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    沈陽水務(wù)集團有限公司 姚宇新，白 川

    北京市市政工程設(shè)計研究總院 陳運珍
                              
    姚宇新（1959-）男，湖南人，本科，高級工程師、電氣注冊工程師，現(xiàn)就職于沈陽水務(wù)集團有限公司研發(fā)中心，研究方向為市政水源、水廠供配電系統(tǒng)安全與節(jié)能降耗。

      摘要：變頻調(diào)速給水工業(yè)帶來極大經(jīng)濟效益的同時也帶來了一些弊端。超標(biāo)的高次諧波會嚴重污染電網(wǎng)，會嚴重影響供配電系統(tǒng)的正常運行，對自動化監(jiān)控系統(tǒng)及一切弱電設(shè)備有極大的破壞性，其實例很多，損失巨大。變頻器如何選擇？無功如何補償？高次諧波如何抑制？網(wǎng)絡(luò)上如何安全、快速、綜合的優(yōu)化監(jiān)控？這些關(guān)鍵問題，都是每個工程項目中貫徹低碳經(jīng)濟和節(jié)能減排必須解決的重大課程。

    關(guān)鍵詞：變頻調(diào)速；諧波抑制；SVG；網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控

    Abstract: Frequency-converting brings great economic benefits to hydropower and meanwhile a number of drawbacks. The high-order harmonic that exceeds the limits, seriously pollutes the electrical network affects the normal operation of power supply and distribution system, and has great destructive on the automatic monitoring system and all other electronic equipments. There are problemss, such as how to choose transducer, how to solve dynamic reactive power compensation,how to control high-order harmonic and how to monitor the network, are required to be solved for each project in order to implement a low carbon economy and energy savings.

    Key words: Frequency-converting; harmonic suppression; SVG; network monitoring

    1 北京第九水廠實例分析

    1.1 水廠變頻調(diào)速設(shè)備的配置

    北京第九水廠在上世紀八十年代，為了節(jié)約電能、消除水錘的破壞、優(yōu)化水工藝運轉(zhuǎn)條件，進行了變頻放道。6臺水泵機組（每臺電機容量為2500kW），均選用西門子公司的變頻調(diào)速設(shè)備：一期選用兩臺電流源型變頻調(diào)速裝置（Simovert A）；二期選用兩臺以GTO元件組成主電路的數(shù)字控制式變頻器；三期又添加了二套西門子羅賓康電壓源型變頻器。使用發(fā)現(xiàn)，在一、二期的變頻器調(diào)速時產(chǎn)生大量的高次諧波，要花大力對諧波進行綜合治理和無功功率的集中補償。

    1.2 諧波測試與理論分析

    （1）諧波實測數(shù)據(jù)

    測試工作分為：一期設(shè)備的1#變頻機組，二期設(shè)備的5#.6#變頻機組，以及1#、3#、5#、6#四臺變頻機組聯(lián)合運行四種情況（見表1）。

                     表1 四臺變頻機組同時運轉(zhuǎn)時諧波電流、電壓測試值
     
 
    測試結(jié)果表明一期變頻器不但產(chǎn)生11、13等次特征諧波電流，非特征諧波電流也很大，奇次、偶次諧波極為豐富。

    （2）諧波實測分析

    西門子公司提供的變頻調(diào)速整流系統(tǒng)是借助于變壓器相位移動來消除諧波，其前題條件是：變頻機組副邊兩個繞組負荷相同且交流側(cè)三相電壓平衡。但，實際上其前題條件是不存在的。

    在二期高次諧波的測試中，除發(fā)現(xiàn)特征諧波外，還發(fā)現(xiàn)了非特征諧波。從變頻機組6kV側(cè)諧波測試電流波形可見，各臺階的間距是不相等的，即觸發(fā)角出現(xiàn)誤差。非特征諧波產(chǎn)生的原因除了變壓器副邊負荷不一致及三相交流電源電壓不平衡外，觸發(fā)角誤差更是一個最主要原因。

    1.3 本工程無功補償及濾波靜補方案的確定

    （1）注入電網(wǎng)的允許諧波電流計算

    水電廠供電系統(tǒng)的公共連接點變電站110kV側(cè)，內(nèi)部供電系統(tǒng)為6kV/0.4kV。根據(jù)《國標(biāo)》中附錄B中的說明，當(dāng)電網(wǎng)連接點的實際最小短路容量和計算諧波電流允許值的短路容量不同時，按式（1）、（2）進行計算：

