歐姆龍自動化網(wǎng)絡(luò)在水處理行業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)

　　可編程序控制器（簡稱PLC）自從1969年由美國數(shù)字設(shè)備公司(DEC)發(fā)明問世以來，在這短短的三十幾年的時間里，取得了翻天覆地的變化和發(fā)展。對于自動化技術(shù)的發(fā)展，PLC是功不可沒的。如今的PLC可以按照要求實現(xiàn)大部分工藝流程的精確和快速的自動化控制。隨著由PLC和計算機構(gòu)成的工廠自動化網(wǎng)絡(luò)有了質(zhì)的飛躍后，在大型系統(tǒng)、工藝相當(dāng)復(fù)雜、控制要求高的場合中，原先用DCS系統(tǒng)的，也漸漸被PLC及其網(wǎng)絡(luò)所取代。在這種情況下，PLC網(wǎng)絡(luò)在水處理行業(yè)被越來越廣泛地采納和使用。
　　水處理行業(yè)主要分為凈水處理和污水處理兩大部分。凈水廠控制系統(tǒng)通常分為水廠調(diào)度系統(tǒng)、加藥間（加氯間）PLC控制站、濾站PLC控制站、送水泵房PLC控制站等。各個控制站相對獨立工作，通過有線網(wǎng)絡(luò)進行通訊，將所有的數(shù)據(jù)信息送到水廠調(diào)度室進行處理，或?qū)⒁徊糠謹?shù)據(jù)通過調(diào)度系統(tǒng)以無線（或有線）通訊的方式送到城市的調(diào)度中心。對于污水處理來說，要根據(jù)污水水源地狀況來確定污水處理的工藝流程，由于污水處理工藝的不同而自控系統(tǒng)應(yīng)用PLC的要求也有所不同。一般講，整個污水處理廠都有總控室和多個現(xiàn)場控制站，站與站之間通過控制器層網(wǎng)絡(luò)或信息層網(wǎng)絡(luò)相連，然后全部連接到總控室，總控室的多臺計算機、工作站和圖形站都用信息層網(wǎng)絡(luò)連接，這樣和現(xiàn)場控制站構(gòu)成了集中管理，分散控制，高速數(shù)據(jù)交換的工廠級自動化網(wǎng)絡(luò)。PLC自控系統(tǒng)是水處理廠的控制核心部分，對其合理的選型和設(shè)計，對污水廠能否高效、自動化的運行非常重要。然而，PLC網(wǎng)絡(luò)又是其中的重中之重，網(wǎng)絡(luò)的好壞直接影響到污水廠的正常運行。
　　在全世界范圍內(nèi)，歐姆龍一直是世界五大PLC生產(chǎn)商之一。歐姆龍PLC在水處理行業(yè)中主要使用CS1D/CS1或 CJ1系列。而由這些PLC組成的歐姆龍網(wǎng)絡(luò)主要有三層：工業(yè)以太網(wǎng)，Controller Link網(wǎng)和DeviceNet現(xiàn)場總線。這三層網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)被廣泛地運用在此行業(yè)中。下面主要以長沙市第一污水處理廠一期擴建工程項目為例，具體討論歐姆龍自動化網(wǎng)絡(luò)在水處理行業(yè)中的應(yīng)用技術(shù)。
1. 概述
　　長沙市第一污水處理廠一期擴建工程占地范圍為：東至長撈公路，南臨瀏陽河，西臨馬廠管區(qū)，北接金霞開發(fā)區(qū)。用地面積10.61公頃，位于現(xiàn)有第一污水處理廠內(nèi)及西北側(cè)。一期擴建工程規(guī)模為18萬噸/日，其中包括：(1) 將現(xiàn)有第一污水處理廠3×104m3/d的二級處理部分完善成帶厭氧段的A/O工藝。(2) 在現(xiàn)有3×104m3/d處理的基礎(chǔ)上，另擴建15×104m3/d的帶厭氧段的氧化溝二級處理能力，使第一污水處理廠的2010年規(guī)模達到18×104m3/d。一期擴建工程包括兩部分，即污水收集管網(wǎng)及泵站部分和污水處理廠廠區(qū)部分。其中廠區(qū)部分工程內(nèi)容包括：對長沙市第一污水處理廠內(nèi)的污水處理、污泥處理設(shè)施及配套的附屬設(shè)施改建和擴建。經(jīng)污水處理廠處理后的水排入瀏陽河后再匯入湘江。
2．工藝流程

　　長沙市第一污水處理廠一期擴建工程工藝流程圖如圖2所示。

3. 歐姆龍PLC和觸摸屏的選擇
　　現(xiàn)場控制站、分控站和遠程現(xiàn)場站的PLC采用目前OMRON公司最新產(chǎn)品CS1機型。OMRON PLC產(chǎn)品貨源充足、中文資料豐富、備品備件方便，技術(shù)服務(wù)方便、國內(nèi)維修便利等特點。CS1機型有以下特點：

