目前,大多数水厂远程在线监控系统都采用RS485总线网络通信,但RS485 总线传输距离短、监控节点少、容错性差等不足在环境恶劣的水厂远程监控中已慢慢显露^[1]。而CAN总线具有较好的容错机制、较长的通信距离和较高的通信速率,将CAN总线应用于现场数据传输,可有效弥补RS485的不足。为了进一步加强预警系统的可靠性与稳定性,避免集中式控制系统或单片机控制系统中单台PLC控制单元对现场设备予以控制,一旦PLC发生故障,整个系统将会瘫痪的不足,本文提出采用基于CAN总线通信和PLC控制的DCS系统,能有效防止上述问题的产生,从而达到系统故障率低、可靠性高、传输距离远、传输速度快的目的,提高了水厂远程监控的自动化程度。

　　 CAN是BOSCH公司为解决汽车上仪器仪表设备之间的通信问题而设计的多主局部网络^[2]。与传统的RS485 总线相比,RS485 总线除在单点成本与开发难度上比CAN总线稍有优势外,在其他各方面的性能都劣于CAN总线,CAN总线在稳定性、可靠性、容错性、通信距离和通信速度上都有较大优势。CAN总线协议是建立在OSI基础上的,它的模型结构只取OSI底层的物理层、数据链路层和应用层,保证了节点间无差错的数据传输^[3]。CAN总线用“隐形”和“显性”两个互补的逻辑值表示“0”和“1”来进行数据传输。CAN2.0A/B规定:总线空闲时,CAN_H和CAN_L上的电压为2.5V;在数据传输时,显性电平(1)为CAN_H3.5V和CAN_L 1.5V,隐形电平(0)为CAN_H2.5V和CAN_L 2.5V,图1为CAN总线的位数值传输方式^[4]。

　　 CAN总线的通信距离最远可达10km,通信速度最快可达1 Mbps^[5],表1为CAN总线上任意两单元最大距离与位速度对应表,CAN总线支持的最大节点数目及相应电路参数如表2所示;表2中R_Diff.min为最小差动输入电阻,V_cc.min为最小电源电压,R_L.min为最小直流电阻,R_T.min为最小终端电阻。

　　 由表1 可知,CAN总线通信距离与通信速率成负相关,受信号衰减和波形变形、延迟等影响,要保证信号的可靠传输,就要相应地降低传输速率,使传输距离最远时位传输速率降为5 Kbps。由于CAN总线采用平衡发送和差分接受方式传送数据,抑制了共模干扰,使其最远传输距离可达10km,相对于RS485最远1.2km的通信距离而言,CAN总线能较好地满足工业现场数据传输。由表2可知CAN总线上可挂接的节点数目取决于总线驱动电路,当最小差动输入电阻、最小电源电压和最小直流电阻给定时,最小终端电阻越大,可挂接节点数目越多,较多的节点数目可满足现场采集点多的要求。

　　 CAN总线技术的报文传输为多主从方式,网络上任意节点均可在任意时刻不分主从向其他节点发送信息,CAN节点只需对报文标志符进行识别,即可实现点对点、点对多点或全局广播等方式进行数据传输^[6]。同时,CAN总线优秀的仲裁机制避免了RS485总线数据传输冲突的发生,CAN总线通过使用标识符逐位仲裁来确保报文和时间均不损失,保证了数据有效传输^[7]。CAN总线良好的通信能力和容错机制以及可挂接较多节点数目的优势,为水厂远程供水预警系统带来了便利。

　　 远程供水在线预警系统为分布式控制系统,将“分散管理、集中控制”的思想有效应用于水厂远程监控中。

　　 采用分级框架结构,该预警系统主要由现场监测设备、现场控制站和客户管理中心3大部分组成,其系统结构如图2所示。

　　 (1)现场监测设备。监测系统采用压力传感器、流量传感器、超声波液位传感器等高精密型传感器分布于管网待监测位置,对管网压力、用水流量、库水位等数据进行实时在线监测;并在供水管网的重要位置安装视频设备,通过即时摄像,全方位保证水厂远程供水安全可靠。

　　 (2)现场监控站。一般放置在现场监控机房中,通过CAN总线方式传输,将现场CAN智能型传感器挂接到CAN-bus上,通过现场数据采集箱与现场监控主机PLC之间实现双向通信。现场PLC可对采集到的数据进行存储、运算、智能分析、显示等以供现场调控人员使用。同时对现场供电线路、传感器与设备接口、监控机房等重要部位采用3级防雷防电保护,确保系统安全运行。

