工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線(xiàn)在污水處理系統中的應用

引言

目前，污水處理廠(chǎng)運用集散控制系統模型可以最大限度提高污水處理廠(chǎng)運行可靠性，提高出水水質(zhì)，降低能耗和工人勞動(dòng)強度，達到提高經(jīng)濟效益的目的?？删幊逃嬎銠C控制器(prograrnrnable ComputerController，簡(jiǎn)稱(chēng)PCC)以其可靠性高、編程方便、耐惡劣環(huán)境、功能強大等特性已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中增長(cháng)速度最迅猛的工業(yè)控制設備，它能很好地解決工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟等問(wèn)題。

隨著(zhù)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展,由現場(chǎng)總線(xiàn)與工業(yè)以太網(wǎng)構建的“一網(wǎng)到底”工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )系統,使得工廠(chǎng)的高層管理人員能直接獲得工業(yè)現場(chǎng)的控制信息,實(shí)現工廠(chǎng)管理與生產(chǎn)現場(chǎng)的無(wú)縫集成。根據污水處理行業(yè)的特點(diǎn),設計了基于工業(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)的污水處理控制系統的整體解決方案。本文以蘭州某縣的污水處理為例,介紹了基于貝加萊PCC、工業(yè)以太網(wǎng)和CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的污水處理自動(dòng)控制系統的實(shí)現。PCC通過(guò)以太網(wǎng)與現場(chǎng)控制設備間建立通信,從而實(shí)現數據現場(chǎng)設備的自動(dòng)控制。

1系統分析及設計

1.1控制要求分析

該污水處理廠(chǎng)日處理污水量為5.0萬(wàn)米3/天,出水標準要求實(shí)現國家《城鎮污水處理廠(chǎng)污染物排放標準》一級B標準。對污水進(jìn)行三個(gè)階段的處理。一級處理：主要去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)，經(jīng)過(guò)一級處理的污水，BOD一般可去除30％左右。二級處理：主要去除污水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機污染物質(zhì)(BOD，COD物質(zhì))，去除率可達90％ 以上，使有機污染物達到排放標準。三級處理：進(jìn)一步處理難于降解的有機物、氮和磷等能夠導致水體富營(yíng)養化的可溶性無(wú)機物等；處理工藝采用CASS池工藝生化處理，之后在接觸池加氯使尾水達標后排入黃河。污泥處理采用機械濃縮脫水處置工藝泥餅外運衛生填埋，污水處理流程如圖1所示。

1．2 系統方案確定

基于以上特點(diǎn)，顯然系統屬于典型的分布式控制系統。在和傳統方案比較后，采用基于工業(yè)以太網(wǎng)標準TCP／IP和CAN現場(chǎng)總線(xiàn)結合的分布成網(wǎng)絡(luò )系統構架，完成該污水處理廠(chǎng)的自動(dòng)控制系統設計。主要基于以下幾點(diǎn)考慮：

(1)工業(yè)以太網(wǎng)重點(diǎn)在于利用交換式以太網(wǎng)技術(shù)為控制器和操作站，各種工作站之間的相互協(xié)調合作提供一種交互機制，并和上層信息網(wǎng)絡(luò )無(wú)縫集成。目前工業(yè)以太網(wǎng)開(kāi)始在監控層網(wǎng)絡(luò )上逐漸占據主流位置，正在向現場(chǎng)設備層網(wǎng)絡(luò )滲透。

(2)由于CAN總線(xiàn)具有強有力的錯誤檢測能力及差分驅動(dòng)功能，在強噪聲的苛刻環(huán)境中仍運行良好，因此在傳媒傳輸和線(xiàn)路設計方面，CAN總線(xiàn)可以很容易的適合大多數應用場(chǎng)合。CAN采用多主站工作，并且總線(xiàn)最多可掛接110個(gè)節點(diǎn)，因此系統中各功能模塊都可以直接掛接到總線(xiàn)上。根據現代控制系統既需要集中管理，又需要分散實(shí)時(shí)控制的工藝要求，污水處理自動(dòng)控制系統采用現場(chǎng)總線(xiàn)式集散控制系統，采用CAN總線(xiàn)技術(shù)，可以將信息在現場(chǎng)處理，極大地提高其可靠性、實(shí)時(shí)性。

(3)將工業(yè)以太網(wǎng)和CAN總線(xiàn)很好的結合在一起，實(shí)現無(wú)縫集成?？梢允构I(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)各顯其能，形成優(yōu)勢互補，提高系統整體性能。

圖1 污水處理流程圖

2 系統設計與實(shí)現

2．1 控制方案

根據污水廠(chǎng)的分布情況，設置三個(gè)PCC現場(chǎng)控制站，主要功能是實(shí)現對所有現場(chǎng)在線(xiàn)儀表的數據采集，分別設置在三個(gè)位置。

