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摘要：本文介绍了工业以太网在大中型污水处理厂中的应用。简单地介绍了工业以太网的技术特点，使用工业以太网技术是稳定的、可靠的、安全的，完全满足工业环境。详细地论述了工业以太网在污水处理中的应用过程，包括工业以太网系统的硬件组成、功能、污水处理过程中的应用，如何在Step7v5.5和Wincc7.2中编写工业以太网程序，以及中央控制室内可以实现的控制功能。在大中型污处理厂中使用工业以太网技术可以实现真正意义上的管控一体化，采用工业以太网技术提高了污水处理的效率、降低了运营成本。

关键词：工业以太网；PLC；组态软件；工控机；交换机

1 绪论

近些年我国的国民经济快速的发展，工业现代化的步伐不断加快，人口的高度集中，城市用水量和污水的排放量不断增加，加剧了用水紧张和水质污染。污水如果任意排放将造成环境的巨大污染。因此，污水处理受到世界各国广泛重视，我国尤其如此。在这种背景下，近年来国内建设了许多现代化的大中型污水处理厂。大中型污水厂的共同特点是：日处理污水量非常大、污水所含成分比较复杂、处理单元比较多而且每个处理单元相对位置比较远、设备位置比较分散等。具有这些特点的大中型污水处理厂，使用传统的控制系统时不仅需要铺设大量电缆、增设控制装置、使信号的采集和传送不及时、不完整，而且需要增加操作人员和维护人员,这样不但给设计、施工、调试和维护带来诸多麻烦，而且增加投资费用和运营维护费用。如果要想避免这些缺点，可以在污水处理厂的自控系统中采用现场总线技术或工业以太网技术。现场总线技术被广泛地应用于工业过程控制领域。它具有实时性好、布线简单、可靠性高的特点，比较适合工业环境。但是，它也有自己的缺点，如标准不统一、各个厂商各自为政；传输速率低、无法传输图像和语音信息、网络互连困难等。

工业以太网技术诞生虽然较现场总线技术晚，但是因为具有以下优势而得到迅猛发展：（1）应用广泛。（2）通信速率高。（3）成本低廉。（4）资源共享能力强。（5）可持续发展潜力大。具有上述优点的工业以太网络可以实现和办公自动化网络的无缝连接，实现真正意义上的管控一体化，所以工业以太网比现场总线更具有优势，工业以太网应用到大中型污水处理厂中有着非常美好的前景。

2 工业以太网简介

工业以太网是应用于工业控制领域的以太网技术，在技术上与商用以太网（即IEEE802.3标准）兼容。产品设计时，在材质的选用、产品的强度、适用性以及实时性、可互操作性、可靠性、抗干扰性、本质安全性等方面能满足工业现场的需要。

EtherNet过去被认为是一种“非确定性”的网络，作为信息技术的基础，是为IT领域应用而开发的，在工业控制领域只能得到有限应用，这是由于：（1）EtherNet的介质访问控制（MAC）层协议采用带碰撞检测的载波侦听多址访问（CSMA/CD）方式，当网络负荷较重时，网络的确定性不能满足工业控制的实时性要求；（2）EtherNet所用的接插件、集线器、交换机和电缆等是为办公室应用而设计的，不符合工业现场恶劣环境要求；（3）在工厂环境中，EtherNet抗干扰（EMI）性能较差，若用于危险场合，以太网不具备本质安全性能；（4）EtherNet不能通过信号线向现场设备供电问题。

随着互联网技术的发展与普及推广，EtherNet传输速率的提高和EtherNet交换技术的发展，针对工业现场设备间通信具有实时性强、数据信息短、周期性较强等特点和要求，采用以下技术解决了以太网应用于现场设备间通信的技术难题：

（1）通信确定性与实时性

采用以太网交换技术、全双工通信、流量控制等技术，以及确定性数据通信调度控制策略、简化通信栈软件层次、现场设备层网络微网段化等针对工业过程控制的通信实时性措施，解决了以太网通信的实时性。

