智能布线：废水处理厂光纤布线之解析

文｜ 美国康宁公司 Martyn Easton 著 佟天阳 蒋金霞 译

人类文明伊始，废水排污处理是非常突出的问题，一直围绕在人们的周围。早在公元前1500年，古希腊人就已经发明了冲水式厕所及连同下水道的设计，这项发明被广泛认为是古罗马帝国最伟大的成就之一。然而，到20世纪40年代后期，即使在美国的主要城市，大部分的污水未经处理就直接排入河流、湖泊之中，极大地破坏了生态环境。因此，随着环保法规及标准的不断更新、完善，所有工厂面临的问题就是：如何通过技术的改进来满足日益增长的人口和工业扩展的需求。

分布式控制系统，可编程逻辑控制器，监督控制数据采集系统

从传统上来讲，分布式控制系统（DCS）能根据水的流率来同步区分出不同种类的废水。因此，在废水处理的过程中，系统会根据DCS同步分析的结果来确定使用不同种类的泵或阀；并通过协调各个不同部件的共同操作来实现废水处理的成功运作。尽管当前光纤技术的导入已让 DCS 基础设施的运作更为可靠，但是，对于更加高效和更高性价比的解决方案的需求依旧在持续增长。

ARC咨询集团在2013年3月出版的研究中指出：未来20年内，废水处理厂将继续致力于自动化技术的投资发展和应用，尤其是计算机应用——计算机是控制跨水处理设施的关键。但在此环境中，计算机称为可编程逻辑控制器（PLC）。

废水处理工厂通过协调各个不同部件的共同操作来实现废水处理的成功运作

可编程控制器PLC不同于普通的计算机，而是被设计成能够处理数以百计I/O信号的系统：信号从传感器端输入，如阀门打开和关闭状态、水位、流量仪表、温度、压力、化学浓度等；输出则连接到设备传感器上，来启动或停止泵、阀、门、电机。此控制器PLC用来分析所有的信号输入状态，再根据分析结果做出决定，并将此决定转换成相应的输出信号，以此来控制流程的完成。

为了保证可编程控制器PLC运作的稳定性和可靠性，其被设计成加固型，适合室外环境，尤其是在恶劣的条件下使用，如灰尘、水分、振动、热、冷、电气干扰等。由于信号输出的结果取决于信息输入时的状态，其逻辑程序设计的健全和高度稳定性则能很好的满足这一要求，并对实时操作做出准确的反应，确保系统的正常运行。

由于系统变得更加复杂，一个可以链接可编程控制器PLC和其他内部系统的桥架也变得越来越重要。因此，被称为监视控制和数据采集系统（SCADA）的完全集成和集中式的系统应运而生。与此同时，一系列自动化及其进程控制的专有通信协议也相应整理成册并成为行业规定。

由于环境的极端性，废水处理系统中所用的光纤光缆尤其重要。此处图示的光缆为工业用低烟无卤松套、干式结构、双层护套光缆。

废水处理过程中的光纤光缆应用

随着废水处理厂的建立、扩大和升级，光缆日益成为其通信基础设施中的重要组成部分，主要用于将分散式控制单位集成到一个中央控制室。例如在加拿大蒙特利尔一个废水处理的系统中，通过光缆远程控制13个不同地点的交换机，而每一个交换机同时又都各自连接到900m左右的后备设施。

再来看另一个在华盛顿特区的设施。除了中央分布式控制器和区域控制中心，这里有60部进程摄像头连接到中央控制室，直接用以监控关键部分的操作。同时，全厂的消防报警系统也连接到中央控制室。另外，外围的周界控制及其安全性也受到越来越多的关注。

纤芯数与类型

由于光缆的昂贵以及防止在后续的扩容过程中损毁，选择正确的工厂规模及准确的纤心数量和类型是一个极为重要的决定。下图为环状结构，其通常用于从每个分控制器的两端来提供冗余和容错能力。在此应用中，带宽需求并不高，但其可链接到几公里以外的较大的设施上。为此，多模光缆或标准G.652 单模式光缆就可足够。

环状结构——展示6芯光纤从每个方向、每个分布式控制单元的位置

对于不同方向的每个分控制器而言，6芯的光缆能够满足此项需求，也可满足两条实时电路和一个备用设备的需求。另外一个更为高效的解决方案则是：在一个并联的分控制器循环中使用高芯数光缆，然后通过隔断使之分成6芯的光缆以不同的方向传输信息。那么，一根72芯的光缆就可以同时服务 12个不同的地点。再加上服务于监控摄像头的机房以及其他程序对光缆的需求，在机房的设计过程中，必须整体考虑端点位置、可用路径、冗余线路和将来的扩容等各个方面。

缆型

废水处理工厂环境恶劣，光缆除了要暴露在外还要承受不同的天气影响，也有可能接触到腐蚀性化学物品和重型设备的压制，因此选择合适的光缆显得尤为重要。另外，无论在任何室外应用中，水都是一个不可忽视的对象，尤其是在废水处理厂中，有很多用于工业运转的高压电力电缆；因此对于这种环境而言，适合使用绝缘光缆来排除接地和耦合方面的问题。

但凡需要额外保护时，波纹铠装钢带是最常用的产品，并可与金属铠甲的接地一起使用。但是，这与全非金属介质解决方案相互矛盾，这时可选择双层非金属铠装光缆。无论运用哪种方式，从环境考虑，标准松管结构是最适合对光缆进行保护而防止其受到损伤的设备。

光缆端接

使用行业标准技术端接光缆，在某种程度上取决于安装工人的能力。常见的选择是熔接或非环氧、非打磨连接器，这些连接器在缓冲套管扇出光纤的裸露端安装。这是一种快速和可靠的选择，特别是对于低芯数的光缆。此外，非注胶和研磨（NENP）连接器可以很容易地安装在狭小的空间里，用简单的手动工具在两分钟之内即可安装完毕。

不论熔接或是安装连接器，都会对连接器的类型提出一些选择。比较好的做法是为所有光缆终端规范出一种类型的连接器，这样的选择是为了匹配网络电子设备所需的主要连接器接口——SC或LC类型，两者都是广泛应用于工业的推拉式连接器。LC连接器更小，从而提供更高的密度。但这种密度不是这种环境下的一个限制因素，因此LC接头在电子设备上的应用将会越来越广泛。

选择终端配线架来存放、管理和保护连接器很重要。主要问题是对环境、灰尘、污垢及潜在影响的保护。分布式控制单元可能会位于室外的建筑内部或通常用于导轨设备安装的密封箱中。程序控制机柜往往没有光缆终端的安装存储空间，在这种情况下，临近机柜放置单独的光纤配线架。在中央控制中心中，室内机架安装配线架是合适的选择。

强化的可编程序逻辑控制器，设计用于处理数以百计的I/O信号，是水处理设施至关重要的控制决策。

标准设计原则

然而光纤布线基础设施的总体设计和布局是完全特定的，标准信息和设计原则可帮助市政有效地预期基础设施建设的需求，并确保一切在现在和将来能高效、安全、可靠的运行。

（1）预先添加，光纤设备的大小适应现在和将来的已知应用，同时也应有适应未知应用的能力。

（2）非正常条件的说明，考虑站点拓扑结构及阻碍，在各种条件下对光纤提供持久的保护。

（3）预料意外因素，构建冗余和容错系统。

（4）提前计划，很多站点都是在建阶段，所以要考虑增长和由于网站扩张需求的前景。

（5）更明智地选择，大多数布线问题出在光缆末端，所以选择适当的终端配件可以充分整理和保护光纤终端。