●系統(tǒng)概述
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、實時性、可靠性、開放性和互操作性的特點，同時也是數(shù)據(jù)、視頻“多網(wǎng)合一”的系統(tǒng)。其應用代表了工業(yè)以太網(wǎng)和控制技術(shù)的在水處理行業(yè)的發(fā)展方向。
隨著我們國家生產(chǎn)力水平的不斷提升，自動化系統(tǒng)也相應的從小型的、封閉的、無網(wǎng)絡的模式，向大型化、網(wǎng)絡化、開放化方向發(fā)展；將基于封閉、專用的解決方案變成了基于公開化、標準化的解決方案。上位機、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。但由于不同的現(xiàn)場總線標準之間的互不兼容嚴重束縛了不同廠商設備之間的互連，使得現(xiàn)場總線成為受廠商限制的專用網(wǎng)絡。而隨著以太網(wǎng)技術(shù)在自動化領域的不斷發(fā)展，越來越多的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，這都標志著開放互連的工業(yè)以太網(wǎng)已經(jīng)成為工業(yè)網(wǎng)絡的發(fā)展方向。
××市污水處理廠是一座近期日處理量為40萬噸、遠期60萬噸的AO工藝的污水處理廠。自動控制系統(tǒng)采用目前國內(nèi)外污水處理廠廣泛應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)，同時還包含少量的視頻監(jiān)視。集散型控制系統(tǒng)的特點是將管理層和控制層分開。管理層主要是對全廠的生產(chǎn)過程進行監(jiān)視、數(shù)據(jù)存儲和分析; 控制層主要是通過現(xiàn)場PLC或計算機完成各自轄域內(nèi)工藝過程和工藝設備的自動控制，同時在傳統(tǒng)控制的基礎上，提供了智能控制的可能性。SCADA系統(tǒng)通過現(xiàn)場檢測儀表和網(wǎng)絡設備完成對主要工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集并對生產(chǎn)流程進行監(jiān)控。通信系統(tǒng)采用100Mbps工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。
系統(tǒng)除具備對生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制功能外，數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡通信的功能更加強大，為運行階段的生產(chǎn)管理、調(diào)度、科研打下堅實的基礎?？紤]到遠期污水廠增加設備的需要，自控設備、通信網(wǎng)絡和上位管理系統(tǒng)擁有擴展的能力。
●系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
按照工藝流程，廠區(qū)分布7套自控系統(tǒng)，分別為預處理系統(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)和電站自動化系統(tǒng)。
在預處理系統(tǒng)、生物處理系統(tǒng)、污泥處置系統(tǒng)、出水及雨水系統(tǒng)設置4套不同規(guī)模的過程控制站(PLC分控站)，污泥消化系統(tǒng)、污泥干化系統(tǒng)和電站自動化系統(tǒng)為成套設備，自控系統(tǒng)自成體系。各控制站分別負責各自范圍內(nèi)工藝參數(shù)的采集和設備運行的控制。
主干網(wǎng)絡使用了多模光纖百兆環(huán)網(wǎng)，單機單環(huán)即在網(wǎng)絡中的每一個站點均有一臺工業(yè)冗余以太環(huán)網(wǎng)交換機。這種網(wǎng)絡具有一層的網(wǎng)絡冗余功能，當網(wǎng)絡中的某一處信道發(fā)生故障時，網(wǎng)絡會在300ms內(nèi)重新拓樸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，在邏輯上形成一個總線型網(wǎng)絡，可繼續(xù)維持整個系統(tǒng)的正常工作。由于這種網(wǎng)絡拓樸結(jié)構(gòu)只能形成一層網(wǎng)絡冗余，如果在網(wǎng)絡中的某一臺交換機發(fā)生故障時，則這臺發(fā)生故障的交換機所連接的設備將不能與其它交換機所連接的設備進行通信。在該廠自控系統(tǒng)的設計上，力求各個工藝區(qū)域相對獨立，不存在各交換機所聯(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，某臺交換機的故障不會影響其他系統(tǒng)的工作，而故障交換機僅暫時影響信息上傳，不會影響系統(tǒng)內(nèi)部的自動運行。采用單機單環(huán)的拓撲結(jié)構(gòu)對于該廠是經(jīng)濟合理的。
