【正文】 某 污水廠 三 期 自控系統(tǒng) 技術(shù) 方案 1． 概述 杭州市 某 污水處理廠 三 期工程自動控制系統(tǒng) 的主體設(shè)備 采用 美國羅克韋爾 公司的ControlLogix 系列 PLC 控制系統(tǒng) ，現(xiàn)場 PLC 站為雙機冗余熱備配置，并選用 經(jīng)過特殊的涂覆處理 、 能抗酸性和腐蝕性 的防腐型模塊。 ControlLogix系列 PLC 是一個全開放的過程控制系統(tǒng)，可靠性高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強、通訊速率快， 維修成本低 ， 符合真正的工業(yè)等級 。 某 污 水廠 三 期 整個 自控系統(tǒng) 為三級管理，包括中 央 控制室、分控制站及就地控制?，F(xiàn)場各種數(shù)據(jù)通過 PLC 采集，并通過主干網(wǎng)絡(luò)傳 送到中 央 控制室操作站集中監(jiān)控和管理。同樣，中央 控制室主機的控制命令也通過上述通道傳送到 PLC 的測控終端，實施各單元的分散控制。現(xiàn)場與中央控制室 的主干網(wǎng)絡(luò)為 1000M 工業(yè)以太網(wǎng) ， 工業(yè)以太網(wǎng) 采用環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以確保系統(tǒng)的安全性。 另外， 現(xiàn)場 PLC 分控制站與現(xiàn)場遠(yuǎn)程 I/O 站之間 采用光纖網(wǎng)的形式并以ControlNet 工業(yè) 控制 網(wǎng) 協(xié)議 聯(lián)接。 按照 標(biāo)書 要求， 某 污 水廠 三 期 自控系統(tǒng)的 現(xiàn)場 PLC 控制 站 按 工藝 區(qū)域 分成位于 進水泵房變電站 的 LCS1 控制站 、 位于 鼓風(fēng)機變電站的 LCS2 控制站、 位于 鼓風(fēng)機變電站 加藥間 的2PLC、 位于 脫水機 房變電站 的 LCS3 控制站 ， 其中， LCS2 控制站 下掛 6 個遠(yuǎn)程 I/O子站：位于 3 個 初沉池和生物反應(yīng)池 上的 RIO21 RIO21 RIO22 RIO22 RIO23 RIO232；LCS3 控制站 下掛 1 個遠(yuǎn)程 I/O子站： 位于 加藥 間的 RIO31。系統(tǒng) 共計 3個 現(xiàn)場 PLC 控制站、7 個遠(yuǎn)程 I/O 子站 。 控制系統(tǒng)的主要功能是完成 整個污水處理 工藝的 生產(chǎn)過程自動 化 ， 包括 實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備實時運行工況， 控制相關(guān)的 生產(chǎn)環(huán)節(jié) ， 及時處理生產(chǎn)過程中的故障，對相關(guān)設(shè)備進行保護。 中央控制室 位于 化驗控制樓內(nèi) ，它包括 2 套互為熱 備的 監(jiān)控 操作站 、 2 套數(shù)據(jù) 服務(wù)器、 1 套工程師站、 1 套大屏系統(tǒng)、 相應(yīng)的 外圍設(shè)備 。監(jiān)控 計算機 通過 EtherNet/IPt 直接連接控制系統(tǒng)，是對 現(xiàn)場 3 個 LCS 控制 站 和 7 個 RIO 遠(yuǎn)程 I/O子站 的集中監(jiān) 控 和管理，負(fù)責(zé)反映實時工況，進行事件及曲線記錄，故障報警，下達(dá)生產(chǎn)指令，設(shè)定工藝參數(shù)等等。 信息 服務(wù)器建有完整的歷史數(shù)據(jù)庫， 其中 1 臺 還提供 WEB Server 的功能，將有關(guān)信息分門別類地提供給全廠各個相關(guān)的部門和人員，以供 瀏覽 。 總體而言，這一系統(tǒng)的出發(fā)點和最終所要達(dá)到的目標(biāo)就是： 現(xiàn)場無人職守，總站少人值班 。 2． 系 統(tǒng)的 網(wǎng)絡(luò) 配置 2． 1．主干 網(wǎng)絡(luò) 和主干網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 根據(jù)標(biāo)書要求，本項目選用先進的工業(yè)控制以太網(wǎng)和 EtherNet/IP 以太網(wǎng)工業(yè)（應(yīng)用）協(xié)議，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)是控制與信息協(xié)議 (Control and Information Protocol ,CIP)。 