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水质净化厂生产监控系统网络化的研究及实现 摘要 慨代企业的管理要求信息网络与控制网络的一体化。c s 是目 前工业控制领域的主体，它的发展是面向集成化、智能化和工业p c 化。在d c s 的各层次中，单元自动化技术和系统集成平台都在迅速 发展，它的底层包括控制仪表、数据融和与传感技术、智能控制单元 h 等；但发展最快的，影响最广泛、最深远的则是上层管理和决策系统。) 。 本文针对上海石化水质净化厂的实际情况，提出了生产监控系统 的网络化改造方案，利用计算机和网络通信技术，对已有的p l c 进 行改造，实现了生产的分散控制和集中管理，及与公司内各部门之间 的信息共享。 现场监控系统的改造要充分利用原有仪表和设备，主要考虑可靠 性和实时性。首先对四期水处理、污泥干化、氧化沟三个生产单元已 有的p l c 进行改造，增加通信功能，实现总调度室对各生产装置的 集中监控。由于三套控制系统为不同时期所建，采用了不同的p l c ， 不具备开放性，互相之间直接通信在技术上存在很大困难，且意义不 大；并且三套装置距离较远，施工费用也将很高。综合考虑成本和效 益，不再建立三个单元之间的现场级网络。 对于其余三个自控程度较低的生产单元，可考虑使用现场总线技 术，即可方便地实现各单元之间的通信。由于客观的条件和需求，目 前无法实现这一部分的改造。本文仅从理论上介绍现场总线技术、 f c s 的网络布线与安装及f c s 与d c s 的集成。 。一、l 上位机网络主要考虑网络的可靠性、传输效率及可扩展性。应用 t c p i p 协议的e t h e m e t 已经成为最流行的局域网技术，同时也是最具 开放性的网络技术。阻碍e t h e m e t 在工业控制领域内应用的问题正逐 渐得到解决。解决了实时j 生、稳定性和抗干扰性，e t h e r n e t 将会十分 迅速地进入工业控制系统的各级网络。为了在不同的网络设备中实现 互操作，公共的应用层是必需的。本文介绍了为传输控制协议用户 数据报协议网际协议( t c p u d p i p ) 定义的、基于主机客户机 的控制和信息协议( c o n t r o la n d i n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) 。这些工作为以 太网进入工业自动化的现场级打下了基础。 作为工业控制系统的重要部分的组态软件，选用了i n t e l l u t i o n 公 司开发的i f i x 。文中根据作者在本课题中的具体应用详细介绍了i f i x 的功能。 本课题的研究，不仅符合全业的实际情况，也符合控制领域的发 展趋势。该项目的实现，改善了上海石化水质净化厂生产装置的控制 系统，提高了生产管理水平，为国内企业控制系统的应用和发展提供 了一个可行的范例j 、r 关键字：a 2 c s 枷, e r n e t , 1 一 n e t w o r k i n gd e v e l o p m e n t o f s u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mi ns e w a g et r e a t m e n tp l a n t a b s t r a c t m a n a g e m e n to fm o d e me n t e r p r i s er e q u i r e si n t e g r a t i o n o fc o n t r o l n e t w o r ka n di n f o r m a t i o nn e t w o r k d c si sv e r yi m p o r t a n ti ni n d u s t r i a l c o n t r o l f i e l d ，a n d i t s d e v e l o p m e n t i s i n t e g r a t e d ，i n t e l l e c t u a l i z e d ，a n d i n d u s t r i a lp c o r i e n t e d o ne a c hl e v e lo fd c s ，a u t o m a t i o nt e c h n o l o g yi n u n i t sa n dp l a t f o r mo fs y s t e mi n t e g r a t i o na r ed e v e l o p e dr a p i d l y c o n t r o l i n s t r u m e n t s ，d a t am e r g i n g ，s e n s o rt e c h n o l o g ya n di n t e l l i g e n tc o n t r o lu n i t s a r ei n c l u d e di nb o s o m ；a n dt o ps u p e r v i s o r ya n dd e c i s i o n m a k i n gs y s t e m i sd e v