它子站的情況。子站的底層I/O采用基于工業(yè)現場總線方式的“前端分布式智能I/O系統(tǒng)”，通過工業(yè)現場網絡(通常是采用RS-485串行通訊協(xié)議的一對雙絞線)將前端I/O單元分散到工業(yè)現場的設備或儀表附近，這樣不但大大地削減了現場到I/O之間一一對應的連接導線，節(jié)約了自控系統(tǒng)的安裝費用，將信號受干擾的可能性降至最低，還使用戶在以后的維護、擴展都十分方便。
美國OPTO 22公司的OPTOMUX、MISTIC及SNAP I/O系統(tǒng)就是這樣典型的“前端分布式智能I/O系統(tǒng)”，子站PC通過一條雙絞線用串行通訊RS-485方式連接多個OPTO SNAP控制器(連接的方式還可以采用ETHERNET、ARCNET網絡通訊方式)；SNAP的控制器再通過一條雙絞線RS-485與分布在現場的諸多前端分布式智能I/O單元相連(連接的方式同樣還可以采用ETHERNET、ARCNET網絡通訊方式)；前端分布式智能I/O單元(以下簡稱‘前端I/O單元’)是由一個帶處理器的I/O接口板加一個模塊安裝底板構成，底板上可根據需要插上各式各樣的I/O模塊。
SNAP-LCSX控制器的CPU為32位的Motorola 68EC020芯片，CPU的時鐘頻率為16.67MHz；SNAP-LCM4控制器的CPU為32位的Motorola 68030芯片，帶有IEEE浮點協(xié)處理器，CPU的時鐘頻率為33MHz。前端I/O單元和處理器負責對I/O進行以微秒為時間單位的掃描和檢測，能進行高達20KHz的調整計數、能分辨小到100微秒寬的脈沖寬度；執(zhí)行模擬量輸入輸出、工程單位的轉換，PID控制，測量數據的累計、平均、檢測最大和最小值等功能(例如熱電偶的輸入，首先自動進行線性化，再轉換成攝氏度或華氏度，再提供給上位SNAP控制器)；對偶發(fā)事件有對上位控制器中斷的功能。前端I/O單元執(zhí)行I/O掃描和其它功能時，并不消耗SNAP控制器的時間，使上位控制器能更有效地完成監(jiān)控程序運行、響應中斷等任務。
(二)
相對于PLC而言，OPTO 22解決方案的主要特點是前端分布式智能I/O。通過一條雙絞線以RS-485的串行通訊，就可以將前端I/O單元分散到工業(yè)現場的設備或儀表附近。前端I/O單元的I/O模塊是單點單通道的，任何一點的失效，都不影響系統(tǒng)及其它I/O，而且I/O模塊可進行帶電拔插，I/O接口板也可帶電拔插，因此在更換它們時無需斷電停機，進一步提高了系統(tǒng)的可維護性。在前端I/O單元的模塊安裝底板上，開關量(DI、DO)和模擬量(AI、AO)模塊可以混裝，使得可根據不同現場的不同信號需求進行靈活而貼切的配置，進一步降低成本。
OPTO 22的I/O模塊有多種量程范圍、多種類型，從2.5VDC到280VAC/VDC的開關量輸入/輸出，有標準的4-20mA的電流環(huán)輸入/輸出，也有10VDC輸入/輸出，各種熱電阻、電偶輸入等，可以根據現場信號的類型選取，大大減少了變送器或繼電器等中間環(huán)節(jié)，既可節(jié)省一筆費用，還增加了系統(tǒng)的精度和可靠性。OPTO 22的I/O采用獨立全密封封裝的固態(tài)模塊，帶有4000伏VDC的光電隔離，可把現場的任何干擾都隔離掉；可抵御很強的震動和沖擊；可工作在-25°C到75°C的溫度范圍內，在全密封、無通風或風扇散熱的環(huán)境中長期正常地工作。I/O和上一級控制器的連接采用了RS-485現場總線串行通訊標準，對模擬量的傳輸由于經過了D/A、A/D轉換，通信線路上走的是數字信號，不但能提高測量和控制的精度，還增加了抗干擾能力。而且OPTO 22的各種產品的MTTF(平均無故障操作時間)都相當高：控制器的MTTF是37萬小時；I/O接口板是140萬小時；模擬輸入、輸出模塊是296萬小時；開關量輸入模塊是378萬小時；開關量輸出模塊是592萬小時。所有這些都保證了系統(tǒng)的長期穩(wěn)定、可靠地運行。