    I_h=S_k1/S_k2×I_hp （1）

    I_hi = I_h ×（S_i/S_t）^1/a （2）

    （2）無功靜補的設(shè)置

    不同轉(zhuǎn)速下六臺變頻調(diào)速機組實測數(shù)據(jù)（功率因數(shù)均補到0.96計）：

    70%額定轉(zhuǎn)速運行時，平均有功出力3220千瓦，則功率因數(shù)從0.478提高到0.96所需無功為4977.8kvar；80%額定轉(zhuǎn)速運行時，平均有功出力5283.5千瓦，則功率因數(shù)由0.623提高到0.96所需無功為4937.7kvar；90%額定轉(zhuǎn)速運行時，功率因數(shù)從0.731提高到0.96所需無功為4644.8kvar；100%額定轉(zhuǎn)速運行時，平均有功出力9662.4千瓦，則功率因數(shù)從0.815提高到0.96所需無功為4051.7kvar；

    110kV電源總進線側(cè)總有功、總無功、功率因數(shù)的折算主變壓器（20MVA）在運行中，消耗的無功功率包括兩部分，激磁電流無功和阻抗無功，激磁無功損耗為86kvar，阻抗無功損耗為784kvar。主變壓器消耗的總無功為870kvar，主變壓器的有功損耗為PT=100kW。水廠二期七條濾波補償裝置全部投入后可發(fā)出的總有效無功為： QΣ＝－5863.5kvar（負號表示發(fā)出無功）。

    110kV電源總進線處的有功功率和無功功率按下式計算：

    P₁₁₀=P_{四調(diào)}+P_一定+P_T （3）

    Q₁₁₀=Q_{四調(diào)}+Q_一定+Q_T-Q_Σ （4）

    根據(jù)實測，分別算出變頻機組在70%、80%、90%、100%額定轉(zhuǎn)速下，110kV電源總進線的有功、無功功率及對應(yīng)的功率因數(shù)，計算結(jié)果見表2。

           
 
    （3）濾波靜補方案的確定

    濾波靜補方案有三種選擇：

    ① 2nd.3rd.4th. 5th.6th.7HP1.7HP2.7HP3

    ② 3rd.4th.5th.6th.7HP1.7HP2.7HP3

      ③ 3rd.4th.5th.6th.7HP1.7HP2.10HP

    方案①，共設(shè)八條濾波支路，投資大。從濾波容量上看，對設(shè)置2nd濾波支路是不利的，同時，由于變頻器產(chǎn)生的10.11次諧波與一期相比有很大增加，超標(biāo)嚴重，而三組七次高通對濾除10.11諧波效果不是最佳。方案②同樣存在以上問題，故選用方案③較合適。

    方案③為最后的濾波靜補方案。其中3rd、4th、5th、6th四個支路采用R.L.C串聯(lián)諧振原理為單調(diào)諧濾波器，每條支路吸收一種頻率的諧波；7HP1、7HP2、10HP為二階減幅型三個支路為三組高通濾波器，電阻器與電抗器并聯(lián)，可吸收七次及以上各次諧振。水電廠110kV、6kV總進線的各次諧波電流均在國家標(biāo)準(zhǔn)允許值以內(nèi)，特別是10.11.12.13次諧波電流得到了抑制，6kV母線電壓總畸變率由4.0%降到2.66%。當(dāng)時，筆者配合北京電科院，做了大量的測試、分析、計算，又增加近300萬人民幣投入，投入大量的人力物力，才初步達到國標(biāo)要求。

    2 水工業(yè)諧波產(chǎn)生的根源及危害

    2.1 諧波產(chǎn)生的根源

    無論是哪一種變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式均不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流，這種脈動電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經(jīng)傅里葉分析可知，這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和大于基波頻率的諧波組成。實踐告訴我們，變頻器就是一個諧波源，什么‘無諧波’‘免維修’，那是一個美化了的騙人的科學(xué)笑話。