（2）稳定性与可靠性

采用分散结构化设计、EMC设计、冗余、自诊断

等可靠性设计技术等，提高基于以太网技术的现场设备可靠性，经实验室EMC测试，设备稳定性与可靠性符合工业现场控制要求。

（3）安全性

采用控制区域微网段化，各控制区域通过具有网络隔离和安全过滤的现场控制器与系统主干相连，实现各控制区域与其他区域之间的逻辑上的网络隔离。

（4）总线供电问题

采用直流电源耦合、电源冗余管理等技术，设计了能实现网络供电或总线供电的以太网集线器，解决了以太网总线的供电问题。

（5）远距离传输技术

采用网络分层、控制区域微网段化、网络超小时滞中继以及光纤等技术解决以太网的远距离传输问题。

由于工业以太网应用于现场设备间通信的关键技术得到解决，使得工业以太网技术可以大规模地应用到工业控制领域，下面以某中型污水处理厂为例，说明工业以太网的应用。

3 污水处理厂的工业以太网系统的组成及功能

3.1某污水厂污水处理工艺流程及工艺简介（如图1所示）

图1 污水处理厂工艺流程图

本污水处理厂每天的处理规模是50,000吨。图1中污水经粗格栅过滤后进入提升泵房，之后依次经过细格栅、沉砂池、超细格栅间、厌氧池、缺氧池、好氧池、膜池、接触池，最后进入河流，产生的污泥运送到厂外。

（1）粗格栅：去除比较大的悬浮物。主要设备粗格栅机、栅渣输送机、栅渣压实机。

（2）提升泵房：把提升泵房中的污水池内的污水提升到格栅间。主要设备：潜水提升泵、潜水轴流泵。

（3）细格栅：去除比较小的悬浮物。主要设备：循环式齿耙清污机、螺旋压榨一体机。

（4）沉沙池：使污水中的沙子沉淀下来，用沉砂泵将沉砂提升，通过管道输送到洗砂车间。主要设备：提砂泵、桥式吸砂机、砂水分离器、鼓风机。

（5）超细格栅：来水经超细滤除800微米以上的颗粒物质，以保护微滤膜，减少反洗次数延长其使用周期和使用寿命。主要设备：超细格栅机。

（6）厌氧反应池：主要作用是生物除磷。主要设备：潜水推进器、手电动铸铁镶铜闸门、潜水搅拌器。

（7）缺氧反应池：将废水中的各种复杂有机物分解。有机物在缺氧菌的作用下逐步分解为甲烷和二氧化碳。在分解过程中含氮有机物分解产生的NH3又可以提供微生物的养料。主要设备：潜水推进器、手电动铸铁镶铜闸门、潜水搅拌器。

（8）好氧反应池：MBR膜片采用的聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜。膜组件有以下特点：膜材质为聚偏氟乙烯，抗污染性强，易清洗，适于污水处理；化学性能稳定，抗氧化性强，可采用常用氧化性药剂清洗；好氧反应池的作用是通过池底铺设的曝气装置不间断进行曝气，污水在此池内进行有机物生化降解，去除水中的BOD和COD。主要设备：潜水推进器、手电动铸铁镶铜闸门、潜水搅拌器。为了保证MBR膜组件具有良好水通量，能持续、稳定地出水，需定期对MBR膜组件进行反洗。

（9）化学清洗系统：MBR系统设置一套化学清洗系统，此系统是由清洗循环水泵、次氯酸钠及柠檬酸加药装置、双向泵、吊车构成。化学清洗是在MBR运行约半年至一年间（具体时间需根据进水水质以及设备运行情况确定）对膜组件进行的彻底清洗。

