基于工业以太网的污水处理控制系统

系统概述
　　 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、视频“多网合一”的系统。其应用代表了工业以太网和控制技术的在水处理行业的最新发展方向。
　　 随着我们国家生产力水平的不断提升，自动化系统也相应的从小型的、封闭的、无网络的模式，向大型化、网络化、开放化方向发展；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。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。而随着以太网技术在自动化领域的不断发展，越来越多的PLC、智能仪表和执行器，乃至DCS系统已经带有以太网接口，这都标志着开放互连的工业以太网已经成为工业网络的发展方向。
　　 ××市污水处理厂是一座近期日处理量为40万吨、远期60万吨的AO工艺的污水处理厂。自动控制系统采用目前国内外污水处理厂广泛应用并取得良好效果的基于可编程逻辑控制器(PLC)的集散型控制系统，以及监控和数据采集(SCADA)系统，同时还包含少量的视频监视。集散型控制系统的特点是将管理层和控制层分开。管理层主要是对全厂的生产过程进行监视、数据存储和分析; 控制层主要是通过现场PLC或计算机完成各自辖域内工艺过程和工艺设备的自动控制，同时在传统控制的基础上，提供了智能控制的可能性。SCADA系统通过现场检测仪表和网络设备完成对主要工艺参数的数据采集并对生产流程进行监控。通信系统采用100Mbps工业以太环网。
　　 系统除具备对生产过程的监视和控制功能外，数据处理和网络通信的功能更加强大，为运行阶段的生产管理、调度、科研打下坚实的基础。考虑到远期污水厂增加设备的需要，自控设备、通信网络和上位管理系统拥有扩展的能力。

　系统网络结构
　　 按照工艺流程，厂区分布7套自控系统，分别为预处理系统、生物处理系统、污泥处置系统、出水及雨水系统、污泥消化系统、污泥干化系统和电站自动化系统。
　　 在预处理系统、生物处理系统、污泥处置系统、出水及雨水系统设置4套不同规模的过程控制站(PLC分控站)，污泥消化系统、污泥干化系统和电站自动化系统为成套设备，自控系统自成体系。各控制站分别负责各自范围内工艺参数的采集和设备运行的控制。

主干网络使用了多模光纤百兆环网，单机单环即在网络中的每一个站点均有一台工业冗余以太环网交换机。这种网络具有一层的网络冗余功能，当网络中的某一处信道发生故障时，网络会在300ms内重新拓朴网络结构，在逻辑上形成一个总线型网络，可继续维持整个系统的正常工作。由于这种网络拓朴结构只能形成一层网络冗余，如果在网络中的某一台交换机发生故障时，则这台发生故障的交换机所连接的设备将不能与其它交换机所连接的设备进行通信。在该厂自控系统的设计上，力求各个工艺区域相对独立，不存在各交换机所联接的系统互相通信，而工艺环节之间的通信在各系统内部的PLC及其子站完成，因此，某台交换机的故障不会影响其他系统的工作，而故障交换机仅暂时影响信息上传，不会影响系统内部的自动运行。采用单机单环的拓扑结构对于该厂是经济合理的。
　　 现场有一些智能仪表，要把这部分仪表的数据采集到监控中心。通过串口服务器把RS-232/485/422转换成网络接口，再通过以太网把数据传输到监控中心。
　　 厂区内分部着10个左右的摄像头，使监控中心可以直观的看到重要区域的现场情况，作为污水处理厂监控的辅助手段，节约了人力成本。

　方案特点
　　 本方案总的主干采用百兆光纤环网，分支网络采用星网结构拓展，具体特点有以下几条：
　　 1.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。使网络不会成为数据传输的瓶颈，消除了数据延迟的可能性；
　　 2.交换式以太网，保证了系统的传输效率，消除了网络冲突。对于实时控制来讲，其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实时性。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；
　　 3.环形冗余方案，确保了系统的可靠性，减少投资。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。300ms的收敛时间确保在环路光纤出现问题时，数据不丢失。在升级到千兆网络的时，光纤通常不需要从新铺设，只需要更换网络设备就好了；
　　 4.可扩展性好，通用性强。当再有设备接入，在网络容量允许的情况下，可以直接接入网络。在提升生产的信息化程度方面，ERP、生产管理系统等计算机网络可以直接和工业网络连接，从中得到现场的实时数据；
　　 5.数据、视频的“两网合一”。在本系统中，网络不仅用于控制数据的传输，同时也作为视频的传输平台。每个控制站均设有带有云台的摄像头，其视频输出信号以及云台控制信号经过视频编码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，在监控端通过视频解码器和视频服务器对远程视频实现监视和记录，并可远程控制云台的动作；
　　 6.使用端口聚合（Trunking）把环网连接到监控中心的核心交换机上。数据上传的带宽增加了一倍，同时也使上传链路有了备份；
　　 7.通过广播风暴抑制功能，消除了广播风暴对网络的冲击。当网络受到广播风暴冲击时，必然会大大降低网络的性能。通过广播抑制，可以把广播的数据流量限制在一个较低的水平上，保证现场数据传输；
　　 8.通过串口服务器把现场的仪表数据采集到网络上。突破了智能仪表只能走专用网络（RS－485/422）的问题。串口服务器把以太网变成了一个透明网络，让监控中心通过网络可以实时得到现场仪表的数据；

　结束语
　　 本案例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，代表了自动化控制的一个主流趋势，用通用的、开放的、高速可靠的工业以太网代替专有的、封闭的、低速现场总线来完成主要的数据传输，同时又通过串口服务器把基于总线的设备完美的接入到网络当中。通过把视频系统的网络也并入工业以太网，节约的建网成本，还充分利用了工业以太网的大带宽的优势。
　　 随着整个社会的自动化水平的不断提高，“多网合一”、“一网到底”的概念再也不只局限于概念的阶段，已经逐步成为我们构建大中型自动化控制系统的首选。工业以太网技术以其成熟可靠的技术、开放、造价越来越低的优势，日渐成为自动化系统中强大的神经中枢。