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基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成式全分布污水處理控制系統(tǒng)
摘要：本文介紹了嘉興市污水處理工程控制系統(tǒng)的解決方案和實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)。所采用的基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成式全分布控制系統(tǒng)，具有高度的分散性、實(shí)時(shí)性、可靠性、開放性和互操作性的特點(diǎn)，同時(shí)也是數(shù)據(jù)、語音和視頻“三網(wǎng)合一”的系統(tǒng)。其成功應(yīng)用代表了現(xiàn)場(chǎng)總線和控制技術(shù)的在水處理行業(yè)的最新發(fā)展方向，對(duì)類似系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)具有廣泛的參考意義。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線 工業(yè)以太網(wǎng) 分散控制 水處理
概述
隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化概念向自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷滲透，水處理自動(dòng)化控制理念和技術(shù)也在不斷發(fā)展。在上世紀(jì)末新型的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡(luò)的封閉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所造成的缺陷，試圖將基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。此后，上位機(jī)、PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的集散監(jiān)控系統(tǒng)逐步成為水處理自動(dòng)化的主流。但由于不同行業(yè)不同應(yīng)用派生出的不同的總線系統(tǒng)，加之經(jīng)濟(jì)利益的沖突，各種不同的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)之間的互不兼容嚴(yán)重束縛了不同廠商設(shè)備之間的互連，使得現(xiàn)場(chǎng)總線成為受廠商限制的專用網(wǎng)絡(luò)。而隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，它不僅在辦公自動(dòng)化領(lǐng)域而且在工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用，許多控制器、PLC、智能儀表和執(zhí)行器，乃至DCS系統(tǒng)已經(jīng)帶有以太網(wǎng)接口，這些都標(biāo)志著工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為真正開放互連的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，它將對(duì)水處理自動(dòng)化技術(shù)產(chǎn)生很大的影響。
嘉興市污水處理工程是嘉興市市區(qū)及部分縣市生活污水、工業(yè)廢水的集中收集、輸送、處理、排海（入杭州灣）的污水處理系統(tǒng)，包括嘉興市市區(qū)及各縣市（嘉善、平湖、海鹽）首府鎮(zhèn)和乍浦鎮(zhèn)范圍的城市污水集中排放管網(wǎng)（由各縣市負(fù)責(zé)實(shí)施）、輸送管線、沿途提升污水泵站、污水處理廠、排�？�、系統(tǒng)監(jiān)控及控制中心等。工程于1999年11月開始實(shí)施，預(yù)計(jì)將在2002年年底竣工并投入運(yùn)行。主要服務(wù)區(qū)域是以嘉興市區(qū)（含部分郊區(qū)），所轄縣市首府鎮(zhèn)（嘉善縣魏塘鎮(zhèn)、平湖市城關(guān)鎮(zhèn)、海鹽縣武原鎮(zhèn)）及乍浦鎮(zhèn)區(qū)域的城市污水為主，兼顧部分分散工業(yè)點(diǎn)源（工業(yè)企業(yè)的工業(yè)廢水）和部分鄉(xiāng)鎮(zhèn)的生活污水。按2020年城市規(guī)劃控制用地，計(jì)算所服務(wù)的市區(qū)和各城鎮(zhèn)區(qū)域?yàn)?00.5平方公里，103萬人，目前涉及的工業(yè)企業(yè)達(dá)329家。
在嘉興市污水處理工程中，成功地應(yīng)用了上位機(jī)+PLC+工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成的分布式監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)踐證明，這樣的控制系統(tǒng)對(duì)水處理工業(yè)來說是安全、可靠和經(jīng)濟(jì)適用的，它將成為水處理自動(dòng)化控制技術(shù)的主流。
系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
嘉興污水處理系統(tǒng)因其分布地域較廣，設(shè)有兩個(gè)監(jiān)控中心，一個(gè)是位于嘉興市的主監(jiān)控中心，一個(gè)是位于海鹽的污水處理廠中央控制室；沿線經(jīng)過嘉1#、嘉2#、嘉3#、嘉4#、嘉5#、嘉6#、嘉善、平湖、乍浦、海鹽3#、海鹽4#共十一個(gè)泵站，最遠(yuǎn)的兩個(gè)站之間的距離超過60公里�？紤]到現(xiàn)場(chǎng)總線通信的局限性和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)以及系統(tǒng)的可升級(jí)性，整個(gè)系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為主要的通信平臺(tái)。
圖1 嘉興污水處理系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖
整個(gè)網(wǎng)絡(luò)方案如圖1如示，主監(jiān)控中心、沿線各泵站和污水處理廠采用德國(guó)Hirschmann公司的卡軌式工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成100M bps以太網(wǎng)光纖環(huán)（大環(huán)），污水處理廠內(nèi)部的中央控制室和第一、第二分控站也采用同樣的交換機(jī)構(gòu)成工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)（小環(huán)）。大環(huán)與小環(huán)之間用兩條屏蔽雙絞線形成冗余連接。所以，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)際上是一個(gè)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)�？紤]傳輸距離長(zhǎng)，大環(huán)和小環(huán)線路均采用單模光纖。交換機(jī)分別帶有兩個(gè)內(nèi)置的100Mbps單模光纖口，傳輸所用的光波波長(zhǎng)為1300nm。在各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將本地設(shè)備，如計(jì)算機(jī)、PLC、VIP發(fā)射器、IP電話等連接到本地的以太網(wǎng)交換機(jī)。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)方案具有如下特點(diǎn)：
