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【摘 要】 西安市第五污水处理厂设计总规模为40万吨/日，一期设计规模为20万吨/日。此项目为西北最大的污水处理厂之一，具有设备数量多，控制地点分散，处理工艺要求高，系统稳定性和实时性要求严格等特点。故设计采用领先的PROFIBUS总线技术作为全厂主干现场总线协议；就地工艺设备采用PROFIBUS总线技术与MODBUS总线技术相结合实现分布式控制；采用CONTROL NET网络实现自控系统远程IO站控制；通过多种网络传输协议的转换和通讯相结合实现全厂自动控制和仪表系统集成。本文就此多种现场总线网络异构控制系统的设计、配置、实现和特点进行论述，提出多种现场总线技术在水处理行业的完整解决方案。
【关键词】 水处理控制系统；Profibus-DP；Profibus-PA；MODBUS-RTU；CONTROL NET；RSLOGIX；智能仪表
一、项目简介
随着环境问题日益被社会各界所重视，污水处理成为环境保护中最亟待解决和与社会发展最息息相关的课题。西安市政府贯彻国家政策，大力兴建水处理工程，西安市第五污水处理厂是其中最具代表性的项目之一。
西安市第五污水处理厂项目是日本国际协力银行ODA贷款项目，该厂接纳污水服务范围包括西安市城区部分区域、北郊及东郊部分区域，污水规划流域面积约45km2，工程设计规模为40万吨/日，污水处理采用厌氧/缺氧/好氧（A2/O）二级生物处理工艺，出水经漕运明渠排至浐河；污泥处理采用重力浓缩后中温消化、机械脱水工艺，脱水后泥饼外运填埋。消化产生的沼气用于污泥加热，实现资源再利用。污水厂主要产生臭味的构筑物设置臭气收集系统，经生物除臭系统进行净化处理。
根据污水厂工艺流程及布局情况，采用“集中监视，分散控制”的自控系统。系统包括中央监控系统、现场控制站、电视监控系统、通讯网络及智能仪表。中央监控系统设在厂区综合办公楼中心控制室，包括监控工作站，管理工作站，工程师站等。中央监控站通过光纤以太网与五个现场控制站进行通讯。五个现场控制站根据工艺区域划分，其中PLC1控制站设在粗格栅及进水提升泵房，PLC2控制站设在变配电室，PLC3控制站设在出水分配电室，PLC4控制站设在污泥消化处理区中心控制室，PLC5控制站设在污泥脱水机房。在各监测点采用4-20mA硬接线连接的流量、压力、温度、液位及水质分析等仪表，实现在线测量、故障诊断，信号送至就近的现场控制站进行监控。各个现场控制站（FCS）与就地控制站（LCS）之间通过PROFIBUS-DP总线实现主干连接，各个就地控制站（LCS）和远程IO站之间通过PROFIBUS、MODBUS-RTU实现通讯和数据交换。
二、控制系统构成
西安市第五污水处理厂自控系统采用美国罗克韦尔公司的AB品牌PLC，其选择了CONTROLLOGIX系列5561CPU及配套IO模块，整个PLC模块采用CONTROLNET总线进行远程IO扩展。由于西安市第五污水处理厂的工艺设备厂家众多，各个厂家的子系统都有PLC进行相关过程控制，而PROFIBUS-DP现场总线具有实时性好，容错性高，系统抗干扰性强，协议标准兼容性好等特点，故整个工艺自控系统采用PROFIBUS-DP现场总线技术作为主干通讯网络。整体系统配置图如下所示：
CONTROLLOGIX系列PLC为整个控制网络的主站，各个西门子、三菱PLC为总线上的从站。由于AB系列PLC采用的是CONTROLNET总线网络，故为了实现PROFIBUS-DP总线通讯，需要使用第三方通讯模块进行网关转换，此项目采用了PROSOFT公司的MVI56-PDP模块实现总线主站通讯功能，而在就地从站使用HMS公司的ANYBUS AB7000模块实现MUDBUS-RTU与PROFIBUS-DP总线协议的网关转换。消化中心控制站通过工业以太环网实现与全厂自控系统的并网工作。具体网络结构图如下所示：
三、多种总线协议特点概述
1、PROFIBUS总线协议
PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术，主要包括最高波特率可达12M的高速总线PROFIBUS-DP（H2）和用于过程控制的本安型低速总线PROFIBUS-PA（ H1）。DP和PA的完美結合使得PROFIBUS现场总线在结构和性能上优越于其他现场总线。PROFIBUS既适合于自动化系统与现场信号单元的通讯，也可用于可以直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表及设备，对现场信号进行采集和监控，并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。
