摘 要：介紹了基于工業以太網混合模型的污水處理監控系統的硬件配置及其功能的軟件實現。現場級采用西門子S7-300系列PLC做主站，分布式I/O ET200做從站，構成PROFIBUS-DP總線控制系統。上位機選用工控機，利用WinCC組態軟件開發工藝流程、參數設定、實時曲線等監控畫面，采用基于TCP/IP協議的工業以太網與PLC通訊并與大廈BA相連，實現了管控一體化。運行結果表明，該系統保證了污水處理過程的工藝質量，運行穩定可靠，提高了管理水平。 關鍵詞：污水處理 監控 現場總線 工業以太網 [b][align=center]Supervisory Control System Based on Mixed Model of Industrial Ethernet for Sewage Disposal[/align][/b] Abstract: This paper introduces the hardware configuration and the software achievement of monitoring and control system based on mixed model of industrial Ethernet for sewage disposal. SIEMENS S7-300 PLC is used as master station and ET200 distributed I/O device as slave station to compose PROFIBUS-DP control system. Industrial personal computer is chose as the upper computer and WinCC is used to develop monitoring and control picture such as technologic flow, parameter setting, real-time curving. PLC and IPC is communicated via industrial Ethernet based on TCP/IP to form a hybrid control system, which realize the integrating management and control by linking the BA together. The results of operation prove that this system ensures the technical quality of the sewage disposal and works steadily as well as improves the management level. Key words: Sewage Disposal Monitoring and Control Fieldbus Industrial Ethernet 1 引 言 　　以太網及TCP/IP通信技術主要適合信息管理、信息處理系統，在IT行業獲得了很大的成功，成為IT行業應用中首選的網絡通信技術。由于其具有傳輸報文具有排隊延遲不確定的缺陷，無法保證數據傳輸的實時性要求，所以無法在工業控制中得到有效的使用。但是，隨著管控一體化技術的發展，迫切要求能將管理層的以太網向下延伸，直到設備層，從而形成一個統一的無需數據轉換的透明的數據鏈路，才有可能實現企業的最佳經濟效益。因此，以太網及TCP/IP技術逐步在自動化行業中得到應用，并發展成為一種技術潮流。 2 工業以太網設計模型 　　為了將以太網應用到工業現場，國內外許多公司和研究機構都在進行著各種嘗試，試圖對現有的以太網進行改進，并建立新的通信協議模型。總的來說，工業以太網有兩種模型：一種是混合模型（以太網和其他總線相連）;另一種是所謂的“透明工廠”型（Transparent Factory）即從高層到底層都采用統一的工業以太網的通信協議。 　　（1）混合模型。這種模型其實是一種折中的方案，也是比較容易實現的方案，現在許多公司都推出工業網絡架構模型，如圖1所示。在工業現場的管理層和車間層使用以太網，向上可以和Internet連接，向下可以讀取車間里各個控制子系統的狀態信息。在設備層，仍然采用獨自的現場總線技術，如CAN、PROFIBUS、ASI等。它們與以太網之間通過專用的網關連接。這種方案最大限度地利用了現有以太網所能提供的通信功能。每個網關是以太網的節點，同時也是下面子系統的主站。