　　　　高速RISC的CPU（32位）
　　　　程序容量：60K，數(shù)據(jù)容量：128K，程序存儲器帶保護開關(guān)，鋰電池保護程序，快閃存儲保護數(shù)據(jù)
　　　　最大IO點數(shù)： 5120點（不包括內(nèi)部繼電器位）
　　　　電源電壓范圍：85～132VAC或170～264VAC
　　　　基本指令處理速度：≤0.04µs
　　　　特殊指令處理速度：≤0.12µs
　　　　CPU帶RS-232C(可達115.2Kbps)端口，通過串行通信設(shè)備，每套PLC上最多能提供　　34個（RS232/422/485）通信口，通信速率可達38.4KBPS，用于連接現(xiàn)場儀表、外圍通信設(shè)備和觸摸屏（PT）
　　　　對于每個串行通信口，具備自定義協(xié)議的通訊功能－協(xié)議宏功能（Protocol Macro），能與非本公司產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)交換,便于和現(xiàn)場智能儀表相連
　　　　支持E_mail功能，能以事件觸發(fā)、定時觸發(fā)及故障觸發(fā)方式由PLC向上位機發(fā)送電子郵件
　　　　具有電源出錯履歷、電源中斷時間壓棧、電源中斷計數(shù)等電源維護功能
　　　　支持以太網(wǎng)(Ethernet)、控制網(wǎng)(Controller Link)、設(shè)備網(wǎng)（DeviceNet），并支持多網(wǎng)配置
　　　　使用最新的編程軟件CX-P和仿真軟件CX-Simulator可以實現(xiàn)離線模擬仿真調(diào)試。
為了便于現(xiàn)場操作，在被控現(xiàn)場配置可編程顯示終端，即觸摸屏。選用的是NT631C。廠區(qū)分控站主站(PLC1、PLC2、PLC3)觸摸屏NT631C特性如下：
　　　　全中文軟件界面，硬件自帶中文漢字庫
　　　　顯示器件：彩色
　　　　有效顯示區(qū)域：10.4”
　　　　顯示分辨率： 640*480點
　　　　畫面數(shù)量：≥3000
　　　　通訊接口：RS-422A/RS-485口，RS-232C口，打印機口
　　　　電源電壓范圍：DC20.4V~DC26.4V
　　　　　運行時間: ≥25000小時
4．歐姆采用32位RISC芯片
　　　龍網(wǎng)絡(luò)選擇
　　歐姆龍不僅提供品種眾多的PLC型號，而且由PLC組成的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品也是非常豐富。歐姆龍主要的網(wǎng)絡(luò)有以下幾種：

　　可將以上的網(wǎng)絡(luò)從高到低劃分為三個層次：信息層、控制層和設(shè)備層。第一層信息網(wǎng)，包括工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet）和SYSNET，主要負責(zé)大量信息的采集和實時監(jiān)控，對現(xiàn)場的PLC、檢測元器件和執(zhí)行機構(gòu)實行中央集中控制，最新的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)（CIP技術(shù)）在商用以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加了工業(yè)級的實時性，已成為最通用最高速的一種信息網(wǎng)絡(luò)。第二層為控制層，包括SYSMAC Link、PC Link和Controller Link，控制層網(wǎng)絡(luò)的特點是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其它設(shè)備之間的大量數(shù)據(jù)的高速通訊。最底層網(wǎng)絡(luò)為設(shè)備層，它們有SYSBUS、SYSBUS/2、CompoBus/D（DeviceNet）、CompoBus/S、ProfiBus-DP、Modbus等，這一層用于PLC與現(xiàn)場設(shè)備、遠程I/O端子及現(xiàn)場儀表或智能設(shè)備之間的通訊，設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)是與現(xiàn)場設(shè)備連接方便，并能起到省配線的作用，成本低廉。第三層網(wǎng)絡(luò)習(xí)慣上稱之為現(xiàn)場總線。Ethernet、Controller Link和DeviceNet代表了歐姆龍以上三個層次網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的最新技術(shù)。