e l o p e dm o s t r a p i d l y , a n d i t si n f l u e n c ei sf u r t h e s t t h i s p a p e rp r e s e n t s a n e t w o r k i n gd e v e l o p m e n t o f s u p e r v i s o r y c o n t r o ls y s t e mi nt h es e w a g et r e a t m e n tp l a n ta c c o r d i n gt oi t s s i t u a t i o n e x i s t i n g p l c sa r ed e v e l o p e du s i n gc o m p u t e ra n dn e t w o r kt e c h n o l o g y a n dd i s t r i b u t e dc o n t r o la n di n f o r m a t i o ns h a r ea r er e a l i z e d i m p r o v e m e n t o fm o n i t o r i n gs y s t e m i nt h ef i e l d r e q u i r e s f u l l u t i l i z a t i o no fe x i s t i n gi n s t r u m e n t sa n dd e v i c e s ，r e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m e f i r s t l y ，p l c si n t h eu n i t so ff o u r t h s t a g ew a t e rt r e a t m e n t ，s l u d g e d r i e d a n do x i d i z e dd i t c ha r ea d d e dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n ，a n ds u p e r v i s o r y a n dc o n t r o lf u n c t i o no f c h i e fc o n t r o lr o o mi sr e a l i z e d b e c a u s et h e s et h r e e c o n t r o ls y s t e m sa r eb u i l ti nd i f f e r e n tp e r i o da n dd i f f e r e n tp l c sa r en o t o p e n ，d i r e c tc o m m u n i c a t i o ni sv e r yd i f f i c u l ta n di n s i g n i f i c a n t a n dt h e y a r ef a ro n ea n o t h e r , s oc o s to f l a y o u tw i l lb eg r e a t f i e l dn e t w o r k o ft h e s e t h r e eu n i t sw i l ln o tb eb u i l ta c c o r d i n gt oc o s ta n db e n e f i t f i e l d b u sc a l lb ea d o p t e di nt h o s eo t h e rt h r e eu n i t sw h o s ea u t o m a t i o n d e g r e ei s n o te n o u g h ，a n dc o m m u n i c a t i o nw i l lb er e a l i z e dc o n v e n i e n t l y t h i si m p r o v e m e n tc a n n o tb ef i n i s h e dn o wb e c a u s eo f e x i s t i n gc o n d i t i o n a n d r e q u i r e m e n t t h i sp a p e ro n l y i n t r o d u c e s f i e l d b u s ，l a y o u t a n d i n s t a l l a t i o no ff c sa n di n t e g r a t i o no ff c s & d c s r e l i a b i l i t y , t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c y a n d e x t e n d i b i l i t y n e e d c o n s i d e r a t i o ni nu p p e rp cn e t w o r k e t h e m e t ( t c w i p ) i s t h em