TSC工業(yè)以太網(wǎng)的污水處理控制系統(tǒng)解決方案

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(kāi)放性和互操作性的特點(diǎn)，同時(shí)也是數(shù)據(jù)、視頻“多網(wǎng)合一”的系統(tǒng)。其應(yīng)用代表了工業(yè)以太網(wǎng)和控制技術(shù)的在水處理行業(yè)的最新發(fā)展方向。

隨著我們國(guó)家生產(chǎn)力水平的不斷提升，自動(dòng)化系統(tǒng)也相應(yīng)的從小型的、封閉的、無(wú)網(wǎng)絡(luò)的模式，向大型化、網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放化方向發(fā)展;將基于封閉、專(zhuān)用的解決方案變成了基于公開(kāi)化、標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案。上位機(jī)、PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)構(gòu)成的集散監(jiān)控系統(tǒng)逐步成為水處理自動(dòng)化的主流。但由于不同的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)之間的互不兼容嚴(yán)重束縛了不同廠(chǎng)商設(shè)備之間的互連，使得現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)成為受廠(chǎng)商限制的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)。而隨著以太網(wǎng)技術(shù)在自動(dòng)化領(lǐng)域的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的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，這都標(biāo)志著開(kāi)放互連的工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。

××市污水處理廠(chǎng)是一座近期日處理量為40萬(wàn)噸、遠(yuǎn)期60萬(wàn)噸的AO工藝的污水處理廠(chǎng)。自動(dòng)控制系統(tǒng)采用目前國(guó)內(nèi)外污水處理廠(chǎng)廣泛應(yīng)用并取得良好效果的基于可編程邏輯控制器(PLC)的集散型控制系統(tǒng)，以及監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)，同時(shí)還包含少量的視頻監(jiān)視。集散型控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是將管理層和控制層分開(kāi)。管理層主要是對(duì)全廠(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)視、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析; 控制層主要是通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)PLC或計(jì)算機(jī)完成各自轄域內(nèi)工藝過(guò)程和工藝設(shè)備的自動(dòng)控制，同時(shí)在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上，提供了智能控制的可能性。SCADA系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成對(duì)主要工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集并對(duì)生產(chǎn)流程進(jìn)行監(jiān)控。通信系統(tǒng)采用100Mbps工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。

系統(tǒng)除具備對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的監(jiān)視和控制功能外，數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信的功能更加強(qiáng)大，為運(yùn)行階段的生產(chǎn)管理、調(diào)度、科研打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?？紤]到遠(yuǎn)期污水廠(chǎng)增加設(shè)備的需要，自控設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)和上位管理系統(tǒng)擁有擴(kuò)展的能力。

●系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

按照工藝流程，廠(chǎng)區(qū)分布7套自控系統(tǒng)，分別為預(yù)處理系統(tǒng)、生物處理系統(tǒng)、污泥處置系統(tǒng)、出水及雨水系統(tǒng)、污泥消化系統(tǒng)、污泥干化系統(tǒng)和電站自動(dòng)化系統(tǒng)。

在預(yù)處理系統(tǒng)、生物處理系統(tǒng)、污泥處置系統(tǒng)、出水及雨水系統(tǒng)設(shè)置4套不同規(guī)模的過(guò)程控制站(PLC分控站)，污泥消化系統(tǒng)、污泥干化系統(tǒng)和電站自動(dòng)化系統(tǒng)為成套設(shè)備，自控系統(tǒng)自成體系。各控制站分別負(fù)責(zé)各自范圍內(nèi)工藝參數(shù)的采集和設(shè)備運(yùn)行的控制。

主干網(wǎng)絡(luò)使用了多模光纖百兆環(huán)網(wǎng)，單機(jī)單環(huán)即在網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)站點(diǎn)均有一臺(tái)工業(yè)冗余以太環(huán)網(wǎng)交換機(jī)。這種網(wǎng)絡(luò)具有一層的網(wǎng)絡(luò)冗余功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一處信道發(fā)生故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)會(huì)在300ms內(nèi)重新拓樸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在邏輯上形成一個(gè)總線(xiàn)型網(wǎng)絡(luò)，可繼續(xù)維持整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。由于這種網(wǎng)絡(luò)拓樸結(jié)構(gòu)只能形成一層網(wǎng)絡(luò)冗余，如果在網(wǎng)絡(luò)中的某一臺(tái)交換機(jī)發(fā)生故障時(shí)，則這臺(tái)發(fā)生故障的交換機(jī)所連接的設(shè)備將不能與其它交換機(jī)所連接的設(shè)備進(jìn)行通信。在該廠(chǎng)自控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，力求各個(gè)工藝區(qū)域相對(duì)獨(dú)立，不存在各交換機(jī)所聯(lián)接的系統(tǒng)互相通信，而工藝環(huán)節(jié)之間的通信在各系統(tǒng)內(nèi)部的PLC及其子站完成，因此，某臺(tái)交換機(jī)的故障不會(huì)影響其他系統(tǒng)的工作，而故障交換機(jī)僅暫時(shí)影響信息上傳，不會(huì)影響系統(tǒng)內(nèi)部的自動(dòng)運(yùn)行。采用單機(jī)單環(huán)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于該廠(chǎng)是經(jīng)濟(jì)合理的。

