1 引言 可編程序控制器（簡稱plc）自從1969年由美國數(shù)字設(shè)備公司（dec）發(fā)明問世以來，在這短短的三十幾年的時(shí)間里，取得了翻天覆地的變化和發(fā)展。對(duì)于自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，plc是功不可沒的。如今的plc可以按照要求實(shí)現(xiàn)大部分工藝流程的精確和快速的自動(dòng)化控制。隨著由plc和計(jì)算機(jī)構(gòu)成的工廠自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)有了質(zhì)的飛躍后，在大型系統(tǒng)、工藝相當(dāng)復(fù)雜、控制要求高的場合中，原先用dcs系統(tǒng)的，也漸漸被plc及其網(wǎng)絡(luò)所取代。在這種情況下，plc網(wǎng)絡(luò)在水處理行業(yè)被越來越廣泛地采納和使用。 水處理行業(yè)主要分為凈水處理和污水處理兩大部分。凈水廠控制系統(tǒng)通常分為水廠調(diào)度系統(tǒng)、加藥間（加氯間）plc控制站、濾站plc控制站、送水泵房plc控制站等。各個(gè)控制站相對(duì)獨(dú)立工作，通過有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，將所有的數(shù)據(jù)信息送到水廠調(diào)度室進(jìn)行處理，或?qū)⒁徊糠謹(jǐn)?shù)據(jù)通過調(diào)度系統(tǒng)以無線（或有線）通訊的方式送到城市的調(diào)度中心。對(duì)于污水處理來說，要根據(jù)污水水源地狀況來確定污水處理的工藝流程，由于污水處理工藝的不同而自控系統(tǒng)應(yīng)用plc的要求也有所不同。一般來講，整個(gè)污水處理廠都有總控室和多個(gè)現(xiàn)場控制站，站與站之間通過控制器層網(wǎng)絡(luò)或信息層網(wǎng)絡(luò)相連，然后全部連接到總控室，總控室的多臺(tái)計(jì)算機(jī)、工作站和圖形站都用信息層網(wǎng)絡(luò)連接，這樣和現(xiàn)場控制站構(gòu)成了集中管理，分散控制，高速數(shù)據(jù)交換的工廠級(jí)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。plc自控系統(tǒng)是水處理廠的控制核心部分，對(duì)其合理的選型和設(shè)計(jì)，對(duì)污水廠能否高效、自動(dòng)化的運(yùn)行非常重要。然而，plc網(wǎng)絡(luò)又是其中的重中之重，網(wǎng)絡(luò)的好壞直接影響到污水廠的正常運(yùn)行。 在全世界范圍內(nèi)，歐姆龍一直是世界五大plc生產(chǎn)商之一。歐姆龍plc在水處理行業(yè)中主要使用cs1d/cs1或cj1系列。而由這些plc組成的歐姆龍網(wǎng)絡(luò)主要有三層：工業(yè)以太網(wǎng)，controller link網(wǎng)和devicenet現(xiàn)場總線。這三層網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛地運(yùn)用在此行業(yè)中。下面主要以長沙市第一污水處理廠一期擴(kuò)建工程項(xiàng)目為例，具體討論歐姆龍自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)在水處理行業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)。 2 工程設(shè)計(jì) 2.1 工程概述 長沙市第一污水處理廠一期擴(kuò)建工程占地范圍為：東至長撈公路，南臨瀏陽河，西臨馬廠管區(qū)，北接金霞開發(fā)區(qū)。用地面積10.61公頃，位于現(xiàn)有第一污水處理廠內(nèi)及西北側(cè)。一期擴(kuò)建工程規(guī)模為18萬噸/日，其中包括：（1）將現(xiàn)有第一污水處理廠3×104m3/d的二級(jí)處理部分完善成帶厭氧段的a/o工藝。（2）在現(xiàn)有3×104m3/d處理的基礎(chǔ)上，另擴(kuò)建15×104m3/d的帶厭氧段的氧化溝二級(jí)處理能力，使第一污水處理廠的2010年規(guī)模達(dá)到18×104m3/d。一期擴(kuò)建工程包括兩部分，即污水收集管網(wǎng)及泵站部分和污水處理廠廠區(qū)部分。其中廠區(qū)部分工程內(nèi)容包括：對(duì)長沙市第一污水處理廠內(nèi)的污水處理、污泥處理設(shè)施及配套的附屬設(shè)施改建和擴(kuò)建。經(jīng)污水處理廠處理后的水排入瀏陽河后再匯入湘江。 