摘 要：石化園污水包括兩個(gè)部分，生活污水和石化園工業(yè)污水，對(duì)處理工藝和控制系統(tǒng)要求很高。針對(duì)目前克拉瑪依石化園污水處理廠的實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一套冗余網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。分析了網(wǎng)絡(luò)的原理及工程優(yōu)化方法。試驗(yàn)和分析結(jié)果表明優(yōu)化后比優(yōu)化前的網(wǎng)絡(luò)更新時(shí)間（NUT）更短。為大規(guī)模NCS的冗余設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了參考實(shí)例。

關(guān)鍵詞：石化園污水；冗余系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP273

石化園污水包括兩個(gè)部分，生活污水和石化園工業(yè)污水，對(duì)處理工藝和控制系統(tǒng)要求很高。針對(duì)目前克拉瑪依石化園污水處理廠的實(shí)際情況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一套冗余網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（NCS），分析了網(wǎng)絡(luò)的原理及工程優(yōu)化方法。本文使用的NCS以典型的ControlNet實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)為例來進(jìn)行設(shè)計(jì)說明，其具有開放的、響應(yīng)快、確定性、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、實(shí)時(shí)輸入輸出、控制器互鎖、P2P報(bào)文傳輸?shù)忍攸c(diǎn)[1-3]。

污水處理站工藝流程比較復(fù)雜，但是影響控制的主要環(huán)節(jié)包括：預(yù)處理、氣浮、調(diào)節(jié)池、沉降池、污泥緩沖、污泥脫水、2級(jí)曝氣生物池、反沖洗池、反硝化生物濾池、紫外線消毒、加氯、外排等，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)方面，主要包括每個(gè)環(huán)節(jié)的污水和設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和控制、外排水的水質(zhì)在線檢測(cè)等。中控室設(shè)備主要包括NCS、PLC、大屏顯示系統(tǒng)以及報(bào)警系統(tǒng)等。此系統(tǒng)主要由中控室、PLC節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程I/O設(shè)備等組成，來實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程的設(shè)備控制、數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信，以及各個(gè)環(huán)節(jié)的液位、壓力、流量、H2S含量等數(shù)據(jù)采集，并記錄各個(gè)節(jié)點(diǎn)的設(shè)備的啟、停、故障、運(yùn)行、相關(guān)報(bào)警等狀態(tài)信息和最終水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、顯示、報(bào)警等。

1 NCS冗余設(shè)計(jì)及優(yōu)化

圖1 基于冗余設(shè)計(jì)的NCS框圖

為了提高系統(tǒng)可靠性、確保系統(tǒng)穩(wěn)定長(zhǎng)期正常工作，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以自動(dòng)切換到備用流程，設(shè)計(jì)一套基于ControlNet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的冗余NCS，如圖1所示。 系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)的主要部分包括即控制器和NCS主控網(wǎng)絡(luò)。中控室監(jiān)控系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)EtherNet/IP實(shí)現(xiàn)與PLC節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信；PLC節(jié)點(diǎn)再通過ControlNet與遠(yuǎn)程的I/O模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與通信；現(xiàn)場(chǎng)智能儀表節(jié)點(diǎn)通過RS-485總線進(jìn)行連接，使用ModbusTCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)主從模式。硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接后，通過組態(tài)軟件，對(duì)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行配置和優(yōu)化。

1.1 節(jié)點(diǎn)地址的優(yōu)化

改進(jìn)后的石化園污水處理廠主控系統(tǒng)的NCS采用三層協(xié)議結(jié)構(gòu)，即物理層、CTDMA層和CIP層。其中，CIP協(xié)議用于改系統(tǒng)的應(yīng)用層；CTDMA（Concurrent Time Domain Multiple Access，并時(shí)域多路存?。┯糜跀?shù)據(jù)鏈路層的介質(zhì)訪問控制技術(shù)。該協(xié)議層具有預(yù)定時(shí)間段和非預(yù)定時(shí)間數(shù)據(jù)傳送功能，每段都是按節(jié)點(diǎn)編號(hào)順序依次完成數(shù)據(jù)發(fā)送，其中控制過程由隱性令牌實(shí)現(xiàn)。在預(yù)定時(shí)間段內(nèi)，輪詢到的節(jié)點(diǎn)發(fā)送一次數(shù)據(jù)，非預(yù)定時(shí)間段內(nèi)，至少可以有1個(gè)節(jié)點(diǎn)可以發(fā)送。為了優(yōu)化節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送方式和提高輪詢隊(duì)列的效率，有如下兩點(diǎn)基本原則需要考慮：

（1）基于預(yù)定時(shí)間段內(nèi)的節(jié)點(diǎn)：

隊(duì)列中最新采集數(shù)據(jù)依地址號(hào)從1開發(fā)送，正常情況下確保地址編號(hào)盡可能連續(xù)，避免中間有空閑號(hào)出現(xiàn)，這樣做的主要目的是MSA保持能獲取最小值，各個(gè)節(jié)點(diǎn)（主要是PLC節(jié)點(diǎn)）的采樣數(shù)據(jù)形成一個(gè)組成預(yù)定時(shí)間段數(shù)據(jù)隊(duì)列。