    2.2 諧波危害性極大

    變頻器對容量大的電力系統(tǒng)影響不是十分明顯，但是對于系統(tǒng)容量小的系統(tǒng)，諧波產(chǎn)生的干擾就不可忽視，它對公用電網(wǎng)是一種污染，客觀的存在對公用電網(wǎng)和其它系統(tǒng)的危害大致有：使公用電網(wǎng)的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用率，使元件及線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)；產(chǎn)生機械振動、噪音和過電流，使電容器、電纜、電機、變壓器等設(shè)備過熱，絕緣老化、壽命縮短以至損壞；引起公用電網(wǎng)的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述的危害大大的增加，甚至引起嚴重事故；對臨近的通訊系統(tǒng)及儀表弱電檢測系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重干擾，導(dǎo)致通訊質(zhì)量降低，甚至無法工作等。

    3 諧波抑制和無功動態(tài)補嘗必須同步進行

    3.1 選用高品質(zhì)的綠色環(huán)保型變頻器

    綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負載時都能使功率因數(shù)為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。從根上消除諧波源，是至關(guān)重要的。

    (1) 選擇高性能IGBT模塊功率元件構(gòu)建雙PWM綠色環(huán)保型的新型變頻主電路是重中之重雙PWM綠色變頻主電路拓撲結(jié)構(gòu)，將是新型大功率變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展的主要趨勢。不僅逆變部分采用最新的自關(guān)斷器件，就是整流部分也采用最新的PIC功率模塊元件，電網(wǎng)側(cè)輸入電流波形接近正弦波，且功率因數(shù)接近于1；另一方面，實現(xiàn)能量向電網(wǎng)回饋，保證變頻器能四象限運行。PWM整流回路還可以大大減小直接環(huán)節(jié)的濾波電容的容量；采用雙PWM技術(shù)，對消除機械和電磁噪音是最佳的方法。

    ＰＷＭ控制技正處在不斷創(chuàng)新的大好階段，隨著微處理技術(shù)、虛擬技術(shù)、嵌入式技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、先進控制技術(shù)、精加工技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)的迅猛發(fā)展，優(yōu)化的PWM模式，即三次諧波疊加法和電壓空間矢量PWM法（如電壓矢量的菱形調(diào)制等），有計算簡單、實時控制容易、動態(tài)響應(yīng)快速、控制精度高、準(zhǔn)確度高的全數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的特點。客戶希望制造公司，創(chuàng)造出更多集功率變換、驅(qū)動保護、數(shù)字監(jiān)測、智能控制、籌命長、抗干擾性強、抗尖峰電壓及電流沖擊能力強、能自診斷、有自愈力等功能于一身，效率更高、功能更強、附加值更多的新一代綠色環(huán)保型變頻器供客戶任意挑選。

    變頻主電路的功率元件是變頻器技術(shù)發(fā)展的最主要的核心物質(zhì)基礎(chǔ)。主電路功率元件的工作過程就是能量的過渡過程，其可靠性、穩(wěn)定性、精確性決定了變頻器的可靠性、穩(wěn)定性和精確性。中國榮信公司選用EUPEC公司的高性能IGBT模塊功率元件，采用多重化脈寬調(diào)制技術(shù)，對每個功率單元進行多重化疊加，可得到階梯正弦的PWM波形；采用美國著名的德馬考爾（Thermacore）公司的超導(dǎo)熱管冷卻專利技術(shù)，徹底解決了IGBT等功率器件散熱的熱島效應(yīng)問題，使用籌命在30年左右。這種階梯正弦的PWM波形，正弦度很好，dv/dt遠小于500v/μs之下，對電機和電纜的絕緣無損害，無需另加濾波器，對輸出的電纜長度無特殊要求，可直接用于普通電機，能有效消除負載電機的轉(zhuǎn)矩脈動和機械軸承的振動。

    (2) 選擇高質(zhì)量長壽命的濾波電容是變頻器長期穩(wěn)定運行的根本保證

    當(dāng)今變頻器大都要配置電容，大多選用電解電容。無數(shù)實踐證明，這種電解電容耐壓低，要多個串聯(lián)，其均壓問題不好解決，致使電容發(fā)熱嚴重，不能自愈，極易引起外殼炸裂，壽命極短，每五年就要全部更換，維護價格很高，使客戶望而卻步。榮信公司采用高可靠性的低感性電力電容，耐壓高（比電解電容高4倍左右）、容量大，寄生電感小，有自愈功能，壽命可達20~30年，是變頻器長期穩(wěn)定運行的根本保證。上海柯達公司采用無極性電容，效果也很好。