（10）鼓风机房：作用是给微生物提供养分、动力，吹扫膜丝，使膜免于堵塞。主要设备：鼓风机。

（11）设备间主要设备：离心产水泵、反冲洗泵、

抽真空泵、剩余污泥泵、在线清洗泵、空压机、冷干机、柠檬酸计量泵、次氯酸钠计量泵、次氯酸钠泄料泵、次氯酸钠输送泵。

（12）接触池：处理完毕的污水在排到洳河前在此进行臭氧消毒。

（13）消毒间主要设备：臭氧发生器。臭氧发生器由S7200控制。

3.2 污水处理厂的工控网络的系统图及说明（如图2所示）

图2 污水处理厂工业以太网系统图

全厂的工业以太网系统由1个中央控制室和3个现场PLC控制站组成。中央控制室设置1台服务器和1台工控机（作为操作站），通过工业以太网与现场的3个PLC（西门子S7-300系列）控制站连接。现场PLC控制站采集现场数据并分析、判断，然后输出逻辑结果，控制现场设备。PLC同时把现场采集的数据通过工业以太网传输给服务器，服务器通过组态软件显示工艺参数、存储数据、发出报警信息，打印报表、调用历史数据、显示设备运行趋势图，还可以把工业以太网传输的工艺参数存储到数据库中长期保存，方便科学研究。

3.3 系统硬件组成及功能

系统主要由4大部分组成，具体描述如下：

3.3.1 中央控制室

设置工控机两台，型号：研华IPC-610H。硬件配置：英特尔i5处理器，8G内存，1T硬盘，一块自适应式10/100MB以太网网卡。光纤交换机一台：型号：KIEN-2000B-2M（东土科技），10/100MB，2个光口。

3.3.2 一号PLC控制站设备控制方法

本站控制鼓风机房内的所有设备，包括采集温度、压力等所有仪表的数据。

PLC通过采集温度变送器、压力变送器等仪表信号，并且比较当前值与设定值的大小来控制鼓风机启停、电动阀的开关，同时也控制其它设备。中央控制室内通过工业以太网可监控所有设备，显示所有工艺参数，报警信息。

3.3.3 二号PLC控制站设备控制方法

本站控制的范围包括好氧池、厌氧池、缺氧池、膜池、设备间、化学清洗系统内的所有设备。采集液位、浊度、压差、流量、温度、压力、水质等所有仪表的数据，数据通过工业以太网传送到中央控制室、显示、存储。

电磁流量计计量离心产水泵的产水量并且把流量信号传给PLC，PLC利用采集的即时流量信号，用PID程序调节变频器，使离心产水泵的产水量达到恒流量。因为有了工业以太网，在中控室内可以任意设定离心产水泵的流量、工作频率、启停等。

本站要控制的设备还有反冲洗泵，抽真空泵，剩余污泥泵，在线清洗泵，空压机，冷干机，柠檬酸计量泵，次氯酸钠计量泵，次氯酸钠泄料泵，次氯酸钠输送泵等。这些设备都通过工业以太网在中控室内可监可控。

3.3.4 三号PLC控制站设备控制方法

本站控制的范围包括粗格栅、提升泵房、细格栅、超细格栅内的所有设备。提升泵的控制比较典型，提升泵主要由液位、流量控制，液位控制比较复杂，其中2个液位提升泵房，信号采集在本PLC站内实现的；还有2个液位在膜池，它的信号采集在二号PLC控制站完成的。因为膜池的液位必须控制提升泵，所以必须通过工业以太网在两个控制站之间传递数据来控制提升泵。

其它设备状态及仪表信号都通过工业以太网在中控室内可监可控。

3.3.5 工业以太网硬件连接

在中控室内把服务器和工控机使用普通网线（铜芯4对双绞线）连接到光纤交换机上，使用各自的RJ45口。用光纤连接中控室内的光纤交换机和现场一号控制站的光纤交换机，使用各自的光纤通讯口。使用普通网线连接现场的光纤交换机和PLC模块CP343-1（连接各自的RJ45口）。用同样的方式连接其他两个控制站，这样就构成了完整的工业以太网。网络的拓扑结构为总线型。

3.4 系统软件配置、软件组态和编程

3.4.1 系统软件配置

（1）PLC控制站的软件选用西门子公司的STEP7 V5.5。

（2）中控室内的工控软件选用西门子公司的Wincc7.2。

3.4.2 STEP7 V5.5软件中的工业以太网编程方法

3.4.2.1 通讯协议、接口设定

在“Simatic Manger”界面中，选择“Option”中的“Set Pg/Pc Interface”，进入“SetPg/Pc Interface”界面，选定“Tcp/Ip（Auto）中的RealtrkRtl8139/810”通信协议，然后点击“ok”按钮。

