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1、某污水厂三期自控系统技术方案1概述杭州市某污水处理厂三期工程自动控制系统的主体设备采用美国罗克韦尔公司的ControlLogix系列PLC控制系统，现场PLC站为双机冗余热备配置，并选用经过特殊的涂覆处理、能抗酸性和腐蚀性的防腐型模块。ControlLogix系列PLC是一个全开放的过程控制系统，可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、通讯速率快，维修成本低，符合真正的工业等级。某污水厂三期整个自控系统为三级管理，包括中央控制室、分控制站及就地控制。现场各种数据通过PLC采集，并通过主干网络传送到中央控制室操作站集中监控和管理。同样，中央控制室主机的控制命令也通过上述通道传送到PLC的测控终端，实施
2、各单元的分散控制。现场与中央控制室的主干网络为1000M工业以太网，工业以太网采用环网结构，以确保系统的安全性。另外，现场PLC分控制站与现场远程I/O站之间采用光纤网的形式并以ControlNet工业控制网协议联接。按照标书要求，某污水厂三期自控系统的现场PLC控制站按工艺区域分成位于进水泵房变电站的LCS1控制站、位于鼓风机变电站的LCS2控制站、位于鼓风机变电站加药间的2#PLC、位于脱水机房变电站的LCS3控制站，其中，LCS2控制站下挂6个远程I/O子站：位于3个初沉池和生物反应池上的RIO211、RIO212、RIO221、RIO222、RIO231、RIO232；LCS3控制站下
3、挂1个远程I/O子站：位于加药间的RIO31。系统共计3个现场PLC控制站、7个远程I/O子站。控制系统的主要功能是完成整个污水处理工艺的生产过程自动化，包括实时采集生产数据和设备实时运行工况，控制相关的生产环节，及时处理生产过程中的故障，对相关设备进行保护。中央控制室位于化验控制楼内，它包括2套互为热备的监控操作站、2套数据服务器、1套工程师站、1套大屏系统、相应的外围设备。监控计算机通过EtherNet/IPt直接连接控制系统，是对现场3个LCS控制站和7个RIO 远程I/O子站的集中监控和管理，负责反映实时工况，进行事件及曲线记录，故障报警，下达生产指令，设定工艺参数等等。信息服务器建有
4、完整的历史数据库，其中1台还提供WEB Server的功能，将有关信息分门别类地提供给全厂各个相关的部门和人员，以供浏览。总体而言，这一系统的出发点和最终所要达到的目标就是：现场无人职守，总站少人值班。2系统的网络配置21主干网络和主干网络协议根据标书要求，本项目选用先进的工业控制以太网和EtherNet/IP以太网工业（应用）协议，工业控制网络的核心技术是控制与信息协议(Control and Information Protocol ,CIP)。CIP协议的控制部分用以进行实时I/O数据传送和互锁。信息处理部分用以进行报文信息的交换，如对等的通讯、报警、组态、操作员显示站以及故障诊断等。E
5、therNet/IP在网络应用层中采用了CIP协议，是由国际现场总线组织ODVA和 ControlNet +International 于2000年初宣布推出的在现有商用以太网基础上开发的开放的工业网络标准。EtherNet/IP利用了现有成熟的以太网通讯芯片、物理介质和TCP/IP 套件，并且在其应用层植入CIP协议，这种商业应用基础与新的网络技术CIP 协议的融合，很好地将工业网络的技术优势和以太网应用的广泛性、经济性结合在一起。EtherNet/IP具有处理大量报文信息能力，1000Mbps 的网络速度，每个数据分组可以达到1500个字节，提供了一种大量数据通讯的处理方式。另外，Ethe
6、rNet/IP的开放性能将使系统在规模上的扩展和内容上的增加（如在以太网上增加话音、图象等内容的传输）变得极为方便。EtherNet/IP具有极为突出的网络效率，在同一介质上定义了三种最基本的功能：211实时控制：基于PLC或者智能型设备中所储存的程序，提供控制的具体操作或者工艺过程中的实时数据交换，通过网络的传输实现控制目的。这些控制指令的刷新可以预先规划，也可以基于状态变化，或者在每次新一轮操作开始时进行。212网络组态：允许在某一中心位置集中起动网络或者网络上某一个具体的网络设备，或者起动其他的基于CIP 协议的网络（如EtherNet/IP、DeviceNet）。可以在网络起动时进行网
7、络设备组态，在线修改设备参数，或者通过网络修改PLC程序。而不必为了完成对PLC的编程从一个网络移动到另外一个网络，或者从一个PLC设备移动到下一个PLC设备。无需进行任何的逻辑或者梯形图编程，就可以实现沿网络进行路由，而且可以浏览到网络上所有的设备。借助于CIP协议，可以从一个位置上起动整个的网络系统。213数据采集：采集人机接口显示所需要的数据。包括趋势和分析、配方管理、系统维护和故障诊断。无论是基于既定节拍，还是根据应用需要，都可以非常方便地实现数据采集。在整个数据采集的过程中都无需PLC参与数据的流量控制。22主干网络拓扑和主干网络交换机EtherNet/IP支持包括星形、树型、总线形
8、和环形等各类不同物理结构的网络拓扑，在本项目中，系统的PLC的主干网络为100Mbps全双工交换式光纤环网。环形结构是目前比较典型的一种工业网络结构，其特点是当线路上有一个断点时，整个网络仍可正常通讯，也就是说这种结构具有线路冗余的性能。由于EtherNet/IP在底层（ISO定义的OSI参考模型中的第14层）采用的是符合IEEE 802.3标准的以太网，而IEEE 802.3标准实际上是一个总线标准，一般办公用的交换机（或HUB）不支持环形结构，比较高级的办公用交换机可以采用Spanning Tree（生成树）算法在两个交换机之间建立两个通道（正常运行时只有一个通道工作），类似于环形结构，但