（2）基于非預(yù)定時(shí)間段內(nèi)的節(jié)點(diǎn)：

根據(jù)NCS實(shí)時(shí)性要求的特點(diǎn)，非強(qiáng)實(shí)時(shí)性節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，在發(fā)送隊(duì)列中，其地址號(hào)可一般安排在隊(duì)列后面，但也要考慮其發(fā)送的時(shí)機(jī)，也就是所離MSA不要太遠(yuǎn)，并且空閑地址數(shù)盡可能少，避免帶寬浪費(fèi)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，非預(yù)定時(shí)間段隊(duì)列中節(jié)點(diǎn)常見的有RSView，PanelView等設(shè)備。

1.2 NUT的優(yōu)化

NUT是用戶可配置的，希望NUT值越小越好，即我們要盡量使其最小。ControlNet技術(shù)設(shè)定范圍是NUT為2～100 ms[5]，默認(rèn)值為5ms。其選值范圍直接影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，如果過大，數(shù)據(jù)傳送周期過長(zhǎng)，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能會(huì)因此下降；如果過小，固定周期過短，會(huì)引起在一個(gè)周期內(nèi)，有些節(jié)點(diǎn)響應(yīng)不到時(shí)間令牌，這些節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的發(fā)送過長(zhǎng)很可能得完成不了，結(jié)果就會(huì)引起通信網(wǎng)絡(luò)擁塞和整體系統(tǒng)性能不穩(wěn)定。即：

NUT=t維護(hù)+t預(yù)定+t非預(yù)定 （1）

式中：t維護(hù)、t預(yù)定和t非預(yù)定分別為系統(tǒng)中的維護(hù)時(shí)間段、預(yù)定時(shí)間段、非預(yù)定時(shí)間段的時(shí)間。考慮到系統(tǒng)可能發(fā)生的極端情況，即在每個(gè)NUT周期內(nèi)，預(yù)定的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有在隊(duì)列中有數(shù)據(jù)發(fā)送，且約定每個(gè)MAC幀都視為最大值；同時(shí)約定非預(yù)定時(shí)間段中至少有1個(gè)節(jié)點(diǎn)在對(duì)隊(duì)列中有數(shù)據(jù)發(fā)送，可得：

t預(yù)定=T*MSA，t非預(yù)定=T （2）

式中，T為隊(duì)列中待發(fā)送數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)最大MAC幀所需的時(shí)間，當(dāng)NCS結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)幀等指標(biāo)或性能確定后，T可以看做是為確定值。由此可知，MSA指標(biāo)直接影響的NUT。

2 系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)例與結(jié)果分析

以石化園污水處理廠NCS主要工藝及控制參數(shù)為例，提出系統(tǒng)優(yōu)化思路如下：

根據(jù)系統(tǒng)規(guī)范，NUT的有效選值范圍為2.00ms～100.00ms，默認(rèn)為5ms。首選用默認(rèn)值，但必須滿足NUT<=RPI（Requested Packet Interval請(qǐng)求數(shù)據(jù)包時(shí)間間隔）。

根據(jù)MSA的特性，其有效范圍為1～99，系統(tǒng)中若干個(gè)節(jié)點(diǎn)按照會(huì)依次設(shè)置隊(duì)列節(jié)點(diǎn)編號(hào)，掃描時(shí)，按最大節(jié)點(diǎn)數(shù)進(jìn)行這樣可以減少了NCS數(shù)據(jù)采集與通信的隊(duì)列節(jié)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)間，可以有效提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。根據(jù)系統(tǒng)約定，MUA選值應(yīng)大于MSA，最小值為實(shí)際隊(duì)列中的最大節(jié)點(diǎn)號(hào)+1，常設(shè)為MSA+3或4。例如，如果系統(tǒng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)數(shù)9，且都在隊(duì)列中，則該控制系統(tǒng)中的MUA最小值為10，考慮到擴(kuò)展需要，也可設(shè)為13。當(dāng)NUT選定后，系統(tǒng)自動(dòng)把t維護(hù)從NUT中刪除，再分配給t預(yù)定，剩余時(shí)間為t非預(yù)定，其中t維護(hù)與t預(yù)定和t非預(yù)定相比很小，為ms，t非預(yù)定=NUT-t維護(hù)-t預(yù)定。該控制系統(tǒng)優(yōu)化前、后的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)對(duì)比見表1所示。

從表1中可以分析出，在NUT的預(yù)定周期內(nèi)，優(yōu)化后比優(yōu)化前減少了時(shí)間90T，在實(shí)際應(yīng)用中，該可作為組態(tài)網(wǎng)絡(luò)的NUT選取依據(jù)。

3 結(jié)論

本文依據(jù)石化園污水處理廠主控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的基于NCS的一種冗余NCS，具有較好的針對(duì)性和實(shí)用性，在充分發(fā)揮NCS網(wǎng)絡(luò)高速、確定性等優(yōu)點(diǎn)。從上述數(shù)據(jù)分析可以看出，優(yōu)化后的方案在滿足系統(tǒng)基本需求指標(biāo)參數(shù)的同時(shí)，通過優(yōu)化，在不影響控制性能的前提下，充分保證NCS系統(tǒng)功能擴(kuò)充、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化等因素對(duì)控制系統(tǒng)性能所造成的影響達(dá)到最小。分析表明，石化園污水處理開的改進(jìn)后的效果，可以為以ControlNet為基礎(chǔ)的NCS以及其他類似NCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供參考實(shí)例。

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作者簡(jiǎn)介：劉田玲（1971-），女，工程師，1995年畢業(yè)于西南石油學(xué)院采油工程專業(yè)，主要研究方向：采油工程、油田自動(dòng)化。