2.2 工藝流程 長沙市第一污水處理廠一期擴(kuò)建工程工藝流程圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 工藝流程圖[/align] 2.3 歐姆龍plc和觸摸屏的選擇 （1）歐姆龍plc 現(xiàn)場控制站、分控站和遠(yuǎn)程現(xiàn)場站的plc采用目前omron公司最新產(chǎn)品cs1機(jī)型。omron plc產(chǎn)品貨源充足、中文資料豐富、備品備件方便，技術(shù)服務(wù)方便、國內(nèi)維修便利等特點(diǎn)。cs1機(jī)型有以下特點(diǎn)： 高速risc的cpu（32位）；程序容量：60k，數(shù)據(jù)容量：128k，程序存儲(chǔ)器帶保護(hù)開關(guān)，鋰電池保護(hù)程序，快閃存儲(chǔ)保護(hù)數(shù)據(jù)；最大io點(diǎn)數(shù)：5120點(diǎn)（不包括內(nèi)部繼電器位）；電源電壓范圍：85～132vac或170～264vac；基本指令處理速度：≤0.04μs；特殊指令處理速度：≤0.12μs；cpu帶rs-232c（可達(dá)115.2kbps）端口，通過串行通信設(shè)備，每套plc上最多能提供34個(gè)（rs-232/422/485）通信口，通信速率可達(dá)38.4kbps，用于連接現(xiàn)場儀表、外圍通信設(shè)備和觸摸屏（pt）；對(duì)于每個(gè)串行通信口，具備自定義協(xié)議的通訊功能－協(xié)議宏功能（protocol macro），能與非本公司產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,便于和現(xiàn)場智能儀表相連；支持e_mail功能，能以事件觸發(fā)、定時(shí)觸發(fā)及故障觸發(fā)方式由plc向上位機(jī)發(fā)送電子郵件；具有電源出錯(cuò)履歷、電源中斷時(shí)間壓棧、電源中斷計(jì)數(shù)等電源維護(hù)功能；支持以太網(wǎng)（ethernet）、控制網(wǎng)（controller link）、設(shè)備網(wǎng)（devicenet），并支持多網(wǎng)配置；使用最新的編程軟件cx-p和仿真軟件cx-simulator可以實(shí)現(xiàn)離線模擬仿真調(diào)試。 （2）歐姆龍觸摸屏 為了便于現(xiàn)場操作，在被控現(xiàn)場配置可編程顯示終端，即觸摸屏。選用的是nt631c。廠區(qū)分控站主站（plc1、plc2、plc3）觸摸屏nt631c特性如下：全中文軟件界面，硬件自帶中文漢字庫；顯示器件：彩色；有效顯示區(qū)域：10.4″；顯示分辨率：640×480點(diǎn)；畫面數(shù)量：≥3000；通訊接口：rs-422a/rs-485口，rs-232c口，打印機(jī)口；電源電壓范圍：dc20.4v～dc26.4v；采用32位risc芯片；運(yùn)行壽命:≥25000小時(shí)。 3 歐姆龍網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品 歐姆龍不僅提供品種眾多的plc型號(hào)，而且由plc組成的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品也是非常豐富。歐姆龍主要的網(wǎng)絡(luò)有以下幾種。如附表所示。 [align=center]附表 歐姆龍主要的網(wǎng)絡(luò)類型 [/align] 可將以上的網(wǎng)絡(luò)從高到低劃分為三個(gè)層次：信息層、控制層和設(shè)備層。第一層信息網(wǎng)，包括工業(yè)以太網(wǎng)（ethernet）和sysnet，主要負(fù)責(zé)大量信息的采集和實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)現(xiàn)場的plc、檢測元器件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)行中央集中控制，最新的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)（cip技術(shù)）在商用以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加了工業(yè)級(jí)的實(shí)時(shí)性，已成為最通用最高速的一種信息網(wǎng)絡(luò)。第二層為控制層，包括sysmac link、pc link和controller link，控制層網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是高速、高可靠，適合plc與計(jì)算機(jī)、plc與plc及其它設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通訊。