PROFIBUS-DP拥有极高的通讯速率，最快可达12Mbit/S。采用线形、星形、环形等多种拓扑结构。可实现光纤双环冗余。PROFIBUS-DP也可以为变送器等过程仪表提供高速的通讯总线。
PROFIBUS-PA应用于过程控制领域，可以把测量变送器、阀门、执行机构用串行总线联网。采用 IEC61158-2的物理传输技术和 PROFIBUS-DP的协议，通讯通率31.25Kbit/S。可应用于本安场合，并可通过总线向仪表馈电。
2、MODBUS-RTU协议
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。 此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。
3、CONTROL NET总线协议
控制网是由控制网国际有限公司（ControlNet International，Ltd.）首先提出来的一种开放式网络。罗克韦尔自动化公司的设计之初就提出了三层网络的概念，分别是以太网，Controlnet网，Deveicenet网，上层信息用于全厂的数据采集和程序维护；中层自动化和控制层实现实时I/O的控制，控制器的互锁和报文的传送；底层设备网用于底层设备的低成本，高效率的信息集成。
其中控制网通讯采用当今流行的生产者/消费者模式，该模式采用多信道广播式，定点传送，属于预定性信息，每个信号对应一个单独的地址，占一个网络节点，网络所有节点同步，信息吞吐量大，速度快，网络效率高；因此控制网具有高速，高度确定和可重复性的网络，特别适用于对时间苛刻要求的复杂应用场合的信息传输，但是Controlnet网络中的节点数目是有限制的，最高不能超过99个，节点数超过限制会发生不可预测的故障，未超过但是过多会影响网速，造成网络迟滞。
四、多通讯协议网关转换功能的实现
在此控制网络中，由于有多个通讯协议的存在，故需要增加相关的协议转换模块实现硬件上的电信号的转换，而实际数据转换通过在AB主站上进行相关的配置和编程实现。具体协议转换流程如下所述：
1、在就地从站中增加AB7000通讯模块，在从PLC MicroLogix1400中设置通道组态为“MODBUS RTU被控”，此时从站PLC为MODBUS总线上的从站，主站为AB7000模块。如图所示：
2、在ANYBUS AB7000模块中使用“ABC TOOLS CONFIGURATION”软件进行MODBUS RTU主站及PROFIBUS DP从站配置。如下图所示：
3、接着配置AB系列PLC的主站通讯模块MVI56-PDP，在配置完成后需要采用梯形图编程实现数据的排序及读写操作。具体如图所示：
4、在进行数据交换的过程中需要注意，MODBUS数据传输以字为单位，共16位，而PROFIBUS-DP以字节传输为单位，故存在数据高低八位对位反转的问题，在具体操作过程中，将数据全部转换为二进制编码形式，采用设置特殊标记位方式实现数据检测功能。
5、在进行完成编程通讯后，需要对CPU主站的DP总线主站模块进行设置，并对ANYBUS模块进行总线组态工作。首先将ANYBUS模块的GSD文件进行添加操作，后在主站总线上组态模块并配置数据交换区。具体设置如下图所示：
五、项目运行及应用体会
西安市第五污水处理厂自控系统现已竣工交付业主使用，整个系统网络通讯数据正常，实时性达到设计要求。PROFIBUS作为成熟的总线技术，与传统硬接线相比具有传输速率高，全数字通讯，抗干扰能力强，节省布线成本，减少施工量等显著优点；而基于总线技术的分布式自控系統具有控制范围广，系统稳定性高，易于后期维护和系统扩展等优势；由于现阶段全厂自控系统具有设备众多，厂家协议复杂，各个厂家总线协议不兼容等特点，故多协议网关转换模块的使用可以很好的解决现有工厂总线通讯的问题，保护业主前期投资，提高系统兼容性。以此为基础的控制系统可以有效提高生产效率，缩短开发周期，必将在工业过程控制的各个领域发挥重要的作用。
参考文献：
[1]崔坚. 西门子S7可编程序控制器-STEP7编程指南. 机械工业出版社， 2007
[2]崔坚、李佳. 西门子工业网络通信指南. 机械工业出版社， 2004
[3]唐济扬. 现场总线（PROFIBUS）技术应用指南. 中国现场总线专业委员会
[4]STEP7v5.4编程手册. 西门子公司
[5]PROFIBUS-DP应用手册 PROFIBUS-PA应用手册. 西门子公司
[6]CONTROLLOGIX系统实用手册. 邓李. 机械工业出版社， 2008