    （3）選擇綠色環(huán)保型變頻器的其他條件具有互聯(lián)網(wǎng)遠程監(jiān)控支持系統(tǒng)的功能，可得到制造公司專職維護工程師的24小時的技術(shù)支持和運行監(jiān)控，保證售出的變頻器（RHVC）、SVC、SVG、FC等裝置的無故障高可靠安全穩(wěn)定運行；出廠前變頻器整機要全部經(jīng)過嚴格的高低溫老化考核；出廠前能進行耐中壓的全負載試驗檢測；變頻器采用雙峰焊和自動貼片生產(chǎn)線，使控制線路具有優(yōu)良的抗干擾能力，確保控制系統(tǒng)長期可靠運行。

    從上面七個關(guān)鍵要素中去評選綠色環(huán)保型的功能安全的能在網(wǎng)絡(luò)上實現(xiàn)遠程監(jiān)控和實時遠程診斷的變頻器裝置。

    3.2 諧波抑制的主要方法

    （1）國內(nèi)外許多公司，在變頻器電網(wǎng)側(cè)采用隔離移相變壓器，構(gòu)成多級移相疊加的整流方式，實現(xiàn)幾十到一百的脈沖整流效果，這種多重化結(jié)構(gòu)設(shè)計，可大大改善電網(wǎng)側(cè)的電流波形，無需任何無功功率補償及諧波抑制裝置就可滿足供電部門對負載網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量的要求，功率因素高達0.95以上。由于變壓器副邊繞組的獨立性，使變頻功率單元的主回路也相對獨立，非常安全可靠，不增加噪音和發(fā)熱，不產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，變頻器的效率高于0.97以上。

    （2）使用無源濾波器或有源濾波器

    使用無源濾波器其主要是改變在特殊頻率下電源的阻抗，適用于穩(wěn)定、不改變的系統(tǒng)。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。北京第九水廠是采用無源濾波法。無源濾波器（LC）存在的問題：一種參數(shù)只能針對特定次數(shù)諧波補償；響應(yīng)速度慢，無法跟蹤動態(tài)諧波進行動態(tài)補償；補償諧波時，可能產(chǎn)生多余的無功；系統(tǒng)阻抗小時補償效果難以令人滿意；改變系統(tǒng)阻抗特性，可能導(dǎo)致諧振；參數(shù)穩(wěn)定性差，特別是電容參數(shù)容易變，導(dǎo)致失諧。

    （3）增加變壓器的容量，減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產(chǎn)生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其它負載，引起諧波電流在其上流過，采用提高變壓器容量，增大電纜截面積，特別是加大中性線電纜截面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件等辦法，也無法從根本上消除諧波，反而降低了保護特性與功能，加大了建設(shè)投資，加深了供電系統(tǒng)的安全隱患。

    3.3 靜態(tài)無功補償與動態(tài)無功補償必須同步設(shè)計

    （1）傳統(tǒng)的無功補償設(shè)計手段都是靜態(tài)的并聯(lián)電容器，如圖1所示。
                       
                                    圖1  某水廠濾波裝置原理接線圖
    并聯(lián)電容器是固定式設(shè)備。一般只能滿足按小時考核的功率因數(shù)，或者每小時4個點的功率因數(shù)考核。

    電動機的負荷變化時其功率因數(shù)也是變化的，而且是連續(xù)的。通常功率因數(shù)在0.5~0.85之間變化；負荷也總是變化的，特別是沖擊性的負荷，如大功率交交變頻等，則更明顯。傳統(tǒng)的靜態(tài)的無功補償，就無法將功率因數(shù)連續(xù)同步的補償?shù)?.95左右。無功過量補償時，無功倒送同樣要造成額外的電能損耗。并聯(lián)電容器就是第一代靜態(tài)的無功補償裝置。

    （2）第二代動態(tài)無功補償（SVC）的工作原理（如圖2所示）
                          
                                       圖2  TCR型SVC工作原理
    基于晶閘管控制電抗器（TCR）的SVC無功補償是第二代無功補償裝置，可在網(wǎng)上進行動態(tài)的無功補償和消除各次高次諧波。TCR通常與固定并聯(lián)的電容器（FC）相配合。TCR產(chǎn)生變化的連續(xù)動態(tài)可調(diào)的滯后的感性無功QTCR，F(xiàn)C并聯(lián)的電容器提供固定的超前的容性無功Qc，只要感性無功與容性無功相抵消，就能夠做到：功率因數(shù)保持恒定，電壓幾乎不波動。即：Q_N（系統(tǒng)）=Q_V（負載）-Q_C+Q_TCR=恒定值（或0）

