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★管力（北京碧水源科技股份有限公司，北京102206）

摘要：本文介紹了工業以太網在大中型污水處理廠中的應用。簡單地介紹了工業以太網的技術特點，使用工業以太網技術是穩定的、可靠的、安全的，完全滿足工業環境。詳細地論述了工業以太網在污水處理中的應用過程，包括工業以太網系統的硬件組成、功能、污水處理過程中的應用，如何在Step7v5.5和Wincc7.2中編寫工業以太網程序，以及中央控制室內可以實現的控制功能。在大中型污處理廠中使用工業以太網技術可以實現真正意義上的管控一體化，采用工業以太網技術提高了污水處理的效率、降低了運營成本。

關鍵詞：工業以太網；PLC；組態軟件；工控機；交換機

1 緒論

近些年我國的國民經濟快速的發展，工業現代化的步伐不斷加快，人口的高度集中，城市用水量和污水的排放量不斷增加，加劇了用水緊張和水質污染。污水如果任意排放將造成環境的巨大污染。因此，污水處理受到世界各國廣泛重視，我國尤其如此。在這種背景下，近年來國內建設了許多現代化的大中型污水處理廠。大中型污水廠的共同特點是：日處理污水量非常大、污水所含成分比較復雜、處理單元比較多而且每個處理單元相對位置比較遠、設備位置比較分散等。具有這些特點的大中型污水處理廠，使用傳統的控制系統時不僅需要鋪設大量電纜、增設控制裝置、使信號的采集和傳送不及時、不完整，而且需要增加操作人員和維護人員,這樣不但給設計、施工、調試和維護帶來諸多麻煩，而且增加投資費用和運營維護費用。如果要想避免這些缺點，可以在污水處理廠的自控系統中采用現場總線技術或工業以太網技術。現場總線技術被廣泛地應用于工業過程控制領域。它具有實時性好、布線簡單、可靠性高的特點，比較適合工業環境。但是，它也有自己的缺點，如標準不統一、各個廠商各自為政；傳輸速率低、無法傳輸圖像和語音信息、網絡互連困難等。

工業以太網技術誕生雖然較現場總線技術晚，但是因為具有以下優勢而得到迅猛發展：（1）應用廣泛。（2）通信速率高。（3）成本低廉。（4）資源共享能力強。（5）可持續發展潛力大。具有上述優點的工業以太網絡可以實現和辦公自動化網絡的無縫連接，實現真正意義上的管控一體化，所以工業以太網比現場總線更具有優勢，工業以太網應用到大中型污水處理廠中有著非常美好的前景。

2 工業以太網簡介

工業以太網是應用于工業控制領域的以太網技術，在技術上與商用以太網（即IEEE802.3標準）兼容。產品設計時，在材質的選用、產品的強度、適用性以及實時性、可互操作性、可靠性、抗干擾性、本質安全性等方面能滿足工業現場的需要。

EtherNet過去被認為是一種“非確定性”的網絡，作為信息技術的基礎，是為IT領域應用而開發的，在工業控制領域只能得到有限應用，這是由于：（1）EtherNet的介質訪問控制（MAC）層協議采用帶碰撞檢測的載波偵聽多址訪問（CSMA/CD）方式，當網絡負荷較重時，網絡的確定性不能滿足工業控制的實時性要求；（2）EtherNet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業現場惡劣環境要求；（3）在工廠環境中，EtherNet抗干擾（EMI）性能較差，若用于危險場合，以太網不具備本質安全性能；（4）EtherNet不能通過信號線向現場設備供電問題。

隨著互聯網技術的發展與普及推廣，EtherNet傳輸速率的提高和EtherNet交換技術的發展，針對工業現場設備間通信具有實時性強、數據信息短、周期性較強等特點和要求，采用以下技術解決了以太網應用于現場設備間通信的技術難題：

（1）通信確定性與實時性

采用以太網交換技術、全雙工通信、流量控制等技術，以及確定性數據通信調度控制策略、簡化通信棧軟件層次、現場設備層網絡微網段化等針對工業過程控制的通信實時性措施，解決了以太網通信的實時性。

