工业以太网与其在污水处理行业的应用分析

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1、江苏大学硕士学位论文1t1本课题研究的意义第一章绪论在监控层和现场设备层采用以太网技术，不仅可以省去各种现场总线之间以及现场总线与管理层以太网之间复杂的网关设备，实现办公自动化网络和工业控制网络的“无缝连接”【”，而且可以将商业以太网中成熟的应用技术方便地移植到工业控制系统，始终保持工业控制网络技术不游离于网络发展的主流技术之外。但将传统上用于管理层的以太网技术应用到工业控制现场必定会碰到很多困难，毕竟工业控制现场的环境比管理层的环境要恶劣的多，首先需要解决的就是实时陛、安全性、可靠性等问题。这些问题不解决，以太网技术就难以在工业控制中得到充分应用。本文以污水处

2、理厂污水处理控制网络为例，充分考虑污水处理行业的工艺技术特点，并结合以太网和现场总线技术的最新进展情况，研究基于工业以太网的污水处理控制系统，为以太网技术在工业控制领域的全面应用打下基础。1．2工业现场自动控制技术的发展计算机和通信技术的发展促进了工业控制技术的变革，目前市场上常见的工业控制技术主要是以下三种：集散型计算机控制系统(DCS)、现场总线控制系统(Fcs)、工业以太网控制系统。下面将分别简要介绍一下这三种技术各自的特点。1．2．1集散型计算机控制系统(DCs)集散型计算机控制系统出现在上世纪70年代，由于计算机的功能和可靠性大为提高，而价格却不断下降

3、，尤其是工业用控制计算机(IPc)，在采用了冗余技术、软硬件自诊断功能后，其可靠性已提高到基本满足工业控制需要的程度。1975年美国的Honeywell公司公布了第一个集散型计算机控制系统(Dcs)。DCs吸收了模拟仪表和计算机控制的优点，将控制功能和危险性分散，而将参数显示和操作部分高度集中。因此，相对传统的由模拟调节仪表组成的过程控制系统，l江苏大学硕士学位论文Dcs不仅具有极高的可靠性，而且能够完成直接的数字控制、顺序控制、批量控制、数据采集和处理、多变量解耦控制以及最优控制等功能。常见的DCS网络结构有三种【2J：星形结构、环形结构和总线形结构，见图1．

4、1。警豁豳(a)星形结构：(b)环形结构；(c)总线形结构与一般的计算机控制系统相比，DCS具有以下特点【3】：①松耦合的多处理机系统，可实现硬件积木化Dcs在结构上是～个松耦合的多处理机系统，与以共享内存为基础的紧耦合系统相比，它的通信量少，分散的子系统自治性强，各个微处理机都可以有自己的局部操作系统，所以系统配置十分灵活。②软件模块化Dcs被广泛的应用于一系列的工业领域，尽管它们的生产工艺和产品各异，但从过程控制的要求来说，有相当大的共性。这些为Dcs的软件设计提供了方便。Dcs为用户提供了相当丰富的功能软件，用户只须按要求选用这些软件模块，即可大大减少用户

5、的开发工作量。③控制系统用组态方法组成Dcs采用组态的方法生成控制系统，工程师按照系统地控制方案，从Dcs提供的模块中选取必要的模块，采用填表方式、步骤记入方式或类似于画系统方块图那样的连接模块方式进行系统的组态，即系统生成。组态一般是在各种操作站上进行。④通信网络的应用通信网络是Dcs的神经中枢，它将物理上分散的多台计算机有机的连接起来，实现相互调节、资源共享的集中管理。⑤可靠性高江苏大学硕士学位论文Dcs的高可靠性体现在系统结构、采用冗余技术、自诊断功能和高性能的元器件上。但DCS技术也有很大的局限性，由于世界上的DCS厂家众多，各厂家自己的硬件和软件都具有

6、灵活的组态和配置能力，为适应工业生产环境，各厂家对其产品均进行了加固处理，使其具有防尘、防潮、防电磁干扰、抗冲击、震动及耐高低温等恶劣环境的能力。但是不同的系统采用的计算机硬件差别很大，而各家的DCS的操作员站和工程师站差别就更大了。在DCS系统中，不同厂家软、硬件产品不能互换，虽然在通讯方面部分采用IEC的过程数据公路标准，但大多仍属于按各制造厂自身的通讯协议工作，影响了综合自动化系统的完整性。在这样的情况下，产生了现场总线，为现场设备接口的智能化、网络化、标准化、低成本提供了机遇。1．2．2现场总线控制系统(Fcs)现场总线是一种工业数据总线，它是自动化领域

7、中计算机通信和系统最底层的低成本网络。根据国际电工委员会IEc61158标准定义：现场总线是指安装在制造或过程区域的现场装置之间的数字式、串行、多点通信的数据结构【4J。现场总线的技术的基本内容包括：以串行通信方式取代传统的4—20mA的模拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点连接、支持底层的现场智能设备与高层的系统利用公用传输介质交换信息。现场总线的网络结构主要有环型、树型、总线型以及这几种的混合体。环型拓扑结构中以令牌环形网最为典型，其优点是延时性较好，缺点是成本较高。总线网的优点是站点接入方便，可扩展性较好，成本较低，在轻负载的网络基本上没有

8、时延，但在站点多、通讯任