工業通訊技術在市政水處理行業的應用

中國市政工程華北設計研究總院 劉 杰，楊 超，余 鵬

上海同濟普蘭德生物質能股份有限公司 黃斌斌

工業通訊技術在市政水處理行業中的生產安全、質量控制、節能減耗等諸方面起到關健性技術支撐作用。本文回顧了工業通訊技術在市政水行業中的發展歷程，介紹分析了目前該行業中各種工業通訊應用的技術特點以及它們的適用范圍。

工業通訊技術；現場總線；工業以太網；無線通訊；

1 引言

隨著微電子、計算機技術、網絡技術、控制理論的發展普及，工業通訊技術在市政水處理行業得到越來越多的應用和發展，市政水處理行業的自動化生產運行也越來越離不開高速、穩定、安全、開放、強容錯性的工業通訊技術的強力支撐。本文對工業通訊技術在市政水處理行業應用及發展的現狀、特點以及趨勢進行梳理、闡述。

2 市政水處理行業工業通訊技術發展歷程回顧

市政水處理行業的生產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的單元式電動或氣動儀表控制。由于技術水平有限，造成生產效率低且不穩定，人員工作強度大，能耗、物耗高，生產事故往往不能及時預防、發現和處理。這一時期還出現過基于STD總線技術的水處理控制及通訊系統，但未成規模，后來隨著技術的發展而逐漸被淘汰。

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，引進了國際上當時較先進的水處理生產工藝及自動化控制理念和技術。通過引進消化吸收，國內水處理行業逐步建立起生產自動化網絡。這一時期的網絡通訊技術特點為：網絡通訊采用單層結構，為總線形式的令牌網，在網絡中既連接有上位機等人機界面，又連接著控制站、遠程IO站，網絡協議一般為廠商專有，開放性差，不同廠家的系統、設備互聯互通困難。

跨世紀以來隨著網絡通訊理論和技術的發展，市政水處理行業的網絡通訊技術也隨之不斷地進步。表現為：

從通訊網絡的拓撲結構上看，具有較清晰的層級結構，一般分為生產管理層、生產控制層、現場設備控制層等三層結構。

生產管理層完成數據記錄存檔管理、生產圖表分析、工藝調度指令發布等SCADA功能，并具有和管理自動化網絡數據交互的功能。技術特點是交換數據量大，支持二進制流、ASCII碼流、HTTP等等諸多數據格式的通訊，要求具有較大的通訊帶寬，但在三層結構中對通訊的實時性要求相對不高，一般具有秒級響應時間可滿足要求。目前常見采用100BaseT、100BaseF的快速以太網，部分企業采用1000BaseT、1000BaseX的千兆以太網構建，網絡形式為基于TCP/IP協議集的局域網，根據規模和技術要求可以是單網段或多網段（采用路由器、L3層交換機、VLAN等技術）進行組網。

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

現場設備控制層完成現場控制站和遠程IO站、現場總線智能設備（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。現場設備控制層面對的是現場實際生產工況，對通訊實時性、安全性的要求最高，響應時間一般要求百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測。該層的技術支撐是各種現場總線通訊協議，由于生產廠家眾多，總線協議各自為政，不同廠商設備間的互聯互通困難，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用的情況下，于1999年推出IEC61158推薦標準。該標準并沒有指定統一的網絡協議規范，而是推薦了8種已在使用的現場總線規范， 這八種總線規范的涵蓋范圍并不完全一致，技術上各有側重，目前水處理行業常見的是Profibus、ControlNet、Modbus等。

3 當前市政水處理行業所應用的工業通訊技術介紹

當前我國市政水處理行業所應用的工業通訊技術最熱門的是工業以太網技術、現場總線技術以及無線通訊技術（例如GPRS/CDMA通訊，無線數傳電臺、WIFI等）的應用。其中工業以太網技術主要用于控制站間以及控制站和上位機之間的通訊；現場總線技術的應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、智能執行機構之間的通訊；無線通訊則用于大地理區域間通訊信息的互聯互通。它們在水處理行業的應用特點見表1。

表1 各工業通訊技術在水處理行業應用特點

（1）工業以太網關鍵技術

工業以太網技術是在商用以太網技術的基礎上發展起來的。眾所周知，商用以太網相對傳統工業控制網絡來說，具有以下誘人的優勢：通訊速率高（100Mbps，1000Mbps，而專有網絡，由于規范機制的原因，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參考模型規范，軟硬件資源豐富，組網方便，網絡管理手段完善，支持網絡數據庫技術等。

