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（歐姆龍貿易（上海）有限公司 社會基礎設施統轄部）  陳建瓴

  可編程序控制器（簡稱PLC）自從1969年由美國數字設備公司(DEC)發明問世以來，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展。對于自動化技術的發展，PLC是功不可沒的。如今的PLC可以按照要求實現大部分工藝流程的精確和快速的自動化控制。隨著由PLC和計算機構成的工廠自動化網絡有了質的飛躍后，在大型系統、工藝相當復雜、控制要求高的場合中，原先用DCS系統的，也漸漸被PLC及其網絡所取代。在這種情況下，PLC網絡在水處理行業被越來越廣泛地采納和使用。

  水處理行業主要分為凈水處理和污水處理兩大部分。凈水廠控制系統通常分為水廠調度系統、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，通過有線網絡進行通訊，將所有的數據信息送到水廠調度室進行處理，或將一部分數據通過調度系統以無線（或有線）通訊的方式送到城市的調度中心。對于污水處理來說，要根據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應用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場控制站，站與站之間通過控制器層網絡或信息層網絡相連，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絡連接，這樣和現場控制站構成了集中管理，分散控制，高速數據交換的工廠級自動化網絡。PLC自控系統是水處理廠的控制核心部分，對其合理的選型和設計，對污水廠能否高效、自動化的運行非常重要。然而，PLC網絡又是其中的重中之重，網絡的好壞直接影響到污水廠的正常運行。

  在全世界范圍內，歐姆龍一直是世界五大PLC生產商之一。歐姆龍PLC在水處理行業中主要使用CS1D/CS1或 CJ1系列。而由這些PLC組成的歐姆龍網絡主要有三層：工業以太網，Controller Link網和DeviceNet現場總線。這三層網絡已經被廣泛地運用在此行業中。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絡在水處理行業中的應用技術。

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，北接金霞開發區。用地面積10.61公頃，位于現有第一污水處理廠內及西北側。一期擴建工程規模為18萬噸/日，其中包括：(1) 將現有第一污水處理廠3×104m3/d的二級處理部分完善成帶厭氧段的A/O工藝。(2) 在現有3×104m3/d處理的基礎上，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年規模達到18×104m3/d。一期擴建工程包括兩部分，即污水收集管網及泵站部分和污水處理廠廠區部分。其中廠區部分工程內容包括：對長沙市第一污水處理廠內的污水處理、污泥處理設施及配套的附屬設施改建和擴建。經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

  現場控制站、分控站和遠程現場站的PLC采用目前OMRON公司最新產品CS1機型。OMRON PLC產品貨源充足、中文資料豐富、備品備件方便，技術服務方便、國內維修便利等特點。CS1機型有以下特點：

  ●  高速RISC的CPU（32位）

  ●  程序容量：60K，數據容量：128K，程序存儲器帶保護開關，鋰電池保護程序，快閃存儲保護數據
 
  ●  最大IO點數： 5120點（不包括內部繼電器位）
 
  ●  電源電壓范圍：85～132VAC或170～264VAC
 
  ●  基本指令處理速度：≤0.04?s
 
  ●  特殊指令處理速度：≤0.12?s

  ●  CPU帶RS-232C(可達115.2Kbps)端口，通過串行通信設備，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，用于連接現場儀表、外圍通信設備和觸摸屏（PT）

  ●  對于每個串行通信口，具備自定義協議的通訊功能－協議宏功能（Protocol Macro），能與非本公司產品進行數據交換,便于和現場智能儀表相連

  ●  支持E_mail功能，能以事件觸發、定時觸發及故障觸發方式由PLC向上位機發送電子郵件

  ●  具有電源出錯履歷、電源中斷時間壓棧、電源中斷計數等電源維護功能
 
  ●  支持以太網(Ethernet)、控制網(Controller Link)、設備網（DeviceNet），并支持多網配置
 
  ●  使用最新的編程軟件CX-P和仿真軟件CX-Simulator可以實現離線模擬仿真調試。

  為了便于現場操作，在被控現場配置可編程顯示終端，即觸摸屏。選用的是NT631C。廠區分控站主站(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
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  ●  顯示器件：彩色

  ●  有效顯示區域：10.4”

