工业通讯技术在市政水处理行业的应用

中国市政工程华北设计研究总院 刘 杰，杨 超，余 鹏

上海同济普兰德生物质能股份有限公司 黄斌斌

工业通讯技术在市政水处理行业中的生产安全、质量控制、节能减耗等诸方面起到关健性技术支撑作用。本文回顾了工业通讯技术在市政水行业中的发展历程，介绍分析了目前该行业中各种工业通讯应用的技术特点以及它们的适用范围。

工业通讯技术；现场总线；工业以太网；无线通讯；

1 引言

随着微电子、计算机技术、网络技术、控制理论的发展普及，工业通讯技术在市政水处理行业得到越来越多的应用和发展，市政水处理行业的自动化生产运行也越来越离不开高速、稳定、安全、开放、强容错性的工业通讯技术的强力支撑。本文对工业通讯技术在市政水处理行业应用及发展的现状、特点以及趋势进行梳理、阐述。

2 市政水处理行业工业通讯技术发展历程回顾

市政水处理行业的生产运行在上世纪八十年代基本为电气化操作或人工操作，部分工艺采用了常规的单元式电动或气动仪表控制。由于技术水平有限，造成生产效率低且不稳定，人员工作强度大，能耗、物耗高，生产事故往往不能及时预防、发现和处理。这一时期还出现过基于STD总线技术的水处理控制及通讯系统，但未成规模，后来随着技术的发展而逐渐被淘汰。

上世纪九十年代左右，随着改革开放的不断深入，我国通过外国政府资助及世行贷款等项目，引进了国际上当时较先进的水处理生产工艺及自动化控制理念和技术。通过引进消化吸收，国内水处理行业逐步建立起生产自动化网络。这一时期的网络通讯技术特点为：网络通讯采用单层结构，为总线形式的令牌网，在网络中既连接有上位机等人机界面，又连接着控制站、远程IO站，网络协议一般为厂商专有，开放性差，不同厂家的系统、设备互联互通困难。

跨世纪以来随着网络通讯理论和技术的发展，市政水处理行业的网络通讯技术也随之不断地进步。表现为：

从通讯网络的拓扑结构上看，具有较清晰的层级结构，一般分为生产管理层、生产控制层、现场设备控制层等三层结构。

生产管理层完成数据记录存档管理、生产图表分析、工艺调度指令发布等SCADA功能，并具有和管理自动化网络数据交互的功能。技术特点是交换数据量大，支持二进制流、ASCII码流、HTTP等等诸多数据格式的通讯，要求具有较大的通讯带宽，但在三层结构中对通讯的实时性要求相对不高，一般具有秒级响应时间可满足要求。目前常见采用100BaseT、100BaseF的快速以太网，部分企业采用1000BaseT、1000BaseX的千兆以太网构建，网络形式为基于TCP/IP协议集的局域网，根据规模和技术要求可以是单网段或多网段（采用路由器、L3层交换机、VLAN等技术）进行组网。

生产控制层完成厂级生产自动化控制，主要完成各自动化站间的数据通讯交换，自动化站和生产管理层间的数据通讯交换功能。目前在市政水处理行业中存在着自动化厂商专有网络（一般采用菊花链形式的总线结构，如Schneider公司的MB+，Siemens公司的profibus_fms，RockWell Automation公司的DH+，ControlNet等）以及工业以太网（如Siemens公司的PROFINET，Schneider公司的Modbus-RTPS等）两种类型。生产控制层是面向生产过程，对实时性、可靠性、安全性和数据完整性有很高的要求。

现场设备控制层完成现场控制站和远程IO站、现场总线智能设备（如变频器、总线型电动阀门、总线型电磁阀岛等）以及智能仪表之间的通讯。现场设备控制层面对的是现场实际生产工况，对通讯实时性、安全性的要求最高，响应时间一般要求百ms级左右，由各控制站CPU的看门狗固件程序或电路完成对其的实时性指标监测。该层的技术支撑是各种现场总线通讯协议，由于生产厂家众多，总线协议各自为政，不同厂商设备间的互联互通困难，给使用单位造成诸多不便。有鉴于此，国际电工委员会IEC在综合考虑标准化和市场应用的情况下，于1999年推出IEC61158推荐标准。该标准并没有指定统一的网络协议规范，而是推荐了8种已在使用的现场总线规范， 这八种总线规范的涵盖范围并不完全一致，技术上各有侧重，目前水处理行业常见的是Profibus、ControlNet、Modbus等。

3 当前市政水处理行业所应用的工业通讯技术介绍

当前我国市政水处理行业所应用的工业通讯技术最热门的是工业以太网技术、现场总线技术以及无线通讯技术（例如GPRS/CDMA通讯，无线数传电台、WIFI等）的应用。其中工业以太网技术主要用于控制站间以及控制站和上位机之间的通讯；现场总线技术的应用趋势则不仅用于控制站和子站、远程IO之间的通讯，也包括控制站和智能仪表、智能执行机构之间的通讯；无线通讯则用于大地理区域间通讯信息的互联互通。它们在水处理行业的应用特点见表1。

表1 各工业通讯技术在水处理行业应用特点

（1）工业以太网关键技术

工业以太网技术是在商用以太网技术的基础上发展起来的。众所周知，商用以太网相对传统工业控制网络来说，具有以下诱人的优势：通讯速率高（100Mbps，1000Mbps，而专有网络，由于规范机制的原因，很少能够突破到10Mbps，例如Profibus_DP的最大通讯速率为1.5Mbps），符合ISO/OSI参考模型规范，软硬件资源丰富，组网方便，网络管理手段完善，支持网络数据库技术等。

