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                   摘要：本文介紹了嘉興市污水處理工程控制系統的解決方案和實現經驗。所采用的基于工業以太網的集成式全分布控制系統，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，同時也是數據、語音和視頻“三網合一”的系統。其成功應用代表了現場總線和控制技術的在水處理行業的最新發展方向，對類似系統的實現具有廣泛的參考意義。
關鍵詞：現場總線 工業以太網 分散控制 水處理

    1．概述

    隨著網絡化、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展。在上世紀末新型的現場總線控制系統突破了DCS系統中通信由專用網絡的封閉系統實現所造成的缺陷，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和現場總線構成的集散監控系統逐步成為水處理自動化的主流。但由于不同行業不同應用派生出的不同的總線系統，加之經濟利益的沖突，各種不同的現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，使得現場總線成為受廠商限制的專用網絡。而隨著以太網技術的不斷發展，它不僅在辦公自動化領域而且在工業自動化場合得到了廣泛應用，許多控制器、PLC、智能儀表和執行器，乃至DCS系統已經帶有以太網接口，這些都標志著工業以太網已經成為真正開放互連的工業網絡的發展方向，它將對水處理自動化技術產生很大的影響。

    嘉興市污水處理工程是嘉興市市區及部分縣市生活污水、工業廢水的集中收集、輸送、處理、排海（入杭州灣）的污水處理系統，包括嘉興市市區及各縣市（嘉善、平湖、海鹽）首府鎮和乍浦鎮范圍的城市污水集中排放管網（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、排海口、系統監控及控制中心等。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。主要服務區域是以嘉興市區（含部分郊區），所轄縣市首府鎮（嘉善縣魏塘鎮、平湖市城關鎮、海鹽縣武原鎮）及乍浦鎮區域的城市污水為主，兼顧部分分散工業點源（工業企業的工業廢水）和部分鄉鎮的生活污水。按2020年城市規劃控制用地，計算所服務的市區和各城鎮區域為100.5平方公里，103萬人，目前涉及的工業企業達329家。

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

    2．系統網絡結構

    嘉興污水處理系統因其分布地域較廣，設有兩個監控中心，一個是位于嘉興市的主監控中心，一個是位于海鹽的污水處理廠中央控制室；沿線經過嘉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。考慮到現場總線通信的局限性和工業網絡的發展趨勢以及系統的可升級性，整個系統采用工業以太網作為主要的通信平臺。

    
    圖1 嘉興污水處理系統通信網絡結構圖

    整個網絡方案如圖1如示，主監控中心、沿線各泵站和污水處理廠采用德國Hirschmann公司的卡軌式工業以太網交換機構成100M bps以太網光纖環（大環），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以太網光纖環（小環）。大環與小環之間用兩條屏蔽雙絞線形成冗余連接。所以，整個網絡實際上是一個網狀結構。考慮傳輸距離長，大環和小環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。在各網絡節點，采用星形拓撲結構將本地設備，如計算機、PLC、VIP發射器、IP電話等連接到本地的以太網交換機。整個網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光纖以太環網，網絡實際帶寬達到200Mbps；單向傳送一個1518字節大小的幀只需要120μs。
    b.交換式以太網，保證了系統的確定性。對于實時控制來講，其網絡必須是一個確定性的網絡。所謂的確定性是要求網絡傳輸的延遲不超過系統所允許的最大值。傳統的以太網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的確定性。但以太網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，三是采用以太網交換機。本系統采用交換機將整個網絡分成多個沖突域，從而消除了沖突，實現了確定性。
    c.環形冗余方案，保證了系統的可靠性。過去由于沒有其他可供選擇的方案，冗余網絡大都采用雙總線方式實現。隨著以太網和交換技術的發展使得建立冗余環網成為可能。在同樣冗余度的情況下，冗余環比雙總線方式減小了風險的集中和降低了實現成本。如果系統中大環或小環的光纖發生故障，環形結構將在小于 500ms時間內切換成具有全部傳輸能力的總線結構。在大環和小環之間有兩條雙絞線通道，一條作為主線，一條作為備用線，實現冗余連接。當主線發生故障時，備用線在500ms內自動啟用，從而確保了環與環之間的可靠通信。
    d.以太網允許系統不斷擴展。與現場總線相比，以太網具有向下兼容性。對于雙絞線或光纖介質，如果將傳輸速度從10Mbps提升到 100Mbps，在大多數場合不需要改變現有的布線，只需更新網絡設備即可。同樣，如果將本系統主干網從100Mbps以太網提升到千兆以太網，只需升級網絡傳輸設備，而無需重新鋪設光纜。
    e.數據、語音、視頻“三網合一”。在本系統中，網絡不僅用于控制數據的傳輸，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過VIP發射器壓縮并轉換成符合H.323標準的數字多媒體信號接入到以太網上，在監控端通過專門的解碼軟件對遠程視頻實現監視和記錄，并可遠程控制云臺的動作。
    f.基于MODBUS/TCP的應用層協議的透明網絡系統。MODBUS/TCP即基于TCP/IP的MODBUS協議，它在傳輸層選用標準的傳輸控制協議TCP，它能在收到經網絡傳來的錯誤數據的情況下，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議，為眾多的供應商所支持。目前MODBUS/TCP已經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。網絡層采用IP協議，用戶只需了解控制設備的IP地址即可實現設備之間通信，而與低層網絡地址和硬件無關，對用戶來說具體的某個網絡單元（硬件和軟件）的存在仿佛不存在一樣，整個網絡可以看成一個透明網絡。