最底層網(wǎng)絡(luò)為設(shè)備層，它們有sysbus、sysbus/2、compobus/d（devicenet）、compobus/s、profibus-dp、modbus等，這一層用于plc與現(xiàn)場設(shè)備、遠(yuǎn)程i/o端子及現(xiàn)場儀表或智能設(shè)備之間的通訊，設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是與現(xiàn)場設(shè)備連接方便，并能起到省配線的作用，成本低廉。第三層網(wǎng)絡(luò)習(xí)慣上稱之為現(xiàn)場總線。ethernet、controller link和devicenet代表了歐姆龍以上三個(gè)層次網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的最新技術(shù)。 3.2 污水廠網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) 根據(jù)對(duì)歐姆龍以上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分析，結(jié)合長沙市第一污水處理廠的工藝控制要求，最終選擇的典型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖2（以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)）所示。 [align=center] 圖2 長沙一污自控系統(tǒng)圖[/align] 長沙市第一污水處理廠工程控制系統(tǒng)由中央控制室的上位計(jì)算機(jī)管理控制系統(tǒng)、三個(gè)現(xiàn)場控制站（plc1～plc3）和兩個(gè)廠外泵站組成。采用由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及plc構(gòu)成的分散集中控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)集控制、數(shù)據(jù)采集功能為一體，完成整個(gè)水廠的過程控制、工藝流程顯示、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測及故障報(bào)警。 中央控制室設(shè)置兩臺(tái)scada工作站（工控機(jī)）為操作站。以流行的scada軟件作為系統(tǒng)控制軟件，內(nèi)部集成vba，并配置高清晰投影儀和大型馬賽克模擬屏。廠區(qū)內(nèi)中央控制室和三個(gè)現(xiàn)場控制站組成雙環(huán)光纖冗余以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通訊速率主干線及計(jì)算機(jī)為100mbps、plc為10mbps。中央控制室可調(diào)用各現(xiàn)場站的全部運(yùn)行信息，在中央控制室可控制現(xiàn)場主要設(shè)備的啟動(dòng)和停止。 本系統(tǒng)中央控制室與現(xiàn)場站plc之間采用雙環(huán)光纖冗余工業(yè)以太網(wǎng)（ethernet），其通訊介質(zhì)為六芯單模光纖（兩用四備、10/125μm）。 環(huán)形光纖以太網(wǎng)采用10/100mbps的通訊方式，即：主干光環(huán)及與計(jì)算機(jī)連接為100m，與plc連接為10m。通訊光纖采用直埋式鎧裝防雷設(shè)計(jì)的六芯單模光纖（10/125μm），聯(lián)接頭為國際標(biāo)準(zhǔn)sc連接頭。具體做法如下：計(jì)算機(jī)和plc采用標(biāo)準(zhǔn)的rj45接口, 然后分別通過rs2-fx-sm模塊將rj45方式轉(zhuǎn)換為200m/100m兼容的光纖環(huán)網(wǎng)方式。rs2-fx-sm提供4個(gè)光纖接口（2個(gè)輸入，2個(gè)輸出）和4個(gè)rj45接口。中央控制室的兩臺(tái)計(jì)算機(jī)與rs2-fx-sm的其中2個(gè)rj45相連。每臺(tái)plc上的冗余以太網(wǎng)模塊與一個(gè)rs2-fx-sm相連。 通過omron網(wǎng)關(guān)－onc或plc,可與其它控制網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線相連。plc上的以太網(wǎng)模塊選用的是cs1w-etn11，它支持10base-t的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，通訊速率為10mbps。在使用以太網(wǎng)模塊前，先要對(duì)cs1w-etn11進(jìn)行單元號(hào)和節(jié)點(diǎn)號(hào)設(shè)定。單元號(hào)設(shè)定是對(duì)plc上的總線特殊單元進(jìn)行區(qū)分，給每個(gè)總線特殊單元分配相應(yīng)的地址。