（上海电气自动化设计研究所有限公司上海200023）
摘要：针对大型污水处理厂区域广、配套厂家多、通讯类型多、数据实时监控不便、控制要求高的特点，系统介绍了一套三层网络管控设计方案，通过光纤将整个PLC站链接起来形成环网，并将工业无线AP覆盖到整个厂区以实现中控室对现场PLC站进行无缝通讯，以PLC为核心通过不同的现场总线将现场各类设备链接起来，以达到实时读取现场设备数据的目的。
关键词：Modbus；PLC接口；冗余；网关；现场总线
0引言
上海市白龙港污水处理厂升级改造和扩建工程建成投运，日最高生物处理量通过优化达200万m3/d，年削减COD量16万吨以上，对上海市完成“十一五”COD减排任务起到了举足轻重的作用，为了解决污水量日益增长的需要，根据市政府厂网同步配套的要求对白龙港污水厂再次进行扩建，解决部分地区污水出路，满足日益增加的水量的需要。针对本厂系统的多样性，编程的复杂性，远程监控的繁琐性，本系统设计了三层工业网络管理控制系统，该系统具有设备广域分布，全厂集中管理，数据实时监控的功能。
1系统结构的设计
本系统总体结构主要分为三个层次：第一层是中央监控系统，第二层是现场PLC控制系统，第三层是现场仪器仪表、设备部分。中央监控系统采用的是基于高性能的品牌服务器和计算机的分布式RSviewSE操作员界面，通过工业实时数据库软件KingHistorian和人机界面系统和管理系统进行通讯，主要完成系统的远程控制、数据集中显示、历史数据的管理等任务。现场PLC采用的是美国罗克韦尔自动化公司功能强大的ControlLogix控制系统，实现采集生产现场的各种数据，自动完成污水厂各工段设备的自动控制，完成对生产工艺设备的故障监测、故障报警。第三层采用的是各类仪器仪表，记录各类设备的过程参数并送至上层控制系统。实现这些硬件设备之间相互通讯的是光纤环网、工业以太网和各种现场总线。
2PLC控制系统的设计
本工程共新增11座PLC现场控制站（PLC301～311），1座现场子站（PLC302-1）。由于PLC站点较多，以进水泵房为例，做大致介绍。
2.1系统主要功能
实时监测所属监控工艺流程范围内主要设备的运行状态，并对其进行采集、处理同时供上位机储存、显示；
全自动控制或调节各类水泵、鼓风机、阀门、搅拌机等设备；通过串口服务器对各变配电所电力信号进行采集，实现对电气系统的连续监控；接收中央监控系统的调度指令对各类设备进行控制，并且具有对上位机的错误指令进行屏蔽处理的功能。
2.2现场PLC站配置
PLC301负责的是进水泵房的设备监控，由于负责重要设备较多，故使用PLC控制器采用双电源、双CPU、双以太网冗余结构确保系统的可靠性。
双电源冗余：在每个冗余机架上配有1套专用冗余电源模块（含2块电源），一旦其中1块损坏，另一块会进行实时无缝切换，保证该机架上CPU模块和网络模块的正常供电，具有极高的供电安全系数。
双CPU冗余：在每个冗余机架上各配有1块CPU模块，其中1块充当主站，另一块作为从站，平时主站负责对所有的设备、子站进行采集数据、判断处理、控制设备，而从站实时进行程序、数据的备份，一旦主站损坏，冗余系统立即实时、无缝切换到从站工作，保证对相关设备输出控制的连续性，绝不会丢失任何数据，因此具有很高的系统可靠性。
双以太网冗余：2个冗余机架上各配1块以太网模块，主站以太网模块损坏，系统会自动切换到从站以太网模块，从而保证本站和中控室通讯正常。
2.3PLC接口设计
如图1所示，与具有普通开关量、模拟量输入输出接口的现场设备和仪表采用常规I/O硬线连接方式；PLC301站需要对进水泵房的电动速闭闸、进水泵、进水闸阀的各类状态、控制信号，以及除臭装置控制箱相关信号进行采集，采用DeviceNet总线；本站需要采集进水泵房变电所6KV配电系统大量的数据，如电柜三相电流、电压、有/无功功率、综合继保等，这些数据由配电系统就地控制保护单元通过MODBUS总线采用星型连接方式与安装在本站控制柜内的2台串口服务器相连，串口服务器通过以太网连接到本站PLC系统；与进水泵房的振动检测仪表采用以太网相连；2台冗余PLC通过以太网模块经光端机接入光纤环网C网；触摸屏通过以太网与本站PLC相连接，在MMI控制模式下，允许相关授权人员经由触摸屏控制本站设备。在进水泵房控制室设置1台现场操作员站，通过以太网接入系统，现场管理人员可通过操作员站人机界面对进水泵房区域的设备进行监控管理。
