基于工业以太网的集成式全分布污水处理控制系统

摘要：本文介绍了嘉兴市污水处理工程控制系统的解决方案和实现经验。所采用的基于工业以太网的集成式全分布控制系统，具有高度的分散性、实时性、可靠性、开放性和互操作性的特点，同时也是数据、语音和视频“三网合一”的系统。其成功应用代表了现场总线和控制技术的在水处理行业的最新发展方向，对类似系统的实现具有广泛的参考意义。
关键词：现场总线 工业以太网 分散控制 水处理
       1．概述
       随着网络化、信息化概念向自动化领域的不断渗透，水处理自动化控制理念和技术也在不断发展。在上世纪末新型的现场总线控制系统突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统实现所造成的缺陷，试图将基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案。此后，上位机、PLC和现场总线构成的集散监控系统逐步成为水处理自动化的主流。但由于不同行业不同应用派生出的不同的总线系统，加之经济利益的冲突，各种不同的现场总线标准之间的互不兼容严重束缚了不同厂商设备之间的互连，使得现场总线成为受厂商限制的专用网络。而随着以太网技术的不断发展，它不仅在办公自动化领域而且在工业自动化场合得到了广泛应用，许多控制器、PLC、智能仪表和执行器，乃至DCS系统已经带有以太网接口，这些都标志着工业以太网已经成为真正开放互连的工业网络的发展方向，它将对水处理自动化技术产生很大的影响。
       嘉兴市污水处理工程是嘉兴市市区及部分县市生活污水、工业废水的集中收集、输送、处理、排海（入杭州湾）的污水处理系统，包括嘉兴市市区及各县市（嘉善、平湖、海盐）首府镇和乍浦镇范围的城市污水集中排放管网（由各县市负责实施）、输送管线、沿途提升污水泵站、污水处理厂、排海口、系统监控及控制中心等。工程于1999年11月开始实施，预计将在2002年年底竣工并投入运行。主要服务区域是以嘉兴市区（含部分郊区），所辖县市首府镇（嘉善县魏塘镇、平湖市城关镇、海盐县武原镇）及乍浦镇区域的城市污水为主，兼顾部分分散工业点源（工业企业的工业废水）和部分乡镇的生活污水。按2020年城市规划控制用地，计算所服务的市区和各城镇区域为100.5平方公里，103万人，目前涉及的工业企业达329家。
       在嘉兴市污水处理工程中，成功地应用了上位机+PLC+工业以太网构成的分布式监控系统。实践证明，这样的控制系统对水处理工业来说是安全、可靠和经济适用的，它将成为水处理自动化控制技术的主流。
       2．系统网络结构
       嘉兴污水处理系统因其分布地域较广，设有两个监控中心，一个是位于嘉兴市的主监控中心，一个是位于海盐的污水处理厂中央控制室；沿线经过嘉1#、嘉2#、嘉3#、嘉4#、嘉5#、嘉6#、嘉善、平湖、乍浦、海盐3#、海盐4#共十一个泵站，最远的两个站之间的距离超过60公里。考虑到现场总线通信的局限性和工业网络的发展趋势以及系统的可升级性，整个系统采用工业以太网作为主要的通信平台。
      
     图1 嘉兴污水处理系统通信网络结构图
       整个网络方案如图1如示，主监控中心、沿线各泵站和污水处理厂采用德国Hirschmann公司的卡轨式工业以太网交换机构成100M bps以太网光纤环（大环），污水处理厂内部的中央控制室和第一、第二分控站也采用同样的交换机构成工业以太网光纤环（小环）。大环与小环之间用两条屏蔽双绞线形成冗余连接。所以，整个网络实际上是一个网状结构。考虑传输距离长，大环和小环线路均采用单模光纤。交换机分别带有两个内置的100Mbps单模光纤口，传输所用的光波波长为1300nm。在各网络节点，采用星形拓扑结构将本地设备，如计算机、PLC、VIP发射器、IP电话等连接到本地的以太网交换机。整个网络方案具有如下特点：
     a.带宽大，传输速度快。整体方案采用全双工100Mbps光纤以太环网，网络实际带宽达到200Mbps；单向传送一个1518字节大小的帧只需要120μs。
     b.交换式以太网，保证了系统的确定性。对于实时控制来讲，其网络必须是一个确定性的网络。所谓的确定性是要求网络传输的延迟不超过系统所允许的最大值。传统的以太网是基于载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）的介质访问机制，因而本质上不保证传输的确定性。但以太网可通过三种方式获得确定性，一是限制流量，二是使用主-从通信方式，三是采用以太网交换机。本系统采用交换机将整个网络分成多个冲突域，从而消除了冲突，实现了确定性。
     c.环形冗余方案，保证了系统的可靠性。过去由于没有其他可供选择的方案，冗余网络大都采用双总线方式实现。随着以太网和交换技术的发展使得建立冗余环网成为可能。在同样冗余度的情况下，冗余环比双总线方式减小了风险的集中和降低了实现成本。如果系统中大环或小环的光纤发生故障，环形结构将在小于500ms时间内切换成具有全部传输能力的总线结构。在大环和小环之间有两条双绞线通道，一条作为主线，一条作为备用线，实现冗余连接。当主线发生故障时，备用线在500ms内自动启用，从而确保了环与环之间的可靠通信。
