工業(yè)通訊技術(shù)在市政水處理行業(yè)的應(yīng)用

中國市政工程華北設(shè)計研究總院 劉 杰，楊 超，余 鵬

上海同濟普蘭德生物質(zhì)能股份有限公司 黃斌斌

工業(yè)通訊技術(shù)在市政水處理行業(yè)中的生產(chǎn)安全、質(zhì)量控制、節(jié)能減耗等諸方面起到關(guān)健性技術(shù)支撐作用。本文回顧了工業(yè)通訊技術(shù)在市政水行業(yè)中的發(fā)展歷程，介紹分析了目前該行業(yè)中各種工業(yè)通訊應(yīng)用的技術(shù)特點以及它們的適用范圍。

工業(yè)通訊技術(shù)；現(xiàn)場總線；工業(yè)以太網(wǎng)；無線通訊；

1 引言

隨著微電子、計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制理論的發(fā)展普及，工業(yè)通訊技術(shù)在市政水處理行業(yè)得到越來越多的應(yīng)用和發(fā)展，市政水處理行業(yè)的自動化生產(chǎn)運行也越來越離不開高速、穩(wěn)定、安全、開放、強容錯性的工業(yè)通訊技術(shù)的強力支撐。本文對工業(yè)通訊技術(shù)在市政水處理行業(yè)應(yīng)用及發(fā)展的現(xiàn)狀、特點以及趨勢進行梳理、闡述。

2 市政水處理行業(yè)工業(yè)通訊技術(shù)發(fā)展歷程回顧

市政水處理行業(yè)的生產(chǎn)運行在上世紀八十年代基本為電氣化操作或人工操作，部分工藝采用了常規(guī)的單元式電動或氣動儀表控制。由于技術(shù)水平有限，造成生產(chǎn)效率低且不穩(wěn)定，人員工作強度大，能耗、物耗高，生產(chǎn)事故往往不能及時預(yù)防、發(fā)現(xiàn)和處理。這一時期還出現(xiàn)過基于STD總線技術(shù)的水處理控制及通訊系統(tǒng)，但未成規(guī)模，后來隨著技術(shù)的發(fā)展而逐漸被淘汰。

上世紀九十年代左右，隨著改革開放的不斷深入，我國通過外國政府資助及世行貸款等項目，引進了國際上當(dāng)時較先進的水處理生產(chǎn)工藝及自動化控制理念和技術(shù)。通過引進消化吸收，國內(nèi)水處理行業(yè)逐步建立起生產(chǎn)自動化網(wǎng)絡(luò)。這一時期的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)特點為：網(wǎng)絡(luò)通訊采用單層結(jié)構(gòu)，為總線形式的令牌網(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)中既連接有上位機等人機界面，又連接著控制站、遠程IO站，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一般為廠商專有，開放性差，不同廠家的系統(tǒng)、設(shè)備互聯(lián)互通困難。

跨世紀以來隨著網(wǎng)絡(luò)通訊理論和技術(shù)的發(fā)展，市政水處理行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)也隨之不斷地進步。表現(xiàn)為：

從通訊網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)上看，具有較清晰的層級結(jié)構(gòu)，一般分為生產(chǎn)管理層、生產(chǎn)控制層、現(xiàn)場設(shè)備控制層等三層結(jié)構(gòu)。

生產(chǎn)管理層完成數(shù)據(jù)記錄存檔管理、生產(chǎn)圖表分析、工藝調(diào)度指令發(fā)布等SCADA功能，并具有和管理自動化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交互的功能。技術(shù)特點是交換數(shù)據(jù)量大，支持二進制流、ASCII碼流、HTTP等等諸多數(shù)據(jù)格式的通訊，要求具有較大的通訊帶寬，但在三層結(jié)構(gòu)中對通訊的實時性要求相對不高，一般具有秒級響應(yīng)時間可滿足要求。目前常見采用100BaseT、100BaseF的快速以太網(wǎng)，部分企業(yè)采用1000BaseT、1000BaseX的千兆以太網(wǎng)構(gòu)建，網(wǎng)絡(luò)形式為基于TCP/IP協(xié)議集的局域網(wǎng)，根據(jù)規(guī)模和技術(shù)要求可以是單網(wǎng)段或多網(wǎng)段（采用路由器、L3層交換機、VLAN等技術(shù)）進行組網(wǎng)。