單元號(hào)可以從0～f自由設(shè)定，假定單元號(hào)設(shè)為0，則相應(yīng)的地址分配為cio1500～1524，d30000～d30099共占用25個(gè)字；節(jié)點(diǎn)號(hào)是設(shè)置以太網(wǎng)區(qū)域的節(jié)點(diǎn)地址，用來區(qū)分整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各臺(tái)的plc。節(jié)點(diǎn)號(hào)可以從01～7e，即十進(jìn)制的01～126。假定節(jié)點(diǎn)號(hào)設(shè)置為01。 單元號(hào)和節(jié)點(diǎn)號(hào)設(shè)置完成之后，就是設(shè)定此個(gè)以太網(wǎng)單元的ip地址?？梢允亲詣?dòng)分配ip地址，不過要進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算。計(jì)算過程如下：遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)ip地址＝（本地節(jié)點(diǎn)ip地址and（與運(yùn)算）子網(wǎng)掩碼）or（或運(yùn)算）遠(yuǎn)程fins節(jié)點(diǎn)號(hào)。比如：本地節(jié)點(diǎn)ip地址為130.25.36.8，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，遠(yuǎn)程fins節(jié)點(diǎn)號(hào)為5，則遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)ip地址就是130.25.36.5。在單元的背面開關(guān)是設(shè)定本地節(jié)點(diǎn)ip地址，在單元的右側(cè)標(biāo)牌上顯示的是每個(gè)以太網(wǎng)單元的唯一的以太網(wǎng)地址。 硬件設(shè)定全部結(jié)束后，把cs1w-etn11單元插在底板上，然后根據(jù)要求用rj45屏蔽雙絞線連接至hub或網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)上。由于在這個(gè)項(xiàng)目中只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，就是以太網(wǎng)，所以不必設(shè)定路由表。最后用ping指令進(jìn)行測試，看能不能用計(jì)算機(jī)連通這個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果連不上，重新檢查硬件設(shè)置和連線。 所有三套plc都先用rj45雙絞線連接后，用rs2-fx-sm的光纖交換機(jī)把電口轉(zhuǎn)換成光口，用單模光纜把這些設(shè)備連起來構(gòu)成了光纖環(huán)網(wǎng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)20km的遠(yuǎn)距離通訊和100mbps的高速數(shù)據(jù)交換，更重要的是它采用了先進(jìn)的斷線自檢測逆向流通算法，使得環(huán)網(wǎng)本身實(shí)現(xiàn)了冗余，而且光纖網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能優(yōu)越。雖然增加了光纖交換機(jī)，但是它的協(xié)議卻是透明的，也就是說光纖交換機(jī)只是起到了硬件的轉(zhuǎn)換，而協(xié)議并沒有改變。原來數(shù)據(jù)走的fins協(xié)議，或是標(biāo)準(zhǔn)的tcp/ip協(xié)議都是無縫地在這個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)中進(jìn)行透明的傳輸。 4 第三方控制設(shè)備之間的串行通訊網(wǎng)絡(luò) 由于現(xiàn)場的儀器儀表，智能儀表或是第三方的plc設(shè)備眾多，而且都是來自不同的廠家，這些設(shè)備都帶有自己的協(xié)議，比如modbus或是profibus，而歐姆龍的通訊協(xié)議是host link和fins。所以簡單的硬件連線是無法和這些設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的。因此，需要相關(guān)的設(shè)備或程序來做這個(gè)翻譯轉(zhuǎn)換工作。歐姆龍的協(xié)議宏功能就是在這種情況下孕育而生的。歐姆龍的內(nèi)插通訊板和串行通訊單元都提供了協(xié)議宏的功能。