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陳運珍

1  廠站級綜合自動化面臨新的挑戰(zhàn)

    21世紀是計算機，數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化時代。自來水和排污水的流程企業(yè)是城鎮(zhèn)建設(shè)的基礎(chǔ)，供水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)都越來越復(fù)雜，泵站越來越多，管網(wǎng)象蜘蛛網(wǎng)一樣遍布城鄉(xiāng)各個角落。新老泵站自動化水平差別越來越大。國務(wù)院撥巨資來發(fā)展水工業(yè)各領(lǐng)域（源水系統(tǒng)、自來水系統(tǒng)和排污水系統(tǒng)）的基礎(chǔ)設(shè)施。建什么樣的廠站級監(jiān)控系統(tǒng)將面臨巨大的挑戰(zhàn)。

2．廠站級流程企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程和展望

2.1  發(fā)展歷程

    近40年來，筆者參與了許多大中小型的給排水污水廠站的電氣與自動控制的設(shè)計項目，研究了國內(nèi)外大中小型廠站級監(jiān)控技術(shù)運行工況。我國給排水系統(tǒng)廠站級監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展也跟石化、電力鋼鐵等領(lǐng)域一樣，經(jīng)歷了幾次重大的技術(shù)變革。

    上世紀80年代初的監(jiān)控系統(tǒng)，以分立元件、集成電路（低級）為主，系統(tǒng)功能簡單，均手動按鈕操作。執(zhí)行器、變送器、一次儀表笨重粗大，功能低下，價格昂貴，其系統(tǒng)構(gòu)成卻非常復(fù)雜。

    上世紀90年代初，出現(xiàn)了PC計算機，WINDOWS操作系統(tǒng)，PLC可編程控制器，顯示圖形功能低下的數(shù)據(jù)庫技術(shù)。

    近幾年來，由于計算機、通訊、網(wǎng)絡(luò)高新技術(shù)的迅速發(fā)展，水工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)也發(fā)展到了新一代的水平。

    隨著水工藝流程由簡單過程向大型化、連續(xù)化、復(fù)雜化方向發(fā)展，控制系統(tǒng)由簡單控制系統(tǒng)（如PID、串級、比值、前饋、后饋等）發(fā)展到先進控制系統(tǒng)（如多變量來水預(yù)測、神經(jīng)元、模糊、魯棒等控制）和綜合自動化系統(tǒng)（生產(chǎn)流程控制、管理、決策一體化）。以計算機為主的控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了DDC（Direct Digital Control，單機控制系統(tǒng)），DCS（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)），PLC控制系統(tǒng)，FCS（Fieldbus Control System，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)）和Internet（以太網(wǎng)+TCP/IP）的四個發(fā)展階段。

2.2  DCS、FCS系統(tǒng)的不足

    國際電工委員會（IEC）歷時12年，于2000年1月才正式公布了IEC61158現(xiàn)場總線全部技術(shù)標準，由于妥協(xié)了各大公司的既得利益，并沒有實現(xiàn)標準的統(tǒng)一。在此標準中容納了8種互不兼容的通信協(xié)議。其開放性全分散控制仍存在許多問題，有許多廠商不提供真正的開放平臺。現(xiàn)場總線普遍采用的主從式層次的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從所有現(xiàn)場設(shè)備到主控器的數(shù)據(jù)傳輸，必需經(jīng)過不同CPU和驅(qū)動軟件，結(jié)果是傳輸速度慢，缺乏透明度，軟件和維修費用高，控制器之間的垂直和水平通信非常困難，所有控制器是“孤島”，獨立于Internet之外，無法集成。FCS總線存在瓶頸問題。

    近十年來，FCS現(xiàn)場控制總線系統(tǒng)大量涌進水工業(yè)各領(lǐng)域。FCS系統(tǒng)具有數(shù)字化，分散控制等特點，采用一對N的連接方式，可省去大量的AI/AO、DI/DO、PI/PO中間模板，用數(shù)字信號代替模擬信號，在一根雙絞線或一條電纜上可掛接多個現(xiàn)場設(shè)備，節(jié)省了硬件投資和安裝費用，系統(tǒng)成本降低，一度被認為是未來控制系統(tǒng)的主要潮流。