　　 (3)客户管理中心。现场控制站距离客户管理中心一般比较远,可采用无线方式来实现远程监控。客户管理中心可以对数据进行存储、运算、显示或远程网络发布。当管网压力、流量过大或过小,库水位过高或过低时,客户管理中心均可通过反馈预警机制对现场PLC予以控制,并及时通知管理人员,确保系统安全运行。其他人员可通过远程终端访问预警系统,及时了解现场运行状况。

　　 基于CAN总线的DCS远程供水在线预警系统软件采用Visual Basic编写,其远程监控软件工作流程如图3所示。

　　 该预警系统具有如下功能:

　　 (1)数据管理。 客户端可将采集到的管网压力、流量、库水位等数据进行存储、运算、绘制过程线或分布线加以显示,供相关人员在大屏幕上查阅;并可将原始数据存储至数据库,方便日后查阅并打印。

　　 (2)预警机制。在客户端可给管网压力、流量、库水位等监测量设置相应预警值,当客户端分析出监测数据超出预警范围后可预警,并采取关闭水泵阀门、减速降压等防险措施,同时及时通知管理人员,确保远程安全供水。

　　 (3)其他功能。设置管理员登录权限,供不同管理人员登陆不同管理界面;提供丰富的图形报表功能,使分析过程窗口化、分析结果图形化;对现场场景采用缩放功能,定期更新数据;采用数据库存储,确保监控数据安全有效可查询。

　　 水厂远程供水中对管网压力及流量有效监测至关重要,合适的供水压力、流量能保证地处不同高度的企业、居民均能正常取水、互不干扰。某水厂供水管网采用ZRN-100 型超声波流量计和PT500-501型水压传感器负责对46 个取水节点的管网压力及流量进行实时采集。现场PLC采集到的瞬时流量计算见式(1)。

　　 式中q———瞬时流量,m³/s;

　　 s———供水管道截面积,m²;

　　 v———水流速度,m/s;

　　 △L———传感器安装距离,m;

　　 △t———激光在△L管段中水静止及水流动时的时间差,s;

　　 D———管道外壁,m;

　　 d———管道内壁,m。

　　 由于管网压力、水流速度不稳定,计算累积流量时,可对瞬时流量在一定时间内进行积分。

　　 PT500-501型水压传感器内部采用恒流源电桥的电路设计来确保管网压力与电压的对应。当水压改变△P时,即引起电桥第一桥臂电阻R1(Ω)变为R1+△R1时,电桥输出电压U₀为:

　　 这时只要将0~5 V的模拟量输出电压经过PLC内部的A/D转换,并及时通过无线传输送至客户管理中心的上位机,就可供各客户端使用。

　　 选取该水厂2015年7月远程供水系统所有监测点中的任意4处为研究对象,对这4个监测点的月累计流量、瞬时流量、瞬时管网压力进行数据分析。表3为4个测点的月用水统计表。

　　 从表3数据统计中可以看出4个企业的本月有效用水量、本月漏水率及本月用水率与上月用水率的对比。通过查看本月漏水量、本月漏水率和本月用水率来帮助水厂管理人员了解该企业有无偷漏水现象;通过查看本月有效用水量来向用水企业征收水费;通过查看本月用水率与上月用水率的比较来衡量供水效率。表3 中4 个监测点7 月用水率较6月用水率都有所提高,说明水厂管理人员能及时有效对供水管网进行巡检,保证供水管网无恶意偷漏水,同时也为员工绩效考核提供了依据。图4和图5为4个监测点瞬时流量与瞬时压力统计情况。

　　 由图4可以看出10h和16h为企业用水高峰期,6h和18h则用水量较小,供水厂要根据情况合理供水,合理开展管道维修工作;与此同时,客户管理人员可以根据曲线图对水供应量合理调配的同时适当预测下期用水量。

　　 由图5可以看出,管网压力整体供压合理,有适当压力波动属正常现象,在10h和16h各测点压力较小,6h、12h、18h管网压力较高,说明各企业在10h、16h用水量较大、取水频繁,水厂可采取适当加压的方式确保企业合理取水;而在6h、12h、18h则取水量较小,能满足企业正常取水。

　　 (1)与RS485总线相比,CAN总线表现出了通信速度快、距离远、可挂节点多、容错性好的特点,为整个系统的数据传输做了强有力的通讯保障。

　　 (2)组建的DCS系统稳定性好、可靠性高,便于后期维护;预警反馈机制可有效驱使PLC对现场电动阀、加压泵、深水井泵予以控制。

　　 (3)CAN总线为客户管理中心和现场数据传输提供了良好通信;未来在多节点、长距离的远程在线预警系统中CAN总线取代RS485 总线将是必然趋势。