摘 要：介紹了基于工業(yè)以太網(wǎng)混合模型的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)的硬件配置及其功能的軟件實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)采用西門子S7-300系列PLC做主站，分布式I/O ET200做從站，構(gòu)成PROFIBUS-DP總線控制系統(tǒng)。上位機(jī)選用工控機(jī)，利用WinCC組態(tài)軟件開發(fā)工藝流程、參數(shù)設(shè)定、實(shí)時(shí)曲線等監(jiān)控畫面，采用基于TCP/IP協(xié)議的工業(yè)以太網(wǎng)與PLC通訊并與大廈BA相連，實(shí)現(xiàn)了管控一體化。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)保證了污水處理過程的工藝質(zhì)量，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，提高了管理水平。 關(guān)鍵詞：污水處理 監(jiān)控 現(xiàn)場(chǎng)總線 工業(yè)以太網(wǎng) [b][align=center]Supervisory Control System Based on Mixed Model of Industrial Ethernet for Sewage Disposal[/align][/b] Abstract: This paper introduces the hardware configuration and the software achievement of monitoring and control system based on mixed model of industrial Ethernet for sewage disposal. SIEMENS S7-300 PLC is used as master station and ET200 distributed I/O device as slave station to compose PROFIBUS-DP control system. Industrial personal computer is chose as the upper computer and WinCC is used to develop monitoring and control picture such as technologic flow, parameter setting, real-time curving. PLC and IPC is communicated via industrial Ethernet based on TCP/IP to form a hybrid control system, which realize the integrating management and control by linking the BA together. The results of operation prove that this system ensures the technical quality of the sewage disposal and works steadily as well as improves the management level. Key words: Sewage Disposal Monitoring and Control Fieldbus Industrial Ethernet 1 引 言 　　以太網(wǎng)及TCP/IP通信技術(shù)主要適合信息管理、信息處理系統(tǒng)，在IT行業(yè)獲得了很大的成功，成為IT行業(yè)應(yīng)用中首選的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。由于其具有傳輸報(bào)文具有排隊(duì)延遲不確定的缺陷，無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，所以無法在工業(yè)控制中得到有效的使用。但是，隨著管控一體化技術(shù)的發(fā)展，迫切要求能將管理層的以太網(wǎng)向下延伸，直到設(shè)備層，從而形成一個(gè)統(tǒng)一的無需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的透明的數(shù)據(jù)鏈路，才有可能實(shí)現(xiàn)企業(yè)的最佳經(jīng)濟(jì)效益。因此，以太網(wǎng)及TCP/IP技術(shù)逐步在自動(dòng)化行業(yè)中得到應(yīng)用，并發(fā)展成為一種技術(shù)潮流。 2 工業(yè)以太網(wǎng)設(shè)計(jì)模型 　　為了將以太網(wǎng)應(yīng)用到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，國(guó)內(nèi)外許多公司和研究機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行著各種嘗試，試圖對(duì)現(xiàn)有的以太網(wǎng)進(jìn)行改進(jìn)，并建立新的通信協(xié)議模型。總的來說，工業(yè)以太網(wǎng)有兩種模型：一種是混合模型（以太網(wǎng)和其他總線相連）;另一種是所謂的“透明工廠”型（Transparent Factory）即從高層到底層都采用統(tǒng)一的工業(yè)以太網(wǎng)的通信協(xié)議。 　?。?）混合模型。這種模型其實(shí)是一種折中的方案，也是比較容易實(shí)現(xiàn)的方案，現(xiàn)在許多公司都推出工業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型，如圖1所示。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的管理層和車間層使用以太網(wǎng)，向上可以和Internet連接，向下可以讀取車間里各個(gè)控制子系統(tǒng)的狀態(tài)信息。