3.4.2.2 新键项目

在“Simatic Manger”界面中选择“File→New Project”，在弹出的对话框中的“Name”下面给新工程取名为“Project”。在Project工程界面中单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Insert New Object→Simatic 300station”，插入一个300站，取名为“SIMATIC 300（1）”。用同样的方法再插入2个300站分别取名为“SIMATIC 300（2）”和“SIMATIC 300（3）”^[2]。

3.4.2.3 硬件组态

在“Simatic Manger–[Project]”工程界面中双击“SIMATIC 300（1）”，再双击“HARDWARE”，在机架上加入CUP315-3DP，SM321，SM322，CP343-1等模块。把CPU的MPI地址设为4，CP343-1可以在“Simatic→Cp300→Industrial Ethernet”下找到。CP343-1在插入机架时会弹出一个CP343-1属性对话框。新建以太网“ETHERNET（1）”设置他的IP地址为“192.168.0.10”，子网掩码为“255.255.255.0”。用同样的方法组态“SIMATIC 300（2）”和“SIMATIC 300（3）”。它们的IP地址分别设为“192.168.0.12”和“192.168.0.13”，子网掩码为“255.255.255.0”。

3.4.2.4 网络参数配置

首先，在“Simatic Manger–[Project]”工程界面中单击“option→configure network”按钮，此时可以看到3台PLC已经挂入了工业以太网中。选中“SIMATIC 300（1）”的CPU，单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“Insert New Connection”，建立新连接。这时会自动弹出插入新连接对话框，在“connection partner”中选择“SIMATIC 300（2）”，这表示给“SIMATIC 300（1）”和“SIMATIC 300（2）”建立一个连接。之后，在连接类型中，选择“Iso-On-Tcp Connection”，然后点击“Ok”按钮。此时会自动弹出连接属性对话框，点击“General Information”选项卡，在“Block Parameters”栏中可以看到Id和Laddr，其中Id=1是通讯连接号；Laddr=W#16#0110是Cp模块的地址。这两个参数编程中会用到。最后，激活“ActiveConnection Establishment”选项。用同样的方法建立“SIMATIC 300（2）”和“SIMATIC 300（3）”的连接、“SIMATIC 300（3）”和“SIMATIC 300（1）”的连接。保存并下载到PLC中。^[4]

3.4.2.5 编写程序

编写工业以太网通讯程序需要调用功能块FC5“AG SENG”和FC6“AG RECV”。这两个指令在指令库“Libraries→Simatic_Net_Cp→Cp300”中可以找到。发送和接收程序如图3、图4所示。

图3 发送方程序

图4 接收方程序

3.4.3 Wincc软件中的工业以太网通讯编程

3.4.3.1 建立项目

单击“桌面→SIMATIC WinCC Explorer”快捷键来启动Wincc，在弹出的对话框中选择“多用户项目”。在弹出的创建新项目对话框中为新项目取名为“Project”，之后点击创建按钮，这样就新建了一个项目^[3]。

3.4.3.2 添加工业以太网驱动程序

在project项目的浏览窗口中选定“变量管理”，右击“变量管理”在快捷菜单中选择“添加新的驱动程序”，在“添加新的驱动程序”对话框中选择simatics7 protocol suite。chn驱动程序，之后点击“打开”按钮。此时，所选择的驱动程序就会显示在变量管理的子目录下。

3.4.3.3在新建的“Project”项目中建立WinCC与PLC之间的工业以太网连接

在驱动集合中选定“Industria lEthernet”驱动程序，然后右击，在快捷菜单中选择“新驱动程序的连接”，在弹出的“连接属性”对话框中为新连接取名为“PLC1”。点击属性，在弹出的“连接参数”对话框中设置参数。在“以太网地址”文本框中按格式输入所要连接的PLC上的通讯处理器的地址，这个地址是CP343-1的静态IP地址（MAC）。在机架号、插槽号的文本框中添入PLC的CPU模块所在的机架号和插槽号[5]。