生產(chǎn)控制層完成廠級生產(chǎn)自動化控制，主要完成各自動化站間的數(shù)據(jù)通訊交換，自動化站和生產(chǎn)管理層間的數(shù)據(jù)通訊交換功能。目前在市政水處理行業(yè)中存在著自動化廠商專有網(wǎng)絡(luò)（一般采用菊花鏈形式的總線結(jié)構(gòu)，如Schneider公司的MB+，Siemens公司的profibus_fms，RockWell Automation公司的DH+，ControlNet等）以及工業(yè)以太網(wǎng)（如Siemens公司的PROFINET，Schneider公司的Modbus-RTPS等）兩種類型。生產(chǎn)控制層是面向生產(chǎn)過程，對實時性、可靠性、安全性和數(shù)據(jù)完整性有很高的要求。

現(xiàn)場設(shè)備控制層完成現(xiàn)場控制站和遠程IO站、現(xiàn)場總線智能設(shè)備（如變頻器、總線型電動閥門、總線型電磁閥島等）以及智能儀表之間的通訊。現(xiàn)場設(shè)備控制層面對的是現(xiàn)場實際生產(chǎn)工況，對通訊實時性、安全性的要求最高，響應(yīng)時間一般要求百ms級左右，由各控制站CPU的看門狗固件程序或電路完成對其的實時性指標監(jiān)測。該層的技術(shù)支撐是各種現(xiàn)場總線通訊協(xié)議，由于生產(chǎn)廠家眾多，總線協(xié)議各自為政，不同廠商設(shè)備間的互聯(lián)互通困難，給使用單位造成諸多不便。有鑒于此，國際電工委員會IEC在綜合考慮標準化和市場應(yīng)用的情況下，于1999年推出IEC61158推薦標準。該標準并沒有指定統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范，而是推薦了8種已在使用的現(xiàn)場總線規(guī)范， 這八種總線規(guī)范的涵蓋范圍并不完全一致，技術(shù)上各有側(cè)重，目前水處理行業(yè)常見的是Profibus、ControlNet、Modbus等。

3 當(dāng)前市政水處理行業(yè)所應(yīng)用的工業(yè)通訊技術(shù)介紹

當(dāng)前我國市政水處理行業(yè)所應(yīng)用的工業(yè)通訊技術(shù)最熱門的是工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)以及無線通訊技術(shù)（例如GPRS/CDMA通訊，無線數(shù)傳電臺、WIFI等）的應(yīng)用。其中工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)主要用于控制站間以及控制站和上位機之間的通訊；現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用趨勢則不僅用于控制站和子站、遠程IO之間的通訊，也包括控制站和智能儀表、智能執(zhí)行機構(gòu)之間的通訊；無線通訊則用于大地理區(qū)域間通訊信息的互聯(lián)互通。它們在水處理行業(yè)的應(yīng)用特點見表1。

表1 各工業(yè)通訊技術(shù)在水處理行業(yè)應(yīng)用特點

（1）工業(yè)以太網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是在商用以太網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。眾所周知，商用以太網(wǎng)相對傳統(tǒng)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)來說，具有以下誘人的優(yōu)勢：通訊速率高（100Mbps，1000Mbps，而專有網(wǎng)絡(luò)，由于規(guī)范機制的原因，很少能夠突破到10Mbps，例如Profibus_DP的最大通訊速率為1.5Mbps），符合ISO/OSI參考模型規(guī)范，軟硬件資源豐富，組網(wǎng)方便，網(wǎng)絡(luò)管理手段完善，支持網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫技術(shù)等。

