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)場總線 工業(yè)以太網(wǎng) 分散控制 水處理

1．概述
    隨著網(wǎng)絡(luò)化、信息化概念向自動化領(lǐng)域的不斷滲透，水處理自動化控制理念和技術(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)場總線構(gòu)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(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，它不僅在辦公自動化領(lǐng)域而且在工業(yè)自動化場合得到了廣泛應(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，它將對水處理自動化技術(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、排海口、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化控制技術(shù)的主流。

2．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)場總線通信的局限性和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢以及系統(tǒng)的可升級性，整個(gè)系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)作為主要的通信平臺。

    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(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，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)：

    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(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。

    b. 交換式以太網(wǎng)，保證了系統(tǒng)的確定性。對于實(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（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。

    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(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(kuò)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(zhì)，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(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)，只需升級網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備，而無需重新鋪設(shè)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(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。每個(gè)泵站均設(shè)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(zhuǎn)換成符合H.323標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)程視頻實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和記錄，并可遠(yuǎn)程控制云臺的動作。
    
    f. 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)。
        
3．控制系統(tǒng)的具體實(shí)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(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(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(jī)、顯示器、打印機(jī)、UPS電源、PLC0及模擬屏等組成，目的是對主要工藝設(shè)備的控制和調(diào)度，對生產(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，對主要工藝流程進(jìn)行動態(tài)模擬和趨勢分析，以及對整個(gè)系統(tǒng)的音視頻監(jiān)視。二級為現(xiàn)場控制站，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)動作的互鎖和聯(lián)動。

    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(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)場設(shè)備級和過程管理級進(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。基于這一標(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)具有簡單方便的WEB監(jiān)控功能。

4．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(jié)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(yīng)用具有廣泛的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)
（1）． 陽憲惠主編，現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用，北京：清華大學(xué)出版社，1999
（2）． Ray Horak著，徐勇等譯，通信系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)，北京：電子工業(yè)出版社，2001
（3）． 胡俊，工業(yè)以太網(wǎng)和基于Internet的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，世界儀表與自動化，pp. 43-45, Vol.6, No.2, 2002