帶寬大，傳輸速度快。整體方案采用全雙工100Mbps光纖以太環(huán)網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)實(shí)際帶寬達(dá)到200Mbps；單向傳送一個(gè)1518字節(jié)大小的幀只需要120μs。
交換式以太網(wǎng)，保證了系統(tǒng)的確定性。對(duì)于實(shí)時(shí)控制來講，其網(wǎng)絡(luò)必須是一個(gè)確定性的網(wǎng)絡(luò)。所謂的確定性是要求網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t不超過系統(tǒng)所允許的最大值。傳統(tǒng)的以太網(wǎng)是基于載波偵聽多路訪問/沖突檢測(cè)（CSMA/CD）的介質(zhì)訪問機(jī)制，因而本質(zhì)上不保證傳輸?shù)拇_定性。但以太網(wǎng)可通過三種方式獲得確定性，一是限制流量，二是使用主-從通信方式，三是采用以太網(wǎng)交換機(jī)。本系統(tǒng)采用交換機(jī)將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)沖突域，從而消除了沖突，實(shí)現(xiàn)了確定性。
環(huán)形冗余方案，保證了系統(tǒng)的可靠性。過去由于沒有其他可供選擇的方案，冗余網(wǎng)絡(luò)大都采用雙總線方式實(shí)現(xiàn)。隨著以太網(wǎng)和交換技術(shù)的發(fā)展使得建立冗余環(huán)網(wǎng)成為可能。在同樣冗余度的情況下，冗余環(huán)比雙總線方式減小了風(fēng)險(xiǎn)的集中和降低了實(shí)現(xiàn)成本。如果系統(tǒng)中大環(huán)或小環(huán)的光纖發(fā)生故障，環(huán)形結(jié)構(gòu)將在小于500ms時(shí)間內(nèi)切換成具有全部傳輸能力的總線結(jié)構(gòu)。在大環(huán)和小環(huán)之間有兩條雙絞線通道，一條作為主線，一條作為備用線，實(shí)現(xiàn)冗余連接。當(dāng)主線發(fā)生故障時(shí)，備用線在500ms內(nèi)自動(dòng)啟用，從而確保了環(huán)與環(huán)之間的可靠通信。
以太網(wǎng)允許系統(tǒng)不斷擴(kuò)展。與現(xiàn)場(chǎng)總線相比，以太網(wǎng)具有向下兼容性。對(duì)于雙絞線或光纖介質(zhì)，如果將傳輸速度從10Mbps提升到100Mbps，在大多數(shù)場(chǎng)合不需要改變現(xiàn)有的布線，只需更新網(wǎng)絡(luò)設(shè)備即可。同樣，如果將本系統(tǒng)主干網(wǎng)從100Mbps以太網(wǎng)提升到千兆以太網(wǎng)，只需升級(jí)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，而無需重新鋪設(shè)光纜。
數(shù)據(jù)、語音、視頻“三網(wǎng)合一”。在本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)不僅用于控制數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)也作為語音和視頻的傳輸平臺(tái)。每個(gè)泵站均設(shè)有一臺(tái)帶有云臺(tái)的攝像頭，其視頻輸出和音頻信號(hào)以及云臺(tái)控制信號(hào)經(jīng)過VIP發(fā)射器壓縮并轉(zhuǎn)換成符合H.323標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字多媒體信號(hào)接入到以太網(wǎng)上，在監(jiān)控端通過專門的解碼軟件對(duì)遠(yuǎn)程視頻實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和記錄，并可遠(yuǎn)程控制云臺(tái)的動(dòng)作。
基于MODBUS/TCP的應(yīng)用層協(xié)議的透明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。MODBUS/TCP即基于TCP/IP的MODBUS協(xié)議，它在傳輸層選用標(biāo)準(zhǔn)的傳輸控制協(xié)議TCP，它能在收到經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳來的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的情況下，通過應(yīng)答與重傳機(jī)制來保證可靠地傳輸，從而保證了傳輸過程中的可靠性。MODBUS本身就是一個(gè)開放的協(xié)議，為眾多的供應(yīng)商所支持。目前MODBUS/TCP已經(jīng)成為一個(gè)事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)，為其它工控設(shè)備提供了通用的接口。網(wǎng)絡(luò)層采用IP協(xié)議，用戶只需了解控制設(shè)備的IP地址即可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間通信，而與低層網(wǎng)絡(luò)地址和硬件無關(guān)，對(duì)用戶來說具體的某個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元（硬件和軟件）的存在仿佛不存在一樣，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以看成一個(gè)透明網(wǎng)絡(luò)。
控制系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)
傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）是建立在各種各樣現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)集成式全分布控制系統(tǒng)，嘉興污水控制系統(tǒng)則是一個(gè)典型的基于工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)的集成式全分布控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)借鑒了現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，按照集中管理分散控制的原則，大環(huán)和小環(huán)均采用兩級(jí)控制。一級(jí)為管理控制站，位于主監(jiān)控中心和污水處理廠中央控制室，由微機(jī)、顯示器、打印機(jī)、UPS電源、PLC0及模擬屏等組成，目的是對(duì)主要工藝設(shè)備的控制和調(diào)度，對(duì)生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、優(yōu)化和調(diào)整，對(duì)主要工藝流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和趨勢(shì)分析，以及對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的音視頻監(jiān)視。二級(jí)為現(xiàn)場(chǎng)控制站，在每個(gè)泵站以及污水廠的水區(qū)（第一分控站）和泥區(qū)（第二分控站）都配置了獨(dú)立的PLC控制器，實(shí)時(shí)采集流量、壓力等工藝參數(shù)并控制水泵以及其它設(shè)備的運(yùn)行；各泵站的PLC控制器之間通過以太網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)動(dòng)作的互鎖和聯(lián)動(dòng)。