但商用以太网却很长时间在工业领域得不到应用，主要原因是：商用以太网是遵循IEEE802.3标准的网络，采用CSMA/CD方法来解决信道上的信号收发，通讯中的信号在网络拥塞时延时将很大；同时在网络中存在交换器、网桥等设备时采用了存储转发机制，则信号通讯存在着不确定性，也不能保证工业现场对通讯的实时性要求；由于商用以太网的开放性，网络安全是人们担心的另一个重要原因。

为了在工业领域实现以太网通讯的应用，一段时期以来，众多自动化厂商以及标准化组织进行了不懈地努力，针对商用以太网的实时性和不确定性问题，主要从以下几个方面进行了改进：提高传输速率，采用全双工传输；改进网络拓扑结构，采用交换式星型结构；采用多网段路由技术、QoS、VLAN技术，缩小碰撞范围及“数据风暴”的可能性；在标准的2、3层协议（对应于IEEE802.3X、IEEE802.2X协议上的修改扩充，如RTPS、RTCC快速生成树冗余RSTP等）上建立实时传输信道协议（各厂家各有侧重）；同时IEEE针对实时性要求不同的信息帧制定了IEEE802.1P&Q（相对于OSI的第四层输运层）优先级队列协议，来保证实时信息帧的优先发送接收；在改进协议规范的同时，对网络硬件规范也做了重要改进，着重提高网络的EMC/EMI、本质安全等性能使之符合工业环境的要求；通过努力，现今工业以太网技术在实时性、本安性、确定性等方面已经完全满足了工业现场通讯网络的技术要求，在市政水处理行业等到了大量应用。

水处理行业工业以太网解决方案常见的有：Ethernet POWERLINK，PROFINET，Ethernet/IP CIP，Modbus-RTPS等，市政行业常见网络体系拓扑结构常见形式有以下几种：生产管理局域网+工业以太网+设备级现场总线；生产管理局域网+双网冗余工业以太网+设备级现场总线；生产管理局域网+工业以太环网+设备级现场总线。

表2 各类型工业以太网优缺点比较

图1 非冗余通讯网络拓扑示意图

（2）现场总线技术

如前文所述，现场总线技术是很早以前就发展起来的一项工业现场通讯技术，众多厂家分别推出了自己的专有网络协议，一些厂家对自己的网络技术做了有条件的开放，以便第三方OEM厂商设备能够开发接入技术。随着IEC61158标准的推出，现场总线技术得以更加规范的发展，其开放性、统一性得到一定程度的保证。需要说明的是，此文所指的现场总线技术是指符合IEEE802.4令牌总线、IEEE802.5令牌环协议的技术，即所谓的“狭义的现场总线技术”，而IEC61158标准已经涉及到了工业以太网IEEE802.3技术规范,是谓“广义的现场总线技术”。

虽然工业以太网技术在实时性方面已经达到或超过现场总线，但是个人认为现场总线技术在确定性（行为可预测），网络供电、本质安全方面久经考验，相比工业以太网，在设备层级的应用时间和经验仍需积累。目前各个设备厂家开发出的支持现场总线技术的设备、仪表层出不穷，在解决好性价比问题以及多种协议可选配问题后，必将给自动化设计、施工带来观念变革和便利。

现场总线技术在市政水处理行业得到大量的应用，主要体现在控制子站和主站、远程IO站和主站，现场智能设备、仪表和主站间的通讯解决。例如：净水处理厂滤池各滤格子站和滤池车间主站通讯，沉淀池排泥子站和主站的通讯，污水处理厂自成一体设备（污泥车间脱水机等）、仪表的通讯等。

在市政水处理行业中目前常见的现场总线产品有：PROFIBUS_DP（远程IO通讯、变频器等设备通讯）、PROFIBUS_PA（过程仪表通讯）、HART（过程仪表通讯）MB+、ControlNet（远程IO通讯、控制站通讯）、 DH+（远程IO通讯、控制站通讯）、ModBus、CAN（这两种常见于高压配电综合继保、电量仪表等通讯）等。

（3）无线通讯技术

目前来看，相对于有线通讯技术，无线通讯技术是一项有益的补充。如前所述，无线通讯适用于大地理范围通讯及物理条件限制无法实现有线通讯的场合：如井群调度、管网监测和调度、智能抄表、无人值守泵站等。

目前市政水处理行业所采用的无线通讯技术有：GPRS/CDMA技术，无线数传电台技术、WIFI技术等。其中WIFI技术目前主要应用于生产管理层不布线信息点的拓展。

GPRS/CDMA技术利用移动基站覆盖，通过2.5G、3G无线公网，完成远程站和控制中心的数据通讯；无线数传电台则利用工业通讯用无线电波频点（一般为VHF频段）完成通讯任务。

表3 数传电台与GPRS/CDMA技术优缺点比较

4 结语

本文对工业通讯技术在市政水行业中的应用及发展历程做了一些总结分析。可以看出，通讯技术在水处理自动化技术中的基础性地位，当然网络通讯技术涉及的方方面面很多，并且各方面的理论、技术、协议规范包括应用等仍在不断发展中。随着工业通讯技术的发展，各种新技术的不断涌现，在市政水行业中的也得到应用，推动市政水行业自动化水平的提高。同时各种通讯技术有各自的特点和应用范围，在市政水行业的实际应用中需根据工程特点灵活掌握。

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