網關可以實現對子系統實時的控制，并把子系統內部的信息進行預處理，只把一些重要的信息按照TCP/IP的幀的格式發送到以太網上。這種方案的好處是避免以太網直接對傳感器和執行器等底層設備的訪問，減少了以太網上實時數據的傳送量，減少了沖突的機會，在一定程度上避免了在惡劣的工業條件下傳輸實時數據出現遲延的問題。這種模型還只是一個過渡型的結構，設備現場總線的繁多協議同樣影響著用戶的使用，現場總線的統一開放的思想還是沒有完全實現。 　　（2）“透明工廠”型。這種模型是工業以太網的完全解決方案，也就是說企業網從上到下完全是由以太網組成。實現了整個工廠對用戶來說是“透明”的，它的結構如圖1中把網關去掉再加上虛線所示。因為整個網絡是統一的協議，所以用戶可對從高層的管理層到底層的設備層的任一設備進行訪問，而無需知道這種訪問是如何進行的。普通的傳感器、執行器通過工業以太網I/O模塊連接到以太網上，管理層的主機可采用IP訪問的方式與各個設備進行通信。目前，根據報道已經有一些這方面的實驗網絡，取得了一些成果，但離實際應用還有一段距離。這種方案的優點是現場監控網絡的全面解決方案，但實現起來比較困難。主要是要對以太網進行面向實時控制的修改，還要在網絡層以上引入實時控制算法，彌補以太網在傳輸確定性數據方面先天性的不足。 3 污水處理工藝流程 　　本污水處理工程為國家電力調度中心污水處理系統。該系統包括三部分，分別為中水處理系統、軟化水系統和飲用水系統。其工藝流程如下： 　　3.1中水處理系統 　　來自污泥總管的污水通過設置在格柵池中的格柵去除雜質后，流入調節池，由潛污提升泵經毛發聚集器送往氧化池，經曝氣、氧化作用后流入沉淀池，上層清水至排水方溝，沉淀后的污泥流入污泥濃縮池處理，其中沉淀雜質較少的上清液再由污泥回流泵送往氧化池進行循環處理。經過氧化處理后的污水通過提升泵送往機械過濾器和深度處理池進入回用水池，再經出水泵送往中水水箱，投藥裝置設置兩套分別加入PAC和Cl,主要作用是消毒。如圖2所示。 　　3.2 軟化水系統 　　來自中水水箱的水進一步經過離心泵提升到活性炭過濾器和精密過濾器過濾，進入三套軟化水設備，并通過加藥（Cl）處理后送往軟化水箱，再生鹽罐能使離子交換劑再生，提高離子交換劑的活性。 　　3.3 直飲水系統 　　軟水箱的水經提升泵到活性炭過濾器和保安過濾器過濾后被儲存到中間水箱。高、低區循環系統回水經過消毒系統后也送入中間水箱。鈉濾提升泵把中間水箱的水經污水計量系統送到鈉濾裝置處理，再經計量系統送氧化塔消毒，最后進入產水水箱，產水水箱的水分別由高、低區變頻水泵給高、低區供水。 　　三個工段共有36臺水泵、28個電磁閥和8個連續控制閥。由于污水介質的特點，在整個流程中工作的水泵均要求一用一備，兩臺泵能夠實現定時（一周或一天）切換和故障時的切換要求。各類泵、閥設備均設自動、手動切換，各泵的起停多為受相關箱、池的高、中、低液位或管道壓力的控制，并且一臺泵不能滿足條件要求時應能起動備用泵。各類過濾器當滿足條件時能夠自動進行正、反洗。模擬量有液位、壓力、流量、pH值、硬度、濁度、余氯和電導率等，除了要求中控室顯示、報警和累積量以外，要求能夠連續控制量共8個。 　　同時，根據調度中心要求，該污水處理控制系統應與整個大廈的管理系統相連，以實現調度中心管控一體化，提高管理水平。 4 監控系統方案 　　根據上述工藝特點、設備地域分布以及控制要求，我們選用了基于工業以太網混合模型的污水處理監控系統。現場級控制系統選用西門子S7-300系列的CPU315-DP作為主站，與上位工控機安裝在中控室，通過網絡通訊模塊CP343-1將PLC連接到工業以太網上，選用三個分布式I/O模塊ET200M作為DP從站，分別在三個系統現場運行。ET200M支持S7-300全系列模塊，通過IM153與PROFIBUS-DP現場總線相連。上位機選用研華工控機，內嵌CP1613網絡通訊卡，設置有關參數后可實現基于TCP/IP協議的上位機與PLC的工業以太網通訊，并可方便的與大廈BA相連，從而實現調度中心的管控一體化。以西門子WinCC5.0組態軟件作為開發平臺,主要完成流程畫面、狀態監視、實時曲線、工藝變量和控制參數設定及報警顯示與確認等功能。所有的邏輯控制和簡單PID控制均由下位PLC完成，即使與上位機脫離了通信，也能自己安全的工作。高、低區供水變頻器也通過 DP模塊接入DP總線。系統構成如圖3所示。 5 軟件編程 　　5.1下位機程序 　　SIMATIC S7-300系列可編程控制器采用STEP7標準軟件編程。它的最大優點在于符號化編程和組織分層結構，使得編制的程序可讀性非常好，現場調試非常容易。STEP7標準軟件包包括符號編輯器、SIMATIC管理器、NETPRO通訊組態、硬件組態、和三種編程語言（LAD、FBD和STL），此外，還具有硬件診斷能力。 　　