水厂分布式网络控制系统研究与开发

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3.0 高德中 2024-11-19 4 4 1.04MB 63 页 15积分

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摘要

本论文结合奉贤自来水公司第三水厂的生产实际，综合运用以太网技术和

各种现场总线技术设计和实现了分布式异构网络控制系统。该控制系统解决了由

于工业控制网络日趋向大型化、复杂化方向发展，在实际生产现场形成的，对各

种不同生产现场或同一生产现场的不同部分进行实时监控的多套监控异构网络

难以互相联系与数据共享的技术难题，实现了信息网络的集成和数据共享，满

足了控制系统发展的趋势和要求。

本文首先分析了水厂生产的工艺流程，针对水厂规模大、监控点数多、控制

复杂等特点提出了在传统分布式控制系统三层结构上进行扩展，采用分布式网

络监控解决方案，揉合各种现场总线 ControlNet、Modbus、DH+和工业以太网

Ethernet/Ip 技术，并应用无线数传电台、GPRS 等无线通讯技术，解决了固定和

移动设备、远程站点的实时监控，实现了不同设备、不同子系统之间的数据交换

其次本文提出了控制系统设计框架和原则，采用“分级控制”策略，实现

针对水处理工艺涉及到的中央控制室和各分控制系统。从控制系统总体规划，原

水泵房分控站控制系统，加药间分控站控制系统，滤池分控站控制系统，排泥

水处理分控站控制系统等多个方面实现了控制系统具体功能。

最后本文提出和设计了用于实现网络的信息集成和数据查询的实时数据库

系统。就实时数据库所涉及到的数据压缩策略及实现、数据模型、现场数据采集

接口等关键技术问题给出了实际解决办法。

关键词：工业以太网现场总线实时数据库

ABSTRACT
According to actual requests and objective situations,combined with the produce
process of the water plants,this paper design and realize the distrubted heterogenous
control system. It resolves the problem that  the network is difficult to contact and data
s h a r e   w h i c h   h a p p e n e d   b e c a u s e   i n d u s t r y   n e t w o r k   b e c a m e   m o r e  a n d   m o r e   m a j o r   a n d
complexity lead to much monitor and control system in the field. These systems used to
m o n i t o r   d i f f e r e n t   p r o d u c t   f i e l d   o r   m o n i t o r   d i f f e r e n t   p a r t   o f   t h e
field. The heterogeneous monitor and control system make up of different control
network. Thus the realization of interlink the heterogeneous network and information
network is the trend of the development and requirement of control system.
  F i r s t l y ,   t h i s   p a p e r   a n a l y s e   t h e   m a n u f a t u r e   t e c h n i q u e s   o f   t h e   w a t e r
plants.Concerning its large scale, large amount of monitoring and controlling points and
thecomplexity of control, the system is an extension based on the three layers of
traditional DCS structure. It adopted the state-of-the-art distributing monitoring and
c o n t r o l l i n g   s o l u t i o n   f o r   e n t e r p r i s e ,   a p p l i e d   v a r i o u s   k i n d s   o f   c o m m u n i c a t i o n
technology , combined several industrial buses such as ControlNet ,DH+,Modbus.So it
solved the real time monitoring and control between fixed and mobilizing equipment,
remote station, and realized the data exchange between diferent sub-systems.
Secondly,the main frame and principle of the control system is presented. Based on
the “classification tactics” ,the sub-systems involved in the manufature techniques are
realized.
T h i r d l y,   t h i s  p a p e r   d e s i g n   an d  r e a l i z e   t h e   r ea l t i m e   d a t a b a s e  s y s t e m . I t   i s   u se d   t o
intergrate the information of the network system and inqury realtime dada.
Key Words：Ethernet/Ip,Fieldbus,Realtime DataBase
目录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论..........................................................1
§1.1 工程背景...................................................1
§1.2 应用价值...................................................1
§1.3 国内外研究现状，发展动态...................................2
§1.4 本文所要研究的内容及主要关键技术...........................3