    FCS現(xiàn)場總線技術(shù)對DCS控制系統(tǒng)無疑是一種重大挑戰(zhàn)。但是，FCS的功能模塊比DCS少；DCS靈活方便和豐富的組態(tài)功能，也比FCS強；在開關(guān)量與模擬量控制并存，相互關(guān)系十分密切的控制系統(tǒng)中，采用FCS就不方便了。

    過去25年來，除北京、深圳、廣州、上海、長春、成都外，還有許多大中小型城市的自來水公司，源水公司或排污水公司都先后用貸款和BOT等方式建立了先進一時的SCADA系統(tǒng)。它們的功能也遠遠沒有達到設(shè)計的初衷。

?  不能對過程變量進行預(yù)測，趨勢顯示和記錄；

?  許多關(guān)鍵裝置不能進行遠控；

?  不能對調(diào)度工程師感興趣的數(shù)據(jù)進行存儲；

?  人機界面不夠友好，網(wǎng)絡(luò)功能差，不能進行多媒體服務(wù)；

?  系統(tǒng)對外通訊能力有限，開放性差，一般沒有網(wǎng)絡(luò)信息功能；

?  擴展性差，雖有雙機熱備，但冗余性能差。

2.3  用交換式以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議來組建廠站級監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

    工業(yè)以太網(wǎng)是當今信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)。流程企業(yè)控制領(lǐng)域需要一種高速價廉，實時性強，開放性好，可靠性高，e網(wǎng)到底的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

    工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場設(shè)備與交換機端口采用全雙工通信線路，交換機內(nèi)部實現(xiàn)了多對端口之間的并行交換，這樣，徹底擺脫了CSMA/CD的限制，提高了信息傳遞的確定性和實時性。交換式以太網(wǎng)具有傳輸帶寬高，網(wǎng)絡(luò)容量大，組網(wǎng)方便等優(yōu)點。同時，還支持虛擬網(wǎng)絡(luò)，從而降低組網(wǎng)成本并提高網(wǎng)絡(luò)靈活性。以太網(wǎng)電纜由早期的粗銅軸電纜發(fā)展到現(xiàn)在的雙絞線電纜和光纜，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和抗干擾的能力，同時成本也大大降低了。

    工業(yè)以太網(wǎng)與DCS，FCS等控制網(wǎng)絡(luò)相比還具有下列優(yōu)勢。

    (1)  開放性好。幾乎所有的編程語言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開發(fā)。以太網(wǎng)遵循的是IEEE802.3及IEEE802.3U系列國際標準，是最具有開放性的網(wǎng)絡(luò)，其軟硬件資源非常豐富。

    (2)  集成度高。基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，一方面可實現(xiàn)本地工控系統(tǒng)縱向的現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控級在內(nèi)的無縫集成；另一方面能方便地實現(xiàn)與Internet（也遵循TCP/IP協(xié)議）互連。

    (3)  高帶寬。FCS現(xiàn)場總線一般傳輸速率為幾十Kbit/s至1～2Mbit/s，以太網(wǎng)的最低帶寬都為10Mbit/s，100Mbit/s和千兆快速交換機已非常成熟了。現(xiàn)在，萬兆快速交換機也已經(jīng)問世和運用了。

    由于自來水公司和排污水公司的廠站越建越多，隨著大量現(xiàn)場儀表智能化的迅速發(fā)展，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量將大大增加，未來傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能不再滿足于幾個字節(jié)，甚至可能是網(wǎng)頁，網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的高速度在水工業(yè)流程企業(yè)中將越來越重要。以太網(wǎng)的高帶寬完全可以滿足給排水系統(tǒng)各個層次網(wǎng)絡(luò)的要求。

    (4)  以太網(wǎng)成本低廉。組網(wǎng)成本下降，FF等現(xiàn)場總線網(wǎng)卡要1萬多美元一個，而以太網(wǎng)卡只有20美元以下。

    (5)  可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｒ蕴W(wǎng)能實現(xiàn)與管網(wǎng)GIS系統(tǒng)及遠程的取水廠站或井群監(jiān)控的