[7]QUANTUM通讯服务和体系实用参考手册. 施耐德电气， 2010
[8]Logix5000控制系统中的ControlNet模块. 罗克韦尔自动化， 2010
【关键词】 水处理控制系统；Profibus-DP；Profibus-PA；MODBUS-RTU；CONTROL NET；RSLOGIX；智能仪表
一、项目简介
随着环境问题日益被社会各界所重视，污水处理成为环境保护中最亟待解决和与社会发展最息息相关的课题。西安市政府贯彻国家政策，大力兴建水处理工程，西安市第五污水处理厂是其中最具代表性的项目之一。
西安市第五污水处理厂项目是日本国际协力银行ODA贷款项目，该厂接纳污水服务范围包括西安市城区部分区域、北郊及东郊部分区域，污水规划流域面积约45km2，工程设计规模为40万吨/日，污水处理采用厌氧/缺氧/好氧（A2/O）二级生物处理工艺，出水经漕运明渠排至浐河；污泥处理采用重力浓缩后中温消化、机械脱水工艺，脱水后泥饼外运填埋。消化产生的沼气用于污泥加热，实现资源再利用。污水厂主要产生臭味的构筑物设置臭气收集系统，经生物除臭系统进行净化处理。
根据污水厂工艺流程及布局情况，采用“集中监视，分散控制”的自控系统。系统包括中央监控系统、现场控制站、电视监控系统、通讯网络及智能仪表。中央监控系统设在厂区综合办公楼中心控制室，包括监控工作站，管理工作站，工程师站等。中央监控站通过光纤以太网与五个现场控制站进行通讯。五个现场控制站根据工艺区域划分，其中PLC1控制站设在粗格栅及进水提升泵房，PLC2控制站设在变配电室，PLC3控制站设在出水分配电室，PLC4控制站设在污泥消化处理区中心控制室，PLC5控制站设在污泥脱水机房。在各监测点采用4-20mA硬接线连接的流量、压力、温度、液位及水质分析等仪表，实现在线测量、故障诊断，信号送至就近的现场控制站进行监控。各个现场控制站（FCS）与就地控制站（LCS）之间通过PROFIBUS-DP总线实现主干连接，各个就地控制站（LCS）和远程IO站之间通过PROFIBUS、MODBUS-RTU实现通讯和数据交换。
二、控制系统构成
西安市第五污水处理厂自控系统采用美国罗克韦尔公司的AB品牌PLC，其选择了CONTROLLOGIX系列5561CPU及配套IO模块，整个PLC模块采用CONTROLNET总线进行远程IO扩展。由于西安市第五污水处理厂的工艺设备厂家众多，各个厂家的子系统都有PLC进行相关过程控制，而PROFIBUS-DP现场总线具有实时性好，容错性高，系统抗干扰性强，协议标准兼容性好等特点，故整个工艺自控系统采用PROFIBUS-DP现场总线技术作为主干通讯网络。整体系统配置图如下所示：
CONTROLLOGIX系列PLC为整个控制网络的主站，各个西门子、三菱PLC为总线上的从站。由于AB系列PLC采用的是CONTROLNET总线网络，故为了实现PROFIBUS-DP总线通讯，需要使用第三方通讯模块进行网关转换，此项目采用了PROSOFT公司的MVI56-PDP模块实现总线主站通讯功能，而在就地从站使用HMS公司的ANYBUS AB7000模块实现MUDBUS-RTU与PROFIBUS-DP总线协议的网关转换。消化中心控制站通过工业以太环网实现与全厂自控系统的并网工作。具体网络结构图如下所示：
三、多种总线协议特点概述
1、PROFIBUS总线协议
PROFIBUS现场总线是世界上应用最广泛的现场总线技术，主要包括最高波特率可达12M的高速总线PROFIBUS-DP（H2）和用于过程控制的本安型低速总线PROFIBUS-PA（ H1）。DP和PA的完美結合使得PROFIBUS现场总线在结构和性能上优越于其他现场总线。PROFIBUS既适合于自动化系统与现场信号单元的通讯，也可用于可以直接连接带有接口的变送器、执行器、传动装置和其它现场仪表及设备，对现场信号进行采集和监控，并且用一对双绞线替代了传统的大量的传输电缆，大量节省了电缆的费用，也相应节省了施工调试以及系统投运后的维护时间和费用。
PROFIBUS-DP拥有极高的通讯速率，最快可达12Mbit/S。采用线形、星形、环形等多种拓扑结构。可实现光纤双环冗余。PROFIBUS-DP也可以为变送器等过程仪表提供高速的通讯总线。
PROFIBUS-PA应用于过程控制领域，可以把测量变送器、阀门、执行机构用串行总线联网。采用 IEC61158-2的物理传输技术和 PROFIBUS-DP的协议，通讯通率31.25Kbit/S。可应用于本安场合，并可通过总线向仪表馈电。
2、MODBUS-RTU协议