（2）穩定性與可靠性

采用分散結構化設計、EMC設計、冗余、自診斷

等可靠性設計技術等，提高基于以太網技術的現場設備可靠性，經實驗室EMC測試，設備穩定性與可靠性符合工業現場控制要求。

（3）安全性

采用控制區域微網段化，各控制區域通過具有網絡隔離和安全過濾的現場控制器與系統主干相連，實現各控制區域與其他區域之間的邏輯上的網絡隔離。

（4）總線供電問題

采用直流電源耦合、電源冗余管理等技術，設計了能實現網絡供電或總線供電的以太網集線器，解決了以太網總線的供電問題。

（5）遠距離傳輸技術

采用網絡分層、控制區域微網段化、網絡超小時滯中繼以及光纖等技術解決以太網的遠距離傳輸問題。

由于工業以太網應用于現場設備間通信的關鍵技術得到解決，使得工業以太網技術可以大規模地應用到工業控制領域，下面以某中型污水處理廠為例，說明工業以太網的應用。

3 污水處理廠的工業以太網系統的組成及功能

3.1某污水廠污水處理工藝流程及工藝簡介（如圖1所示）

圖1 污水處理廠工藝流程圖

本污水處理廠每天的處理規模是50,000噸。圖1中污水經粗格柵過濾后進入提升泵房，之后依次經過細格柵、沉砂池、超細格柵間、厭氧池、缺氧池、好氧池、膜池、接觸池，最后進入河流，產生的污泥運送到廠外。

（1）粗格柵：去除比較大的懸浮物。主要設備粗格柵機、柵渣輸送機、柵渣壓實機。

（2）提升泵房：把提升泵房中的污水池內的污水提升到格柵間。主要設備：潛水提升泵、潛水軸流泵。

（3）細格柵：去除比較小的懸浮物。主要設備：循環式齒耙清污機、螺旋壓榨一體機。

（4）沉沙池：使污水中的沙子沉淀下來，用沉砂泵將沉砂提升，通過管道輸送到洗砂車間。主要設備：提砂泵、橋式吸砂機、砂水分離器、鼓風機。

（5）超細格柵：來水經超細濾除800微米以上的顆粒物質，以保護微濾膜，減少反洗次數延長其使用周期和使用壽命。主要設備：超細格柵機。

（6）厭氧反應池：主要作用是生物除磷。主要設備：潛水推進器、手電動鑄鐵鑲銅閘門、潛水攪拌器。

（7）缺氧反應池：將廢水中的各種復雜有機物分解。有機物在缺氧菌的作用下逐步分解為甲烷和二氧化碳。在分解過程中含氮有機物分解產生的NH3又可以提供微生物的養料。主要設備：潛水推進器、手電動鑄鐵鑲銅閘門、潛水攪拌器。

（8）好氧反應池：MBR膜片采用的聚偏氟乙烯（PVDF）中空纖維膜。膜組件有以下特點：膜材質為聚偏氟乙烯，抗污染性強，易清洗，適于污水處理；化學性能穩定，抗氧化性強，可采用常用氧化性藥劑清洗；好氧反應池的作用是通過池底鋪設的曝氣裝置不間斷進行曝氣，污水在此池內進行有機物生化降解，去除水中的BOD和COD。主要設備：潛水推進器、手電動鑄鐵鑲銅閘門、潛水攪拌器。為了保證MBR膜組件具有良好水通量，能持續、穩定地出水，需定期對MBR膜組件進行反洗。

（9）化學清洗系統：MBR系統設置一套化學清洗系統，此系統是由清洗循環水泵、次氯酸鈉及檸檬酸加藥裝置、雙向泵、吊車構成。化學清洗是在MBR運行約半年至一年間（具體時間需根據進水水質以及設備運行情況確定）對膜組件進行的徹底清洗。