協(xié)議宏功能用協(xié)議宏軟件cx-protocol，把第三方設(shè)備的協(xié)議（就是串行通訊的幀格式）寫入到通訊單元或通訊板中。此軟件的特點(diǎn)是：通信協(xié)議支持軟件的對(duì)話式菜單使通信序列易于登記；每個(gè)協(xié)議最多允許定義1000個(gè)通訊序列，每個(gè)序列最多允許定義16步。每個(gè)協(xié)議可定義監(jiān)視時(shí)間、響應(yīng)的應(yīng)答方式及鏈接通道；每一步可設(shè)定重復(fù)次數(shù)、發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)格式、下一步處理及出錯(cuò)處理；對(duì)于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的地址可任意指定；在發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)信息中自帶了許多種校驗(yàn)方式（lrc、crc、crc-16、sum），可由用戶自己設(shè)定，在發(fā)送的時(shí)候自動(dòng)添加，在接收的時(shí)候自動(dòng)進(jìn)行校驗(yàn)計(jì)算；在軟件內(nèi)部自帶了七種用于與歐姆龍外圍設(shè)備通信的協(xié)議，可方便的隨時(shí)調(diào)用；通過軟件可監(jiān)視串口交換的數(shù)據(jù)。然后啟動(dòng)相應(yīng)的協(xié)議宏指令（pmcr），就可以實(shí)現(xiàn)串行的數(shù)據(jù)交換。 歐姆龍的cs1提供內(nèi)插通訊板cs1w-scb21/scb41，也提供安裝在底板上的通訊單元cs1w-scu21/scu41。cs1w-scb21或cs1w-scu21提供兩個(gè)rs-232c的端口，用于連接rs-23c的第三方設(shè)備。然而更多的串行通訊都是通過rs-485標(biāo)準(zhǔn)的。因此，歐姆龍的cs1w-scb41或cs1w-scu41不光提供一個(gè)rs-232c端口，還同時(shí)提供一個(gè)rs-422/485口，實(shí)現(xiàn)長達(dá)1.2km的串行通訊。cs1的機(jī)型一共可以提供34個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的帶協(xié)議宏功能的串行端口。而且一個(gè)rs-422/485可以連接多達(dá)32臺(tái)設(shè)備。這樣，基本滿足了需連接眾多第三方設(shè)備的要求。 5 無線電通信網(wǎng)絡(luò) 中央控制室和廠外兩座污水提升泵站（鳳嘴泵站和陳家湖泵站）通過無線通訊網(wǎng)的方式，被監(jiān)控的泵站現(xiàn)場配有一套rtu，歐姆龍的plc能通過rs-232c口或rs-485口以協(xié)議宏的方式（支持modbus）與rtu進(jìn)行通訊。 協(xié)議宏的使用同上述的方法是一致的，由于是無線電通訊，所以必然會(huì)由于干擾等原因而無法正確進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以再做協(xié)議宏時(shí)特別把重復(fù)次數(shù)設(shè)置成3次左右，當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)校驗(yàn)等出錯(cuò)就讓發(fā)送方重復(fù)發(fā)送的模式，這樣可以提高數(shù)據(jù)交換的可靠性。梯形圖中也是用pmcr指令來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。 軟件設(shè)定和編制完成之后，物理接線主要是plc和rtu之間的rs232c連接。rtu（無線電臺(tái)）有相應(yīng)的rs232c端口，plc這邊就是通訊板或通訊單元上的rs232c口。知道雙方的管腳定義就可以做電纜了。線纜的連接主要是rtu的txd（發(fā)送）腳和plc的rxd（接收）腳連，rtu和plc的gnd（接地）相連即可。物理接線完成之后，調(diào)整rtu（無線電臺(tái)）的統(tǒng)一頻率就可以進(jìn)行無線電通信了。這樣，整個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)也就搭建起來了。 6 結(jié)束語 本文以長沙市第一污水處理廠的系統(tǒng)為例，探討了水處理行業(yè)（特別是污水處理廠）的歐姆龍網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理念和思路，并對(duì)如何設(shè)置整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的模塊和單元進(jìn)行了深入的分析，希望能為水處理項(xiàng)目提供一點(diǎn)設(shè)計(jì)選型的參考。