    （3）第三代最新型的動態(tài)無功補償裝置SVG第三代無功補償裝置 ，即靜止無功發(fā)生器（SVG），其工作原理如圖3、圖4所示。
                        
                                      圖4  SVG的工作原理結(jié)構(gòu)圖
    ① SVG原理介紹：直接電流控制，等效于一個受控的電流源，既可以發(fā)容性無功，又可以發(fā)感性無功。靜止無功發(fā)生器SVG（Static Var Generator，也稱為STATCOM）。

    SVG能快速跟蹤負荷的無功變化；高頻開關(guān)，低損耗；連續(xù)平滑調(diào)節(jié)；保持穩(wěn)定的高功率因數(shù)；改善電能質(zhì)量。適用于配電網(wǎng)絡(luò)中大功率的非線性負荷的補償（電解裝置、整流設(shè)備、電弧爐、軋鋼機等）。

    ② SVG與 SVC性能比較

    SVG動態(tài)響應(yīng)速度快，SVC為2~3周波，不能有效抑制電閃變；

    SVG占地面積小，僅為SVC 的1/2~1/3；

    SVG輸出電流諧波含量小，不需外加濾波器；

    SVG輸出無功電流與接入點電壓大小無關(guān)，SVC無功電流隨電壓正比下降，因此每kvar的補償效果相當(dāng)SVC的1.2~1.3倍；

    SVG與SVC造價比較（以50M~150M容量比較）：每kvar計算，SVC為150元~200元左右；SVG為180元~220元左右；但是，隨著功率半導(dǎo)體器件價格的逐年下降，SVG價格下降空間大，SVC價格下降很難。SVG性能比阻抗型SVC優(yōu)越得多。

    ③ SVG與 SVC長期運行費用比較

    所有動態(tài)無功補償裝置都不可避免地會有功損耗，其長期運行損耗不容忽視！以損耗1%計：100Mvar-SVC，438萬/年（以每度電0.5元）；SVG零輸出無損耗，僅僅動態(tài)補償時才有損耗，SVG與并聯(lián)電容合用后產(chǎn)生的動態(tài)無功要比SVC大一倍，而正常運行的功率損耗是同容量SVC的1/2倍，更加符合節(jié)約資源的國策！

    實例： 1 0 0M v a r - S V C 的正常運行有功損耗=10萬*1%*24*365=876萬kWh*0.5元=438萬元；如果電費1元/度,100Mvar-SVC每年有功功率損耗為867萬元；200Mvar SVC年損耗1700萬！而SVG運行損耗接近零。

    4 創(chuàng)建科學(xué)的安全實用的水工業(yè)綜合自動化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

    水工業(yè)像其他工業(yè)系統(tǒng)一樣，90%負荷要在網(wǎng)上能動態(tài)調(diào)速節(jié)能，不斷變化的功率因素值隨時要調(diào)整到0.95以上，隨時要消除各種諧波。一個ERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)始終保持在最優(yōu)狀態(tài)下安全運作，必須有一個如下的水工業(yè)綜合自動化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)：

    （1）現(xiàn)場設(shè)備是綜合自動化的基石。現(xiàn)場機、電、儀、執(zhí)行器等設(shè)備要盡快微型化、虛擬化、智能化、多功能化、數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。

    （2）現(xiàn)場要選用PAC可編程自動化控制器作為ERP/MES/PCS三層架構(gòu)中的現(xiàn)場底層，原先是PLC為主體，現(xiàn)在的工程設(shè)計時，現(xiàn)場可以選用新的PAC（也可選功能強大性價比高的PLCopen）。PAC保持了PLC的編程方式和特點，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；PAC又具有IPC的硬實時操作系統(tǒng)，具有強大的運算和聯(lián)網(wǎng)功能，編程更加簡化，更容易實現(xiàn)水工業(yè)流程中獨特的預(yù)估、加藥、加氯、氧曝等閉環(huán)的先進控制；