（10）鼓風機房：作用是給微生物提供養分、動力，吹掃膜絲，使膜免于堵塞。主要設備：鼓風機。

（11）設備間主要設備：離心產水泵、反沖洗泵、

抽真空泵、剩余污泥泵、在線清洗泵、空壓機、冷干機、檸檬酸計量泵、次氯酸鈉計量泵、次氯酸鈉泄料泵、次氯酸鈉輸送泵。

（12）接觸池：處理完畢的污水在排到洳河前在此進行臭氧消毒。

（13）消毒間主要設備：臭氧發生器。臭氧發生器由S7200控制。

3.2 污水處理廠的工控網絡的系統圖及說明（如圖2所示）

圖2 污水處理廠工業以太網系統圖

全廠的工業以太網系統由1個中央控制室和3個現場PLC控制站組成。中央控制室設置1臺服務器和1臺工控機（作為操作站），通過工業以太網與現場的3個PLC（西門子S7-300系列）控制站連接。現場PLC控制站采集現場數據并分析、判斷，然后輸出邏輯結果，控制現場設備。PLC同時把現場采集的數據通過工業以太網傳輸給服務器，服務器通過組態軟件顯示工藝參數、存儲數據、發出報警信息，打印報表、調用歷史數據、顯示設備運行趨勢圖，還可以把工業以太網傳輸的工藝參數存儲到數據庫中長期保存，方便科學研究。

3.3 系統硬件組成及功能

系統主要由4大部分組成，具體描述如下：

3.3.1 中央控制室

設置工控機兩臺，型號：研華IPC-610H。硬件配置：英特爾i5處理器，8G內存，1T硬盤，一塊自適應式10/100MB以太網網卡。光纖交換機一臺：型號：KIEN-2000B-2M（東土科技），10/100MB，2個光口。

3.3.2 一號PLC控制站設備控制方法

本站控制鼓風機房內的所有設備，包括采集溫度、壓力等所有儀表的數據。

PLC通過采集溫度變送器、壓力變送器等儀表信號，并且比較當前值與設定值的大小來控制鼓風機啟停、電動閥的開關，同時也控制其它設備。中央控制室內通過工業以太網可監控所有設備，顯示所有工藝參數，報警信息。

3.3.3 二號PLC控制站設備控制方法

本站控制的范圍包括好氧池、厭氧池、缺氧池、膜池、設備間、化學清洗系統內的所有設備。采集液位、濁度、壓差、流量、溫度、壓力、水質等所有儀表的數據，數據通過工業以太網傳送到中央控制室、顯示、存儲。

電磁流量計計量離心產水泵的產水量并且把流量信號傳給PLC，PLC利用采集的即時流量信號，用PID程序調節變頻器，使離心產水泵的產水量達到恒流量。因為有了工業以太網，在中控室內可以任意設定離心產水泵的流量、工作頻率、啟停等。

本站要控制的設備還有反沖洗泵，抽真空泵，剩余污泥泵，在線清洗泵，空壓機，冷干機，檸檬酸計量泵，次氯酸鈉計量泵，次氯酸鈉泄料泵，次氯酸鈉輸送泵等。這些設備都通過工業以太網在中控室內可監可控。

3.3.4 三號PLC控制站設備控制方法

本站控制的范圍包括粗格柵、提升泵房、細格柵、超細格柵內的所有設備。提升泵的控制比較典型，提升泵主要由液位、流量控制，液位控制比較復雜，其中2個液位提升泵房，信號采集在本PLC站內實現的；還有2個液位在膜池，它的信號采集在二號PLC控制站完成的。因為膜池的液位必須控制提升泵，所以必須通過工業以太網在兩個控制站之間傳遞數據來控制提升泵。

其它設備狀態及儀表信號都通過工業以太網在中控室內可監可控。

3.3.5 工業以太網硬件連接

在中控室內把服務器和工控機使用普通網線（銅芯4對雙絞線）連接到光纖交換機上，使用各自的RJ45口。用光纖連接中控室內的光纖交換機和現場一號控制站的光纖交換機，使用各自的光纖通訊口。使用普通網線連接現場的光纖交換機和PLC模塊CP343-1（連接各自的RJ45口）。用同樣的方式連接其他兩個控制站，這樣就構成了完整的工業以太網。網絡的拓撲結構為總線型。

3.4 系統軟件配置、軟件組態和編程

3.4.1 系統軟件配置

（1）PLC控制站的軟件選用西門子公司的STEP7 V5.5。

（2）中控室內的工控軟件選用西門子公司的Wincc7.2。

3.4.2 STEP7 V5.5軟件中的工業以太網編程方法

3.4.2.1 通訊協議、接口設定

在“Simatic Manger”界面中，選擇“Option”中的“Set Pg/Pc Interface”，進入“SetPg/Pc Interface”界面，選定“Tcp/Ip（Auto）中的RealtrkRtl8139/810”通信協議，然后點擊“ok”按鈕。