2.4主要工艺过程控制
由于本站设备类型较多，以进水泵为例进行介绍，进水泵控制由进水泵房MCC实现，进水泵按运行要求设置现场控制箱，控制箱面板上应设"手动/自动"转换开关。"手动"状态下，由控制箱面板上的按钮直接控制排海泵的运行；"自动"状态下，由自动化控制装置（PLC）控制进水泵的运行。
6台进水泵4用2备，2台为变频控制。现场控制站PLC根据泵井液位进行控制，液位值可由操作人员键盘设定。水泵应轮序控制，使每台泵运行时间相等。控制程序应使每台泵停止/启动间隔大于10分钟，如发生故障应报警并将代替泵自动投入运行。并严禁2台泵同时启动。进水泵控制流程图如图2所示：
3通讯系统设计
全厂的数据通讯网络分为三级网络实现对全厂数据的实时采集、监控与管理。第一级为管理级：采用无线以太网技术，在中央控制室及各现场控制站、综合楼等设置无线以太网AP，通过天线建立覆盖全厂无线以太网网络；第二级为监控级：由中央控制室监控计算机至现场站基于IEEE802.3标准总线形式的100M工业以太网光纤环网组成。第三级为数据传输级则由现场站至自带通讯口设备控制箱、现场子站基于IEC61158标准的现场总线以及常规I/O数据传输电缆组成。
3.1无线AP的设计
本工程在每个PLC现场控制站设1套，总共设11套无线AP及天线，无线客户端通过无线的方式与无线AP交换数据，无线AP通过网线与设在该处的工业以太网交换机连接，从而接入到光纤环网中，实现无线客户端在全厂范围内直接对PLC站点进行维护或作为客户端访问服务器，获取生产信息。这种联接方式，受环境因素影响小，性能更稳定，受建筑物等环境因素影响比较小，抗干扰能力和稳定性都比较强。在实际使用中取得了良好的效果。
3.2工业以太网环网的设计
本工程在每个PLC现场控制站设1套工业以太网光端交换机（FD301~311），在控制中心设1套工业以太网光端交换机（FD300），总共设12套工业以太网光端交换机。另在控制中心增设1套网络机柜用于安装光端交换机和以太网交换机等设备。
光纤环网C网通过光缆将各站点的工业以太网光端交换机按照环形拓扑连接组成一个冗余环网，当环网上任意一个接点出现故障，环网主交换机会自动启用备份路径，重新建立通讯路径，不会影响环网上其它设备的运行。这个过程会在20ms内完成，确保整个控制系统能够不间断的工作。
控制中心2台互为冗余的网络服务器分别增加1块网卡，接入新增的光端交换机（FD300），从而实现中央监控系统与光纤环网C的联接。网络连接拓扑图如图3所示。
3.3现场总线的设计
本工程现场设备类型较多，对不同的设备按具体情况设计不同的现场总线，具体参照PLC接口类型设计。此处针对同一种Modbus总线分别应用两种不同的方法实现进行介绍。
3.3.1现场流量计的通讯实现
在本工程现场如空气管道、生物池以及各种流量管道分布大量的流量监测设备，将监控到的数据上传到PLC站用于精确曝气的计算，显然数据的准确性、及时性非常重要，本案例选择Modbus现场总线来实现这一目的。所有的流量计都选用带该总线协议的接口，现场PLC站单独配一套AB的Micro1400专门用于读取现场空气流量计的数据。
1.Modbus功能块配置：例如要读取30个流量计，首先要为每个流量计分配一个MSG通讯模块，在该模块中为当前控制器分配通道号在本例中为0通道即串口通道，选Modbus命令即ReadInputRegister，PLC的接受数据缓冲区首地址为N7：0，数据长度9个字节。空气流量计的Modbus地址为4号站，要读取的功能区地址为30001。图4为Modbus功能块配置图。
