一：引言

　　本文針對(duì)城鎮(zhèn)污水處理的特點(diǎn)和控制要求，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于貝加萊PCC和以太網(wǎng)的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)，論述了系統(tǒng)的組成和工作原理。各控制站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且使用工控機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明，該方案控制結(jié)果良好，達(dá)到了污水處理標(biāo)準(zhǔn)，為城市污水處理監(jiān)控高效化提供了良好的基礎(chǔ)。

　　隨著計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化水平的不斷提高，越來(lái)越多的工廠采用分布式控制，集中信息管理的控制模式。對(duì)污水處理廠運(yùn)用集散控制系統(tǒng)模型可以限度提高污水處理廠運(yùn)行可靠性，提高出水水質(zhì)，降低能耗和工人勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的?？删幊逃?jì)算機(jī)控制器以其高可靠性、編程方便、耐惡劣環(huán)境、功能強(qiáng)大等特性已成為工業(yè)控制領(lǐng)域中增長(zhǎng)速度迅猛的工業(yè)控制設(shè)備，它能很好地解決工業(yè)控制領(lǐng)域普遍關(guān)心的可靠、安全、靈活、方便、經(jīng)濟(jì)等問(wèn)題。

　　工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)作為一種特殊的網(wǎng)絡(luò)，直接面向生產(chǎn)過(guò)程，肩負(fù)著工業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行一線測(cè)量與控制信息傳輸?shù)奶厥馊蝿?wù)，并產(chǎn)生或引發(fā)物質(zhì)或能量的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)換，因此它通常應(yīng)滿足強(qiáng)實(shí)時(shí)性、高可靠性、惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性、總線供電等特殊要求和特點(diǎn)。但這些Field Bus 各有特色，各有其發(fā)展背景，彼此并不兼容，在市場(chǎng)上各有其專攻的市場(chǎng)及擁護(hù)者，20多年來(lái)各占一方擁兵自重，無(wú)法妥協(xié)出一個(gè)共同國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在后來(lái)的實(shí)際項(xiàng)目實(shí)施中也不可避免的涉及到了多種現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊問(wèn)題，如與鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備（國(guó)外原裝進(jìn)口設(shè)備）Profibus-dp的通訊，與高、低壓室多功能電量采集儀、紫外消毒設(shè)備控制系統(tǒng)的Modbus通訊，那么是否還有更好的總線標(biāo)準(zhǔn)在類似項(xiàng)目中可供選擇的呢？Ethernet Powerlink（EPL）工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的技術(shù)無(wú)疑讓人眼前一亮。

　　該污水處理廠日處理污水量為5.0萬(wàn)m3/d,出水標(biāo)準(zhǔn)要求實(shí)現(xiàn)國(guó)家《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》B標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)污水進(jìn)行三個(gè)階段的處理。處理，主要去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)，經(jīng)過(guò)處理的污水，BOD一般可去除30%左右，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。處理屬于二級(jí)處理的預(yù)處理。二級(jí)處理，主要去除污水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機(jī)污染物質(zhì)（BOD,COD物質(zhì)），去除率可達(dá)90%以上，使有機(jī)污染物達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)[.三級(jí)處理，進(jìn)一步處理難降解的有機(jī)物、氮和磷等能夠?qū)е滤w富營(yíng)養(yǎng)化的可溶性無(wú)機(jī)物等。處理工藝采用CASS池工藝生化處理，尾水達(dá)標(biāo)后排入河。

　　二：ETHERNET POWERLINK技術(shù)

　　ETHERNET POWERLINK（簡(jiǎn)稱EPL）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織EPSG（www.epsg.org）成立于2001年，2003年推出系列產(chǎn)品。截至2007年11月底，世界各地240多個(gè)OEM用戶在40000多臺(tái)設(shè)備和項(xiàng)目上使用了EPL,EPL在有450多個(gè)成員、用戶和支持者，節(jié)點(diǎn)數(shù)超過(guò)了30萬(wàn)個(gè)。EPL的主要技術(shù)指標(biāo)有：用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3u（Fast Ether-net）作為傳輸媒介；傳輸速率100Mb/s;使用標(biāo)準(zhǔn)Hub和標(biāo)準(zhǔn)接線；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸周期達(dá)200μs;抖動(dòng)小于1μs;可同時(shí)傳輸實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；可同時(shí)傳輸IP協(xié)議；使用以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)硬件設(shè)備，并且支持冗余技術(shù)。它不僅具有工業(yè)以太網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)的可靠性及環(huán)境適應(yīng)性，還很好的解決的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，由于我們更傾向它的實(shí)際應(yīng)用效果，所以對(duì)EPL內(nèi)部工作機(jī)制不在描述，感興趣的朋友可以瀏覽相關(guān)網(wǎng)站或與EPSG組織聯(lián)系。