如前(一)中所述，OPTO 22分布式智能I/O采用了兩級處理器；SNAP控制器執(zhí)行監(jiān)控程序運行、響應中斷等任務；前端I/O單元的處理器執(zhí)行I/O掃描和其它功能，實現了兩級并行處理的、先進的工作方式。而在PLC中采用的是一級處理器---PLC的CPU單元，它首先必須順序掃描所有輸入點，運行監(jiān)控程序，再進行輸出，它只是一個順序控制器；對各種量程的轉換需附加變送器，才能輸入到PLC中；對模擬量的處理需要在CPU單元中進行。這樣當PLC的I/O點數和要處理的功能多一點的話，PLC的中央處理器的檔次就要升得很高了。當然，有的PLC可配置專用單元進行量程的轉換和模擬量的處理，而這種專用單元通常是昂貴的。
PID控制是工業(yè)控制中最基礎、也是用得最廣泛的一種控制方法，它具有較復雜的模型、要求快速的運算。在OPTO 22系統(tǒng)中，PID控制是放在前端I/O單元上，由其處理器執(zhí)行，無須上位的SNAP控制器參與。假如PID控制增加較多，只需增加與之相對應的前端I/O單元(一個前端I/O單元能單獨控制8個PID回路)。OPTO 22系統(tǒng)的先進性由此也可見一斑。
OPTO 22系統(tǒng)開放性強，它支持諸如Paragon、Fix、Intouch等流行的監(jiān)控軟件開發(fā)平臺，同時也有自己的、功能相當的監(jiān)控軟件開發(fā)平臺-----FactoryFloor。OPTO 22的SNAP控制器本身帶有RS-232和RS-485串行接口，十分便于與智能化儀表、設備的連接。
FactoryFloor的編程環(huán)境是基本于Microsoft Windows平臺，采用直觀的流程圖填表方式的組態(tài)軟件，對串行口通訊的ASCII碼等通訊功能和一些復雜的算法，很容易就能完成。而且在OPTO 22較低級的控制器上開發(fā)的應用軟件，可以直接裝載到高級的控制器上運行，因此，系統(tǒng)擴充與升級非常容易。OPTO 22公司在SNAP的基礎上又推出了(在世界范圍內的工業(yè)控制領域中還是第一次)使用以太網和“TCP/IP”協(xié)議方式通訊的I/O系統(tǒng)。通過網絡與上位機進行高速的數據通訊，甚至通過Internet也可以I/O進行監(jiān)控。
(三)
在介紹了OPTO 22系統(tǒng)的特點后，很自然會關注一個問題：它的價格？相對PLC而言OPTO 22在價格上也比較便宜。以下是OPTO 22與三家著名PLC廠家的價格比較：以1998年10月美國本土的公開報價為基礎配置64個開關量、20個模擬量、2個串行口為例 ---- MODICON的“COMPACT 984”為US$10,472(其中硬件價格為US$8,141)；SEIMENS的“S7-300”為US$13,121(其中硬件價格為US$6,131)；ALLEN-BRADLEY的“SLC-504”為US$15，840（其中硬件價格為US$10，840）OPTO 22的“SNAP”為US$5,188(其中硬件價格為US$4,839)。除了MODICON的I/O提供十八個月的保修期外，其它兩家都只提供一年的保修期，而OPTO 22的I/O模塊則提供終身保用。從軟件費用看，FactoryFloor的基本價格為US$349，每安裝一臺PC增加US$90的費用。這樣，一個水廠的自控系統(tǒng)花在監(jiān)控軟件開發(fā)平臺方面的費用通常不會超過US$1500。總之，OPTO 22是一套性能價格比非常優(yōu)秀的自控系統(tǒng)。
應用實例
★ 深圳市大涌水廠
★ 深圳市東湖水廠
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號