o s t p o p u l a r l a na n dt h em o s to p e nn e t w o r kt e c h n o l o g y p r o b l e m st h a ta r eo b s t a c l e s t oe t h e r n e t sa p p l i c a t i o ni ni n d u s t r i a lc o n t r o lf i e l da r e s o l v e d i f r e a l _ t i m e ， s t a b i l i t j ，a n d i n t e r f e r e n c ei m m u n i t ya r ea l lf i n e ，e t h e r n e tw i l le n t e re v e r y l e v e ln e t w o r ko fi n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e mr a p i d l y i n o r d e rt or e a l i z e m u t u a lo p e r a t i o ni nd i f f e r e n tn e t w o r kd e v i c e s ，c o m m o na p p l i c a t i o nl a y e r i sn e c e s s a r y t h i sp a p e ri n t r o d u c e sc i p ( c o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) t h a ti sd e f i n e df o r ( t c p u d p i p ) a n db a s e d o nh o s t c l i e f i t c o m p u t e r t h e s ea r ef o u n d a t i o n so fe t h e r n e t se n t e r i n g f i e l dl e v e lo fi n d u s t r i a l a u t o m a t i o n i f l xt h a ti sd e v e l o p e db yi n t e l l u t i o n i ss e l e c t e da sc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r et h a ti sa ni m p o r t a n tp a r ti ni n d u s t r i a lc o n t r o ls y s t e m f u n c t i o n s o fi f i xa n di t sa p p l i c a t i o ni nt h i sp r o j e c ta r ei n t r o d u c e di nd e t a i l si nt h i s p a p e r t h i sr e s e a r c hi si na c c o r dw i t hn o to n l yt h es i t u a t i o no f e n t e r p r i s e ， b u ta l s ot e n d e n c yo fc o n t r o lf i e l d t h i sp r o j e c ti m p r o v e dc o n t r o ls y s t e m o ft h es e w a g et r e a t m e n t p l a n t ， a n dm a n u f a c t u r i n gm a n a g e m e n tl e v e li s r a i s e d i tp r o v i d e daf e a s i b l ee x a m p l ef o ra p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n to f c o n t r o ls y s t e mi nd o m e s t i ce n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：d c s ，f c s ，t c p i p ，e t h e r n e t ，i f i x 第一章培论 第一章绪论 1 1 控制系统的发展与现状 2 0 世纪j 0 年代以前，第一代过程控制体系结构是基于0 2 l k g 的气动信 号标准。随后的第二代过程控制体系结构使用的是4 2 0 m a 的模拟信号。到了 7 0 年代，人们在测量、模拟和逻辑控制领域使用了数字计算机，从而产生了集 中式控制，即第三代过程控制体系结构。所谓集中控制是以计算机为基础加上扩 展i 0 接口构成的。中心控制是一台计算机，它可以是单片机，也可以是p c ， 或者是通用工业p c 。其扩展的i 0 接口模板按使用的不同总线分成不同的系歹， 从最初的s 1 0 0 总线、p c 总线到后来被广泛采用的s t d 总线和m u l t t b u s 总线标 准等。 