摘要：介紹了PLC三層通信網(wǎng)絡(luò)在大型城市污水處理監(jiān)控系統(tǒng)—青島市污水處理監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用，成功的實(shí)現(xiàn)了大區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理。
1 污水處理監(jiān)控程序概況
青島市污水處理廠處理工藝采用國(guó)際上比較先進(jìn)的SBR活性污泥法﹑信息與自動(dòng)化工程采用二級(jí)分布式計(jì)算機(jī)控制管理系統(tǒng)方案。這種結(jié)構(gòu)可使生產(chǎn)過(guò)程中的信息能夠集中管理，以實(shí)現(xiàn)整體操作和管理；同時(shí)也可使生產(chǎn)過(guò)程中的控制危險(xiǎn)系數(shù)降低，提高系統(tǒng)的可靠性。
整個(gè)系統(tǒng)分成兩個(gè)管理級(jí)：上位管理級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)管理級(jí)，具體為由中央控制室操控站(OPS)和上層管理計(jì)算機(jī)組成的上位管理級(jí)，和由現(xiàn)場(chǎng)各分控站PLC及分布式I/O控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)在線測(cè)量?jī)x表組成的現(xiàn)場(chǎng)管理級(jí)。現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)通過(guò)PLC及遠(yuǎn)程I/O采集，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)高速數(shù)據(jù)總線傳送到中央控制操作站進(jìn)行集中監(jiān)視和管理。中央控制室主機(jī)的控制命令也可通過(guò)高速總線傳送到現(xiàn)場(chǎng)PLC的測(cè)控終端，實(shí)施各單元的分散控制。
2 Omron三層通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)
與傳統(tǒng)的工廠控制體系相比，OMRON公司自動(dòng)化系統(tǒng)提供了高效的﹑開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，將以前工廠到設(shè)備的五層機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為三層：管理層﹑控制層和設(shè)備層。管理層網(wǎng)絡(luò)采用Ethernet網(wǎng)絡(luò)；控制層網(wǎng)絡(luò)采用Controller link網(wǎng)絡(luò)；設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)采用DeviceNet網(wǎng)絡(luò)，形成了具有優(yōu)異通信功能的三層網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。
圖1 OMRON PLC網(wǎng)絡(luò)的三層體系結(jié)構(gòu)
DeviceNet網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（開(kāi)關(guān)﹑I/O和人機(jī)界面等）與PLC之間的通信；Controller link網(wǎng)絡(luò)處于三層網(wǎng)絡(luò)的中間，它主要負(fù)責(zé)對(duì)處在中間層的各個(gè)控制器（PLC等）之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送和控制；Ethernet網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)PLC﹑工作站﹑個(gè)人計(jì)算機(jī)以及第三方Ethernet之間的數(shù)據(jù)通信。
3 污水處理監(jiān)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與功能配置
3.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
根據(jù)青島市污水處理工藝的控制要求，OMRON網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，以O(shè)MRON公司高性能的CS1系列可編程序控制器為核心，構(gòu)建污水處理自動(dòng)化控制信息網(wǎng)絡(luò)：管理層網(wǎng)絡(luò)﹑控制層網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)。如圖2所示。
圖2 污水處理自動(dòng)化控制信息網(wǎng)絡(luò)
3.2功能配置
3.21管理層
管理層是系統(tǒng)的核心，完成對(duì)污水處理過(guò)程各部分的管理和控制，并實(shí)現(xiàn)廠級(jí)的辦公自動(dòng)化。管理層還提供系統(tǒng)人機(jī)交互界面并與廠管理層溝通，是整個(gè)系統(tǒng)與外界信息交換的窗口。管理層的各臺(tái)計(jì)算機(jī)具有相互通信的功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和共享，以及共享一些昂貴的硬件和軟件資源。
管理層采用客戶(hù)/服務(wù)器的體系結(jié)構(gòu)。服務(wù)器配有大型網(wǎng)絡(luò)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)，如Oracle、Sybase等，實(shí)現(xiàn)開(kāi)放、分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理方式的要求。中央控制室的服務(wù)器具有遠(yuǎn)程控制操作功能、顯示功能、數(shù)據(jù)管理功能、數(shù)據(jù)處理功能、報(bào)警功能、報(bào)表功能、通信功能和冗余功能。
管理層采用雙冗余的Ethernet網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)中央控制室的服務(wù)器、操作站和工程師站與四個(gè)主控站PLC的通信，以及各主控站之間數(shù)據(jù)的傳輸。