      PAC是一個軟邏輯結(jié)構(gòu)，有極大容量的存儲能力；PAC有標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口，能方便的與其他品牌的PLC、計算機、網(wǎng)絡(luò)、各種分析儀器、現(xiàn)場所有的電、氣、儀、機等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通信；PAC的數(shù)據(jù)測試是海量的，能對應(yīng)復(fù)雜的有幾百個I/O節(jié)點，甚至更多的I/O節(jié)點；PAC的性價比高，成本更低；PAC采用了事實上的網(wǎng)絡(luò)接口、編程語言、安全監(jiān)控等各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與異型異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)進行快速的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)共享，使遠程監(jiān)控有了堅實的底層基礎(chǔ)；PAC采用模塊化的軟件結(jié)構(gòu)可任意增加和裁減，非常適合水工業(yè)各種規(guī)模的流程的運轉(zhuǎn)控制，極便于二次開發(fā)；PAC具有統(tǒng)一的軟硬件開發(fā)平臺，能滿足多專業(yè)、多速率、多循環(huán)、多任務(wù)的非線性操作運行的控制要求；操作工程師可通過網(wǎng)上的任一臺計算機的Web窗口獲取各站最底層的所有數(shù)據(jù)信息，并能在線的進行系統(tǒng)診斷，尋找故障所在；與傳統(tǒng)的自動化設(shè)備相比，應(yīng)該說PAC是實現(xiàn)ERP/MES/PCS三層自動化架構(gòu)的最好的幫手。

    （3）實時數(shù)據(jù)庫是MES的核心，是水企業(yè)實現(xiàn)自動化的心臟。水工藝流程中海量的實時數(shù)據(jù)（包括變頻器的最優(yōu)控制、無功動態(tài)補償、諧波動態(tài)消除）要進行統(tǒng)一的存儲、分析、運算、處理和管理，能為客戶提供開放的二次開發(fā)平臺接口，來提升企業(yè)功能，不斷的與時俱進的提高生產(chǎn)效率，也能發(fā)布到其它關(guān)系數(shù)據(jù)庫，提供MES、ERP系統(tǒng)所用，幫助企業(yè)決策管理。

    （4）監(jiān)控組態(tài)軟件和先進控制軟件是水企業(yè)綜合自動化的精神支柱，就像人的大腦一樣，是最關(guān)鍵的軟件技術(shù)。一個高效的水企業(yè)自動化系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)軟件要智能化，功能要網(wǎng)絡(luò)化及實時化和WED模塊化，接口要標(biāo)準(zhǔn)化，同時要兼容多種操作系統(tǒng)，要求將監(jiān)控組態(tài)軟件嵌入到信息化平臺上，實現(xiàn)信息化的全集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與管理決策的統(tǒng)一。監(jiān)控組態(tài)軟件將進一步向開放化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、系統(tǒng)化和上下兩端發(fā)展，成為工廠信息化的核心技術(shù)。要結(jié)合各系統(tǒng)調(diào)速節(jié)能的工程實際，選擇合適的監(jiān)控組態(tài)軟件和先進控制技術(shù)。

      （5）現(xiàn)場信息監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)必須選用實時工業(yè)以太網(wǎng)RTE（Real Time Ethernet, RTE ）DCS系統(tǒng)之后，F(xiàn)CS現(xiàn)場總線系統(tǒng)向數(shù)字化和開放性發(fā)展了一大步。但是，F(xiàn)CS不能完成大量的數(shù)據(jù)傳輸，各大廠家的軟件技術(shù)互不兼容，無法實現(xiàn)總線并構(gòu)，變成一個又一個的“孤島”。

    實時工業(yè)以太網(wǎng)比FCS現(xiàn)場總線具有一系列的優(yōu)勢：采用公認的TCP/IP通訊協(xié)議，現(xiàn)場層極易與Internet連接，實現(xiàn)公司與眾多現(xiàn)場層流程控制的無縫鏈接。價格低廉、穩(wěn)定可靠，軟硬件產(chǎn)品豐富，支持技術(shù)非常成熟；快速以太網(wǎng)的通訊速率一再提高，從10Mb/s、100Mb/s增加到今天的1000Mb/s、10Gb/s，這是FCS系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢，大大提高了網(wǎng)絡(luò)控制的可靠性和確定性；車間現(xiàn)場可采用各種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；只用一根電纜就解決了一個車間或一個終端的控制和供電問題，終端采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)或采用遠程I/O接口就更好與主站聯(lián)網(wǎng)；實時以太網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的潛力巨大，主站計算機，通過Internet能實現(xiàn)管網(wǎng)GIS地理監(jiān)控系統(tǒng)及眾多遠程的取水泵站的無縫連接，可在主站中心或任何網(wǎng)上鏈接的其他地方，進行修改整合或監(jiān)控管理。

