工業(yè)以太網和CAN總線在污水處理系統(tǒng)中的應用

引言

目前，污水處理廠運用集散控制系統(tǒng)模型可以最大限度提高污水處理廠運行可靠性，提高出水水質，降低能耗和工人勞動強度，達到提高經濟效益的目的。可編程計算機控制器(prograrnrnable ComputerController，簡稱PCC)以其可靠性高、編程方便、耐惡劣環(huán)境、功能強大等特性已成為工業(yè)控制領域中增長速度最迅猛的工業(yè)控制設備，它能很好地解決工業(yè)控制領域普遍關心的可靠、安全、靈活、方便、經濟等問題。

隨著工業(yè)以太網技術、現(xiàn)場總線技術的發(fā)展,由現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網構建的“一網到底”工業(yè)控制網絡系統(tǒng),使得工廠的高層管理人員能直接獲得工業(yè)現(xiàn)場的控制信息,實現(xiàn)工廠管理與生產現(xiàn)場的無縫集成。根據(jù)污水處理行業(yè)的特點,設計了基于工業(yè)以太網和現(xiàn)場總線的污水處理控制系統(tǒng)的整體解決方案。本文以蘭州某縣的污水處理為例,介紹了基于貝加萊PCC、工業(yè)以太網和CAN現(xiàn)場總線的污水處理自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)。PCC通過以太網與現(xiàn)場控制設備間建立通信,從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)現(xiàn)場設備的自動控制。

1系統(tǒng)分析及設計

1.1控制要求分析

該污水處理廠日處理污水量為5.0萬米3/天,出水標準要求實現(xiàn)國家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。對污水進行三個階段的處理。一級處理：主要去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質，經過一級處理的污水，BOD一般可去除30％左右。二級處理：主要去除污水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機污染物質(BOD，COD物質)，去除率可達90％ 以上，使有機污染物達到排放標準。三級處理：進一步處理難于降解的有機物、氮和磷等能夠導致水體富營養(yǎng)化的可溶性無機物等；處理工藝采用CASS池工藝生化處理，之后在接觸池加氯使尾水達標后排入黃河。污泥處理采用機械濃縮脫水處置工藝泥餅外運衛(wèi)生填埋，污水處理流程如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)方案確定

基于以上特點，顯然系統(tǒng)屬于典型的分布式控制系統(tǒng)。在和傳統(tǒng)方案比較后，采用基于工業(yè)以太網標準TCP／IP和CAN現(xiàn)場總線結合的分布成網絡系統(tǒng)構架，完成該污水處理廠的自動控制系統(tǒng)設計。主要基于以下幾點考慮：

(1)工業(yè)以太網重點在于利用交換式以太網技術為控制器和操作站，各種工作站之間的相互協(xié)調合作提供一種交互機制，并和上層信息網絡無縫集成。目前工業(yè)以太網開始在監(jiān)控層網絡上逐漸占據(jù)主流位置，正在向現(xiàn)場設備層網絡滲透。

(2)由于CAN總線具有強有力的錯誤檢測能力及差分驅動功能，在強噪聲的苛刻環(huán)境中仍運行良好，因此在傳媒傳輸和線路設計方面，CAN總線可以很容易的適合大多數(shù)應用場合。CAN采用多主站工作，并且總線最多可掛接110個節(jié)點，因此系統(tǒng)中各功能模塊都可以直接掛接到總線上。根據(jù)現(xiàn)代控制系統(tǒng)既需要集中管理，又需要分散實時控制的工藝要求，污水處理自動控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線式集散控制系統(tǒng)，采用CAN總線技術，可以將信息在現(xiàn)場處理，極大地提高其可靠性、實時性。

(3)將工業(yè)以太網和CAN總線很好的結合在一起，實現(xiàn)無縫集成。可以使工業(yè)以太網和現(xiàn)場總線各顯其能，形成優(yōu)勢互補，提高系統(tǒng)整體性能。

圖1 污水處理流程圖

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2．1 控制方案

根據(jù)污水廠的分布情況，設置三個PCC現(xiàn)場控制站，主要功能是實現(xiàn)對所有現(xiàn)場在線儀表的數(shù)據(jù)采集，分別設置在三個位置。