数字式仪表的产生提高了系统的控制精度和控制的灵活性，而且在多回路的 巡回采样及控制中具有传统模拟仪表无法比拟的性能价格比。8 0 年代，随着工 业系统的日益复杂，控制回路的进一步增多，于是，由中小型计算机和微机共同 作用的分层控制系统应运而生。在分层控制系统中，由微机作为前置机去对工业 设备进行过程控制，由中小型计算机对生产工作进行管理，从而实现了控制功能 和管理信息的分离。当控制回路数目增加时，前置机及其与工业设备的通信要求 就会急剧增加，从而导致这种控制系统的通信变得相当复杂，使系统的可靠性大 大降低。 进入9 0 年代后，由于计算机网络技术的迅猛发展，同时也因为生产过程和 控制系统的进一步复杂化，人们将计算机网络技术应用到了控制系统的前置机之 涮以及前置机和上位机的数据传输中。前置机仍然完成自己的控制功能，但它与 上位机之问的数据( 上位机的控制指令和控制结果信息) 传输采用计算机网络实 现。上位机在网络中的物理地位和逻辑地位与普通站点一样，只是完成的逻辑功 能不同。另外，上位机增加了系统组态功能，即网络的配置功能。这样的控制系 统称为d c s ( 集散控制系统) 。d c s 系统是计算机网络技术在控制系统中的应用 成果，提高了系统的可靠性和可维护性，在今天的工业控制领域仍然占据着主导 地位，但是d c s 不具备开放性，布线复杂，费用较高，不同厂家产品的集成存 在很大困难。 8 0 年代后期，由于大规模集成电路的发展，许多传感器、执行机构、驱动 装置等现场设备智能化，人们便开始寻求用一根通信电缆将具有统一的通信协议 通信接口的现场设备连接起来，在设备层传递的不再是i o ( 4 2 0 m a 2 4 v d c ) 信号，而是数字信号，这就是现场总线。由于它解决了网络控制系统的自身可靠 性和开放性问题，现场总线技术逐渐成为了计算机控制系统的发展趋势。从那时 起，一些发达的工业国家和跨国工业公司都纷纷推出自己的现场总线标准和相关 产品，形成了群雄逐鹿之势。新的i e c6 1 1 5 8 总线包括8 种类型的现场总线，实 际上也构成了8 种现场总线控制系统体系结构。 最早的气动单元组合仪表采用0 2 1 k g 的统一标准气动信号，电动单元组 合仪表系统使用统一的4 2 0 m a 标准信号，任何厂家的产品都可以实现互操作， 这两代仪表系统都得到健康发展。在d c s 时代，由于生产厂家想尽可能控制市 第一章绪论 场份额，各自开发专用的数据公路，致使d c s 和p l c 没有个统一的标准，给 用户带来很大麻烦，在某种程度上降低了用户的投资效益。发展到f c s ，本来各 国争取在新一代系统取得统一，以促进技术进一步发展。但由于各自要保护过去 的投资利益，意见长期得不到统一。可以说，目前的现场总线之争，是上一代 d c s 之争的继续。1 2 1 现场总线技术是控制领域的一次革命，它对企业的生产方式、管理模式都将 产生深刻的变革。它的出现，对我国自动化领域既是机遇又是挑战。 为了采取合适的发展策略，首先必须对世界技术的发展状况和我国的实际情 况有充分的认识和了解，分析各种有利和不利的条件。 目前，国际上现场总线技术已经呈现出竞争十分激烈的局面。各大厂商为了 自己的利益，都在发展和维护自己的产品，并积极参与和把持标准的制定工作， 希望能主导现场总线技术的发展。这导致在现有的产品结构和应用水平上，现场 总线领域已经很难统一。而且其技术也都不是特别成熟，还需要大量实践和复杂 应用环境的检验。 在国内，对科研单位的有利条件是，由于现场总线技术还是一种新兴技术， 还处于发展阶段，尤其在高速现场总线领域还有很大的发展空间，只要积极努力， 还是能够和国外进行竞争的。但不利的条件是我国综合技术力量薄弱，科研力量 规模小、资金少，无力研制复杂的现场总线专用芯片，在硬件技术上基本上只能 采用已有的产品。因此很难和国外企业进行正面的竞争，只能采取开发具有自己 特色产品的策略。如果采用紧跟策略，则很难开发出具有自己特色的产品，而且 产品的发展速度必然落后于国外企业结果只能是被国外企业所淘汰，或沦为国 外企业的技术代理。 另方面，国内生产企业的情况是：大多数企业还处于模拟仪表和人工控制 的阶段，采用d c s 控制系统的企业尚是少数，而且目前现场总线设备和系统还 十分昂贵，在相当长的一段时间内，我国大多数企业不可能也没有能力投入大量 资金采用现场总线控制系统。因此，除了新建企业外，我国企业在较长时间内不 可能全面采用现场总线技术，而必须走逐步发展、过渡的道路。 从我国的科研单位和生产企业的实际情况看，采取紧跟策略并不适合我国的 国情，必须选择适合我国国情的现场总线发展道路而所谓适合我国国情的发展 道路，就是指采用我国的科研单位、企业有能力完成，并且适合我国生产企业实 际情况、能够尽快应用的具有自己特色的技术路线。同时，研究及应用的技术必 须能够体现现场总线技术的主要优点，符合现场总线技术的发展方向。i j l 1 2 本文研究背景及意义 环境问题与资源、人口问题已经被国际社会公认是影响可持续发展的三大关 键问题。我国经济高速度连续增长，但污水处理技术却远远低于经济的发展。