CIP 協(xié)議的控制部分用以進行實時 I/O 數(shù)據(jù)傳送和互鎖。信息處理部分用以進行報文信息的交換，如對等的通訊、報警、組態(tài)、操作員顯示站以及故障診斷等。 EtherNet/IP 在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層中采用了 CIP 協(xié)議，是由國際現(xiàn)場總線組織 ODVA 和 ControlNet +International 于 2021 年初宣布推出的在現(xiàn)有商用以太網(wǎng)基礎(chǔ)上開發(fā)的開放的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。 EtherNet/IP 利用了現(xiàn)有成熟的以太網(wǎng)通訊芯片、物理介質(zhì)和 TCP/IP 套件，并且在其應(yīng)用層植入 CIP 協(xié)議，這種商業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)與新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù) CIP 協(xié)議的融合，很好地將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢和以太網(wǎng)應(yīng)用的廣泛性、經(jīng)濟性結(jié)合在一起。 EtherNet/IP 具有處理大量報文信息能力， 1000Mbps 的網(wǎng)絡(luò)速度，每個數(shù)據(jù)分組可以達(dá)到 1500 個字節(jié)，提供了一種大量數(shù)據(jù)通訊的處理方式。另外， EtherNet/IP 的開放性能將使系統(tǒng)在規(guī)模上的擴展和內(nèi)容上的增加（如在以太網(wǎng)上增加話音、圖象等內(nèi)容的傳輸）變得極為方便。 EtherNet/IP 具有極為突出的網(wǎng)絡(luò)效率，在同一介質(zhì)上定義了三種最基本的功能： 2． 1． 1． 實時控制 ：基于 PLC或者智能型設(shè)備中所儲存的 程序 ，提供 控制的 具體操作或者工藝過程中的實時數(shù)據(jù)交換，通過網(wǎng)絡(luò) 的 傳輸實現(xiàn)控制目的。這些 控制指令 的刷新 可以 預(yù)先規(guī)劃， 也可以 基于狀態(tài)變化，或者在每次新一輪操作開始時進行。 2． 1． 2． 網(wǎng)絡(luò)組態(tài) ：允許在某一中心位置集中起動網(wǎng)絡(luò)或者網(wǎng)絡(luò)上某一個具體的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，或者起動其 他的基于 CIP 協(xié)議 的網(wǎng)絡(luò) （如 EtherNet/IP、 DeviceNet） ?？梢栽诰W(wǎng)絡(luò)起動時進行網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組態(tài)，在線修改設(shè)備參數(shù)，或者通過網(wǎng)絡(luò)修改 PLC 程序 。而不必為了完成 對 PLC的編程 從一個網(wǎng)絡(luò)移動到另外一個網(wǎng)絡(luò)，或者從一個 PLC 設(shè)備移動到下一個 PLC 設(shè)備。無需進行任何的邏輯或者梯形圖編程，就可以實現(xiàn)沿網(wǎng)絡(luò)進行路由，而且可以瀏覽到網(wǎng)絡(luò)上所有的設(shè)備。借助于 CIP 協(xié)議 ，可以從一個位置上起動整個的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 2． 1． 3．?dāng)?shù)據(jù)采集 ： 采集人機接口顯示所需要的數(shù)據(jù)。包括趨勢和分析、配方管理、系統(tǒng)維護和故障診斷。無論是 基于既定節(jié)拍，還是根據(jù)應(yīng)用需要，都可以非常方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。在整個數(shù)據(jù)采集的過程中都無需 PLC 參與數(shù)據(jù)的流量控制。 2． 2． 主干 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜?主干 網(wǎng)絡(luò)交換機 EtherNet/IP 支持包括星形、樹型、總線形和環(huán)形等各類不同物理結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，在本項目中，系統(tǒng)的 PLC 的主干網(wǎng)絡(luò)為 100Mbps全雙工交換式光纖環(huán)網(wǎng)。環(huán)形結(jié)構(gòu)是目前比較典型的一種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其特點是當(dāng)線路上有一個斷點時，整個網(wǎng)絡(luò)仍可正常通訊，也就是說這種結(jié)構(gòu)具有線路冗余的性能。 由于 EtherNet/IP 在底層（ ISO定義的 OSI參考模型中 的第 1～ 4 層）采用的是符合 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)，而 IEEE ，一般辦公用的交換機（或 HUB）不支持環(huán)形結(jié)構(gòu)，比較高級的辦公用交換機可以采用 Spanning Tree（生成樹）算法在兩個交換機之間建立兩個通道（正常運行時只有一個通道工作），類似于環(huán)形結(jié)構(gòu)，但由于生成樹算法的限制，當(dāng)其中一個通道發(fā)生故障時，另一個通道一般需要經(jīng)過 30～ 90 秒才能接通，這明顯不能滿足工業(yè)要求，不可以稱為容錯冗余光纖環(huán)網(wǎng)。本系統(tǒng)配置了德國赫斯曼公司的采用 HIPERRing冗余概念的工業(yè) 以太網(wǎng)交換機，不僅完全支持以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，而且可以保證在毫秒級的時間內(nèi)完成網(wǎng)絡(luò)的自愈和系統(tǒng)的重新組態(tài)。 2． 3． LCS 控制站與 RIO 遠(yuǎn)程站的連接 網(wǎng)絡(luò) 和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 根據(jù)標(biāo)書要求， LCS 與 RIO 之間的連接 選用先進的 ControlNet 工業(yè)控制 網(wǎng) ， ControlNet 是一種開放的、高速、高吞吐能力的實時工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò) ， 采用了基于“生產(chǎn)者 /消費者模式”（ producer/consumer）的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議 。 此外， ControlNet 網(wǎng)絡(luò)同時支持設(shè)備組態(tài)和數(shù)據(jù)采集，但是卻不會對按計劃進行的控制或者輸入輸出產(chǎn)生影響。 ControlNet 保證了整個數(shù)據(jù)通訊可以依計劃進行，不會隨著工況的改變使得完成數(shù)據(jù)通訊的時間產(chǎn)生變化，保證了數(shù)據(jù)通訊的質(zhì)量。 ControlNet 是特別面向工業(yè)控制所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)。充分考慮了用戶在工廠控制級所面臨的一些關(guān)鍵問題：苛刻的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境，電纜的噪聲屏蔽，強壯的協(xié)議，不可缺少的靈活性等。ControlNet 特別適合于協(xié)調(diào)傳動控制、批處理和過程控制等應(yīng)用 。 ControlNet 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲С种鞲删€ /分支線結(jié)構(gòu)，物理層支持網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)冗余結(jié)構(gòu)，提供備用通訊電纜系統(tǒng)，每個節(jié)點設(shè)備都可以從互為備用的兩套通訊電纜系統(tǒng) 中選擇信號質(zhì)量較高的鏈路。借助于介質(zhì)冗余，即便是網(wǎng)絡(luò)鏈路上某一網(wǎng)段出現(xiàn)故障，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備仍然能夠保持網(wǎng)絡(luò)連接，保證數(shù)據(jù)通訊的正常進行。 