整個過程監控程序分層及調用結構如圖4所示。 　　OB1：為系統組織塊，用于循環程序處理。FC2為報警及數據處理功能塊，用于各種報警信號的處理及與上位數據塊（共享）DB20的數據交換。FC3為液位高、中、低判斷功能塊，完成9個水池的液位高、中、低判斷，在該功能塊中調用液位比較功能塊FC4。OB35為循環中斷子程序，中斷優先級為12，其中斷時間可在5ms～60000ms之間設定，本過程設定為1分鐘。FC10為系統主程序。在功能塊FC2中完成各種報警,且可通過上位機確認，同時對主程序中所需要的數據進行處理準備。FC4為液位比較子程序功能快。 DB21也為共享數據塊，可通過上位機設定泵的切換時間、各類設定數據等。 　　在STEP7標準控制功能中有多種PID控制模塊，使用時可直接選用，如圖5.1中的功能塊FB41，DB41為其背景數據塊。用戶可方便地通過連接和參數設置實現簡單PID控制，其參數可通過上位機設置和修改。 　　通過編程實現了液位控制兩臺潛污提升泵的啟、停及24小時自動切換;兩臺二沉出水提升泵與潛污提升泵的順序控制;壓力、時間控制鋼機械過濾器、活性炭過濾器的正、反洗;液位控制中水出水提升泵、污泥回流泵、格蘭富離心泵的啟、停及一周自動切換等開關量控制功能;對于余氯、硬度、濁度及pH值通過控制加藥計量泵的開度以控制加藥量的多少;水壓、液位及電導率控制的高、低區變頻循環供水等閉環控制功能則通過六次調用PID控制模塊FB41和可通過上位機設定參數的數據塊DB41、DB42、DB43、DB44、DB45、DB46來實現。 　　5.2 上位機程序 　　上位機采用西門子WinCC5.1組態軟件開發監控程序，主要實現以功能： 　　（1）工藝流程圖及運行參數的控制顯示：分別開發中水、軟水、直飲水工藝流程圖，實時顯示現場各類泵、閥等設備的運行狀態及各種監控數據，并能對液位、壓力、時間、余氯含量、pH值等數據進行設定和控制。主畫面模擬現場工作狀況，能夠直觀、精確了解現場工作狀況。圖5所示為中水處理系統流程圖。 　　（2）數據查詢功能：在主機畫面上，通過實時數據曲線對采集到的各種數據進行實時觀測，便于了解具體的工作情況;通過歷史數據曲線對采集到的數據存放到數據庫中，便于了解長時間工作的歷史趨勢。查詢時可保證精確、方便、快捷。 　　（3）報警功能：對各超出設定值范圍的參數及設備故障進行報警，當某一實時數據超過設定值或某一設備出現故障時，進行聲光報警，并做相應的處理，報警后將所需參數存入數據庫中，供日后查詢。 　　（4）報表功能：對需要上報或對比以及長期需要保存的數據生成報表進行定時或實時打印存檔。 6 結束語 　　采用SIMATIC S7-300系列可編程控制器進行污水過程處理,硬件可由軟件組態，軟件編程層次清楚，現場調試方便，利用其強大的通訊功能可組成各種分布式監控管理系統。PROFIBUS-DP現場總線適用于工業領域，可靠性高、實時響應性好、對環境要求低，是適合工業環境下系統組網的一種現場總線。基于TCP/IP協議的以太網具有傳輸速度高、低耗、易于安裝和兼容性好等方面的優勢，支持幾乎所有的網絡協議，是企業管理層廣泛采用的一種通訊網絡。該系統在國家電力調度中心污水處理工程中運行表明，將工控機與PLC結合、現場總線和工業以太網結合，組成一種混合型的工業控制系統，不但發揮了各自的優勢，而且便于網絡擴展和異構連接，實現管控一體化。 　　本文創新點是將工業以太網與現場總線構成的混合模型應用于污水處理計算機監控系統，實現了系統的管控一體化。 參考文獻 　　[1] SIMATIC S7-300系列可編程控制器硬件安裝手冊 　　[2] SIMATIC S7 STEP7 V5.2編程手冊 　　[3] WinCC5.1使用手冊 　　[4] 黃兆龍. 曝氣生物濾池污水處理工藝中的自控系統設計[J].微計算機信息.2005.2. 　　[5] 楊清等. 基于工業以太網的分布式污水處理監控系統設計[J].微計算機信息.2005.11-1. 　　[6] 唐濟揚.以太網與現場總線技術[J].國內外機電一體化技術.2002.5.7～14 　　[7] 陳一雷等.工業以太網的研究與發展[J].低壓電器.2002.5.35～38 作者簡介 　　惠鴻忠，男，碩士，講師，研究方向：工業過程控制、計算機監控系統及智能控制監控系統的研究與開發。 　　聯系方式： 　　通信地址：山東省聊城市東昌府區龍山南區25號樓3單元501 郵政編碼：252000 　　Email: hui_hongzhong@126.com 　　基于工業以太網混合模型的污水處理監控系統資料下載