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基于工业以太网的集成式全分布污水处理控制系统

作者:嘉兴市污水处理工程建设指挥部2005.12.23阅读 3943

    1. 概述
    随着网络化、信息化概念向自动化领域的不断渗透,水处理自动化控制理念和技术也在不断发展。在上世纪末新型的现场总线控制系统突破了DCS系统中通信由专用网络的封闭系统实现所造成的缺陷,试图将基于封闭、专用的解决方案变成了基于公开化、标准化的解决方案。此后,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。但由于不同行业不同应用派生出的不同的总线系统,加之经济利益的冲突,各种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。而随着以太网技术的不断发展,它不仅在办公自动化领域而且在工业自动化场合得到了广泛应用,许多控制器、PLC、智能仪表和执行器,乃至DCS系统已经带有以太网接口,这些都标志着工业以太网已经成为真正开放互连的工业网络的发展方向,它将对水处理自动化技术产生很大的影响。

    嘉兴市污水处理工程是嘉兴市市区及部分县市生活污水、工业废水的集中收集、输送、处理、排海(入杭州湾)的污水处理系统,包

括嘉兴市市区及各县市(嘉善、平湖、海盐)首府镇和乍浦镇范围的城市污水集中排放管网(由各县市负责实施)、输送管线、沿途提升污水泵站、污水处理厂、排海口、系统监控及控制中心等。工程于1999年11月开始实施,预计将在2002年年底竣工并投入运行。主要服务区域是以嘉兴市区(含部分郊区),所辖县市首府镇(嘉善县魏塘镇、平湖市城关镇、海盐县武原镇)及乍浦镇区域的城市污水为主www.cechina.cn,兼顾部分分散工业点源(工业企业的工业废水)和部分乡镇的生活污水。按2020年城市规划控制用地,计算所服务的市区和各城镇区域为100.5平方公里,103万人,目前涉及的工业企业达329家。

    在嘉兴市污水处理工程中,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。实践证明,这样的控制系统对水处理工业来说是安全、可靠和经济适用的CONTROL ENGINEERING China版权所有,它将成为水处理自动化控制技术的主流。

    2. 系统网络结构
    嘉兴污水处理系统因其分布地域较广,设有两个监控中心,一个是位于嘉兴市的主监控中心,一个是位于海盐的污水处理厂中央控制室;沿线经过嘉1#、嘉2#、嘉3#、嘉4#、嘉5#、嘉6#、嘉善、平湖、乍浦、海盐3#、海盐4#共十一个泵站www.cechina.cn,最远的两个站之间的距离超过60公里。考虑到现场总线通信的局限性和工业网络的发展趋势以及系统的可升级性www.cechina.cn,整个系统采用工业以太网作为主要的通信平台。

    整个网络方案如图1如示,主监控中心、沿线各泵站和污水处理厂采用德国Hirschmann公司的卡轨式工业以太网交换机构成100M bps以太网光纤环(大环),污水处理厂内部的中央控制室和第一、第二分控站也采用同样的交换机构成工业以太网光纤环(小环)。大环与小环之间用两条屏蔽双绞线形成冗余连接。所以CONTROL ENGINEERING China版权所有,整个网络实际上是一个网状结构。考虑传输距离长,大环和小环线路均采用单模光纤。交换机分别带有两个内置的100Mbps单模光纤口,传输所用的光波波长为1300nm。在各网络节点,采用星形拓扑结构将本地设备,如计算机、PLC、VIP发射器、IP电话等连接到本地的以太网交换机。整个网络方案具有如下特点:

    a. 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;单向传送一个1518字节大小的帧只需要120μs。

    b. 交换式以太网,保证了系统的确定性。对于实时控制来讲,其网络必须是一个确定性的网络。所谓的确定性是要求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确定性。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。

    c. 环形冗余方案,保证了系统的可靠性。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。如果系统中大环或小环的光纤发生故障,环形结构将在小于500ms时间内切换成具有全部传输能力的总线结构。在大环和小环之间有两条双绞线通道,一条作为主线,一条作为备用线,实现冗余连接。当主线

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