9、由于生成树算法的限制，当其中一个通道发生故障时，另一个通道一般需要经过3090秒才能接通，这明显不能满足工业要求，不可以称为容错冗余光纤环网。本系统配置了德国赫斯曼公司的采用HIPER-Ring冗余概念的工业以太网交换机，不仅完全支持以太网标准，而且可以保证在毫秒级的时间内完成网络的自愈和系统的重新组态。23LCS控制站与RIO远程站的连接网络和网络协议根据标书要求，LCS与RIO之间的连接选用先进的ControlNet工业控制网，ControlNet是一种开放的、高速、高吞吐能力的实时工业控制网络，采用了基于“生产者/消费者模式”（producer/consumer）的网络通讯协议。此外，C
10、ontrolNet网络同时支持设备组态和数据采集，但是却不会对按计划进行的控制或者输入输出产生影响。ControlNet保证了整个数据通讯可以依计划进行，不会随着工况的改变使得完成数据通讯的时间产生变化，保证了数据通讯的质量。ControlNet是特别面向工业控制所设计的网络。充分考虑了用户在工厂控制级所面临的一些关键问题：苛刻的工业应用环境，电缆的噪声屏蔽，强壮的协议，不可缺少的灵活性等。ControlNet特别适合于协调传动控制、批处理和过程控制等应用。ControlNet网络拓扑支持主干线/分支线结构，物理层支持网络介质冗余结构，提供备用通讯电缆系统，每个节点设备都可以从互为备用的两套通
11、讯电缆系统中选择信号质量较高的链路。借助于介质冗余，即便是网络链路上某一网段出现故障，网络设备仍然能够保持网络连接，保证数据通讯的正常进行。ControlNet是确定性的、可重复的网络，网络能够精确地管理控制数据何时能够成功发送。通过系统组态，网络支持规划报文传送，保证规划报文按照预先要求传送，所花费的时间具有确定性，不随节点变化、拓扑变化、网络通讯量的变化而改变。由用户来确定网络上的每台设备的数据在什么时间、以什么样的时间间隔进行数据交换。3软硬件配置31硬件配置311PLC部分PLC部分将选用美国Rockwell自动化公司的ControlLogix系列产品，该系列产品是罗克韦尔自动化公司L
12、ogix控制引擎系列中最具代表性的产品。从外表看起来似乎像一个可编程控制器系统，但是实际上它却远远超越了传统意义上的PLC系统。ControlLogix 体系结构是最新科技的多控制律集成控制平台，是先进的混成控制(Hybrid Control)，可以完成顺序控制、运动控制、传动控制和过程控制。不同于传统的可编程控制器，ControlLogix系统是完全的模块化设计。从框架电源、模块类型，到内存、控制器数量、网络类型等，一切都根据应用需求来进行选择。这种高度的灵活性允许在一个机架中混合使用多个处理器、不同的网络和I/O模块。其中多个处理器使得一方面能够共享系统资源，另外一方面又能够将应用分割成若
13、干个部分，由不同的处理器协调处理。ControlLogix另外一个核心特性是集成的网关功能。系统提供不同最新网络之间的桥接，如Ethernet/IP、ControlNet、DeviceNet等，同时包括过去既有的网络如Data Highway Plus和通用型Universal Remote I/O网络等，系统可以在现有网络或者其它的网络和ControlLogix系统之间透明地发送和接收数据，所有的网络桥接不用处理器参与，无须专门的程序就可以实现，极大地解放了处理器，保证了通讯的性能，而且保证了系统开发的效率和使用的简便性。ControlLogix体系结构在处理器和高速的背板总线之间提供高性能
14、的数据通讯。处理器本身的计算能力也达到业界最高水平。每千字节指令的处理速度仅为80微妙。由于框架背板基于网络而非总线的连接，每一模块均作为网络节点而存在，可自由的实现带电插拔，在不终止其他模块正常运行的情况下方便了设备的维护和系统的扩展正是由于ControlLogix系统独特的设计和优异的性能，在1997年底一经发布，就迅速得到工业界的广泛认同，大量应用于汽车、石化、电力、制药、造纸、基础设施等几乎所有的行业中。312PLC的防腐处理和冗余配置PLC所有模块、槽架、电源均经过特殊的涂覆处理，并符合ANSI/ISA-S71.04-1985“EnvironmentalConditions for
15、Process Measurement and Control System: Airborne Contaminates”(“过程测量与控制系统的环境条件：空气污染”)标准中G3环境级别的使用要求，G3环境级别规定污染空气中的硫化氢浓度小于50ppm，二氧化硫浓度小于300ppm，氯气浓度小于10ppm，因此，满足G3环境级别将可极大地提高系统在难以控制的恶劣环境中的可靠性。按照标书要求，PLC还采用了CPU和电源热备的冗余方式，下图为满足要求的配置方案：I/O模块ControlNet模块通信模块通信模块CPU模块ControlNet模块冗余切换 模块电源模块CPU模块ControlNet模块冗余切换 模块电源模块I/O模块ControlNet模块通信模块通信模块313现场操作终端现场操作终端是一个位于PLC柜上的可视化操作界面，选用Rockwell自动化公司的配套产品PanelView，现场操作终端通过工业以太网与控制系统的PLC或中控室监控计算机进行数据交换，以图形或文字的方式现场显示实时工况，也可以下达操作指令，是现场操作人员的得力助手。314系统防雷为