3.4.2.2 新鍵項目

在“Simatic Manger”界面中選擇“File→New Project”，在彈出的對話框中的“Name”下面給新工程取名為“Project”。在Project工程界面中單擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中選擇“Insert New Object→Simatic 300station”，插入一個300站，取名為“SIMATIC 300（1）”。用同樣的方法再插入2個300站分別取名為“SIMATIC 300（2）”和“SIMATIC 300（3）”^[2]。

3.4.2.3 硬件組態

在“Simatic Manger–[Project]”工程界面中雙擊“SIMATIC 300（1）”，再雙擊“HARDWARE”，在機架上加入CUP315-3DP，SM321，SM322，CP343-1等模塊。把CPU的MPI地址設為4，CP343-1可以在“Simatic→Cp300→Industrial Ethernet”下找到。CP343-1在插入機架時會彈出一個CP343-1屬性對話框。新建以太網“ETHERNET（1）”設置他的IP地址為“192.168.0.10”，子網掩碼為“255.255.255.0”。用同樣的方法組態“SIMATIC 300（2）”和“SIMATIC 300（3）”。它們的IP地址分別設為“192.168.0.12”和“192.168.0.13”，子網掩碼為“255.255.255.0”。

3.4.2.4 網絡參數配置

首先，在“Simatic Manger–[Project]”工程界面中單擊“option→configure network”按鈕，此時可以看到3臺PLC已經掛入了工業以太網中。選中“SIMATIC 300（1）”的CPU，單擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中選擇“Insert New Connection”，建立新連接。這時會自動彈出插入新連接對話框，在“connection partner”中選擇“SIMATIC 300（2）”，這表示給“SIMATIC 300（1）”和“SIMATIC 300（2）”建立一個連接。之后，在連接類型中，選擇“Iso-On-Tcp Connection”，然后點擊“Ok”按鈕。此時會自動彈出連接屬性對話框，點擊“General Information”選項卡，在“Block Parameters”欄中可以看到Id和Laddr，其中Id=1是通訊連接號；Laddr=W#16#0110是Cp模塊的地址。這兩個參數編程中會用到。最后，激活“ActiveConnection Establishment”選項。用同樣的方法建立“SIMATIC 300（2）”和“SIMATIC 300（3）”的連接、“SIMATIC 300（3）”和“SIMATIC 300（1）”的連接。保存并下載到PLC中。^[4]

3.4.2.5 編寫程序

編寫工業以太網通訊程序需要調用功能塊FC5“AG SENG”和FC6“AG RECV”。這兩個指令在指令庫“Libraries→Simatic_Net_Cp→Cp300”中可以找到。發送和接收程序如圖3、圖4所示。

圖3 發送方程序

圖4 接收方程序

3.4.3 Wincc軟件中的工業以太網通訊編程

3.4.3.1 建立項目

單擊“桌面→SIMATIC WinCC Explorer”快捷鍵來啟動Wincc，在彈出的對話框中選擇“多用戶項目”。在彈出的創建新項目對話框中為新項目取名為“Project”，之后點擊創建按鈕，這樣就新建了一個項目^[3]。

3.4.3.2 添加工業以太網驅動程序

在project項目的瀏覽窗口中選定“變量管理”，右擊“變量管理”在快捷菜單中選擇“添加新的驅動程序”，在“添加新的驅動程序”對話框中選擇simatics7 protocol suite。chn驅動程序，之后點擊“打開”按鈕。此時，所選擇的驅動程序就會顯示在變量管理的子目錄下。

3.4.3.3在新建的“Project”項目中建立WinCC與PLC之間的工業以太網連接

在驅動集合中選定“Industria lEthernet”驅動程序，然后右擊，在快捷菜單中選擇“新驅動程序的連接”，在彈出的“連接屬性”對話框中為新連接取名為“PLC1”。點擊屬性，在彈出的“連接參數”對話框中設置參數。在“以太網地址”文本框中按格式輸入所要連接的PLC上的通訊處理器的地址，這個地址是CP343-1的靜態IP地址（MAC）。在機架號、插槽號的文本框中添入PLC的CPU模塊所在的機架號和插槽號[5]。