　　根據(jù)對歐姆龍以上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分析，結(jié)合長沙市第一污水處理廠的工藝控制要求，最終選擇的典型的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖3（以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)）所示。
　　長沙市第一污水處理廠工程控制系統(tǒng)由中央控制室的上位計算機管理控制系統(tǒng)、三個現(xiàn)場控制站（PLC1～PLC3）和兩個廠外泵站組成。采用由工業(yè)控制計算機及PLC構(gòu)成的分散集中控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)集控制、數(shù)據(jù)采集功能為一體，完成整個水廠的過程控制、工藝流程顯示、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測及故障報警。
中央控制室設(shè)置兩臺SCADA工作站（工控機）為操作站。以流行的SCADA軟件作為系統(tǒng)控制軟件，內(nèi)部集成VBA，并配置高清晰投影儀和大型馬賽克模擬屏。廠區(qū)內(nèi)中央控制室和三個現(xiàn)場控制站組成雙環(huán)光纖冗余以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通訊速率主干線及計算機為100Mbps、PLC為10Mbps。中央控制室可調(diào)用各現(xiàn)場站的全部運行信息，在中央控制室可控制現(xiàn)場主要設(shè)備的啟動和停止。
　　本系統(tǒng)中央控制室與現(xiàn)場站PLC之間采用雙環(huán)光纖冗余工業(yè)以太網(wǎng)（Ethernet），其通訊介質(zhì)為六芯單模光纖(兩用四備、10/125μm，)。
　　環(huán)形光纖以太網(wǎng)采用10/100Mbps的通訊方式，即：主干光環(huán)及與計算機連接為100M，與PLC連接為10M。通訊光纖采用直埋式鎧裝防雷設(shè)計的六芯單模光纖（10/125μm），聯(lián)接頭為國際標(biāo)準(zhǔn)SC連接頭。
具體做法如下:
　　計算機和PLC采用標(biāo)準(zhǔn)的RJ45接口, 然后分別通過RS2-FX-sm模塊將RJ45

圖3 長沙一污自控系統(tǒng)圖

　　方式轉(zhuǎn)換為200M/100M兼容的光纖環(huán)網(wǎng)方式。RS2-FX-sm提供4個光纖接口（2個輸入，2個輸出）和4個RJ45接口。中央控制室的兩臺計算機與RS2-FX-sm的其中2個RJ45相連。每臺PLC上的冗余以太網(wǎng)模塊與一個RS2-FX-sm相連。
工業(yè)以太網(wǎng)特性如下：
˙支持TCP/IP，UDP/IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可與其他以太網(wǎng)設(shè)備，工作站、個人電腦及其他生產(chǎn)商提供的以太網(wǎng)產(chǎn)品通信。
˙支持FINS通信，可使用FINS GATEWAY功能使以太網(wǎng)與工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)通信，協(xié)議為開放型。
˙有Socket服務(wù)功能，使用UDP或TCP協(xié)議傳送數(shù)據(jù)。
˙自帶FTP服務(wù)功能，從而使工作站或個人電腦能通過FTP客戶功能對PLC進行數(shù)據(jù)讀寫，而無需PLC上編程。
˙帶有E-mail功能，能向mail server發(fā)送用戶自定義信息，故障信息，狀態(tài)信息等，帶RAS功能，支持遠程數(shù)據(jù)訪問。
˙帶有自診斷功能，節(jié)點旁路功能，傳輸路徑具有斷線冗余功能。
˙遠程站點可執(zhí)行PING指令，可檢測網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)。