3.4.4 中央控制室组态软件的主要功能

3.4.4.1显示功能

工控组态软件监控系统以图形或图像的方式形象显示工艺流程、各设备状态以及厂区概貌、工艺布置图。通过I/O输入输出域、棒图、曲线、数据表格等方式监视液位、压力、温度、流量、水质等工艺参数。

3.4.4.2 报警功能

系统自动进行报警和事件处理。当报警发生时，如液位超高或过低，系统可快速检测并通过画面状态变化提示，并显示报警文本，同时发出声音报警提醒监控人员注意。报警到达时间、确认时间及排除时间、报警值、限位值、当前操作员等相应信息自动进入存档。报警到达以及报警确认但未排除，采用两种声音提示。报警可手动消音。报警信息存储半年以上，以便进行故障分析和查询。操作事件等状态变化也自动进行存储归档。

3.4.4.3 数据归档存储功能

液位、压力、温度、流量、水质污水处理量等工艺参数数值按定义周期自动进行存储到数据库（Microsoft Access）中。存储的数据可按曲线或数据列表的方式进行显示。并提供历史数据查询、ZOOM显示、观察线、在线关闭打开曲线、在线调整时间范围、在线修整显示模式等功能。数据永久保存。

3.4.4.4 调用历史数据功能

可以调用数据库中的任何时刻的工艺参数。打印可按定义时间自动进行，也可通过按钮人工打印。事故报警可随时打印，并可根据需要将最近200条或30天的归档全部输出。月报数据自动累计计算并打印到月报报表上。报表文件在打印的同时自动在硬盘上存储，以便重新输出。存储的报表可在系统中打开浏览。

3.4.4.5 用户管理功能

操作人员操作设备必须进行登录。根据不同操作人员的级别，系统自动判断封锁操作人员所能进行的操作。当报警发生时，当前操作员被记录存档。系统根据用户名和密码显示和控制屏幕上的画面及操作。无权限的用户只能浏览画面，不能修改参数机设备控制。

3.5 本章小结

本章根据某中型污水处理厂项目自动化系统建设实际，给出了工业以太网在自动化控制系统中的构建和应用技术。应用实例介绍工业以太网在主机采用WinCC监控软件的系统如何实现数据集成，同时介绍了采用

Siemens PLC做为控制器的系统如何通过工业以太网监控和数据集成。

4 结束语

大中型污水厂自动化是一项复杂的工程，它涉及企业生产调度、设备运行管理维护、生产工艺改进等多个方面。

本文探讨了工业以太网在自动化控制系统应用技术及其原理，结合大中型污水厂自身特点，探讨了工业以太网应用的关键技术：基于Siemens PLCS7-300硬件通讯协议，网络参数的设置等基础上分析数据传输机理。通过对关键技术的研究，结合工业以太网自身特点，采用WinCC组态软件实现生产应用的数据采集、数据集成以及设备状态监控。

随着自动化科技发展，工业以太网的应用日益广泛，由于其通信速率高，传输距离远，成本日趋降低，资源共享能力强等优势。在大中型污水厂自动化项目中应用工业以太网技术，可以实现全厂网络化的快捷方便的生产管理，极大地提高生产效率、降低成本。生产网络化和管理控制一体化必然会使得工业以太网在大中型污水处理厂自动化应用中得到广泛应用。

作者简介：

管力（1982-），男，河北人，工程师，学士，现就职于北京碧水源科技股份有限公司，主要从事工业自动化方面的工作。

参考文献：

[1]西门子(中国)有限公司.S7-300可编程序控制器系统手册[Z].

[2]西门子(中国)有限公司.STEP7编程手册[Z].

[3]西门子(中国)有限公司.WINCC编程手册[Z].

[4]秦益霖.西门子S7-300PLC应用技术[M].北京:电子工业出版社.

[5]西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团.深入浅出西门子WinCCV6(第2版)[M].北京:北京航空航天大学出版社.

摘自《自动化博览》2022年9月刊