a. 带宽大,传输速度快。整体方案采用全双工100Mbps光纤以太环网,网络实际带宽达到200Mbps;单向传送一个1518字节大小的帧只需要120μs。
b. 交换式以太网,保证了系统的确定性。对于实时控制来讲,其网络必须是一个确定性的网络。所谓的确定性是要求网络传输的延迟不超过系统所允许的最大值。传统的以太网是基于载波侦听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)的介质访问机制,因而本质上不保证传输的确定性。但以太网可通过三种方式获得确定性,一是限制流量,二是使用主-从通信方式,三是采用以太网交换机。本系统采用交换机将整个网络分成多个冲突域,从而消除了冲突,实现了确定性。
c. 环形冗余方案,保证了系统的可靠性。过去由于没有其他可供选择的方案,冗余网络大都采用双总线方式实现。随着以太网和交换技术的发展使得建立冗余环网成为可能。在同样冗余度的情况下,冗余环比双总线方式减小了风险的集中和降低了实现成本。如果系统中大环或小环的光纤发生故障,环形结构将在小于500ms时间内切换成具有全部传输能力的总线结构。在大环和小环之间有两条双绞线通道,一条作为主线,一条作为备用线,实现冗余连接。当主线发生故障时,备用线在500ms内自动启用,从而确保了环与环之间的可靠通信。
d. 以太网允许系统不断扩展。与现场总线相比,以太网具有向下兼容性。对于双绞线或光纤介质,如果将传输速度从10Mbps提升到100Mbps,在大多数场合不需要改变现有的布线,只需更新网络设备即可。同样,如果将本系统主干网从100Mbps以太网提升到千兆以太网,只需升级网络传输设备,而无需重新铺设光缆。
e. 数据、语音、视频“三网合一”。在本系统中,网络不仅用于控制数据的传输,同时也作为语音和视频的传输平台。每个泵站均设有一台带有云台的摄像头,其视频输出和音频信号以及云台控制信号经过VIP发射器压缩并转换成符合H.323标准的数字多媒体信号接入到以太网上,在监控端通过专门的解码软件对远程视频实现监视和记录,并可远程控制云台的动作。
f. 基于MODBUS/TCP的应用层协议的透明网络系统。MODBUS/TCP即基于TCP/IP的MODBUS协议,它在传输层选用标准的传输控制协议TCP,它能在收到经网络传来的错误数据的情况下,通过应答与重传机制来保证可靠地传输,从而保证了传输过程中的可靠性。MODBUS本身就是一个开放的协议,为众多的供应商所支持。目前MODBUS/TCP已经成为一个事实上的标准,为其它工控设备提供了通用的接口。网络层采用IP协议,用户只需了解控制设备的IP地址即可实现设备之间通信,而与低层网络地址和硬件无关,对用户来说具体的某个网络单元(硬件和软件)的存在仿佛不存在一样,整个网络可以看成一个透明网络。
3.控制系统的具体实现
传统的现场总线控制系统(FCS)是建立在各种各样现场总线基础上的网络集成式全分布控制系统,嘉兴污水控制系统则是一个典型的基于工业以太网平台的集成式全分布控制系统。该系统借鉴了现场总线控制系统的特点,按照集中管理分散控制的原则,大环和小环均采用两级控制。一级为管理控制站,位于主监控中心和污水处理厂中央控制室,由微机、显示器、打印机、UPS电源、PLC0及模拟屏等组成,目的是对主要工艺设备的控制和调度,对生产过程中的工艺参数进行数据采集、监控、优化和调整,对主要工艺流程进行动态模拟和趋势分析,以及对整个系统的音视频监视。二级为现场控制站,在每个泵站以及污水厂的水区(第一分控站)和泥区(第二分控站)都配置了独立的PLC控制器,实时采集流量、压力等工艺参数并控制水泵以及其它设备的运行;各泵站的PLC控制器之间通过以太网通信实现动作的互锁和联动。