˙具有歷史故障履歷。
˙傳輸率：10/100Mbps
˙傳輸協(xié)議：TCP/IP、UDP/IP、FINS、FTP、SMTP
˙傳送距離：30Km
˙傳送媒體方式：單模光纖環(huán)
˙通過OMRON網(wǎng)關(guān)－ONC或PLC,可與其它控制網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線相連。
　　PLC上的以太網(wǎng)模塊選用的是CS1W-ETN11，它支持10BASE-T的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，通訊速率為10Mbps。在使用以太網(wǎng)模塊前，先要對CS1W-ETN11進行單元號和節(jié)點號設(shè)定。單元號設(shè)定是對PLC上的總線特殊單元進行區(qū)分，給每個總線特殊單元分配相應(yīng)的地址。單元號可以從0～F自由設(shè)定，假定單元號設(shè)為0，則相應(yīng)的地址分配為CIO1500～1524，D30000~D30099共占用25個字；節(jié)點號是設(shè)置以太網(wǎng)區(qū)域的節(jié)點地址，用來區(qū)分整個網(wǎng)絡(luò)中各臺的PLC。節(jié)點號可以從01～7E，即十進制的01～126。假定節(jié)點號設(shè)置為01。
　　單元號和節(jié)點號設(shè)置完成之后，就是設(shè)定此個以太網(wǎng)單元的IP地址。可以是自動分配IP地址，不過要進行相應(yīng)的計算。計算過程如下：遠程節(jié)點IP地址＝（本地節(jié)點IP地址AND（與運算）子網(wǎng)掩碼）OR（或運算）遠程FINS節(jié)點號。比如：本地節(jié)點IP地址為130.25.36.8，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.0，遠程FINS節(jié)點號為5，則遠程節(jié)點IP地址就是130.25.36.5。在單元的背面開關(guān)是設(shè)定本地節(jié)點IP地址，在單元的右側(cè)標(biāo)牌上顯示的是每個以太網(wǎng)單元的唯一的以太網(wǎng)地址。
　　硬件設(shè)定全部結(jié)束后，把CS1W-ETN11單元插在底板上，然后根據(jù)要求用RJ45屏蔽雙絞線連接至HUB或網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點上。由于在這個項目中只有一個網(wǎng)絡(luò)，就是以太網(wǎng)，所以不必設(shè)定路由表。最后用PING指令進行測試，看能不能用計算機連通這個節(jié)點。如果連不上，重新檢查硬件設(shè)置和連線。
　　所有三套PLC都先用RJ45雙絞線連接后，用RS2-FX-sm的光纖交換機把電口轉(zhuǎn)換成光口，用單模光纜把這些設(shè)備連起來構(gòu)成了光纖環(huán)網(wǎng)，不僅可以實現(xiàn)20KM的遠距離通訊和100Mbps的高速數(shù)據(jù)交換，更重要的是它采用了先進的斷線自檢測逆向流通算法，使得環(huán)網(wǎng)本身實現(xiàn)了冗余，而且光纖網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性能優(yōu)越。雖然增加了光纖交換機，但是它的協(xié)議卻是透明的，也就是說光纖交換機只是起到了硬件的轉(zhuǎn)換，而協(xié)議并沒有改變。原來數(shù)據(jù)走的FINS協(xié)議，或是標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議都是無縫地在這個工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)中進行透明的傳輸。
5. 與第三方廠商成套設(shè)備或數(shù)字控制設(shè)備之間的串行通訊網(wǎng)絡(luò)
