摘要：本文介紹了嘉興市污水處理工程控制系統(tǒng)的解決方案和實現(xiàn)經(jīng)驗。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、實時性、可靠性、開放性和互操作性的特點，同時也是數(shù)據(jù)、語音和視頻“三網(wǎng)合一”的系統(tǒng)。其成功應用代表了現(xiàn)場總線和控制技術的在水處理行業(yè)的最新發(fā)展方向，對類似系統(tǒng)的實現(xiàn)具有廣泛的參考意義。

關鍵詞：現(xiàn)場總線 工業(yè)以太網(wǎng) 分散控制 水處理

1．概述
    隨著網(wǎng)絡化、信息化概念向自動化領域的不斷滲透，水處理自動化控制理念和技術也在不斷發(fā)展。在上世紀末新型的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)突破了DCS系統(tǒng)中通信由專用網(wǎng)絡的封閉系統(tǒng)實現(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、標準化的解決方案。此后，上位機、PLC和現(xiàn)場總線構成的集散監(jiān)控系統(tǒng)逐步成為水處理自動化的主流。但由于不同行業(yè)不同應用派生出的不同的總線系統(tǒng)，加之經(jīng)濟利益的沖突，各種不同的現(xiàn)場總線標準之間的互不兼容嚴重束縛了不同廠商設備之間的互連，使得現(xiàn)場總線成為受廠商限制的專用網(wǎng)絡。而隨著以太網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，它不僅在辦公自動化領域而且在工業(yè)自動化場合得到了廣泛應用，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)絡的發(fā)展方向，它將對水處理自動化技術產(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)（由各縣市負責實施）、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月開始實施，預計將在2002年年底竣工并投入運行。主要服務區(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，計算所服務的市區(qū)和各城鎮(zhèn)區(qū)域為100.5平方公里，103萬人，目前涉及的工業(yè)企業(yè)達329家。

    在嘉興市污水處理工程中，成功地應用了上位機+PLC+工業(yè)以太網(wǎng)構成的分布式監(jiān)控系統(tǒng)。實踐證明，這樣的控制系統(tǒng)對水處理工業(yè)來說是安全、可靠和經(jīng)濟適用的，它將成為水處理自動化控制技術的主流。

2．系統(tǒng)網(wǎng)絡結構

    嘉興污水處理系統(tǒng)因其分布地域較廣，設有兩個監(jiān)控中心，一個是位于嘉興市的主監(jiān)控中心，一個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#共十一個泵站，最遠的兩個站之間的距離超過60公里?？紤]到現(xiàn)場總線通信的局限性和工業(yè)網(wǎng)絡的發(fā)展趨勢以及系統(tǒng)的可升級性，整個系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為主要的通信平臺。

    主監(jiān)控中心、沿線各泵站和污水處理廠采用德國Hirschmann公司的卡軌式工業(yè)以太網(wǎng)交換機構成100M bps以太網(wǎng)光纖環(huán)（大環(huán)），污水處理廠內部的中央控制室和第一、第二分控站也采用同樣的交換機構成工業(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，整個網(wǎng)絡實際上是一個網(wǎng)狀結構?？紤]傳輸距離長，大環(huán)和小環(huán)線路均采用單模光纖。交換機分別帶有兩個內置的100Mbps單模光纖口，傳輸所用的光波波長為1300nm。在各網(wǎng)絡節(jié)點，采用星形拓撲結構將本地設備，如計算機、PLC、VIP發(fā)射器、IP電話等連接到本地的以太網(wǎng)交換機。

    整個網(wǎng)絡方案具有如下特點：

    a. 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)絡實際帶寬達到200Mbps；單向傳送一個1518字節(jié)大小的幀只需要120μs。

    b. 交換式以太網(wǎng)，保證了系統(tǒng)的確定性。對于實時控制來講，其網(wǎng)絡必須是一個確定性的網(wǎng)絡。所謂的確定性是要求網(wǎng)絡傳輸?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（CSMA/CD）的介質訪問機制，因而本質上不保證傳輸?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。本系統(tǒng)采用交換機將整個網(wǎng)絡分成多個沖突域，從而消除了沖突，實現(xiàn)了確定性。

    c. 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)絡大都采用雙總線方式實現(xiàn)。隨著以太網(wǎng)和交換技術的發(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險的集中和降低了實現(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)形結構將在小于500ms時間內切換成具有全部傳輸能力的總線結構。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，實現(xiàn)冗余連接。當主線發(fā)生故障時，備用線在500ms內自動啟用，從而確保了環(huán)與環(huán)之間的可靠通信。

    d. 以太網(wǎng)允許系統(tǒng)不斷擴展。與現(xiàn)場總線相比，以太網(wǎng)具有向下兼容性。對于雙絞線或光纖介質，如果將傳輸速度從10Mbps提升到100Mbps，在大多數(shù)場合不需要改變現(xiàn)有的布線，只需更新網(wǎng)絡設備即可。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)，只需升級網(wǎng)絡傳輸設備，而無需重新鋪設光纜。