    （6）創(chuàng)建全集成的水工業(yè)綜合自動化架構(gòu)當(dāng)今水工業(yè)綜合自動化的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)涵蓋著從底層的流程企業(yè)到公司級管理自動化：從自動化控制和生態(tài)管理到企業(yè)全方位管理的信息數(shù)據(jù)要全集成；所有現(xiàn)場底層的電氣控制、過程控制、運動控制和數(shù)以萬計的儀器儀表測試系統(tǒng)都要高度的有機的融合在綜合自動化網(wǎng)絡(luò)上；而公司頂級部門面對客戶市場的ERP系統(tǒng)，從生產(chǎn)到采購、從庫存到銷售、從流程自動化到市場供應(yīng)鏈以及財務(wù)人事等廣泛的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，其功能和信息數(shù)據(jù)都要快速高效的融合集成，這中間MES系統(tǒng)起著承上啟下的橋梁作用。

    開放，就意味著在網(wǎng)絡(luò)上能互連、互通、共享和互操作。

    什么是水工業(yè)真實可用的綜合自動化集成架構(gòu)？著名的美國咨詢集團ARC的描述比較準(zhǔn)確：“從全局的觀念對整個工廠的流程所牽涉的各個環(huán)節(jié)，通過單一而又統(tǒng)一的平臺來進行工程設(shè)計和組態(tài)、可視化、控制、生產(chǎn)管理和調(diào)度、資產(chǎn)設(shè)備管理；具有良好的可擴展能力、可滿足小規(guī)模的單元控制、中規(guī)模的區(qū)域控制和大規(guī)模的全廠控制的各種要求；它在公共的工程環(huán)境、統(tǒng)一的通信框架、建立在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上等幾個關(guān)鍵特征。”這就是ARC提出的協(xié)同過程自動化系統(tǒng)CPAS（collaborative process Automation System）。其示意圖如圖5所示。
                 
                                   圖5  CPAS系統(tǒng)示意圖
    CPAS系統(tǒng)是所有水工業(yè)實現(xiàn)ERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)的一種理想的優(yōu)化解決方案：用一個統(tǒng)一的軟硬件平臺提供全廠的控制功能；用一個統(tǒng)一的工程設(shè)計和監(jiān)控組態(tài)軟件，解決所有車間的電控、儀控、各種閥門執(zhí)行機構(gòu)和啟動裝置、HMI、SCADA的設(shè)計和組態(tài)、以及開車調(diào)試、運行管理、安全保障、在線的系統(tǒng)診斷等工程的一切需要。一個流程企業(yè)自動化靈不靈，關(guān)鍵是信息傳遞靈不靈，正是在實時信息數(shù)據(jù)快速交換的關(guān)鍵問題上，CPAS在三層結(jié)構(gòu)中提出的解決信息同步交換的問題，解決了經(jīng)營管理、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)制造之間的閉環(huán)控制，使電子商務(wù)和市場供應(yīng)鏈與工廠流程監(jiān)控協(xié)同作戰(zhàn)。追求最佳的績效，這就是CPAS的理念。

    5 結(jié)語

    系統(tǒng)在線優(yōu)化調(diào)速、無功動態(tài)補償、諧波動態(tài)消除，實現(xiàn)“信息控制一體化”的關(guān)鍵是：抓住信息化的核心技術(shù)不放，各種數(shù)據(jù)、圖象、聲頻、視頻、文本、報表能暢通無阻，達到無距離無時限的垂直上下和橫平左右的安全高效快速的訪問；加氯、加藥、預(yù)估、氧曝、等響應(yīng)時間要求毫秒級、抖動誤差小于1微秒的、可采用等時同步實時IRT等技術(shù)來滿足某些高精確度控制的要求；站在建設(shè)“數(shù)字工廠”的高度上思考問題，從本企業(yè)的實際情況出發(fā)，做好企業(yè)系統(tǒng)的ERP/MES/PCS三個系統(tǒng)基礎(chǔ)的科學(xué)配置。“信息控制一體化” 的科學(xué)的安全實用的水工業(yè)綜合自動化網(wǎng)絡(luò)集成架構(gòu) ，就是“(INTERNET+WLAN)＋(RTE+WPAN)＋TCP/IP協(xié)議+PAC”的完全開放的靈活高效的集成體，如圖6所示。
               
                     

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    摘自《自動化博覽》2010年第七期