尽 管近年来我国政府已加大了对污水处理的管理和投资力度，但污染仍日趋严重， 8 0 的水域和4 5 的地下水已被污染，9 0 以上城市水域严重污染，水污染造 成的水危机严重制约了国民经济的发展，已引起国家的高度重视。现在，新建的 企业都要求按“三同时”( 即环保工程与工业生产的主体工程同时规划、同时设 计、同时旖工) 的规定，建立污水处理工程；在老企业的改造中，也要同时考虑 三废的治理：所有的工业企业，都必须实现达标排放，否则将予以停止生产、关 闭等处罚。 2 第一章绪论 目前，污水处理工程大都是依靠手工操作，通过复杂的电控柜监测和控制设 备运行，工艺的运行状况直观性很差，对运行人员的经验依赖性较大。随着污水 处理工艺的不断改进，工程的复杂程度也越来越大，传统的依靠运行人员人工操 作和判断的方式越来越不能适应污水处理的要求。因此，开发和应用先进的监控 系统，不仅可以提高污水处理和监控的自动化程度、减轻监测人员与现场运行人 员的劳动强度，也提高了对排污企业监测的连续性，其意义是十分明显的。 目前，将工业自动化技术、人工智能、网络技术引入环保领域己成为当今热 门的研究方向之一，污水处理监控软、硬件越来越多地被开发出来投入实际的运 行中。但目前的污水处理监控产品主要以执行单一监测功能的硬件设各为主，而 包括监测、控制、通讯、记录、统计等功能的系统化产品较少。很多国内外厂商 生产d h 计、流量计、排污量记录仪等硬件及配套软件产品，这些产品一般都是 对污水处理过程的某一个环节进行监控，而不是对整个污水处理过程进行监控。 有些比较系统的污水监测系统，其主要功能包括污染源的数据采集、数据通讯、 上报和管理等，但有监测数据类型单一、检测点限制较大( 仅检测排放点) 、对 工艺运行过程无法监测、界面不直观等缺点。l 4 jl 3j 本文针对上海石化水质净化厂的实际情况，将工业自动控制技术、计算机及 网络通信技术与污水处理监控技术相结合，提出了监控系统的网络化改造方案， 实现了生产的分散控制和集中管理，及与公司内各部门之间的信息共享。 本课题来源于与上海众达信息产业发展有限公司( 属上海石化股份有限公 司) 的合作。 1 3 本文的研究内容 1 3 1 概况 上海石化股份公司环保部下属水质净化厂从1 9 7 6 年开始运行，历经一、二、 三、四期的建设，目前己成为一座运行规模达1 9 万吨天的二级污水处理厂，它 每天接纳公司范围内经初步处理的生产废水以及石化地区的生活污水，混合污水 汇入水质净化厂作进一步处理，达到国家排放要求后排入杭州湾。 根据水质净化厂各生产单位的功能和建设阶段，分为四期污水处理、污泥干 化、氧化沟、厂外调节池、污水一段、污泥脱水等六个生产单元。每个生产单元 都设有控制室，但控制水平参差不齐，而且目前控制设备投运情况也不一样：另 外，在厂部设有总调度室，但是总调度室的监控水平较为落后，改造之前基本上 不能对各个生产单元进干亍自动监控。 改造目的 为了适应生产需要，提高生产效率，改善操作条件，加强监控手段，确保各 生产装置的正常运行，急需对各生产单元和总调度室进行技术和设备的更新改 造，从而能在总调度室对各装置进行监控管理及时了解各装置的运行情况，达 到指挥及时和调度准确的目的。 主要存在问题 第一章绪论 首先，由于原控制设备的组态都是由各家设备供应商完成的，现存资料也不 太完整，这将给新系统的通讯等带来困难。 另外，由于原控制系统的软、硬件都没有考虑远程数据通讯，都必须进行改 造，但是又不能影响各生产单元设备的稳定运行，在系统改造的周期与可靠性方 面都提出很高的要求。 改造效果 经过改造，首先改善了操作环境，加强监控手段，从而能在总调度室对各装 置进行监控管理，及时了解各装置的运行情况，达到指挥及时和调度准确，并且 有条件进行计算机数据及文档的保存与管理。另外，可以大幅度减少操作人员， 从而提高生产效率，有效地降低了生产成本。 1 3 2 研究内容 本文针对上海石化水质净化厂的实际情况，提出了生产监控系统网络化的改 造方案，实现了生产的分散控制和集中管理，及与公司内各部门的信息共享。 本文的主要理论研究和实际应用工作包括： 1 针对以生产为基础的工业企业，提出网络化的集散系统的设计原则：并 对各个生产单元的情况进行具体分析，以利于根据不同的实际情况来确定应该采 取的方案。 2 提出监控网络的设计方案，首先对自控程度较高的三个单元进行改造。 现场监控系统的改造要充分利用原有仪表和设备，主要考虑可靠性和实时性。 四期污水处理生产单元。控制设备采用了a bp l c ，在原有的两台现场控制 计算机上分别增加以太网卡、交换机，增加以太网通信功能，通过以太网的连接 将实时数据送到总调度室处理。 污泥干化生产单元。控制设备采用了h o n e y w e l l9 2 0 0 e ，由于现场使用的工 业计算机的c p u 、内存与硬盘等都不能满足进行数据通讯等项要求，必须予以 更新。并在新的计算机内配置以太网卡，更新原来使用的控制软件，使总调度室 监控计算机可以通过以太网访问h o n e y w e l l9 2 0 0 e 的实时数据。 氧化沟生产单元。在原有的s i e m e n ss 5 1 1 5 up l c 上增加r s 2 3 2 通讯模块 和一台现场操作站，用点对点方法连接，使p l c 的数据通过现场操作站送到以 太网上，与总调度室监控计算机通信。 