    e. 數(shù)據(jù)、語音、視頻“三網(wǎng)合一”。在本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡不僅用于控制數(shù)據(jù)的傳輸，同時也作為語音和視頻的傳輸平臺。每個泵站均設有一臺帶有云臺的攝像頭，其視頻輸出和音頻信號以及云臺控制信號經(jīng)過VIP發(fā)射器壓縮并轉換成符合H.323標準的數(shù)字多媒體信號接入到以太網(wǎng)上，在監(jiān)控端通過專門的解碼軟件對遠程視頻實現(xiàn)監(jiān)視和記錄，并可遠程控制云臺的動作。
    
    f. 基于MODBUS/TCP的應用層協(xié)議的透明網(wǎng)絡系統(tǒng)。MODBUS/TCP即基于TCP/IP的MODBUS協(xié)議，它在傳輸層選用標準的傳輸控制協(xié)議TCP，它能在收到經(jīng)網(wǎng)絡傳來的錯誤數(shù)據(jù)的情況下，通過應答與重傳機制來保證可靠地傳輸，從而保證了傳輸過程中的可靠性。MODBUS本身就是一個開放的協(xié)議，為眾多的供應商所支持。目前MODBUS/TCP已經(jīng)成為一個事實上的標準，為其它工控設備提供了通用的接口。網(wǎng)絡層采用IP協(xié)議，用戶只需了解控制設備的IP地址即可實現(xiàn)設備之間通信，而與低層網(wǎng)絡地址和硬件無關，對用戶來說具體的某個網(wǎng)絡單元（硬件和軟件）的存在仿佛不存在一樣，整個網(wǎng)絡可以看成一個透明網(wǎng)絡。
        
3．控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)

    傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）是建立在各種各樣現(xiàn)場總線基礎上的網(wǎng)絡集成式全分布控制系統(tǒng)，嘉興污水控制系統(tǒng)則是一個典型的基于工業(yè)以太網(wǎng)平臺的集成式全分布控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)借鑒了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的特點，按照集中管理分散控制的原則，大環(huán)和小環(huán)均采用兩級控制。一級為管理控制站，位于主監(jiān)控中心和污水處理廠中央控制室，由微機、顯示器、打印機、UPS電源、PLC0及模擬屏等組成，目的是對主要工藝設備的控制和調度，對生產(chǎn)過程中的工藝參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控、優(yōu)化和調整，對主要工藝流程進行動態(tài)模擬和趨勢分析，以及對整個系統(tǒng)的音視頻監(jiān)視。二級為現(xiàn)場控制站，在每個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）都配置了獨立的PLC控制器，實時采集流量、壓力等工藝參數(shù)并控制水泵以及其它設備的運行；各泵站的PLC控制器之間通過以太網(wǎng)通信實現(xiàn)動作的互鎖和聯(lián)動。

    由于最遠的兩個站之間的距離較大，約60公里，為了使節(jié)點間距離保持均衡，不必采用大功率的光收發(fā)器，在光纜鋪設過程中，采用跳躍式的布線方式，從而使相鄰節(jié)點間距離不大于20公里。

    因為大環(huán)與小環(huán)是同質網(wǎng)絡，在實現(xiàn)時將大環(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作為網(wǎng)關，使得主監(jiān)控中心的上位機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查看污水廠的實時控制數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，從而使得整個系統(tǒng)可以獨立于污水處理廠中央控制室正常運轉。同時，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系統(tǒng)的運行。

    與現(xiàn)場總線通信相比，工業(yè)以太網(wǎng)平臺支持SNMP簡單網(wǎng)管協(xié)議，具有實時的網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)視功能。在實現(xiàn)時通過網(wǎng)管軟件與上位機軟件的數(shù)據(jù)交換，將實時的網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)和報警集成到上位機監(jiān)控系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)對網(wǎng)絡故障的實時報警和診斷功能。
上位機軟件與PLC之間的通信及其與網(wǎng)絡管理軟件之間的通信均采用標準的OPC（OLE for Process Control）通信方式。OPC（OLE for Process Control）是現(xiàn)場設備級和過程管理級進行信息交互的開放的接口標準和技術規(guī)范，其目的是允許自動化和控制應用程序、控制設備以及商業(yè)和辦公應用軟件之間相互操作?；谶@一標準我們將來自不同硬件供應商的不同類型數(shù)據(jù)轉化為統(tǒng)一的OPC數(shù)據(jù)格式，以OPC接口的方式提供給客戶應用程序，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的集成。

    考慮到所選用的PLC本身帶有WEB服務器，在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中可以通過網(wǎng)頁游覽器查看PLC中的實時數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)具有簡單方便的WEB監(jiān)控功能。

4．結束語

    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)，集中應用了當今計算機、通信、CRT顯示、控制工業(yè)（4C）的最新技術，是現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)的最新發(fā)展。由于它采用了開放和通用的網(wǎng)絡技術和標準的通信接口，同時實現(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技術先進、功能完善、監(jiān)控可靠的實例。同時隨著自動化系統(tǒng)的發(fā)展，越來越多的場合要求將自動控制系統(tǒng)、企業(yè)信息系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結合，所以本控制方案也對交通、治金、化工、電力等行業(yè)的工程應用具有廣泛的參考價值。

參考文獻
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