ControlNet 是確定性的、可重復(fù)的網(wǎng)絡(luò) ， 網(wǎng)絡(luò)能夠精確地管理控制數(shù)據(jù)何時能夠成功發(fā)送。通過系統(tǒng)組態(tài)，網(wǎng)絡(luò)支持規(guī)劃報文傳送，保證規(guī)劃報文按照預(yù)先要求傳送，所花費的時間具有確定性，不隨節(jié)點變化、拓?fù)渥兓?、網(wǎng)絡(luò)通訊量的變化而改變。由用戶來確定網(wǎng)絡(luò)上的每臺設(shè)備的數(shù)據(jù)在什么時間、以什么樣的時間間隔進行數(shù)據(jù)交換。 3． 軟硬件配置 3． 1． 硬件配置 3． 1． 1． PLC 部分 PLC 部分將選用美國 Rockwell 自動化公司的 ControlLogix 系列產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品是羅克韋爾自動化 公司 Logix控制引擎系列中最具代表性的產(chǎn)品。從外表看起來似乎像一個可編程控制器系統(tǒng)，但是實際上它卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)意義上的 PLC 系統(tǒng)。 ControlLogix 體系結(jié)構(gòu)是最新科技的多控制律集成控制平臺，是先進的混成控制 (Hybrid Control)，可以完成順序控制、運動控制、傳動控制和過程控制。 不同于傳統(tǒng)的可編程控制器， ControlLogix系統(tǒng)是完全的模塊化設(shè)計。從框架電源、模塊類型，到內(nèi)存、 控制器數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)類型等，一切都根據(jù)應(yīng)用需求來進行選擇。這種高度的靈活性允許在一個機架中混合使用多個處理器、不同的網(wǎng)絡(luò)和 I/O 模塊。其中多個處理器使得一方面能夠共享系統(tǒng)資源，另外一方面又能夠?qū)?yīng)用分割成若干個部分，由不同的處理器協(xié)調(diào)處理。 ControlLogix另外一個核心特性是集成的網(wǎng)關(guān)功能。系統(tǒng)提供不同最新網(wǎng)絡(luò)之間的橋接，如Ether/IP、 ControlNet、 DeviceNet 等，同時包括過去既有的網(wǎng)絡(luò)如 Data Highway Plus 和通用型 Universal Remote I/O 網(wǎng)絡(luò)等 ，系統(tǒng) 可以在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)或者其它的網(wǎng)絡(luò)和 ControlLogix系統(tǒng)之間透明地發(fā)送和接收數(shù)據(jù) ， 所有的網(wǎng)絡(luò)橋接不用處理器參與，無須專門的程序就可以實現(xiàn)，極大地解放了處理器，保證了通訊的性能，而且保證了系統(tǒng)開發(fā)的效率和使用的簡便性。 ControlLogix體系結(jié)構(gòu)在處理器和高速的背板總線之間提供高性能的數(shù)據(jù)通訊。處理器本身的計算能力也達(dá)到業(yè)界最高水平。每千字節(jié)指令的處理速度僅為 80 微妙。 由于框架背板基于 網(wǎng)絡(luò)而非總線的 連接 ， 每一模塊均作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點而存在，可自由的實現(xiàn)帶電插拔，在不終止其他模塊正常運行的情況下方便了 設(shè)備的維護和系統(tǒng)的擴展 正是由于 ControlLogix 系統(tǒng)獨特的設(shè)計和優(yōu)異的性能，在 1997 年底一經(jīng)發(fā)布，就迅速得到工業(yè)界的廣泛認(rèn)同，大量應(yīng)用于汽車、石化、電力、制藥、造紙、基礎(chǔ)設(shè)施等幾乎所有的行業(yè)中。 3． 1． 2． PLC 的防腐處理和 冗余配置 PLC 所有模塊、槽架、電源均 經(jīng)過特殊的涂覆處理 ， 并 符合 ANSI/“ EnvironmentalConditions for Process Measurement and Control System: Airborne Contaminates” (“過程測量與控制系統(tǒng)的環(huán)境條件：空氣污染” )標(biāo)準(zhǔn)中 G3