3 对于其余三个自控程度较低的生产单元，考虑使用现场总线技术，即可 方便地实现各单元之间的通信。由于现场总线技术近年来发展迅速，本文在第四 章首先简单介绍2 0 0 0 年通过的i e c6 1 1 5 8 标准包括的8 种类型的现场总线及其 控制系统，再对f c s 的网络布线与安装及f c s 与d c s 的集成作具体介绍。 4 上位机网络的实现。具体实现时主要考虑网络的可靠性、传输效率及可 扩展性，并对拓扑结构和通信介质的选择作了详细说明。在第六章对以太网作了 理论上的补充说明及其最新发展状况的介绍：首先介绍了应用t c p i p 协议的以 太网及阻碍以太网在工业控制领域内应用的问题；然后阐述了以太网作为工控网 络的可行性和优点，以及以太网与现场总线的互连：最后介绍了为传输控制协议 用户数据报协议网际协议( t c p u d p i p ) 定义的、基于主机客户机的控 制和信息m 议( c o n t r o la n di n f o r m a t i o np r o t o c 0 1 ) ，这为咀太网进入工业自动化的 现场数打下了基础。 4 第一章绪论 5 系统组态是本文的一个重要内容。作为工业控制系统的重要部分的组态 软件，选用了h a t e l l u t i o n 公司开发的i f i x 。文中结合i f i x 在本课题中的具体应 用详细介绍了它的功能。 第二章 网络化的监控系统的设计 第二章网络化的监控系统的设计 2 1 网络化的集散系统设计思想 对于以生产为基础的工业企业而言信息管理只是综合自动化的一个方面， 如何将控制和管理决策有机结合起来，是工业企业综合自动化的关键所在。在设 计中要按实际需要选用合适的网络技术和产品，充分考虑工业环境的特殊要求。 在使用和维护中还必须实现网络全面管理和合理的数据流向，以达到网络负载平 衡，将上层管理网络和底层控制网络相融和，构成生产、管理、经营一体化的信 息系统。1 6 1 系统设计遵循以下原则： 技术先进性 计算机网络发展迅速，必须选择先进的技术和设备，咀保证未来较长一段时 间维持技术领先： 开放性和互操作性 系统集成的目的在于信息交换，开放性和互操作性保证网络的灵活和易用； 可扩展性 随着信息技术的发展，以及企业规模、管理能力、开发能力的提高，信息流 量也不断增大，因而系统必须能够不断扩充和升级； 可靠性和安全性 设置安全保密措旖，充分考虑可能出现的故障，根据工业现场特点合理布线。 2 2 生产单元的原有状况 由于原有的各个生产单元的建设时期不同，所使用的设备有所不同，通过对 各个生产单元情况的分析，可以根据不同的实际情况来确定应该采取的方案。 2 2 1 四期污水处理单元 四期污水处理生产单元由上海市政工程设计院完成的施工图设计，并于1 9 9 9 年建成。控制设备采用a bp l c 。系统配置了两套p l c 设备。2 5 块开关量输入 信号卡，可采集3 8 4 点信号；7 块开关量输出信号卡，可输出1 1 2 点信号；3 块 模拟量输入信号卡，可采集2 4 点信号。两套a b - - p l c 通过d h + ( 数据高速通 道) 实现数据共享。 主要控制内容：6 台进水泵、2 台粗格栅、2 台细格栅、2 套除砂、1 0 台一 表曝机、5 台一段回流污泥泵、2 台一段剩余污泥泵、1 0 台二段表曝机、8 套水 下搅拌机、5 台二段回流污泥泵、2 台污泥提升泵、4 台污泥脱水机、污泥输送 泵没备的运行与显示，粗格栅井最大和最小水位、进水流量、一段和二段曝气池 的溶解氧浓度等参数的显示。 6 第二章 网络化的监控系统的设计 2 2 2 污泥干化单元 污泥干化生产单元由德国s u l z e r 公司引进技术与主要设备，上海医药工 业设计院完成的施工图设计，并于1 9 9 7 年建成。控制设备采用h o n e y w e l l9 2 0 0 e p c s 。系统配置了9 块开关量输入信号卡，可采集2 8 8 点信号；3 块开关量输出 信号卡，可输出9 6 点信号；3 块模拟量输入信号卡，可采集4 8 点信号；5 块模 拟量输出信号卡，可输出2 0 点信号。由于现场使用的工业计算机的c p u 、内存 与硬盘都不能满足进行数据通讯等项要求，必须予以更新。 主要控制内容：流化床温度联锁控制、公用工程物料计量、离心泵联锁变频 控制、旋风分离器差压控制、污泥料斗抖位联锁、循环气氧含量联锁报警等内容。 共组成约4 0 个指示报警回路、约5 0 个联锁控制回路。 2 2 3 氧化沟生产单元 氧化沟生产单元由丹麦k r u g e r 公司引进技求与设备，于1 9 9 2 年投运。控 制设备采用s i e m e n ss 5 1 1 5 u 可编程控制器，系统配置了1 8 块开关量输入信号 卡，可采集5 7 6 点信号：6 块开关量输出信号卡，可输出1 9 2 点信号；1 块模拟 量输入信号卡，可采集8 点信号。系统运行采用遥控开关操作与全模拟流程盘显 示。 主要控制内容：5 2 台转刷、4 2 台堰门、3 台污泥泵的运行控制，6 台溶氧仪 的d o 显示。 2 。3 改造原则 对原各生产单元的控制设备进行改造时，都必须保证原生产装置的连续运 行。根据水质净化厂各套控制设各的现状，参考目前国内同类装置的先进水平， 充分利用现有设备和建筑，确定采用以工业微机与可编程控制器为主的控制设 备，组成各个生产单元分散操作控制、总调度室设集中监视管理系统。 