Modbus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如何回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。
当在Modbus网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用Modbus协议发出。在其它网络上，包含了Modbus协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。 此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备。许多工业设备，包括PLC，DCS，智能仪表等都在使用Modbus协议作为他们之间的通讯标准。
3、CONTROL NET总线协议
控制网是由控制网国际有限公司（ControlNet International，Ltd.）首先提出来的一种开放式网络。罗克韦尔自动化公司的设计之初就提出了三层网络的概念，分别是以太网，Controlnet网，Deveicenet网，上层信息用于全厂的数据采集和程序维护；中层自动化和控制层实现实时I/O的控制，控制器的互锁和报文的传送；底层设备网用于底层设备的低成本，高效率的信息集成。
其中控制网通讯采用当今流行的生产者/消费者模式，该模式采用多信道广播式，定点传送，属于预定性信息，每个信号对应一个单独的地址，占一个网络节点，网络所有节点同步，信息吞吐量大，速度快，网络效率高；因此控制网具有高速，高度确定和可重复性的网络，特别适用于对时间苛刻要求的复杂应用场合的信息传输，但是Controlnet网络中的节点数目是有限制的，最高不能超过99个，节点数超过限制会发生不可预测的故障，未超过但是过多会影响网速，造成网络迟滞。
四、多通讯协议网关转换功能的实现
在此控制网络中，由于有多个通讯协议的存在，故需要增加相关的协议转换模块实现硬件上的电信号的转换，而实际数据转换通过在AB主站上进行相关的配置和编程实现。具体协议转换流程如下所述：
1、在就地从站中增加AB7000通讯模块，在从PLC MicroLogix1400中设置通道组态为“MODBUS RTU被控”，此时从站PLC为MODBUS总线上的从站，主站为AB7000模块。如图所示：
2、在ANYBUS AB7000模块中使用“ABC TOOLS CONFIGURATION”软件进行MODBUS RTU主站及PROFIBUS DP从站配置。如下图所示：
3、接着配置AB系列PLC的主站通讯模块MVI56-PDP，在配置完成后需要采用梯形图编程实现数据的排序及读写操作。具体如图所示：
4、在进行数据交换的过程中需要注意，MODBUS数据传输以字为单位，共16位，而PROFIBUS-DP以字节传输为单位，故存在数据高低八位对位反转的问题，在具体操作过程中，将数据全部转换为二进制编码形式，采用设置特殊标记位方式实现数据检测功能。
5、在进行完成编程通讯后，需要对CPU主站的DP总线主站模块进行设置，并对ANYBUS模块进行总线组态工作。首先将ANYBUS模块的GSD文件进行添加操作，后在主站总线上组态模块并配置数据交换区。具体设置如下图所示：
五、项目运行及应用体会
西安市第五污水处理厂自控系统现已竣工交付业主使用，整个系统网络通讯数据正常，实时性达到设计要求。PROFIBUS作为成熟的总线技术，与传统硬接线相比具有传输速率高，全数字通讯，抗干扰能力强，节省布线成本，减少施工量等显著优点；而基于总线技术的分布式自控系統具有控制范围广，系统稳定性高，易于后期维护和系统扩展等优势；由于现阶段全厂自控系统具有设备众多，厂家协议复杂，各个厂家总线协议不兼容等特点，故多协议网关转换模块的使用可以很好的解决现有工厂总线通讯的问题，保护业主前期投资，提高系统兼容性。以此为基础的控制系统可以有效提高生产效率，缩短开发周期，必将在工业过程控制的各个领域发挥重要的作用。
参考文献：
[1]崔坚. 西门子S7可编程序控制器-STEP7编程指南. 机械工业出版社， 2007
[2]崔坚、李佳. 西门子工业网络通信指南. 机械工业出版社， 2004
[3]唐济扬. 现场总线（PROFIBUS）技术应用指南. 中国现场总线专业委员会
[4]STEP7v5.4编程手册. 西门子公司
[5]PROFIBUS-DP应用手册 PROFIBUS-PA应用手册. 西门子公司
[6]CONTROLLOGIX系统实用手册. 邓李. 机械工业出版社， 2008
[7]QUANTUM通讯服务和体系实用参考手册. 施耐德电气， 2010
[8]Logix5000控制系统中的ControlNet模块. 罗克韦尔自动化， 2010