3.4.4 中央控制室組態軟件的主要功能

3.4.4.1顯示功能

工控組態軟件監控系統以圖形或圖像的方式形象顯示工藝流程、各設備狀態以及廠區概貌、工藝布置圖。通過I/O輸入輸出域、棒圖、曲線、數據表格等方式監視液位、壓力、溫度、流量、水質等工藝參數。

3.4.4.2 報警功能

系統自動進行報警和事件處理。當報警發生時，如液位超高或過低，系統可快速檢測并通過畫面狀態變化提示，并顯示報警文本，同時發出聲音報警提醒監控人員注意。報警到達時間、確認時間及排除時間、報警值、限位值、當前操作員等相應信息自動進入存檔。報警到達以及報警確認但未排除，采用兩種聲音提示。報警可手動消音。報警信息存儲半年以上，以便進行故障分析和查詢。操作事件等狀態變化也自動進行存儲歸檔。

3.4.4.3 數據歸檔存儲功能

液位、壓力、溫度、流量、水質污水處理量等工藝參數數值按定義周期自動進行存儲到數據庫（Microsoft Access）中。存儲的數據可按曲線或數據列表的方式進行顯示。并提供歷史數據查詢、ZOOM顯示、觀察線、在線關閉打開曲線、在線調整時間范圍、在線修整顯示模式等功能。數據永久保存。

3.4.4.4 調用歷史數據功能

可以調用數據庫中的任何時刻的工藝參數。打印可按定義時間自動進行，也可通過按鈕人工打印。事故報警可隨時打印，并可根據需要將最近200條或30天的歸檔全部輸出。月報數據自動累計計算并打印到月報報表上。報表文件在打印的同時自動在硬盤上存儲，以便重新輸出。存儲的報表可在系統中打開瀏覽。

3.4.4.5 用戶管理功能

操作人員操作設備必須進行登錄。根據不同操作人員的級別，系統自動判斷封鎖操作人員所能進行的操作。當報警發生時，當前操作員被記錄存檔。系統根據用戶名和密碼顯示和控制屏幕上的畫面及操作。無權限的用戶只能瀏覽畫面，不能修改參數機設備控制。

3.5 本章小結

本章根據某中型污水處理廠項目自動化系統建設實際，給出了工業以太網在自動化控制系統中的構建和應用技術。應用實例介紹工業以太網在主機采用WinCC監控軟件的系統如何實現數據集成，同時介紹了采用

Siemens PLC做為控制器的系統如何通過工業以太網監控和數據集成。

4 結束語

大中型污水廠自動化是一項復雜的工程，它涉及企業生產調度、設備運行管理維護、生產工藝改進等多個方面。

本文探討了工業以太網在自動化控制系統應用技術及其原理，結合大中型污水廠自身特點，探討了工業以太網應用的關鍵技術：基于Siemens PLCS7-300硬件通訊協議，網絡參數的設置等基礎上分析數據傳輸機理。通過對關鍵技術的研究，結合工業以太網自身特點，采用WinCC組態軟件實現生產應用的數據采集、數據集成以及設備狀態監控。

隨著自動化科技發展，工業以太網的應用日益廣泛，由于其通信速率高，傳輸距離遠，成本日趨降低，資源共享能力強等優勢。在大中型污水廠自動化項目中應用工業以太網技術，可以實現全廠網絡化的快捷方便的生產管理，極大地提高生產效率、降低成本。生產網絡化和管理控制一體化必然會使得工業以太網在大中型污水處理廠自動化應用中得到廣泛應用。

作者簡介：

管力（1982-），男，河北人，工程師，學士，現就職于北京碧水源科技股份有限公司，主要從事工業自動化方面的工作。

參考文獻：

[1]西門子(中國)有限公司.S7-300可編程序控制器系統手冊[Z].

[2]西門子(中國)有限公司.STEP7編程手冊[Z].

[3]西門子(中國)有限公司.WINCC編程手冊[Z].

[4]秦益霖.西門子S7-300PLC應用技術[M].北京:電子工業出版社.

[5]西門子(中國)有限公司自動化與驅動集團.深入淺出西門子WinCCV6(第2版)[M].北京:北京航空航天大學出版社.

摘自《自動化博覽》2022年9月刊