但商用以太網(wǎng)卻很長時間在工業(yè)領(lǐng)域得不到應(yīng)用，主要原因是：商用以太網(wǎng)是遵循IEEE802.3標準的網(wǎng)絡(luò)，采用CSMA/CD方法來解決信道上的信號收發(fā)，通訊中的信號在網(wǎng)絡(luò)擁塞時延時將很大；同時在網(wǎng)絡(luò)中存在交換器、網(wǎng)橋等設(shè)備時采用了存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，則信號通訊存在著不確定性，也不能保證工業(yè)現(xiàn)場對通訊的實時性要求；由于商用以太網(wǎng)的開放性，網(wǎng)絡(luò)安全是人們擔(dān)心的另一個重要原因。

為了在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)以太網(wǎng)通訊的應(yīng)用，一段時期以來，眾多自動化廠商以及標準化組織進行了不懈地努力，針對商用以太網(wǎng)的實時性和不確定性問題，主要從以下幾個方面進行了改進：提高傳輸速率，采用全雙工傳輸；改進網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，采用交換式星型結(jié)構(gòu)；采用多網(wǎng)段路由技術(shù)、QoS、VLAN技術(shù)，縮小碰撞范圍及“數(shù)據(jù)風(fēng)暴”的可能性；在標準的2、3層協(xié)議（對應(yīng)于IEEE802.3X、IEEE802.2X協(xié)議上的修改擴充，如RTPS、RTCC快速生成樹冗余RSTP等）上建立實時傳輸信道協(xié)議（各廠家各有側(cè)重）；同時IEEE針對實時性要求不同的信息幀制定了IEEE802.1P&Q（相對于OSI的第四層輸運層）優(yōu)先級隊列協(xié)議，來保證實時信息幀的優(yōu)先發(fā)送接收；在改進協(xié)議規(guī)范的同時，對網(wǎng)絡(luò)硬件規(guī)范也做了重要改進，著重提高網(wǎng)絡(luò)的EMC/EMI、本質(zhì)安全等性能使之符合工業(yè)環(huán)境的要求；通過努力，現(xiàn)今工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在實時性、本安性、確定性等方面已經(jīng)完全滿足了工業(yè)現(xiàn)場通訊網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求，在市政水處理行業(yè)等到了大量應(yīng)用。

水處理行業(yè)工業(yè)以太網(wǎng)解決方案常見的有：Ethernet POWERLINK，PROFINET，Ethernet/IP CIP，Modbus-RTPS等，市政行業(yè)常見網(wǎng)絡(luò)體系拓撲結(jié)構(gòu)常見形式有以下幾種：生產(chǎn)管理局域網(wǎng)+工業(yè)以太網(wǎng)+設(shè)備級現(xiàn)場總線；生產(chǎn)管理局域網(wǎng)+雙網(wǎng)冗余工業(yè)以太網(wǎng)+設(shè)備級現(xiàn)場總線；生產(chǎn)管理局域網(wǎng)+工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)+設(shè)備級現(xiàn)場總線。

表2 各類型工業(yè)以太網(wǎng)優(yōu)缺點比較

圖1 非冗余通訊網(wǎng)絡(luò)拓撲示意圖

（2）現(xiàn)場總線技術(shù)

如前文所述，現(xiàn)場總線技術(shù)是很早以前就發(fā)展起來的一項工業(yè)現(xiàn)場通訊技術(shù)，眾多廠家分別推出了自己的專有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，一些廠家對自己的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)做了有條件的開放，以便第三方OEM廠商設(shè)備能夠開發(fā)接入技術(shù)。隨著IEC61158標準的推出，現(xiàn)場總線技術(shù)得以更加規(guī)范的發(fā)展，其開放性、統(tǒng)一性得到一定程度的保證。需要說明的是，此文所指的現(xiàn)場總線技術(shù)是指符合IEEE802.4令牌總線、IEEE802.5令牌環(huán)協(xié)議的技術(shù)，即所謂的“狹義的現(xiàn)場總線技術(shù)”，而IEC61158標準已經(jīng)涉及到了工業(yè)以太網(wǎng)IEEE802.3技術(shù)規(guī)范,是謂“廣義的現(xiàn)場總線技術(shù)”。