在設(shè)備層，仍然采用獨(dú)自的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，如CAN、PROFIBUS、ASI等。它們與以太網(wǎng)之間通過專用的網(wǎng)關(guān)連接。這種方案最大限度地利用了現(xiàn)有以太網(wǎng)所能提供的通信功能。每個(gè)網(wǎng)關(guān)是以太網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是下面子系統(tǒng)的主站。網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)實(shí)時(shí)的控制，并把子系統(tǒng)內(nèi)部的信息進(jìn)行預(yù)處理，只把一些重要的信息按照TCP/IP的幀的格式發(fā)送到以太網(wǎng)上。這種方案的好處是避免以太網(wǎng)直接對(duì)傳感器和執(zhí)行器等底層設(shè)備的訪問，減少了以太網(wǎng)上實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳送量，減少了沖突的機(jī)會(huì)，在一定程度上避免了在惡劣的工業(yè)條件下傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)出現(xiàn)遲延的問題。這種模型還只是一個(gè)過渡型的結(jié)構(gòu)，設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)總線的繁多協(xié)議同樣影響著用戶的使用，現(xiàn)場(chǎng)總線的統(tǒng)一開放的思想還是沒有完全實(shí)現(xiàn)。 　　（2）“透明工廠”型。這種模型是工業(yè)以太網(wǎng)的完全解決方案，也就是說企業(yè)網(wǎng)從上到下完全是由以太網(wǎng)組成。實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工廠對(duì)用戶來說是“透明”的，它的結(jié)構(gòu)如圖1中把網(wǎng)關(guān)去掉再加上虛線所示。因?yàn)檎麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)是統(tǒng)一的協(xié)議，所以用戶可對(duì)從高層的管理層到底層的設(shè)備層的任一設(shè)備進(jìn)行訪問，而無需知道這種訪問是如何進(jìn)行的。普通的傳感器、執(zhí)行器通過工業(yè)以太網(wǎng)I/O模塊連接到以太網(wǎng)上，管理層的主機(jī)可采用IP訪問的方式與各個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信。目前，根據(jù)報(bào)道已經(jīng)有一些這方面的實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，取得了一些成果，但離實(shí)際應(yīng)用還有一段距離。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的全面解決方案，但實(shí)現(xiàn)起來比較困難。主要是要對(duì)以太網(wǎng)進(jìn)行面向?qū)崟r(shí)控制的修改，還要在網(wǎng)絡(luò)層以上引入實(shí)時(shí)控制算法，彌補(bǔ)以太網(wǎng)在傳輸確定性數(shù)據(jù)方面先天性的不足。 3 污水處理工藝流程 　　本污水處理工程為國(guó)家電力調(diào)度中心污水處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括三部分，分別為中水處理系統(tǒng)、軟化水系統(tǒng)和飲用水系統(tǒng)。其工藝流程如下： 　　3.1中水處理系統(tǒng) 　　來自污泥總管的污水通過設(shè)置在格柵池中的格柵去除雜質(zhì)后，流入調(diào)節(jié)池，由潛污提升泵經(jīng)毛發(fā)聚集器送往氧化池，經(jīng)曝氣、氧化作用后流入沉淀池，上層清水至排水方溝，沉淀后的污泥流入污泥濃縮池處理，其中沉淀雜質(zhì)較少的上清液再由污泥回流泵送往氧化池進(jìn)行循環(huán)處理。經(jīng)過氧化處理后的污水通過提升泵送往機(jī)械過濾器和深度處理池進(jìn)入回用水池，再經(jīng)出水泵送往中水水箱，投藥裝置設(shè)置兩套分別加入PAC和Cl,主要作用是消毒。如圖2所示。 　　3.2 軟化水系統(tǒng) 　　來自中水水箱的水進(jìn)一步經(jīng)過離心泵提升到活性炭過濾器和精密過濾器過濾，進(jìn)入三套軟化水設(shè)備，并通過加藥（Cl）處理后送往軟化水箱，再生鹽罐能使離子交換劑再生，提高離子交換劑的活性。 　　3.3 直飲水系統(tǒng) 　　軟水箱的水經(jīng)提升泵到活性炭過濾器和保安過濾器過濾后被儲(chǔ)存到中間水箱。高、低區(qū)循環(huán)系統(tǒng)回水經(jīng)過消毒系統(tǒng)后也送入中間水箱。鈉濾提升泵把中間水箱的水經(jīng)污水計(jì)量系統(tǒng)送到鈉濾裝置處理，再經(jīng)計(jì)量系統(tǒng)送氧化塔消毒，最后進(jìn)入產(chǎn)水水箱，產(chǎn)水水箱的水分別由高、低區(qū)變頻水泵給高、低區(qū)供水。 　　三個(gè)工段共有36臺(tái)水泵、28個(gè)電磁閥和8個(gè)連續(xù)控制閥。由于污水介質(zhì)的特點(diǎn)，在整個(gè)流程中工作的水泵均要求一用一備，兩臺(tái)泵能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)（一周或一天）切換和故障時(shí)的切換要求。各類泵、閥設(shè)備均設(shè)自動(dòng)、手動(dòng)切換，各泵的起停多為受相關(guān)箱、池的高、中、低液位或管道壓力的控制，并且一臺(tái)泵不能滿足條件要求時(shí)應(yīng)能起動(dòng)備用泵。