     d.以太网允许系统不断扩展。与现场总线相比，以太网具有向下兼容性。对于双绞线或光纤介质，如果将传输速度从10Mbps提升到100Mbps，在大多数场合不需要改变现有的布线，只需更新网络设备即可。同样，如果将本系统主干网从100Mbps以太网提升到千兆以太网，只需升级网络传输设备，而无需重新铺设光缆。
     e.数据、语音、视频“三网合一”。在本系统中，网络不仅用于控制数据的传输，同时也作为语音和视频的传输平台。每个泵站均设有一台带有云台的摄像头，其视频输出和音频信号以及云台控制信号经过VIP发射器压缩并转换成符合H.323标准的数字多媒体信号接入到以太网上，在监控端通过专门的解码软件对远程视频实现监视和记录，并可远程控制云台的动作。
     f.基于MODBUS/TCP的应用层协议的透明网络系统。MODBUS/TCP即基于TCP/IP的MODBUS协议，它在传输层选用标准的传输控制协议TCP，它能在收到经网络传来的错误数据的情况下，通过应答与重传机制来保证可靠地传输，从而保证了传输过程中的可靠性。MODBUS本身就是一个开放的协议，为众多的供应商所支持。目前MODBUS/TCP已经成为一个事实上的标准，为其它工控设备提供了通用的接口。网络层采用IP协议，用户只需了解控制设备的IP地址即可实现设备之间通信，而与低层网络地址和硬件无关，对用户来说具体的某个网络单元（硬件和软件）的存在仿佛不存在一样，整个网络可以看成一个透明网络。
       3．控制系统的具体实现
       传统的现场总线控制系统（FCS）是建立在各种各样现场总线基础上的网络集成式全分布控制系统，嘉兴污水控制系统则是一个典型的基于工业以太网平台的集成式全分布控制系统。该系统借鉴了现场总线控制系统的特点，按照集中管理分散控制的原则，大环和小环均采用两级控制。一级为管理控制站，位于主监控中心和污水处理厂中央控制室，由微机、显示器、打印机、UPS电源、PLC0及模拟屏等组成，目的是对主要工艺设备的控制和调度，对生产过程中的工艺参数进行数据采集、监控、优化和调整，对主要工艺流程进行动态模拟和趋势分析，以及对整个系统的音视频监视。二级为现场控制站，在每个泵站以及污水厂的水区（第一分控站）和泥区（第二分控站）都配置了独立的PLC控制器，实时采集流量、压力等工艺参数并控制水泵以及其它设备的运行；各泵站的PLC控制器之间通过以太网通信实现动作的互锁和联动。
       由于最远的两个站之间的距离较大，约60公里，为了使节点间距离保持均衡，不必采用大功率的光收发器，在光缆铺设过程中，采用跳跃式的布线方式，从而使相邻节点间距离不大于20公里。
       因为大环与小环是同质网络，在实现时将大环与小环直接互联，而不采用污水处理厂中央控制室的上位机作为网关，使得主监控中心的上位机既可以直接采集污水厂的PLC数据，也可以通过污水处理厂中央控制室的上位机查看污水厂的实时控制数据和历史数据，从而使得整个系统可以独立于污水处理厂中央控制室正常运转。同时，也使污水处理厂中央控制室作为备用的监控中心在主监控中心发生故障的情况下控制整个系统的运行。
       与现场总线通信相比，工业以太网平台支持SNMP简单网管协议，具有实时的网络状态监视功能。在实现时通过网管软件与上位机软件的数据交换，将实时的网络状态数据和报警集成到上位机监控系统中，从而实现了系统对网络故障的实时报警和诊断功能。
       上位机软件与PLC之间的通信及其与网络管理软件之间的通信均采用标准的OPC（OLE for Process Control）通信方式。OPC（OLE for Process Control）是现场设备级和过程管理级进行信息交互的开放的接口标准和技术规范，其目的是允许自动化和控制应用程序、控制设备以及商业和办公应用软件之间相互操作。基于这一标准我们将来自不同硬件供应商的不同类型数据转化为统一的OPC数据格式，以OPC接口的方式提供给客户应用程序，从而实现系统的集成。
       考虑到所选用的PLC本身带有WEB服务器，在系统实现过程中可以通过网页游览器查看PLC中的实时数据，使系统具有简单方便的WEB监控功能。
       4．结束语
       嘉兴市污水处理工程所采用的基于工业以太网的集成式全分布控制系统，集中应用了当今计算机、通信、CRT显示、控制工业（4C）的最新技术，是现场总线控制系统的最新发展。由于它采用了开放和通用的网络技术和标准的通信接口，同时实现了数据、语音和视频的“三网合一”，为污水处理提供了一个技术先进、功能完善、监控可靠的实例。同时随着自动化系统的发展，越来越多的场合要求将自动控制系统、企业信息系统和视频监控系统相结合，所以本控制方案也对交通、治金、化工、电力等行业的工程应用具有广泛的参考价值。
       5．参考文献
     1．阳宪惠主编，现场总线技术及其应用，北京：清华大学出版社，1999
     2．Ray Horak着，徐勇等译，通信系统与网络，北京：电子工业出版社，2001
     3．胡俊，工业以太网和基于Internet的远程监控系统，世界仪表与自动化，pp. 43-45, Vol.6, No.2, 2002