改造分阶段进行，首先对四期污水处理、污泥干化、氧化沟等控制程度较高 的三个单元进行改造充分利用现有控制设备，在原有基础上增加通讯设备，使 其具有数据通讯能力；同时进行总调度室改造，配置上位计算机监视系统与敷设 通讯电缆，编制通讯软件，完成对三个单元的上位监视管理功能。第二阶段对厂 外调节池、污水一段、污泥脱水三个单元进行改造，从而建立全厂左整的生产控 制、监视管理软件。另外在系统性能稳定与不断积累经验的条件下，在总调度室 进行适当的软、硬件改造，使操作管理更上一个台阶，实现各个生产单元无人操 作、p l c 系统自动控制，总调度室集中监视管理、巡回检查的生产模式。 第二章网络化的监控系统的设计 2 4 监控网络的设计方案 2 4 1 现场监控系统的改造 现场监控系统的改造要充分利用原有仪表和设各，主要考虑可靠性和实时 性。1 7 首先对自控程度较高的三个单元进行改造( 系统结构见图2 1 ) ： 图2 - i 水质净i t 生产装置监控系统改造 f i g 2 - ii m p r o v e m e n to f s e w a g et r e a t m e n tp l a n tm o n i t o r i n gs y s t e ；n 四期污水处理生产单元，在原有的现场控制计算机上分别增加以太网卡，通 过以太网将实时数据送到总调度室处理。 污泥干化生产单元，由于现场使用的工业计算机的c p u 、内存与硬盘等都 不能满足进行数据通讯等项要求，必须予以更新。并在新的计算机内配置以太网 卡更新原来使用的控制软件，使总调度室监控计算机可以通过以太网访问 h o n e y w e l l9 2 0 0 e 的实时数据。 氧化沟生产单元，在原有的s i e m e n ss 5 一1 1 5 up l c 上增加r s 2 3 2 通讯模块 ( c p 5 2 4 ) 和一台现场操作站用点对点方法连接使p l c 的数据通过现场操作 s 第二幸网络化的监控系统的设计 站送到以太网上，与总调度室监控计算机通信。但r s 2 3 2 传输速率只有9 6 0 0 b p s ， 操作站仅对现场起到监视作用。 由于三套控制系统为不同时期所建，采用了不同的p l c ，不具备开放性，互 相之问直接通信在技术上存在很大困难，且意义不大；并且三套装置距离较远， 旋工费用也将很高。综合考虑成本和效益，不再建立三个单元之间的现场级网络。 对于其余三个自控程度较低的生产单元，可考虑使用现场总线技术，即可方 便地实现各单元之间的通信。虽然现场总线的应用从技术和成本考虑都并非如宣 传的那样完美，但它毕竟是一种开放、分散、可互操作的技术和产品，代表了控 制领域的发展方向。在已有的d c s 系统中应用现场总线新技术，实现f c s 与 d c s 的集成，根据不同的应用需求，可有三种模式，将在第四章详细叙述。 2 4 2 上位机网络的实现 本系统的上位机网络主要考虑网络的可靠性、传输效率及可扩展性。1 7 1 24 21 以太网和t c p i p 在o s i i s o 七层协议中，以太网本身只定义了物理层和数据链路层。作为一 套完整的网络传输协议，必须具有高层控制协议，以太网使用了t c p i p 协议； i p ( i n t e m e tp r o t o c 0 1 ) 用来确定信息传递路线，而t c p ( t r a n s m i s s i o nc o n t r o l p r o t o c 0 1 ) 则是用来保证传输的可靠性。虽然t c p i p 并不是专为以太网而设计的， 但实际上它们现在已经是不可分离的了。 i p 技术是i n t e m e t 的基础，被许多传输协议所应用，如i e e e1 3 9 4 ，a t m ( a s y n c h r o i i o u st r a n s f e rm o d e ) ，t c p ，u d p ( t h ei j s c rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 等等a 它还可以适用于其它的通信标准，如f t p ( f i l et r a n s f e r p r o t o c 0 1 ) 和s m t p ( s i m p l e m a i lt r a n s f e rp r o t o c 0 1 ) 等。 i p 为每个数据包提供独立寻址的能力，但不能保证每个数据包都能正确地 到达目的地，网络阻塞和传输错误都可能使数据包丢失。而t c p 就是解决这一 问题的。它在两点之间建立一条可靠的连接通道，保证数据流的正确传递a 随着i n t e m e t 的迅猛发展，以太网已成为事实上的工业标准，t c w i p 的简单 实用已深入人心，为广大用户所接受。目前不仅在办公自动化领域内，而且在各 个企业的管理网络也都广泛使用以太网。 2 4 22 以太网的局限性和进步 e t h e m e t 在工业领域的应用受到限制，是由于它的一些性能不能满足工业上 的要求： 它采用c s m a c d 碰撞检测方式，在网络负荷较大时，网络的确定性不能满 足工业控制的实时要求； 它所使用的插接件、集线器、交换机和电缆等不符合工业现场环境的要求； 在工厂环境中，e t h e m e t 抗干扰性能较差若用于危险场合，不具备本安性 能： e t h e m e t 还不具备通过信号线向现场仪表供电的能力。 