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【成功案例】基于工業以太網的污水處理控制系統解決方案

發布時間：2022-11-25

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系統概述

工業以太網的集成式全分布控制系統，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，同時也是數據、視頻“多網合一”的系統。其應用代表了工業以太網和控制技術的在水處理行業的最新開展方向。

隨著我們國家生產力水平的不斷提升，自動化系統也相應的從小型的、封閉的、無網絡的模式，向大型化、網絡化、開放化方向開展;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和現場總線構成的集散監控系統逐步成為水處理自動化的主流。但由于不同的現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，使得現場總線成為受廠商限制的專用網絡。而隨著以太網技術在自動化領域的不斷開展，越來越多的PLC、智能儀表和執行器，乃至DCS系統已經帶有以太網接口，這都標志著開放互連的工業以太網已經成為工業網絡的開展方向。

××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。自動控制系統采用現在國內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，以及監控和數據采集系統，同時還包含少量的視頻監視。集散型控制系統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過程進行監視、數據存儲和分析; 控制層主要是順利獲得現場PLC或計算機完成各自轄域內工藝過程和工藝設備的自動控制，同時在傳統控制的基礎上，給予了智能控制的可能性。SCADA系統順利獲得現場檢測儀表和網絡設備完成對主要工藝參數的數據采集并對生產流程進行監控。通信系統采用100Mbps工業以太環網。

系統除具備對生產過程的監視和控制功能外，數據處理和網絡通信的功能更加強大，為運行階段的生產管理、調度、科研打下堅實的基礎。考慮到遠期污水廠增加設備的需要，自控設備、通信網絡和上位管理系統擁有擴展的能力。

系統網絡結構

按照工藝流程，廠區分布7套自控系統，分別為預處理系統、生物處理系統、污泥處置系統、出水及雨水系統、污泥消化系統、污泥干化系統和電站自動化系統。在預處理系統、生物處理系統、污泥處置系統、出水及雨水系統設置4套不同規模的過程控制站(PLC分控站)，污泥消化系統、污泥干化系統和電站自動化系統為成套設備，自控系統自成體系。各控制站分別負責各自范圍內工藝參數的采集和設備運行的控制。

主干網絡使用了多模光纖百兆環網，單機單環即在網絡中的每一個站點均有一臺工業冗余以太環網交換機。這種網絡具有一層的網絡冗余功能，當網絡中的某一處信道發生故障時，網絡會在300ms內重新拓樸網絡結構，在邏輯上形成一個總線型網絡，可繼續維持整個系統的正常工作。由于這種網絡拓樸結構只能形成一層網絡冗余，如果在網絡中的某一臺交換機發生故障時，則這臺發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。在該廠自控系統的設計上，力求各個工藝區域相對獨立，不存在各交換機所聯接的系統互相通信，而工藝環節之間的通信在各系統內部的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的工作，而故障交換機僅暫時影響信息上傳，不會影響系統內部的自動運行。采用單機單環的拓撲結構對于該廠是經濟合理的。

現場有一些智能儀表，要把這部分儀表的數據采集到監控中心。順利獲得HTN串口服務器把RS-232/485/422轉換成網絡接口，再順利獲得HDRS遠程通訊模塊，順利獲得以太網把數據傳輸到監控中心。廠區內分部著10個左右的攝像頭，使監控中心可以直觀的看到重要區域的現場情況，作為污水處理廠監控的輔助手段，節約了人力成本。

基于工業以太網的污水處理控制系統解決方案特點

本方案總的主干采用百兆光纖環網，分支網絡采用星網結構拓展，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光纖以太環網，網絡實際帶寬達到200Mbps。使網絡不會成為數據傳輸的瓶頸，消除了數據延遲的可能性;

2.交換式以太網，保證了系統的傳輸效率，消除了網絡沖突。對于實時控制來講，其網絡傳輸的延遲不超過系統所允許的最大值。傳統的以太網是基于載波偵聽多路訪問/沖突檢測(CSMA/CD)的介質訪問機制，因而本質上不保證傳輸的實時性。但以太網可順利獲得三種方式取得確定性，一是限制流量，二是使用主-從通信方式，三是采用以太網交換機。本系統采用交換機將整個網絡分成多個沖突域，從而消除了沖突，實現了確定性;

3.環形冗余方案，確保了系統的可靠性，減少投資。過去由于沒有其他可供選擇的方案，冗余網絡大都采用雙總線方式實現。隨著以太網和交換技術的開展使得建立冗余環網成為可能。在同樣冗余度的情況下，冗余環比雙總線方式減小了風險的集中和降低了實現成本。300ms的收斂時間確保在環路光纖出現問題時，數據不丟失。在升級到千兆網絡的時，光纖通常不需要從新鋪設，只需要更換網絡設備就好了;

4.可擴展性好，通用性強。當再有設備接入，在網絡容量允許的情況下，可以直接接入網絡。在提升生產的信息化程度方面，ERP、生產管理系統等計算機網絡可以直接和工業網絡連接，從中得到現場的實時數據;

5.數據、視頻的“兩網合一”。在本系統中，網絡不僅用于控制數據的傳輸，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過視頻編碼器壓縮并轉換成符合H.323標準的數字多媒體信號接入到以太網上，在監控端順利獲得視頻解碼器和視頻服務器對遠程視頻實現監視和記錄，并可遠程控制云臺的動作;

6.使用端口聚合(Trunking)把環網連接到監控中心的核心交換機上。數據上傳的帶寬增加了一倍，同時也使上傳鏈路有了備份;

7.順利獲得廣播風暴抑制功能，消除了廣播風暴對網絡的沖擊。當網絡受到廣播風暴沖擊時，必然會大大降低網絡的性能。順利獲得廣播抑制，可以把廣播的數據流量限制在一個較低的水平上，保證現場數據傳輸;

8.順利獲得串口服務器把現場的儀表數據采集到網絡上。突破了智能儀表只能走專用網絡(RS-485/422)的問題。串口服務器把以太網變成了一個透明網絡，讓監控中心順利獲得網絡可以實時得到現場儀表的數據;

結束語

本案例成功地應用了上位機+PLC+工業以太網構成的分布式監控系統，代表了自動化控制的一個主流趨勢，用通用的、開放的、高速可靠的工業以太網代替專有的、封閉的、低速現場總線來完成主要的數據傳輸，同時又順利獲得串口服務器把基于總線的設備完美的接入到網絡當中。順利獲得把視頻系統的網絡也并入工業以太網，節約的建網成本，還充分利用了工業以太網的大帶寬的優勢。

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