  ●  顯示分辨率： 640*480點
 
  ●  畫面數量：≥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
 
  ●  采用32位RISC芯片

  ●  運行時間:  ≥25000小時

4．歐姆龍網絡選擇
 
  歐姆龍不僅提供品種眾多的PLC型號，而且由PLC組成的網絡產品也是非常豐富。歐姆龍主要的網絡有以下幾種：

  可將以上的網絡從高到低劃分為三個層次：信息層、控制層和設備層。第一層信息網，包括工業以太網（Ethernet）和SYSNET，主要負責大量信息的采集和實時監控，對現場的PLC、檢測元器件和執行機構實行中央集中控制，最新的工業以太網技術（CIP技術）在商用以太網的基礎上增加了工業級的實時性，已成為最通用最高速的一種信息網絡。第二層為控制層，包括SYSMAC Link、PC Link和Controller Link，控制層網絡的特點是高速、高可靠，適合PLC與計算機、PLC與PLC及其它設備之間的大量數據的高速通訊。最底層網絡為設備層，它們有SYSBUS、SYSBUS/2、CompoBus/D（DeviceNet）、CompoBus/S、ProfiBus-DP、Modbus等，這一層用于PLC與現場設備、遠程I/O端子及現場儀表或智能設備之間的通訊，設備層網絡應是與現場設備連接方便，并能起到省配線的作用，成本低廉。第三層網絡習慣上稱之為現場總線。Ethernet、Controller Link和DeviceNet代表了歐姆龍以上三個層次網絡產品的最新技術。

  根據對歐姆龍以上網絡系統的分析，結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絡系統如圖3（以太網結構）所示。

  長沙市第一污水處理廠工程控制系統由中央控制室的上位計算機管理控制系統、三個現場控制站（PLC1～PLC3）和兩個廠外泵站組成。采用由工業控制計算機及PLC構成的分散集中控制系統。該系統集控制、數據采集功能為一體，完成整個水廠的過程控制、工藝流程顯示、設備運行狀態的監測及故障報警。

  中央控制室設置兩臺SCADA工作站（工控機）為操作站。以流行的SCADA軟件作為系統控制軟件，內部集成VBA，并配置高清晰投影儀和大型馬賽克模擬屏。廠區內中央控制室和三個現場控制站組成雙環光纖冗余以太網絡系統，通訊速率主干線及計算機為100Mbps、PLC為10Mbps。中央控制室可調用各現場站的全部運行信息，在中央控制室可控制現場主要設備的啟動和停止。

  本系統中央控制室與現場站PLC之間采用雙環光纖冗余工業以太網（Ethernet），其通訊介質為六芯單模光纖(兩用四備、10/125μm，)。

  環形光纖以太網采用10/100Mbps的通訊方式，即：主干光環及與計算機連接為100M，與PLC連接為10M。通訊光纖采用直埋式鎧裝防雷設計的六芯單模光纖（10/125μm），聯接頭為國際標準SC連接頭。

具體做法如下:

  計算機和PLC采用標準的RJ45接口, 然后分別通過RS2-FX-sm模塊將RJ45

圖3  長沙一污自控系統圖

  方式轉換為200M/100M兼容的光纖環網方式。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上的冗余以太網模塊與一個RS2-FX-sm相連。
工業以太網特性如下：

  ˙支持TCP/IP，UDP/IP標準協議，可與其他以太網設備，工作站、個人電腦及其他生產商提供的以太網產品通信。

  ˙支持FINS通信，可使用FINS GATEWAY功能使以太網與工業控制網絡通信，協議為開放型。

  ˙有Socket服務功能，使用UDP或TCP協議傳送數據。

  ˙自帶FTP服務功能，從而使工作站或個人電腦能通過FTP客戶功能對PLC進行數據讀寫，而無需PLC上編程。

  ˙帶有E-mail功能，能向mail server發送用戶自定義信息，故障信息，狀態信息等，帶RAS功能，支持遠程數據訪問。

  ˙帶有自診斷功能，節點旁路功能，傳輸路徑具有斷線冗余功能。

  ˙遠程站點可執行PING指令，可檢測網絡連接狀態。

  ˙具有歷史故障履歷。

  ˙傳輸率：10/100Mbps

  ˙傳輸協議：TCP/IP、UDP/IP、FINS、FTP、SMTP

  ˙傳送距離：30Km

  ˙傳送媒體方式：單模光纖環

  ˙通過OMRON網關－ONC或PLC,可與其它控制網絡、現場總線相連。

  PLC上的以太網模塊選用的是CS1W-ETN11，它支持10BASE-T的以太網標準，通訊速率為10Mbps。在使用以太網模塊前，先要對CS1W-ETN11進行單元號和節點號設定。單元號設定是對PLC上的總線特殊單元進行區分，給每個總線特殊單元分配相應的地址。單元號可以從0～F自由設定，假定單元號設為0，則相應的地址分配為CIO1500～1524，D30000~D30099共占用25個字；節點號是設置以太網區域的節點地址，用來區分整個網絡中各臺的PLC。節點號可以從01～7E，即十進制的01～126。假定節點號設置為01。