9 第二章 网络化的监控系统的设计 但随着网络技术的发展，e t h e m e t 在工业控制领域的应用，已经得到了广泛 的认可。i 2 j 工业控制中的每一块领域，从嵌入式系统到现场总线，都意识到以太 网和t c p i p 的重要意义。在过去几年，以太网标准有了许多进步，特别是在确 定性、速度和信息优先级方面。 首先是以太网的通信速率再提高，从十兆到百兆，目前千兆以太网已在局 域网、城域网中普遍应用。同样的通信量，通信速率的提高意味着网络负荷的减 轻，而减轻网络负荷则意味着提高确定性。有人做过试验，在网络负荷不超过 3 6 的情况下，以太网发生碰撞的可能性很小。 其次，交换技术的快速发展已经消除了以太网应用于控制领域的障碍。交换 以太网技术产生于1 9 9 2 年，这项技术使得多个网上设备之间同时进行通信时不 会有冲突发生。其做法是把网络用交换器分割成互不相连的几个网段，每个设备 独占一个网段，从而大大降低冲突的可能性。 24 2 3 网络实现 常用的网络拓扑结构有总线型、星型、环形等，由于总调度室到各生产单元 之间要交换实时数据，选择星型拓扑结构，任意站点之间的通信通过交换机实现 透明的转发，不存在信道共享引起的竞争问题。 对于通信介质的选择，由于总调度室与各个生产单元距离较远，分别为1 0 0 0 米、8 0 0 米和9 0 0 米，因此选用4 芯多模室外光缆作为通信介质，它具有通信速 率高、抗电磁干扰、信号传输衰减小等优点。两端采用转换器e m 3 1 6 e m 进行 光电转换( 图中未示出) 。 由于e t h e r n e t 是目前应用最广泛的计算机网络技术，人们对e t h e m e t 技术十 分熟悉，可以显著降低系统的开发、培训和维护费用。同时，由于应用广泛，其 硬件价格也十分低廉。目前。e t h e m e t 网卡的价格只有p r o f i b u s 、f f 等现场总线 网卡的十分之一。 8 】 采用这种网络结构，单机故障不会影响其它站点，即使网络瘫痪，各现场操 作站仍可独立运行。另外，该系统具有良好的可扩展性，向下可以增加其余生产 单元，j 句上可以和公司内各个部门互连。另置一台2 9 0 0 系列交换机提供 1 0 m 1 0 0 m 自适应端口便于扩展( 见图2 2 ) 。 0 第二章 网络化的监控系统的设计 图2 - 2 水质净化监控系统第二阶段改造 f i g 2 22 “s t e po f m o n i t o r i n gs y s t e mi m p r o v e m e n t 公司内多数事业部，如化工部、塑料部等都有各自的服务器，可以很方便地 浏览各事业部的主页，实现信息共享。 2 5 系统软件及功能 该系统上位机软件采用i n t e l l u t i o n 公司开发的i f i x 组态软件。根据i f i x 组 件功能不同，可分为如下三个大类：服务器软件及选项、客户端软件及选项、其 它组件及i n t e m e t 产品。由于i f i x 的真正的c s 结构，用户可以根据需要选 配适当的软件和选项。 上位机监控软件采用i f i xh m ip a k u n l i m i t e d d e v e l o p e r 。由于数据库无数 据点数的限制系统扩展另外三套生产单元时，只要硬件具备条件，软件只要增 加数据通讯接口，配置i f i x ，设计相应监控流程图数据就能为生产监控系统 所用。 四期处理生产单元原有r s v i e w 监控软件，与上位机系统的的通信采用 o p c 方式，即r s v i e w 将应该上报的数据传输到o p cs e r v e r 中，i f i x 作为c l i e n t 凄取数据。 对于氧化沟和污泥干化两个生产单元，现场监控站软件采用i f i x 2 5 ，然后 将数据传输到上位机中。 系统主要通过以下几种功能方式监视主要装置关键过程参数： 实时流程图：通过流程图总览画面，使全厂管理人员迅速掌握主要生产装置 玎、停车：实时动态地显示主要生产装置的关键过程参数。 第二章网络化的监控系统的设计 实时趋势图：根据预先定义的实时趋势图，实时动态地显示关键过程参数在 最近一段时间内的变化过程。 历史趋势图：帮助管理人员在进行质量追踪、故障事后分析或掌握生产状况 时，可以对过去某一特定时间段的关键过程参数变化过程加以了解。 异常报警：提供关键参数越限报警信息。 制程统计分析：提供强大的统计分析工具帮助技术科技术人员对生产过程中 的重要技术参数进行分析。 图形、报表打印：提供流程图、趋势图的实时打印功能。 总调度室模拟屏根据现场采集数据实时仿真，可直观地反映现场生产概况。 2 6 系统性能 整个监控系统应达到以下技术性能指标： 系统技术指标：通信正确率9 9 9 ： 系统实时| 生指标：遥测数据刷新时间l o s ； 主站实时j l 生指标：画面调用响应时间5 s ； 画面实时数据刷新周期l o s ； 可靠性指标：单机可用率9 5 ； 通信的信道要求：主干光缆以太网通信