現(xiàn)場有一些智能儀表，要把這部分儀表的數(shù)據(jù)采集到監(jiān)控中心。通過串口服務器把RS-232/485/422轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡接口，再通過以太網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。
廠區(qū)內(nèi)分部著10個左右的攝像頭，使監(jiān)控中心可以直觀的看到重要區(qū)域的現(xiàn)場情況，作為污水處理廠監(jiān)控的輔助手段，節(jié)約了人力成本。
●方案特點
本方案總的主干采用百兆光纖環(huán)網(wǎng)，分支網(wǎng)絡采用星網(wǎng)結(jié)構(gòu)拓展，具體特點有以下幾條：
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)絡實際帶寬達到200Mbps。使網(wǎng)絡不會成為數(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)絡沖突。對于實時控制來講，其網(wǎng)絡傳輸?shù)难舆t不超過系統(tǒng)所允許的值。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)訪問機制，因而本質(zhì)上不保證傳輸?shù)膶崟r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。本系統(tǒng)采用交換機將整個網(wǎng)絡分成多個沖突域，從而消除了沖突，實現(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。過去由于沒有其他可供選擇的方案，冗余網(wǎng)絡大都采用雙總線方式實現(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險的集中和降低了實現(xiàn)成本。300ms的收斂時間確保在環(huán)路光纖出現(xiàn)問題時，數(shù)據(jù)不丟失。在升級到千兆網(wǎng)絡的時，光纖通常不需要從新鋪設，只需要更換網(wǎng)絡設備就好了；
4.可擴展性好，通用性強。當再有設備接入，在網(wǎng)絡容量允許的情況下，可以直接接入網(wǎng)絡。在提升生產(chǎn)的信息化程度方面，ERP、生產(chǎn)管理系統(tǒng)等計算機網(wǎng)絡可以直接和工業(yè)網(wǎng)絡連接，從中得到現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)；
5.數(shù)據(jù)、視頻的“兩網(wǎng)合一”。在本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡不僅用于控制數(shù)據(jù)的傳輸，同時也作為視頻的傳輸平臺。每個控制站均設有帶有云臺的攝像頭，其視頻輸出信號以及云臺控制信號經(jīng)過視頻編碼器壓縮并轉(zhuǎn)換成符合H.323標準的數(shù)字多媒體信號接入到以太網(wǎng)上，在監(jiān)控端通過視頻和視頻服務器對遠程視頻實現(xiàn)監(jiān)視和記錄，并可遠程控制云臺的動作；
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上。數(shù)據(jù)上傳的帶寬增加了一倍，同時也使上傳鏈路有了備份；
7.通過廣播風暴抑制功能，消除了廣播風暴對網(wǎng)絡的沖擊。當網(wǎng)絡受到廣播風暴沖擊時，必然會大大降低網(wǎng)絡的性能。通過廣播抑制，可以把廣播的數(shù)據(jù)流量限制在一個較低的水平上，保證現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸；
8.通過串口服務器把現(xiàn)場的儀表數(shù)據(jù)采集到網(wǎng)絡上。突破了智能儀表只能走專用網(wǎng)絡（RS－485/422）的問題。串口服務器把以太網(wǎng)變成了一個透明網(wǎng)絡，讓監(jiān)控中心通過網(wǎng)絡可以實時得到現(xiàn)場儀表的數(shù)據(jù)；
●結(jié)束語
本案例成功地應用了上位機+PLC+工業(yè)以太網(wǎng)構(gòu)成的分布式監(jiān)控系統(tǒng)，代表了自動化控制的一個主流趨勢，用通用的、開放的、高速可靠的工業(yè)以太網(wǎng)代替專有的、封閉的、低速現(xiàn)場總線來完成主要的數(shù)據(jù)傳輸，同時又通過串口服務器把基于總線的設備的接入到網(wǎng)絡當中。通過把視頻系統(tǒng)的網(wǎng)絡也并入工業(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。
隨著整個社會的自動化水平的不斷提高，“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)建大中型自動化控制系統(tǒng)的。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)以其成熟可靠的技術(shù)、開放、造價越來越低的優(yōu)勢，日漸成為自動化系統(tǒng)中強大的神經(jīng)中樞。