  單元號和節點號設置完成之后，就是設定此個以太網單元的IP地址。可以是自動分配IP地址，不過要進行相應的計算。計算過程如下：遠程節點IP地址＝（本地節點IP地址AND（與運算）子網掩碼）OR（或運算）遠程FINS節點號。比如：本地節點IP地址為130.25.36.8，子網掩碼為255.255.255.0，遠程FINS節點號為5，則遠程節點IP地址就是130.25.36.5。在單元的背面開關是設定本地節點IP地址，在單元的右側標牌上顯示的是每個以太網單元的唯一的以太網地址。

  硬件設定全部結束后，把CS1W-ETN11單元插在底板上，然后根據要求用RJ45屏蔽雙絞線連接至HUB或網絡中的其他節點上。由于在這個項目中只有一個網絡，就是以太網，所以不必設定路由表。最后用PING指令進行測試，看能不能用計算機連通這個節點。如果連不上，重新檢查硬件設置和連線。

  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換成光口，用單模光纜把這些設備連起來構成了光纖環網，不僅可以實現20KM的遠距離通訊和100Mbps的高速數據交換，更重要的是它采用了先進的斷線自檢測逆向流通算法，使得環網本身實現了冗余，而且光纖網絡的抗干擾性能優越。雖然增加了光纖交換機，但是它的協議卻是透明的，也就是說光纖交換機只是起到了硬件的轉換，而協議并沒有改變。原來數據走的FINS協議，或是標準的TCP/IP協議都是無縫地在這個工業以太網光纖環網中進行透明的傳輸。

5. 與第三方廠商成套設備或數字控制設備之間的串行通訊網絡

  由于現場的儀器儀表，智能儀表或是第三方的PLC設備眾多，而且都是來自不同的廠家，這些設備都帶有自己的協議，比如MODBUS或是PROFIBUS，而歐姆龍的通訊協議是HOST LINK和FINS。所以簡單的硬件連線是無法和這些設備進行數據交換的。因此，需要相關的設備或程序來做這個翻譯轉換工作。歐姆龍的協議宏功能就是在這種情況下孕育而生的。歐姆龍的內插通訊板和串行通訊單元都提供了協議宏的功能。協議宏功能用協議宏軟件CX-PROTOCOL，把第三方設備的協議（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：

  ●  通信協議支持軟件的對話式菜單使通信序列易于登記。

  ●  每個協議最多允許定義1000個通訊序列，每個序列最多允許定義16步。每個協議可定義監視時間、響應的應答方式及鏈接通道。

  ●  每一步可設定重復次數、發送/接收的數據格式、下一步處理及出錯處理。

  ●  對于發送和接收數據的地址可任意指定。

  ●  在發送和接收的數據信息中自帶了許多種校驗方式（LRC、CRC、CRC-16、SUM），可由用戶自己設定，在發送的時候自動添加，在接收的時候自動進行校驗計算。

  ●  在軟件內部自帶了七種用于與歐姆龍外圍設備通信的協議，可方便的隨時調用。
 
  ●  通過軟件可監視串口交換的數據。

  ●  然后啟動相應的協議宏指令(PMCR)，就可以實現串行的數據交換。

  歐姆龍的CS1提供內插通訊板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的第三方設備。然而更多的串行通訊都是通過RS485標準的。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，實現長達1.2KM的串行通訊。CS1的機型一共可以提供34個標準的帶協議宏功能的串行端口。而且一個RS422/485可以連接多達32臺設備。這樣，基本滿足了需連接眾多第三方設備的要求。

6. 無線電通信網絡

  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）通過無線通訊網的方式，被監控的泵站現場配有一套RTU，歐姆龍的PLC能通過RS-232C口或RS-485口以協議宏的方式（支持Modbus）與RTU進行通訊。

  協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據交換，所以再做協議宏時特別把重復次數設置成3次左右，當接收數據時校驗等出錯就讓發送方重復發送的模式，這樣可以提高數據交換的可靠性。梯形圖中也是用PMCR指令來完成數據的發送和接收。

  軟件設定和編制完成之后，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，調整RTU（無線電臺）的統一頻率就可以進行無線電通信了。這樣，整個無線通信網絡也就搭建起來了。

7. 結束語

  本文以長沙市第一污水處理廠的系統為例，探討了水處理行業（特別是污水處理廠）的歐姆龍網絡系統設計的理念和思路，并對如何設置整個網絡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計選型的參考。