　　EPL就是以太網(wǎng)專線業(yè)務(wù)，以太網(wǎng)專線接入業(yè)務(wù)也可理解為透?jìng)鳎競(jìng)鞯暮x--就是用戶數(shù)據(jù)在我們的接入、傳送、落地過(guò)程中，我們的接入、落地設(shè)備和數(shù)據(jù)所經(jīng)過(guò)的傳送網(wǎng)對(duì)于用戶的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)就象一條專線一樣，除了VLAN路由配置方式下，單板數(shù)據(jù)入口處對(duì)接入數(shù)據(jù)進(jìn)行了VLAN標(biāo)記的識(shí)別并做出是否傳送還是丟棄的判擇外，用戶數(shù)據(jù)在整個(gè)通路中完全透明的傳送并交互。簡(jiǎn)單的理解就是在我們的接入設(shè)備中，透?jìng)鼽c(diǎn)對(duì)點(diǎn)的專線業(yè)務(wù)類型。

　　下面的這個(gè)圖可以更好的說(shuō)明EPL的出現(xiàn)給工程設(shè)計(jì)、項(xiàng)目實(shí)施以及后期的維護(hù)帶來(lái)的便利性。

　　如上圖所示，典型的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)從低到高可以分為這樣幾個(gè)層次：

　　1:傳感器層（Sensor Layer）：對(duì)象是各類傳感器及執(zhí)行器，該層主要處理各類傳感器、各類執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的通訊，通訊量很小，通常按字節(jié)進(jìn)行傳輸，通訊速率< 1kb,但實(shí)時(shí)性要求很高，ms級(jí)別。

　　2:過(guò)程控制層（Process Layer）：對(duì)象是各個(gè)遠(yuǎn)程及本地的I/O站，該層主要處理各個(gè)I/O站點(diǎn)間的通訊，通訊量也不大，速率通常設(shè)定在50K-500K之間，實(shí)時(shí)性要求高，ms級(jí)別。

　　3:處理器層（Cell Layer）：對(duì)象是各個(gè)CPU控制器，該層主要處理各個(gè)控制單元cpu間的通訊，通訊量適中，通訊速率通常在500k-10M間均可滿足要求，實(shí)時(shí)性要求稍高，100ms級(jí)別。

　　4:管理層：對(duì)象是各個(gè)控制室的操作PC,包括相關(guān)的服務(wù)器及工程師站、操作員站等，該層主要處理各個(gè)PC與服務(wù)器間的通訊，通訊量大，通訊速率通常為100M以上，實(shí)時(shí)性要求不高，s級(jí)別即可。管理層之上通常還有一層可稱為公司層，主要運(yùn)行相關(guān)的ERP系統(tǒng)及其他管理系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)和管理層數(shù)據(jù)庫(kù)的通訊，通訊量大，實(shí)時(shí)性同樣不高。

　　在各個(gè)層次的分配中，我們可以看到各種現(xiàn)場(chǎng)總線各自的生存空間，如活躍在傳感器層的AS-I,活躍在傳感器層和過(guò)程控制層的Profibus-dp,CANopen、DeviceNet,活躍在處理器層的ControlNet、Profibus-fms等等，由于EPL即使是基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上發(fā)展起來(lái)的，所以它的配置、升級(jí)、擴(kuò)容都很方便，它的出現(xiàn)很好的克服了傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線互不兼容，不能真正實(shí)現(xiàn)信息無(wú)縫共享；速率低，應(yīng)用有限；專用網(wǎng)絡(luò)，成本高等幾點(diǎn)不足。

　　三：EPL特點(diǎn)綜述

　　·保證確定通信

　　EPL是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)上惟一的符合IAONA實(shí)時(shí)類"3+4"的實(shí)時(shí)協(xié)議。無(wú)論連接上多少臺(tái)站（station）或不管周期時(shí)間是200微秒還是10毫秒，這項(xiàng)技術(shù)始終保證了不超過(guò)1微秒的定時(shí)。我們可以保證從控制器或者中控室下發(fā)下來(lái)的指令在一個(gè)確定的時(shí)間內(nèi)能獲得相應(yīng)。