3.22控制層
控制層是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的關(guān)鍵，其主要功能是接收管理層設(shè)置的參數(shù)和命令，對(duì)污水處理生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制，將現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)如壓力、流量、溫度、PH、等數(shù)據(jù)上傳，輸送到管理層。
控制層采用Controller link網(wǎng)絡(luò)，用于主站PLC與各分站PLC之間的通信。OMRON公司的Controller link網(wǎng)絡(luò)采用N:N令牌總線或光纖環(huán)網(wǎng)，從而提高了對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障的處理能力，不會(huì)因網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)故障而使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)停止運(yùn)行。它的通信速率恒定為2Mb/s，最大節(jié)點(diǎn)數(shù)為62個(gè)，采用光纖通信時(shí)最大距離為30千米。
在各個(gè)節(jié)點(diǎn)，PLC主站的控制任務(wù)具有相對(duì)獨(dú)立性，但又需要與其它主控站任務(wù)聯(lián)系。選用數(shù)據(jù)鏈接和報(bào)文服務(wù)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)PLC間的通信。
3.23設(shè)備層
本系統(tǒng)在初沉泵房與第一分控站之間少量的采用了Composbus/D的現(xiàn)場(chǎng)總線，構(gòu)成了遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)。Composbus/D采用公開(kāi)的DeviceNet總線協(xié)議，通信速率為500kb/s、250kb/s、150kb/s可切換，無(wú)中繼的通信距離為500m。現(xiàn)場(chǎng)儀表直接連到DeviceNet網(wǎng)絡(luò)。
PLC的選擇
根據(jù)需要，四個(gè)主控站選擇OMRON公司的CS1或CJ1系列。各現(xiàn)場(chǎng)控制站也采用了OMRON公司的CS1或CJ1系列。PLC的輸入輸出控制點(diǎn)均留有20℅以上的容量，為提高抗干擾能力，PLC柜內(nèi)裝有隔離變壓器。此外每個(gè)PLC都連接了一臺(tái)圖形方式的人機(jī)交互觸摸屏，便于工人在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作。
4 上位機(jī)管理控制系統(tǒng)
中央控制室的上位計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)控制站組成了一個(gè)環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)監(jiān)控全場(chǎng)污水處理過(guò)程和設(shè)備運(yùn)行狀況。上位機(jī)可以調(diào)用各現(xiàn)場(chǎng)站的全部運(yùn)行信息，在中央控制室可以控制現(xiàn)場(chǎng)主要設(shè)備的停止和啟動(dòng)。
上位計(jì)算機(jī)管理控制系統(tǒng)設(shè)置工程師站和操作站，工程師站的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)以流行的SCADA軟件作為系統(tǒng)控制軟件，內(nèi)部集成VBA，可離線或?qū)φ麄€(gè)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)和參數(shù)修改等來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的檢測(cè)和控制。能體現(xiàn)良好的通用性、靈活性、開(kāi)放性、可靠性和高性?xún)r(jià)比。系統(tǒng)采用了圖形用戶(hù)界面（GUI）為操作人員和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員提供監(jiān)視環(huán)境。在這個(gè)環(huán)境可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警、數(shù)據(jù)登陸和生成報(bào)表等基本功能。另外工程師站可以安裝plc編程軟件，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信，程序可以方便地通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)Controller link網(wǎng)絡(luò)分別下載到制定地現(xiàn)場(chǎng)控制站PLC，以便在調(diào)試過(guò)程中隨時(shí)修改程序。操作員可以通過(guò)操作站的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)視全廠工藝參數(shù)變化、設(shè)備運(yùn)行、故障發(fā)生等情況，并進(jìn)行多種模式操作，同時(shí)負(fù)責(zé)日常報(bào)表打印、事故打印和數(shù)據(jù)記錄等。
5 結(jié)束語(yǔ)
本信息網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中基本上沒(méi)有出現(xiàn)大的故障，在滿(mǎn)足檢測(cè)和控制功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)控、信息共享和數(shù)據(jù)庫(kù)的管理。提高了自動(dòng)管理水平和經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)現(xiàn)了管理和控制的一體化，取得了期望的結(jié)果。