但商用以太網卻很長時間在工業領域得不到應用，主要原因是：商用以太網是遵循IEEE802.3標準的網絡，采用CSMA/CD方法來解決信道上的信號收發，通訊中的信號在網絡擁塞時延時將很大；同時在網絡中存在交換器、網橋等設備時采用了存儲轉發機制，則信號通訊存在著不確定性，也不能保證工業現場對通訊的實時性要求；由于商用以太網的開放性，網絡安全是人們擔心的另一個重要原因。

為了在工業領域實現以太網通訊的應用，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；改進網絡拓撲結構，采用交換式星型結構；采用多網段路由技術、QoS、VLAN技術，縮小碰撞范圍及“數據風暴”的可能性；在標準的2、3層協議（對應于IEEE802.3X、IEEE802.2X協議上的修改擴充，如RTPS、RTCC快速生成樹冗余RSTP等）上建立實時傳輸信道協議（各廠家各有側重）；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）優先級隊列協議，來保證實時信息幀的優先發送接收；在改進協議規范的同時，對網絡硬件規范也做了重要改進，著重提高網絡的EMC/EMI、本質安全等性能使之符合工業環境的要求；通過努力，現今工業以太網技術在實時性、本安性、確定性等方面已經完全滿足了工業現場通訊網絡的技術要求，在市政水處理行業等到了大量應用。

水處理行業工業以太網解決方案常見的有：Ethernet POWERLINK，PROFINET，Ethernet/IP CIP，Modbus-RTPS等，市政行業常見網絡體系拓撲結構常見形式有以下幾種：生產管理局域網+工業以太網+設備級現場總線；生產管理局域網+雙網冗余工業以太網+設備級現場總線；生產管理局域網+工業以太環網+設備級現場總線。

表2 各類型工業以太網優缺點比較

圖1 非冗余通訊網絡拓撲示意圖

（2）現場總線技術

如前文所述，現場總線技術是很早以前就發展起來的一項工業現場通訊技術，眾多廠家分別推出了自己的專有網絡協議，一些廠家對自己的網絡技術做了有條件的開放，以便第三方OEM廠商設備能夠開發接入技術。隨著IEC61158標準的推出，現場總線技術得以更加規范的發展，其開放性、統一性得到一定程度的保證。需要說明的是，此文所指的現場總線技術是指符合IEEE802.4令牌總線、IEEE802.5令牌環協議的技術，即所謂的“狹義的現場總線技術”，而IEC61158標準已經涉及到了工業以太網IEEE802.3技術規范,是謂“廣義的現場總線技術”。

雖然工業以太網技術在實時性方面已經達到或超過現場總線，但是個人認為現場總線技術在確定性（行為可預測），網絡供電、本質安全方面久經考驗，相比工業以太網，在設備層級的應用時間和經驗仍需積累。目前各個設備廠家開發出的支持現場總線技術的設備、儀表層出不窮，在解決好性價比問題以及多種協議可選配問題后，必將給自動化設計、施工帶來觀念變革和便利。

現場總線技術在市政水處理行業得到大量的應用，主要體現在控制子站和主站、遠程IO站和主站，現場智能設備、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備（污泥車間脫水機等）、儀表的通訊等。

在市政水處理行業中目前常見的現場總線產品有：PROFIBUS_DP（遠程IO通訊、變頻器等設備通訊）、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

目前來看，相對于有線通訊技術，無線通訊技術是一項有益的補充。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有線通訊的場合：如井群調度、管網監測和調度、智能抄表、無人值守泵站等。

目前市政水處理行業所采用的無線通訊技術有：GPRS/CDMA技術，無線數傳電臺技術、WIFI技術等。其中WIFI技術目前主要應用于生產管理層不布線信息點的拓展。

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

表3 數傳電臺與GPRS/CDMA技術優缺點比較

4 結語

本文對工業通訊技術在市政水行業中的應用及發展歷程做了一些總結分析。可以看出，通訊技術在水處理自動化技術中的基礎性地位，當然網絡通訊技術涉及的方方面面很多，并且各方面的理論、技術、協議規范包括應用等仍在不斷發展中。隨著工業通訊技術的發展，各種新技術的不斷涌現，在市政水行業中的也得到應用，推動市政水行業自動化水平的提高。同時各種通訊技術有各自的特點和應用范圍，在市政水行業的實際應用中需根據工程特點靈活掌握。

[1] 王平,謝昊飛,肖瓊. 工業以太網技術[M].科學出版社,2007.

[2] 謝公忠.現代網絡技術教程[M].電子工業出版社,2000.

[3] 朱政紅,王月娥.工業以太網在控制領域中實時性技術[J].低壓電器,2010(7).

[4] 劉澤祥. 現場總線技術[M]. 北京機械工業出版社,2006.