　　·100%兼容以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

　　EPL兼容快速以太網(wǎng)IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)。因此，所有的基于IP的協(xié)議（如TCP、UDP和HTTP）都可以作為同步的時(shí)間敏感數(shù)據(jù)同時(shí)傳送，符合標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)好處是我們可以利用標(biāo)準(zhǔn)IT網(wǎng)絡(luò)布線，利用光纖技術(shù)通訊距離也不再是個(gè)限制。

　　·滿足未來(lái)發(fā)展需要

　　以太網(wǎng)目前是世界上廣泛部署的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。盡管Firewire或USB這樣的新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特性乍看起來(lái)更加誘人，但它們主要是為消費(fèi)設(shè)備設(shè)計(jì)的，不能地滿足企業(yè)和工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用需求。

　　·易于使用

　　簡(jiǎn)單的布線和配置對(duì)于機(jī)器制造商十分重要。EPL網(wǎng)絡(luò)可以使用直線、星形和樹形等布線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與基于交換機(jī)的實(shí)時(shí)以太網(wǎng)系統(tǒng)不同，EPL不僅提供了極高的定時(shí)，而且還提供了適應(yīng)項(xiàng)目需要的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。支持多樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)給設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)過(guò)程中也帶來(lái)了很大的便利，不用再擔(dān)心控制站點(diǎn)的分布是否超出范圍等等。

　　·無(wú)需定制硬件

　　除了100%標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)兼容外，EPL還只需使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)芯片。在實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)周期時(shí)間和時(shí)，設(shè)備制造商不需要采用專用ASIC芯片。這點(diǎn)使帶有EPL接口的產(chǎn)品將更加的平易近人，得到用戶方的接受。

　　·跨所有節(jié)點(diǎn)的信息交換

　　EPL允許信息在網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)之間交換。與一些所有信息必須經(jīng)過(guò)一臺(tái)主設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)總線或以太網(wǎng)的模式不同，在使用EPL網(wǎng)絡(luò)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)被發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)。

　　·保護(hù)工作模式

　　在保護(hù)工作模式下，EPL能夠管理抖動(dòng)始終低于1微秒、200微秒的周期時(shí)間。利用橋接器或路由器將實(shí)時(shí)的網(wǎng)段與開放的IT網(wǎng)絡(luò)分離，以避免網(wǎng)絡(luò)沖突。通過(guò)橋接/路由器的接入保證了IT環(huán)境中網(wǎng)絡(luò)的安全性。

　　·開放工作模式

　　在開放工作模式下，EPL協(xié)議用于開放交換網(wǎng)絡(luò)，并且利用IEEE 1588提供定時(shí)同步。在實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)與IT開放網(wǎng)絡(luò)之間不需要進(jìn)行隔離。但是，這種模式只適用于周期時(shí)間為毫秒級(jí)的低實(shí)時(shí)時(shí)或中實(shí)時(shí)要求的系統(tǒng)中。

　　四：后記

　　基于以上的特點(diǎn)，我們?cè)?003年項(xiàng)目初期就向設(shè)計(jì)方和業(yè)主方介紹了EPL技術(shù)，也得到了雙方的一致認(rèn)同。我們?cè)谥鞲删W(wǎng)絡(luò)以及各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制中均設(shè)置了EPL網(wǎng)絡(luò)，再利用B&R PCC系統(tǒng)本身在網(wǎng)絡(luò)方面極好的融合能力，項(xiàng)目實(shí)施后得到了業(yè)主及設(shè)計(jì)院方的高度評(píng)價(jià)，EPL網(wǎng)絡(luò)的使用，不僅投資上沒(méi)有增加，還給后續(xù)的擴(kuò)容及維護(hù)帶來(lái)了很大的便利。由于項(xiàng)目實(shí)施時(shí)，仍處于EPL技術(shù)推廣的初期，所以配套的儀器儀表、傳感器產(chǎn)品還沒(méi)有推向市場(chǎng)，EPL一線到底的優(yōu)勢(shì)并沒(méi)有發(fā)揮完全，但目前來(lái)說(shuō)，這一問(wèn)題已經(jīng)得到了很好的改觀，我們?cè)诤罄m(xù)的項(xiàng)目中將很快使用上了帶EPL接口的變頻器以及其他的部分傳感器。同時(shí)貝加萊公司也宣布EPL率先邁入千兆以太網(wǎng)時(shí)代；可以預(yù)見(jiàn)隨著這一技術(shù)的不斷發(fā)展，將出現(xiàn)越來(lái)越多的帶有POWERLINK接口的產(chǎn)品，給用戶帶來(lái)的益處還是更可靠，更方便，更高效。

參考文獻(xiàn):

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[2]. 100M datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/100M_2509927.html.