雖然工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在實時性方面已經(jīng)達到或超過現(xiàn)場總線，但是個人認為現(xiàn)場總線技術(shù)在確定性（行為可預(yù)測），網(wǎng)絡(luò)供電、本質(zhì)安全方面久經(jīng)考驗，相比工業(yè)以太網(wǎng)，在設(shè)備層級的應(yīng)用時間和經(jīng)驗仍需積累。目前各個設(shè)備廠家開發(fā)出的支持現(xiàn)場總線技術(shù)的設(shè)備、儀表層出不窮，在解決好性價比問題以及多種協(xié)議可選配問題后，必將給自動化設(shè)計、施工帶來觀念變革和便利。

現(xiàn)場總線技術(shù)在市政水處理行業(yè)得到大量的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在控制子站和主站、遠程IO站和主站，現(xiàn)場智能設(shè)備、儀表和主站間的通訊解決。例如：凈水處理廠濾池各濾格子站和濾池車間主站通訊，沉淀池排泥子站和主站的通訊，污水處理廠自成一體設(shè)備（污泥車間脫水機等）、儀表的通訊等。

在市政水處理行業(yè)中目前常見的現(xiàn)場總線產(chǎn)品有：PROFIBUS_DP（遠程IO通訊、變頻器等設(shè)備通訊）、PROFIBUS_PA（過程儀表通訊）、HART（過程儀表通訊）MB+、ControlNet（遠程IO通訊、控制站通訊）、 DH+（遠程IO通訊、控制站通訊）、ModBus、CAN（這兩種常見于高壓配電綜合繼保、電量儀表等通訊）等。

（3）無線通訊技術(shù)

目前來看，相對于有線通訊技術(shù)，無線通訊技術(shù)是一項有益的補充。如前所述，無線通訊適用于大地理范圍通訊及物理條件限制無法實現(xiàn)有線通訊的場合：如井群調(diào)度、管網(wǎng)監(jiān)測和調(diào)度、智能抄表、無人值守泵站等。

目前市政水處理行業(yè)所采用的無線通訊技術(shù)有：GPRS/CDMA技術(shù)，無線數(shù)傳電臺技術(shù)、WIFI技術(shù)等。其中WIFI技術(shù)目前主要應(yīng)用于生產(chǎn)管理層不布線信息點的拓展。

GPRS/CDMA技術(shù)利用移動基站覆蓋，通過2.5G、3G無線公網(wǎng)，完成遠程站和控制中心的數(shù)據(jù)通訊；無線數(shù)傳電臺則利用工業(yè)通訊用無線電波頻點（一般為VHF頻段）完成通訊任務(wù)。

表3 數(shù)傳電臺與GPRS/CDMA技術(shù)優(yōu)缺點比較

4 結(jié)語

本文對工業(yè)通訊技術(shù)在市政水行業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展歷程做了一些總結(jié)分析?？梢钥闯觯ㄓ嵓夹g(shù)在水處理自動化技術(shù)中的基礎(chǔ)性地位，當(dāng)然網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)涉及的方方面面很多，并且各方面的理論、技術(shù)、協(xié)議規(guī)范包括應(yīng)用等仍在不斷發(fā)展中。隨著工業(yè)通訊技術(shù)的發(fā)展，各種新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，在市政水行業(yè)中的也得到應(yīng)用，推動市政水行業(yè)自動化水平的提高。同時各種通訊技術(shù)有各自的特點和應(yīng)用范圍，在市政水行業(yè)的實際應(yīng)用中需根據(jù)工程特點靈活掌握。

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