現(xiàn)場(chǎng)有一些智能儀表，要把這部分儀表的數(shù)據(jù)采集到監(jiān)控中心。通過(guò)串口服務(wù)器把RS-232/485/422轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)接口，再通過(guò)以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。

廠(chǎng)區(qū)內(nèi)分部著10個(gè)左右的攝像頭，使監(jiān)控中心可以直觀的看到重要區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)情況，作為污水處理廠(chǎng)監(jiān)控的輔助手段，節(jié)約了人力成本。

●方案特點(diǎn)

本方案總的主干采用百兆光纖環(huán)網(wǎng)，分支網(wǎng)絡(luò)采用星網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓展，具體特點(diǎn)有以下幾條：

1.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。使網(wǎng)絡(luò)不會(huì)成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，消除了數(shù)據(jù)延遲的可能性;

2.交換式以太網(wǎng)，保證了系統(tǒng)的傳輸效率，消除了網(wǎng)絡(luò)沖突。對(duì)于實(shí)時(shí)控制來(lái)講，其網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)难舆t不超過(guò)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(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)/沖突檢測(cè)(CSMA/CD)的介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)機(jī)制，因而本質(zhì)上不保證傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。但以太網(wǎng)可通過(guò)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;

3.環(huán)形冗余方案，確保了系統(tǒng)的可靠性，減少投資。過(guò)去由于沒(méi)有其他可供選擇的方案，冗余網(wǎng)絡(luò)大都采用雙總線(xiàn)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(xiàn)方式減小了風(fēng)險(xiǎn)的集中和降低了實(shí)現(xiàn)成本。300ms的收斂時(shí)間確保在環(huán)路光纖出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，數(shù)據(jù)不丟失。在升級(jí)到千兆網(wǎng)絡(luò)的時(shí)，光纖通常不需要從新鋪設(shè)，只需要更換網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就好了;

4.可擴(kuò)展性好，通用性強(qiáng)。當(dāng)再有設(shè)備接入，在網(wǎng)絡(luò)容量允許的情況下，可以直接接入網(wǎng)絡(luò)。在提升生產(chǎn)的信息化程度方面，ERP、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以直接和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接，從中得到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);

5.數(shù)據(jù)、視頻的“兩網(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)也作為視頻的傳輸平臺(tái)。每個(gè)控制站均設(shè)有帶有云臺(tái)的攝像頭，其視頻輸出信號(hào)以及云臺(tái)控制信號(hào)經(jīng)過(guò)視頻編碼器壓縮并轉(zhuǎn)換成符合H.323標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字多媒體信號(hào)接入到以太網(wǎng)上，在監(jiān)控端通過(guò)視頻解碼器和視頻服務(wù)器對(duì)遠(yuǎn)程視頻實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和記錄，并可遠(yuǎn)程控制云臺(tái)的動(dòng)作;

6.使用端口聚合(Trunking)把環(huán)網(wǎng)連接到監(jiān)控中心的核心交換機(jī)上。數(shù)據(jù)上傳的帶寬增加了一倍，同時(shí)也使上傳鏈路有了備份;

7.通過(guò)廣播風(fēng)暴抑制功能，消除了廣播風(fēng)暴對(duì)網(wǎng)絡(luò)的沖擊。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)受到廣播風(fēng)暴沖擊時(shí)，必然會(huì)大大降低網(wǎng)絡(luò)的性能。通過(guò)廣播抑制，可以把廣播的數(shù)據(jù)流量限制在一個(gè)較低的水平上，保證現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸;

8.通過(guò)串口服務(wù)器把現(xiàn)場(chǎng)的儀表數(shù)據(jù)采集到網(wǎng)絡(luò)上。突破了智能儀表只能走專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)(RS-485/422)的問(wèn)題。串口服務(wù)器把以太網(wǎng)變成了一個(gè)透明網(wǎng)絡(luò)，讓監(jiān)控中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)得到現(xiàn)場(chǎng)儀表的數(shù)據(jù);

●結(jié)束語(yǔ)

本案例成功地應(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)，代表了自動(dòng)化控制的一個(gè)主流趨勢(shì)，用通用的、開(kāi)放的、高速可靠的工業(yè)以太網(wǎng)代替專(zhuān)有的、封閉的、低速現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)來(lái)完成主要的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)又通過(guò)串口服務(wù)器把基于總線(xiàn)的設(shè)備完美的接入到網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中。通過(guò)把視頻系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)也并入工業(yè)以太網(wǎng)，節(jié)約的建網(wǎng)成本，還充分利用了工業(yè)以太網(wǎng)的大帶寬的優(yōu)勢(shì)。

隨著整個(gè)社會(huì)的自動(dòng)化水平的不斷提高，“多網(wǎng)合一”、“一網(wǎng)到底”的概念再也不只局限于概念的階段，已經(jīng)逐步成為我們構(gòu)建大中型自動(dòng)化控制系統(tǒng)的首選。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以其成熟可靠的技術(shù)、開(kāi)放、造價(jià)越來(lái)越低的優(yōu)勢(shì)，日漸成為自動(dòng)化系統(tǒng)中強(qiáng)大的神經(jīng)中樞。