　　由于現(xiàn)場的儀器儀表，智能儀表或是第三方的PLC設(shè)備眾多，而且都是來自不同的廠家，這些設(shè)備都帶有自己的協(xié)議，比如MODBUS或是PROFIBUS，而歐姆龍的通訊協(xié)議是HOST LINK和FINS。所以簡單的硬件連線是無法和這些設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換的。因此，需要相關(guān)的設(shè)備或程序來做這個翻譯轉(zhuǎn)換工作。歐姆龍的協(xié)議宏功能就是在這種情況下孕育而生的。歐姆龍的內(nèi)插通訊板和串行通訊單元都提供了協(xié)議宏的功能。協(xié)議宏功能用協(xié)議宏軟件CX-PROTOCOL，把第三方設(shè)備的協(xié)議（就是串行通訊的幀格式）寫入到通訊單元或通訊板中。此軟件的特點是：
　　　　通信協(xié)議支持軟件的對話式菜單使通信序列易于登記。
　　　　每個協(xié)議最多允許定義1000個通訊序列，每個序列最多允許定義16步。每個協(xié)議可定義監(jiān)視時間、響應(yīng)的應(yīng)答方式及鏈接通道。
　　　　每一步可設(shè)定重復(fù)次數(shù)、發(fā)送/接收的數(shù)據(jù)格式、下一步處理及出錯處理。
　　　　對于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的地址可任意指定。
　　　　在發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)信息中自帶了許多種校驗方式（LRC、CRC、CRC-16、SUM），可由用戶自己設(shè)定，在發(fā)送的時候自動添加，在接收的時候自動進行校驗計算。
　　　　在軟件內(nèi)部自帶了七種用于與歐姆龍外圍設(shè)備通信的協(xié)議，可方便的隨時調(diào)用。
　　　　通過軟件可監(jiān)視串口交換的數(shù)據(jù)。
　　然后啟動相應(yīng)的協(xié)議宏指令(PMCR)，就可以實現(xiàn)串行的數(shù)據(jù)交換。
　　歐姆龍的CS1提供內(nèi)插通訊板CS1W-SCB21/SCB41，也提供安裝在底板上的通訊單元CS1W-SCU21/SCU41。CS1W-SCB21或CS1W-SCU21提供兩個RS232C的端口，用于連接RS23C的第三方設(shè)備。然而更多的串行通訊都是通過RS485標(biāo)準(zhǔn)的。因此，歐姆龍的CS1W-SCB41或CS1W-SCU41不光提供一個RS232C端口，還同時提供一個RS422/485口，實現(xiàn)長達1.2KM的串行通訊。CS1的機型一共可以提供34個標(biāo)準(zhǔn)的帶協(xié)議宏功能的串行端口。而且一個RS422/485可以連接多達32臺設(shè)備。這樣，基本滿足了需連接眾多第三方設(shè)備的要求。
6. 無線電通信網(wǎng)絡(luò)
　　中央控制室和廠外兩座污水提升泵站（鳳嘴泵站和陳家湖泵站）通過無線通訊網(wǎng)的方式，被監(jiān)控的泵站現(xiàn)場配有一套RTU，歐姆龍的PLC能通過RS-232C口或RS-485口以協(xié)議宏的方式（支持Modbus）與RTU進行通訊。
　　協(xié)議宏的使用同上述的方法是一致的，由于是無線電通訊，所以必然會由于干擾等原因而無法正確進行數(shù)據(jù)交換，所以再做協(xié)議宏時特別把重復(fù)次數(shù)設(shè)置成3次左右，當(dāng)接收數(shù)據(jù)時校驗等出錯就讓發(fā)送方重復(fù)發(fā)送的模式，這樣可以提高數(shù)據(jù)交換的可靠性。梯形圖中也是用PMCR指令來完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
　　軟件設(shè)定和編制完成之后，物理接線主要是PLC和RTU之間的RS232C連接。RTU（無線電臺）有相應(yīng)的RS232C端口，PLC這邊就是通訊板或通訊單元上的RS232C口。知道雙方的管腳定義就可以做電纜了。線纜的連接主要是RTU的TXD（發(fā)送）腳和PLC的RXD（接收）腳連，RTU和PLC的GND（接地）相連即可。物理接線完成之后，調(diào)整RTU（無線電臺）的統(tǒng)一頻率就可以進行無線電通信了。這樣，整個無線通信網(wǎng)絡(luò)也就搭建起來了。
7. 結(jié)束語
　　本文以長沙市第一污水處理廠的系統(tǒng)為例，探討了水處理行業(yè)（特別是污水處理廠）的歐姆龍網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的理念和思路，并對如何設(shè)置整個網(wǎng)絡(luò)的模塊和單元進行了深入的分析，希望能為水處理項目提供一點設(shè)計選型的參考。