第二章 分布式网络系统设计............................................4
§2.1 奉贤三水厂工艺简介.........................................4
§2.2 分布式网络系统总体设计.....................................5
§2.3 EtherNet/IP网络设计........................................6
§2.3.1  EtherNet/IP性能及特点................................6
§2.3.2 网络主要设备选型......................................7
§2.3.3实现方法...............................................7
§2.4 ControlNet网络设计........................................10
§2.4.1 ControlNet主要性能及特点.............................11
§2.4.2网络主要设备选型......................................12
§2.4.3 具体实现.............................................12
§2.5 DH+网络实现...............................................15
§2.6 Modbus网络设计............................................16
§2.6.1 Modbus性能及特点.....................................16
§2.6.2 网络主要设备选型.....................................17
§2.6.3 网络实现方法.........................................17
§2.7无线数传网络设计...........................................21
§2.7.1  MDS数传电台简介.....................................21
§2.7.2 MDS数传无线网络设组成................................21
§2.7.3 无线网络通信参数设置及通信软件设计...................22
§2.8 GPRS网络设计..............................................23
§2.8.1 GPRS特点.............................................24
§2.8.2  Saro1010P GPRS DTU技术特性..........................25
§2.8.3 GPRS在水厂的应用.....................................25
§2.9 本章小结..................................................27
第三章 控制系统设计.................................................28
§3.1 控制系统总体设计..........................................28
§3.1.1 分级控制权限.........................................28
§3.1.2中控室监控系统的功能..................................29
§3.1.3分控站监控系统的功能..................................29
§3.2 原水泵房分控站详细设计....................................29
§3.2.1原水泵房简介及控制系统组成............................29
§3.2.2系统实现..............................................30
§3.3 加药间分控站详细设计......................................34
§3.3.1加药间混凝投药工艺简介及控制系统组成..................34
§3.3.2 溶液池配药控制模块...................................35
§3.3.3 溶液池配药调度模块...................................36
§3.4滤池分控站详细设计.........................................39
§3.4.1 滤池过滤工艺简介及控制系统组成.......................39
§3.4.2反冲洗系统实现........................................40
§3.4.3过滤恒水位控制系统实现................................42
§3.5排泥水处理分控站详细设计...................................44
§3.5.1 排泥水处理控制系统功能组成...........................44

§3.5.2 截留池的运行控制实现.................................44
§3.5.3浓缩池的运行控制实现..................................45
§3.5.4平衡池的运行控制实现..................................45
§3.5.6离心脱水机及加药量的自控..............................46
§3.6 本章小结..................................................47
第四章 实时数据库设计...............................................48
§4.1实时数据库概述.............................................48
§4.2实时数据库设计.............................................49
§4.2.1  工控领域中实时数据库的功能需求......................49
§4.2.3 设计思想.............................................50
§4.2.4 层次结构.............................................50
§4.2.5 数据处理工艺流程.....................................51
§4.3现场数据采集接口...........................................51
§4.3.1 OPC 接口.............................................51
§4.3.2 DDE 接口.............................................57
§4.4数据模型...................................................59
§4.5 数据压缩策略及实现........................................62
§4.6本章小结...................................................65
第五章 总结与展望...................................................66
参考文献............................................................68

第一章绪论

§1.1 工程背景

上海奉贤自来水公司第三水厂位于黄浦江南岸，与上海市综合工业开发区仅3

公里之隔。第三水厂供水区域主要是奉贤南桥中心城和奉浦奉贤现代农业园区、光

明、海湾、化工区等。该水厂2007年日平均供水量为16万吨，最高日供水量超过

21万吨。

该水厂自动化监控系统包括原水泵房、药物投加系统(氯、氨、矾、高锰酸钾

等)、沉淀池及V型滤池、污泥浓缩池等处理系统及送水泵泵房、水厂中控室控制

系统。同时，要求该系统实现对水厂中控室，公司调度系统之间互联通讯，通讯方

式多样复杂。

§1.2 应用价值

该自控系统针对规模大、监控点数多、控制复杂等特点，在传统分布式控制系

统三层结构上进行扩展，采用分布式网络监控解决方案，应用多种通讯技术，揉合

多种工业总线，解决了固定和移动设备、远程站点的实时监控，实现了不同设备、

不同子系统之间的数据交换。该系统效率高、功能强、成本低，集成化程度高，开

放性强，稳定性、可靠性好，实现了真正意义上的一体化控制。

自控系统有效解决了大型净水厂建设中涉及的药物投加处理、污泥处理等新工

艺的优化及其与控制系统有机融合的技术难题，对新建水厂有指导意义。该课题对

于网络与控制交叉学科产品的研究与开发，对于异构网络环境下数据通讯的实现，

对于分布式网络控制系统的开发等方面具有一定的参考价值。

异构网络化控制系统的最终目标是在统一的网络平台上实现控制系统之间的水

平集成以及控制系统和信息系统的垂直集成，使测控信息能够纵向快速流动和横向

实时交互。这对企业建立综合决策信息库、实现生产控制过程的实时数据交互、保

持数据的一致性和完整性、实现远程监控诊断，加强企业内外部信息交流都有着重

要意义。

§1.3 国内外研究现状，发展动态

进入21世纪，自动化与工业控制技术更深层次的渗透计算机通信与网络技术。

水厂分布式网络控制系统研究与开发

首先，现代工厂与智能传感器、控制器、执行器分布在不同的区域，它们之间的通

信需要数据通讯网络来实现，这是网络环境下典型的计算机控制系统。其次，计算

机通信网络的管理与控制也要求引入更多的控制理论与策略。[1]