各類過濾器當(dāng)滿足條件時(shí)能夠自動(dòng)進(jìn)行正、反洗。模擬量有液位、壓力、流量、pH值、硬度、濁度、余氯和電導(dǎo)率等，除了要求中控室顯示、報(bào)警和累積量以外，要求能夠連續(xù)控制量共8個(gè)。 　　同時(shí)，根據(jù)調(diào)度中心要求，該污水處理控制系統(tǒng)應(yīng)與整個(gè)大廈的管理系統(tǒng)相連，以實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心管控一體化，提高管理水平。 4 監(jiān)控系統(tǒng)方案 　　根據(jù)上述工藝特點(diǎn)、設(shè)備地域分布以及控制要求，我們選用了基于工業(yè)以太網(wǎng)混合模型的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制系統(tǒng)選用西門子S7-300系列的CPU315-DP作為主站，與上位工控機(jī)安裝在中控室，通過網(wǎng)絡(luò)通訊模塊CP343-1將PLC連接到工業(yè)以太網(wǎng)上，選用三個(gè)分布式I/O模塊ET200M作為DP從站，分別在三個(gè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行。ET200M支持S7-300全系列模塊，通過IM153與PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線相連。上位機(jī)選用研華工控機(jī)，內(nèi)嵌CP1613網(wǎng)絡(luò)通訊卡，設(shè)置有關(guān)參數(shù)后可實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP協(xié)議的上位機(jī)與PLC的工業(yè)以太網(wǎng)通訊，并可方便的與大廈BA相連，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心的管控一體化。以西門子WinCC5.0組態(tài)軟件作為開發(fā)平臺(tái),主要完成流程畫面、狀態(tài)監(jiān)視、實(shí)時(shí)曲線、工藝變量和控制參數(shù)設(shè)定及報(bào)警顯示與確認(rèn)等功能。所有的邏輯控制和簡(jiǎn)單PID控制均由下位PLC完成，即使與上位機(jī)脫離了通信，也能自己安全的工作。高、低區(qū)供水變頻器也通過 DP模塊接入DP總線。系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。 5 軟件編程 　　5.1下位機(jī)程序 　　SIMATIC S7-300系列可編程控制器采用STEP7標(biāo)準(zhǔn)軟件編程。它的最大優(yōu)點(diǎn)在于符號(hào)化編程和組織分層結(jié)構(gòu)，使得編制的程序可讀性非常好，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試非常容易。STEP7標(biāo)準(zhǔn)軟件包包括符號(hào)編輯器、SIMATIC管理器、NETPRO通訊組態(tài)、硬件組態(tài)、和三種編程語言（LAD、FBD和STL），此外，還具有硬件診斷能力。 　　整個(gè)過程監(jiān)控程序分層及調(diào)用結(jié)構(gòu)如圖4所示。 　　OB1：為系統(tǒng)組織塊，用于循環(huán)程序處理。FC2為報(bào)警及數(shù)據(jù)處理功能塊，用于各種報(bào)警信號(hào)的處理及與上位數(shù)據(jù)塊（共享）DB20的數(shù)據(jù)交換。FC3為液位高、中、低判斷功能塊，完成9個(gè)水池的液位高、中、低判斷，在該功能塊中調(diào)用液位比較功能塊FC4。OB35為循環(huán)中斷子程序，中斷優(yōu)先級(jí)為12，其中斷時(shí)間可在5ms～60000ms之間設(shè)定，本過程設(shè)定為1分鐘。FC10為系統(tǒng)主程序。在功能塊FC2中完成各種報(bào)警,且可通過上位機(jī)確認(rèn)，同時(shí)對(duì)主程序中所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理準(zhǔn)備。FC4為液位比較子程序功能快。 DB21也為共享數(shù)據(jù)塊，可通過上位機(jī)設(shè)定泵的切換時(shí)間、各類設(shè)定數(shù)據(jù)等。 　　在STEP7標(biāo)準(zhǔn)控制功能中有多種PID控制模塊，使用時(shí)可直接選用，如圖5.1中的功能塊FB41，DB41為其背景數(shù)據(jù)塊。用戶可方便地通過連接和參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單PID控制，其參數(shù)可通過上位機(jī)設(shè)置和修改。 　　通過編程實(shí)現(xiàn)了液位控制兩臺(tái)潛污提升泵的啟、停及24小時(shí)自動(dòng)切換;兩臺(tái)二沉出水提升泵與潛污提升泵的順序控制;壓力、時(shí)間控制鋼機(jī)械過濾器、活性炭過濾器的正、反洗;液位控制中水出水提升泵、污泥回流泵、格蘭富離心泵的啟、停及一周自動(dòng)切換等開關(guān)量控制功能;對(duì)于余氯、硬度、濁度及pH值通過控制加藥計(jì)量泵的開度以控制加藥量的多少;水壓、液位及電導(dǎo)率控制的高、低區(qū)變頻循環(huán)供水等閉環(huán)控制功能則通過六次調(diào)用PID控制模塊FB41和可通過上位機(jī)設(shè)定參數(shù)的數(shù)據(jù)塊DB41、DB42、DB43、DB44、DB45、DB46來實(shí)現(xiàn)。 　　5.2 上位機(jī)程序 　　上位機(jī)采用西門子WinCC5.1組態(tài)軟件開發(fā)監(jiān)控程序，主要實(shí)現(xiàn)以功能： 　?。?）