    3．控制系統的具體實現

    傳統的現場總線控制系統（FCS）是建立在各種各樣現場總線基礎上的網絡集成式全分布控制系統，嘉興污水控制系統則是一個典型的基于工業以太網平臺的集成式全分布控制系統。該系統借鑒了現場總線控制系統的特點，按照集中管理分散控制的原則，大環和小環均采用兩級控制。一級為管理控制站，位于主監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，對生產過程中的工藝參數進行數據采集、監控、優化和調整，對主要工藝流程進行動態模擬和趨勢分析，以及對整個系統的音視頻監視。二級為現場控制站，在每個泵站以及污水廠的水區（第一分控站）和泥區（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通信實現動作的互鎖和聯動。

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

    因為大環與小環是同質網絡，在實現時將大環與小環直接互聯，而不采用污水處理廠中央控制室的上位機作為網關，使得主監控中心的上位機既可以直接采集污水廠的PLC數據，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據和歷史數據，從而使得整個系統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控中心在主監控中心發生故障的情況下控制整個系統的運行。

    與現場總線通信相比，工業以太網平臺支持SNMP簡單網管協議，具有實時的網絡狀態監視功能。在實現時通過網管軟件與上位機軟件的數據交換，將實時的網絡狀態數據和報警集成到上位機監控系統中，從而實現了系統對網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、控制設備以及商業和辦公應用軟件之間相互操作。基于這一標準我們將來自不同硬件供應商的不同類型數據轉化為統一的OPC數據格式，以OPC接口的方式提供給客戶應用程序，從而實現系統的集成。

    考慮到所選用的PLC本身帶有WEB服務器，在系統實現過程中可以通過網頁游覽器查看PLC中的實時數據，使系統具有簡單方便的WEB監控功能。

    4．結束語

    嘉興市污水處理工程所采用的基于工業以太網的集成式全分布控制系統，集中應用了當今計算機、通信、CRT顯示、控制工業（4C）的最新技術，是現場總線控制系統的最新發展。由于它采用了開放和通用的網絡技術和標準的通信接口，同時實現了數據、語音和視頻的“三網合一”，為污水處理提供了一個技術先進、功能完善、監控可靠的實例。同時隨著自動化系統的發展，越來越多的場合要求將自動控制系統、企業信息系統和視頻監控系統相結合，所以本控制方案也對交通、治金、化工、電力等行業的工程應用具有廣泛的參考價值。

    5．參考文獻
    1．陽憲惠主編，現場總線技術及其應用，北京：清華大學出版社，1999
    2．Ray Horak著，徐勇等譯，通信系統與網絡，北京：電子工業出版社，2001
    3．胡俊，工業以太網和基于Internet的遠程監控系統，世界儀表與自動化，pp. 43-45, Vol.6, No.2, 2002