由于最遠(yuǎn)的兩個(gè)站之間的距離較大，約60公里，為了使節(jié)點(diǎn)間距離保持均衡，不必采用大功率的光收發(fā)器，在光纜鋪設(shè)過程中，采用跳躍式的布線方式，從而使相鄰節(jié)點(diǎn)間距離不大于20公里。
因?yàn)榇蟓h(huán)與小環(huán)是同質(zhì)網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)現(xiàn)時(shí)將大環(huán)與小環(huán)直接互聯(lián)，而不采用污水處理廠中央控制室的上位機(jī)作為網(wǎng)關(guān)，使得主監(jiān)控中心的上位機(jī)既可以直接采集污水廠的PLC數(shù)據(jù)，也可以通過污水處理廠中央控制室的上位機(jī)查看污水廠的實(shí)時(shí)控制數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，從而使得整個(gè)系統(tǒng)可以獨(dú)立于污水處理廠中央控制室正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，也使污水處理廠中央控制室作為備用的監(jiān)控中心在主監(jiān)控中心發(fā)生故障的情況下控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。
與現(xiàn)場(chǎng)總線通信相比，工業(yè)以太網(wǎng)平臺(tái)支持SNMP簡(jiǎn)單網(wǎng)管協(xié)議，具有實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)視功能。在實(shí)現(xiàn)時(shí)通過網(wǎng)管軟件與上位機(jī)軟件的數(shù)據(jù)交換，將實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)數(shù)據(jù)和報(bào)警集成到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的實(shí)時(shí)報(bào)警和診斷功能。
上位機(jī)軟件與PLC之間的通信及其與網(wǎng)絡(luò)管理軟件之間的通信均采用標(biāo)準(zhǔn)的OPC（OLE for Process Control）通信方式。OPC（OLE for Process Control）是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)和過程管理級(jí)進(jìn)行信息交互的開放的接口標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范，其目的是允許自動(dòng)化和控制應(yīng)用程序、控制設(shè)備以及商業(yè)和辦公應(yīng)用軟件之間相互操作�；谶@一標(biāo)準(zhǔn)我們將來自不同硬件供應(yīng)商的不同類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的OPC數(shù)據(jù)格式，以O(shè)PC接口的方式提供給客戶應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的集成。
考慮到所選用的PLC本身帶有WEB服務(wù)器，在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過程中可以通過網(wǎng)頁游覽器查看PLC中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)具有簡(jiǎn)單方便的WEB監(jiān)控功能。
結(jié)束語
嘉興市污水處理工程所采用的基于工業(yè)以太網(wǎng)的集成式全分布控制系統(tǒng)，集中應(yīng)用了當(dāng)今計(jì)算機(jī)、通信、CRT顯示、控制工業(yè)（4C）的最新技術(shù)，是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的最新發(fā)展。由于它采用了開放和通用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的通信接口，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、語音和視頻的“三網(wǎng)合一”，為污水處理提供了一個(gè)技術(shù)先進(jìn)、功能完善、監(jiān)控可靠的實(shí)例。同時(shí)隨著自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，越來越多的場(chǎng)合要求將自動(dòng)控制系統(tǒng)、企業(yè)信息系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，所以本控制方案也對(duì)交通、治金、化工、電力等行業(yè)的工程應(yīng)用具有廣泛的參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
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胡俊，工業(yè)以太網(wǎng)和基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，世界儀表與自動(dòng)化，pp. 43-45, Vol.6, No.2, 2002
Distributed Water Treatment Control System Implemented on Industrial Ethernet
Gao Gengxi, Hu Jun
Abstract: This paper introduces solution and implementation experience of automation and control system for Jiaxing waste water treatment project. The distributed control system is implemented on the base of industrial Ethernet, which transfers data, audio and video signals simultaneously. Its outstanding features, including distributivity, real-time, reliability, openness and interoperability, are described herein. The successful application indicates new direction of fieldbus control system and other control technology for water treatment projects.
Keywords: Fieldbus, Industrial Ethernet, Decentralized control, Water Treatment
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