(1)PCC1為污泥脫水機房控制室：主要功能是負責貯泥池、污泥脫水機房、沖洗水池的設備控制及數(shù)據(jù)采集。

(2)PCC2為粗格柵及污水提升泵房控制室：負責粗格柵及污水提升泵房、細格柵及沉砂池、配水井、進廠水水質的設備控制及數(shù)據(jù)采集。

(3)PCC3為變配電室控制室：主要功能是負責鼓風機房、CASS反應池、接觸池、加氯間、出廠水水質的設備控制及數(shù)據(jù)采集。

其中3號站變配電室現(xiàn)場控制站包括四個遠程站，分別設置在CASS反應池潷水器附近。在工藝流程各個環(huán)節(jié)中設置了完整的全過程檢測儀表，如流量、液位、壓力、PH、溶氧儀等檢測儀表，確保對工藝全過程運行狀態(tài)、水量、水質的監(jiān)控，滿足各環(huán)節(jié)的自動控制需要。

該控制系統(tǒng)采用開放的分布式控制系統(tǒng)，整個污水廠自控系統(tǒng)由中央控制室操作員站、現(xiàn)場PCC控制站和現(xiàn)場儀表組成。中央控制室操作員站和現(xiàn)場PCC控制站之間通過工業(yè)以太網連接，數(shù)據(jù)和參數(shù)可以在PCC與中央控制室管理站之間相互傳送 ；PCC控制站和現(xiàn)場儀表之間通過現(xiàn)場總線和4～20mA進行數(shù)據(jù)傳輸。

2．2 系統(tǒng)硬件與網絡結構設計

本系統(tǒng)下位機采用三臺貝加萊X20高性能X20CP1485控制器，該控制器自帶以太網和CAN總線通信接口，其處理頻率達到Celeron 400MHz，達到400μs任務執(zhí)行時間。通過編制控制程序，對污水處理現(xiàn)場控制站I／O模塊的溫度、流量、液位、PH值等數(shù)據(jù)進行采集、分析、運算并相應輸出結果對電磁閥的啟停進行控制。自帶以太網接口實現(xiàn)與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)通信，采用容易擴展的X20系列的I／O單元，采集遠程設備數(shù)據(jù)信號 。

基于TCP／IP的工業(yè)以太網是一種標準開放式的網絡，易于實現(xiàn)將控制現(xiàn)場的設備與上位管理系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息與系統(tǒng)資源的共享；數(shù)據(jù)的傳輸距離長、傳輸速率高，易與Internet連接，易組網，與計算機、服務器的接口十分方便，并受到廣泛的技術支持。但無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求，是一種非確定性的網絡系統(tǒng)。CAN現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN總線的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級；采用非破壞仲裁技術；報文采用短幀結構，數(shù)據(jù)出錯率極低；節(jié)點在錯誤嚴重的情況下可自動關閉輸出。CAN現(xiàn)場總線作為一種面向工業(yè)底層控制的通信網絡，但是它不能與Intemet互連，不能實現(xiàn)遠程信息共享。所以選擇將工業(yè)以太網與現(xiàn)場總線相結合應用于該污水處理項目中。在工業(yè)以太網和CAN現(xiàn)場總線通過網關進行網絡互連。這是一種低成本、高可靠性、快捷的CAN現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網互連方案。這樣可以在利用現(xiàn)有網絡的基礎上，充分發(fā)揮工業(yè)以太網和CAN現(xiàn)場總線的優(yōu)勢，實現(xiàn)整個工業(yè)控制系統(tǒng)的網絡連接。系統(tǒng)網絡結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網絡圖

在PCC現(xiàn)場控制站上，配置了帶TCP／IP接口的通訊模塊，以便和中央控制站通訊。另外利用CAN總線實現(xiàn)與現(xiàn)場設備的連接，將現(xiàn)場的設備全部掛到CAN總線上，通過CAN總線實現(xiàn)與以太網的連接。PCC現(xiàn)場控制站監(jiān)視和控制污水處理的整個生產過程，并通過通訊網絡與監(jiān)控計算機及其它現(xiàn)場控制設備進行通訊。中控室能夠觀察到一些重要的運行狀態(tài)和工藝參數(shù)，對現(xiàn)場設備進行操作及控制參數(shù)的設置和修改。