(1)PCC1為污泥脫水機房控制室：主要功能是負責貯泥池、污泥脫水機房、沖洗水池的設備控制及數據采集。

(2)PCC2為粗格柵及污水提升泵房控制室：負責粗格柵及污水提升泵房、細格柵及沉砂池、配水井、進(jìn)廠(chǎng)水水質(zhì)的設備控制及數據采集。

(3)PCC3為變配電室控制室：主要功能是負責鼓風(fēng)機房、CASS反應池、接觸池、加氯間、出廠(chǎng)水水質(zhì)的設備控制及數據采集。

其中3號站變配電室現場(chǎng)控制站包括四個(gè)遠程站，分別設置在CASS反應池潷水器附近。在工藝流程各個(gè)環(huán)節中設置了完整的全過(guò)程檢測儀表，如流量、液位、壓力、PH、溶氧儀等檢測儀表，確保對工藝全過(guò)程運行狀態(tài)、水量、水質(zhì)的監控，滿(mǎn)足各環(huán)節的自動(dòng)控制需要。

該控制系統采用開(kāi)放的分布式控制系統，整個(gè)污水廠(chǎng)自控系統由中央控制室操作員站、現場(chǎng)PCC控制站和現場(chǎng)儀表組成。中央控制室操作員站和現場(chǎng)PCC控制站之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)連接，數據和參數可以在PCC與中央控制室管理站之間相互傳送 ；PCC控制站和現場(chǎng)儀表之間通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)和4～20mA進(jìn)行數據傳輸。

2．2 系統硬件與網(wǎng)絡(luò )結構設計

本系統下位機采用三臺貝加萊X20高性能X20CP1485控制器，該控制器自帶以太網(wǎng)和CAN總線(xiàn)通信接口，其處理頻率達到Celeron 400MHz，達到400μs任務(wù)執行時(shí)間。通過(guò)編制控制程序，對污水處理現場(chǎng)控制站I／O模塊的溫度、流量、液位、PH值等數據進(jìn)行采集、分析、運算并相應輸出結果對電磁閥的啟停進(jìn)行控制。自帶以太網(wǎng)接口實(shí)現與監控中心數據通信，采用容易擴展的X20系列的I／O單元，采集遠程設備數據信號 。

基于TCP／IP的工業(yè)以太網(wǎng)是一種標準開(kāi)放式的網(wǎng)絡(luò )，易于實(shí)現將控制現場(chǎng)的設備與上位管理系統實(shí)現互聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現數據、信息與系統資源的共享；數據的傳輸距離長(cháng)、傳輸速率高，易與Internet連接，易組網(wǎng)，與計算機、服務(wù)器的接口十分方便，并受到廣泛的技術(shù)支持。但無(wú)法保證數據傳輸的實(shí)時(shí)性要求，是一種非確定性的網(wǎng)絡(luò )系統。CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN總線(xiàn)的節點(diǎn)分成不同的優(yōu)先級；采用非破壞仲裁技術(shù)；報文采用短幀結構，數據出錯率極低；節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下可自動(dòng)關(guān)閉輸出。CAN現場(chǎng)總線(xiàn)作為一種面向工業(yè)底層控制的通信網(wǎng)絡(luò )，但是它不能與Intemet互連，不能實(shí)現遠程信息共享。所以選擇將工業(yè)以太網(wǎng)與現場(chǎng)總線(xiàn)相結合應用于該污水處理項目中。在工業(yè)以太網(wǎng)和CAN現場(chǎng)總線(xiàn)通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )互連。這是一種低成本、高可靠性、快捷的CAN現場(chǎng)總線(xiàn)與工業(yè)以太網(wǎng)互連方案。這樣可以在利用現有網(wǎng)絡(luò )的基礎上，充分發(fā)揮工業(yè)以太網(wǎng)和CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的優(yōu)勢，實(shí)現整個(gè)工業(yè)控制系統的網(wǎng)絡(luò )連接。系統網(wǎng)絡(luò )結構如圖2所示。

圖2 系統網(wǎng)絡(luò )圖

在PCC現場(chǎng)控制站上，配置了帶TCP／IP接口的通訊模塊，以便和中央控制站通訊。另外利用CAN總線(xiàn)實(shí)現與現場(chǎng)設備的連接，將現場(chǎng)的設備全部掛到CAN總線(xiàn)上，通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現與以太網(wǎng)的連接。PCC現場(chǎng)控制站監視和控制污水處理的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程，并通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò )與監控計算機及其它現場(chǎng)控制設備進(jìn)行通訊。中控室能夠觀(guān)察到一些重要的運行狀態(tài)和工藝參數，對現場(chǎng)設備進(jìn)行操作及控制參數的設置和修改。