工藝流程圖及運(yùn)行參數(shù)的控制顯示：分別開發(fā)中水、軟水、直飲水工藝流程圖，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)各類泵、閥等設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并能對(duì)液位、壓力、時(shí)間、余氯含量、pH值等數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定和控制。主畫面模擬現(xiàn)場(chǎng)工作狀況，能夠直觀、精確了解現(xiàn)場(chǎng)工作狀況。圖5所示為中水處理系統(tǒng)流程圖。 　?。?）數(shù)據(jù)查詢功能：在主機(jī)畫面上，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線對(duì)采集到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，便于了解具體的工作情況;通過歷史數(shù)據(jù)曲線對(duì)采集到的數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫中，便于了解長(zhǎng)時(shí)間工作的歷史趨勢(shì)。查詢時(shí)可保證精確、方便、快捷。 　?。?）報(bào)警功能：對(duì)各超出設(shè)定值范圍的參數(shù)及設(shè)備故障進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)某一實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超過設(shè)定值或某一設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警，并做相應(yīng)的處理，報(bào)警后將所需參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫中，供日后查詢。 　?。?）報(bào)表功能：對(duì)需要上報(bào)或?qū)Ρ纫约伴L(zhǎng)期需要保存的數(shù)據(jù)生成報(bào)表進(jìn)行定時(shí)或?qū)崟r(shí)打印存檔。 6 結(jié)束語 　　采用SIMATIC S7-300系列可編程控制器進(jìn)行污水過程處理,硬件可由軟件組態(tài)，軟件編程層次清楚，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試方便，利用其強(qiáng)大的通訊功能可組成各種分布式監(jiān)控管理系統(tǒng)。PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線適用于工業(yè)領(lǐng)域，可靠性高、實(shí)時(shí)響應(yīng)性好、對(duì)環(huán)境要求低，是適合工業(yè)環(huán)境下系統(tǒng)組網(wǎng)的一種現(xiàn)場(chǎng)總線?；赥CP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優(yōu)勢(shì)，支持幾乎所有的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是企業(yè)管理層廣泛采用的一種通訊網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)在國(guó)家電力調(diào)度中心污水處理工程中運(yùn)行表明，將工控機(jī)與PLC結(jié)合、現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)合，組成一種混合型的工業(yè)控制系統(tǒng)，不但發(fā)揮了各自的優(yōu)勢(shì)，而且便于網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和異構(gòu)連接，實(shí)現(xiàn)管控一體化。 　　本文創(chuàng)新點(diǎn)是將工業(yè)以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線構(gòu)成的混合模型應(yīng)用于污水處理計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的管控一體化。 參考文獻(xiàn) 　　[1] SIMATIC S7-300系列可編程控制器硬件安裝手冊(cè) 　　[2] SIMATIC S7 STEP7 V5.2編程手冊(cè) 　　[3] WinCC5.1使用手冊(cè) 　　[4] 黃兆龍. 曝氣生物濾池污水處理工藝中的自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2005.2. 　　[5] 楊清等. 基于工業(yè)以太網(wǎng)的分布式污水處理監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2005.11-1. 　　[6] 唐濟(jì)揚(yáng).以太網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)[J].國(guó)內(nèi)外機(jī)電一體化技術(shù).2002.5.7～14 　　[7] 陳一雷等.工業(yè)以太網(wǎng)的研究與發(fā)展[J].低壓電器.2002.5.35～38 作者簡(jiǎn)介 　　惠鴻忠，男，碩士，講師，研究方向：工業(yè)過程控制、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)及智能控制監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)。 　　聯(lián)系方式： 　　通信地址：山東省聊城市東昌府區(qū)龍山南區(qū)25號(hào)樓3單元501 郵政編碼：252000 　　Email: hui_hongzhong@126.com 　　基于工業(yè)以太網(wǎng)混合模型的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)資料下載