2、Modbus轮询实现：由于在AB的通讯机制里未提供Modbus轮询模块，需要用户自己实现，由于在硬件链路中采用的是首尾相连的原则，在PLC的主控程序中也按照该原则将30个MSG通讯模块首尾相连，即当前MSG模块的完成信号DN作为下一个MSG模块的使能信号，如此首尾相连完成对每个模块轮询。
3、注意事项：如果在Modbus的硬件链路断裂或者流量计设备本身有故障，则以上的轮询无法正常完成，作为应对措施应该在每个MSG模块的使能端并联上前一个MSG模块的故障输出ER信号，同时在第一个MSG模块的使能端再并联一个初次上电FirstPass信号，保证PLC上电后能将轮询正常地进行下去。
3.3．2电力信息的通讯实现
本工程电力控制柜信号通过Modbus通讯协议实现和PLC站的数据交换，虽然和现场的流量计走相同的通讯协议，但由于节点过多远远超过了Modbus链路的链接数量，同时为了保证现场仪表的通讯及时性，因此不宜将两者混接在一个链路中，本案例中所有的电力信号都通过ABAnybus的网关进行通讯。因此该网关的设置显得非常重要。
1、AB7007网关的作用：是将Modbus协议转换成为IP/TCP协议。网关的一边是网口，占用一个IP地址，接到交换机，可以访问同网段的其他设备。另一边是九针口，可以有3种接法：RS232、422、485。本案例采用485链接方式。
2、软件设置：AB7007通过AnybusConfigurationManager软件进行通讯设置。
3、现场总线的设置：ModbusTCPaddressmode：选择Enable，在AnybusIpconfig软件中设置IP地址并下载，重新上电之后，AB7007网关会以ABC配置文件中设置的IP地址代替掉AnybusIpconfig软件中设置的IP地址。这样现场PLC通过以太网就可以访问到所有链接到的电力控制柜的信号。
4、子网侧Modbus主从站模式选择：将子网侧Modbus主从站模式选择为：主站模式，并设置相关的波特率、数据位、校验位、停止位、物理标准，此参数只要和电力控制柜相关设备保持一致即可。这样现场所有仪表都作为从站，AB7007作为主站以轮询的方式间隔一定的时间向各个从站发送报文。
5、缓冲区的设置：AnybusAB7007网关无论是读取设备端数据，还是写数据到设备端，软件分为Query询问方，Response应答方。Query询问方是面向设备端的数据区，里面填写的是要访问设备的起始地址和数据长度。Response应答方是指AB7007网关的数据区，里面填写的是起始地址和数据长度来存放对应设备端数据。
6、AB7007的字节翻转问题：在Modbus通讯中经常会碰到地址偏移和字节转换问题，在本案例中可以通过两种方法实现，一种是利用AB7007网关本身的字节翻转功能进行字节交换，如图5所示，Byteswap功能用来字节的转换，转换“高字节/低字节数据次序”，交换2个字节是指将字节顺序由1234改成2143。交换4个字节是指将字节顺序由1234改成4321。Noswapping字节次序不变。利用这种方法可以大大节省调试时间。
另一种是在PLC程序中利用SWPB指令可以对4个字节进行任意组合转换，如ABCD4个字节利用SWPB的REVERSE模式可以转换成DCBA，利用WORD模式转换成CDAB，利用HIGH/LOW模式转换成BADC。这种方法虽然麻烦，但可以在程序中一目了然有利于程序的可读性。
4结束语
本文给出了PLC在大型污水处理厂具体实现方法，该方法已经实际运用于亚洲最大的污水厂上海白龙港污水处理厂80万吨扩建二期项目中，实践证明在五年的运行期间该PLC系统运行极为稳定，现场数据更新及时，环网抗网络风暴能力强，无线网络覆盖范围广且非常稳定，受到了业主高度评价，为污水处理行业提供了一个重要的参考作用。
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作者简介：
俞雷挺（1966.5），男，上海人，工程师，单位：上海电气自动化设计研究所有限公司，邮编：200023