以现场总线为代表的网络控制系统得到了前所未有的快速发展和广泛应用。例

如Siemens公司的S7-500、Rockwell公司的ControlLogix系统具备了更加强大的网络

通讯功能，正在逐渐被大型生产企业所认识，基于现场总线的过程网络控制系统得

到广泛的推广。[2]但现场总线因为其标准不统一、通信协议不透明、信息难集成等

弊端遇到自身发展的瓶颈。在现场总线系统中，客户应用程序从数据源获取数据时

由于软硬件的不一致性，不同设备需要不同的驱动程序，两个应用程序通常不能同

时访问同一设备，导致了驱动程序的不一致性。所以一种现场总线仅能在一定应用

范围内发挥优势，并不适合所有控制现场，在工业控制系统中仍存在多种总线并存

的现象，用户仍要面临现场总线的选择、集成以及不同协议系统之间的信息交互问

题。因此，在今后一段时间内，实现异构网段集成，利用多种现场总线共同完成测

控任务是现实而必要的。

在设计异构网络化控制系统时也需要考虑多方面的因素。例如大量传感器、启

动器、驱动器、I/0部件、变送器、变换器、阀门等设备接口开发及转换;各类组态

监控、HMI以及SCADA系统等软件的兼容性及扩展性;异构数据库管理系统之间互

访、管理及实时数据动态交换;异构现场总线互联的工程要求、设计规范、设计标

准及应用协议的统一规划;异构控制系统实时性、可靠性、稳定性协调以及网络安

全性、扩展性和数据的有效隔离等问题。目前基于工业以太网的TCP/IP体系架构已

逐渐为众多的工业控制器厂商接受，工业以太网本身的开放性及其在大多数应用领

域中能够满足高传输速率、高可靠性、抗干扰、实时确定传输、可扩展和维护、标

准化和互操作等要求，并且允许在同一网络上运行不同的应用层协议，能够通过

Internet实现工业生产过程的远程监控，使企业自动化系统能够在更大范围内实现

跨部门、跨地域的集成，因此成为目前异构网络化控制系统实施的最佳选择。既包

含现场总线网络（设备层），又包含以太网络（信息层）的混合式网络控制系统成

为目前工业控制领域应用的主流。[3]

在数据库方面，能够提供高速、及时的实时数据服务，能够有效地集成异构控

制系统，提供分布式数据服务的实时数据库已经被进一步的被人所研究和拓展。实

时数据库系统(RTDBS)就是其事务和数据都可以有定时特性或显式的定时限制的数

据库系统。系统的正确性不仅依赖于逻辑结果，而且还依赖于逻辑结果产生的时间

实时数据库最早出现在1988年3月的ACM SIGMOD Record的一期专刊中。随后，

一个成熟的研究群体逐渐出现，这标志着实时系统领域与数据库领域的融合，标志

着实时数据库这个新兴研究领城的确立。此后，出现了大批有关实时数据库方面的

论文和原型系统。实时数据库技术是实时系统和数据库技术相结合的产物，研究人

员希望利用数据库技术来解决实时系统中的数据管理问题，同时利用实时技术为实

时数据库提供时间驱动调度和资源分配算法。然而，实时数据库并非是两者在概念

结构和方法上的简单集成。需要针对不同的应用需求和应用特点，对实时数据模型

实时事务调度与资源分配策略、实时数据查询语言、实时数据通信等大量问题作深

入的理论研究。

国外已有许多传统的自动化仪器仪表厂家逐步向综合自动化整体解决方案供应

商转化，如Honeywell,ABB，Rockwell等著名公司。它们在原来的主营业务基础上

推出了相应的实时数据库产品，如美国的 OSI公司的PIantInformation System,

第一章绪论

简称P I :美国A s p e n Te c h公司的Infoplus2l系统 ;美国H o n e y w e l l公司 U n i f o r m a n c e

(PHD)系统:美国Wonderware公司的Industria SQL Server等。[4]

§1.4 本文所要研究的内容及主要关键技术

本文通过研究各种现场总线(ControlNet, Modbus，D H + )和工业以太网

（Ethernet/Ip）以及无线数据传输形式(数传电台)的特点优点以及配置方法，并充

分考虑整个自控系统的可扩展性和兼容性，确定水厂综合监控系统的网络实现方案

并在此基础上完成各子系统PLC的编程、监控界面设计和实现后台数据采集管理系

统。

主要关键技术：

㈠异构网络环境的通信技术：基于全双工工业以太网(Ethernet/Ip)网络的，多种

工业控制网络相连的异构网络化控制系统的设计方案设计与实现。

㈡实时数据存储访问技术：异构网络现场数据采集接口(OPC,DDE)实现，实时采

集数据模型以及数据压缩策略。

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摘要本论文结合奉贤自来水公司第三水厂的生产实际，综合运用以太网技术和各种现场总线技术设计和实现了分布式异构网络控制系统。该控制系统解决了由于工业控制网络日趋向大型化、复杂化方向发展，在实际生产现场形成的，对各种不同生产现场或同一生产现场的不同部分进行实时监控的多套监控异构网络难以互相联系与数据共享的技术难题，实现了信息网络的集成和数据共享，满足了控制系统发展的趋势和要求。本文首先分析了水厂生产的工艺流程，针对水厂规模大、监控点数多、控制复杂等特点提出了在传统分布式控制系统三层结构上进行扩展，采用分布式网络监控解决方案，揉合各种现场总线ControlNet、Modbus、DH+和工业以太网Eth...

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