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陳運珍

1  廠站級綜合自動化面臨新的挑戰

    21世紀是計算機，數字化，網絡化時代。自來水和排污水的流程企業是城鎮建設的基礎，供水系統和排水系統都越來越復雜，泵站越來越多，管網象蜘蛛網一樣遍布城鄉各個角落。新老泵站自動化水平差別越來越大。國務院撥巨資來發展水工業各領域（源水系統、自來水系統和排污水系統）的基礎設施。建什么樣的廠站級監控系統將面臨巨大的挑戰。

2．廠站級流程企業監控系統的發展歷程和展望

2.1  發展歷程

    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計項目，研究了國內外大中小型廠站級監控技術運行工況。我國給排水系統廠站級監控技術的發展也跟石化、電力鋼鐵等領域一樣，經歷了幾次重大的技術變革。

    上世紀80年代初的監控系統，以分立元件、集成電路（低級）為主，系統功能簡單，均手動按鈕操作。執行器、變送器、一次儀表笨重粗大，功能低下，價格昂貴，其系統構成卻非常復雜。

    上世紀90年代初，出現了PC計算機，WINDOWS操作系統，PLC可編程控制器，顯示圖形功能低下的數據庫技術。

    近幾年來，由于計算機、通訊、網絡高新技術的迅速發展，水工業監控系統也發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、連續化、復雜化方向發展，控制系統由簡單控制系統（如PID、串級、比值、前饋、后饋等）發展到先進控制系統（如多變量來水預測、神經元、模糊、魯棒等控制）和綜合自動化系統（生產流程控制、管理、決策一體化）。以計算機為主的控制系統也經歷了DDC（Direct Digital Control，單機控制系統），DCS（Distributed Control System，集散控制系統），PLC控制系統，FCS（Fieldbus Control System，現場總線控制系統）和Internet（以太網+TCP/IP）的四個發展階段。

2.2  DCS、FCS系統的不足

    國際電工委員會（IEC）歷時12年，于2000年1月才正式公布了IEC61158現場總線全部技術標準，由于妥協了各大公司的既得利益，并沒有實現標準的統一。在此標準中容納了8種互不兼容的通信協議。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。現場總線普遍采用的主從式層次的控制網絡結構，從所有現場設備到主控器的數據傳輸，必需經過不同CPU和驅動軟件，結果是傳輸速度慢，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現場控制總線系統大量涌進水工業各領域。FCS系統具有數字化，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場設備，節省了硬件投資和安裝費用，系統成本降低，一度被認為是未來控制系統的主要潮流。

    FCS現場總線技術對DCS控制系統無疑是一種重大挑戰。但是，FCS的功能模塊比DCS少；DCS靈活方便和豐富的組態功能，也比FCS強；在開關量與模擬量控制并存，相互關系十分密切的控制系統中，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。它們的功能也遠遠沒有達到設計的初衷。

?  不能對過程變量進行預測，趨勢顯示和記錄；

?  許多關鍵裝置不能進行遠控；

?  不能對調度工程師感興趣的數據進行存儲；

?  人機界面不夠友好，網絡功能差，不能進行多媒體服務；

?  系統對外通訊能力有限，開放性差，一般沒有網絡信息功能；

?  擴展性差，雖有雙機熱備，但冗余性能差。

2.3  用交換式以太網和TCP/IP協議來組建廠站級監控系統網絡

    工業以太網是當今信息網絡領域應用最為廣泛的局域網。流程企業控制領域需要一種高速價廉，實時性強，開放性好，可靠性高，e網到底的網絡系統。

    工業以太網絡中，現場設備與交換機端口采用全雙工通信線路，交換機內部實現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。交換式以太網具有傳輸帶寬高，網絡容量大，組網方便等優點。同時，還支持虛擬網絡，從而降低組網成本并提高網絡靈活性。以太網電纜由早期的粗銅軸電纜發展到現在的雙絞線電纜和光纜，大大提高了網絡的傳輸速度和抗干擾的能力，同時成本也大大降低了。

    工業以太網與DCS，FCS等控制網絡相比還具有下列優勢。

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

    (2)  集成度高。基于TCP/IP協議的以太網控制網絡，一方面可實現本地工控系統縱向的現場設備監控級在內的無縫集成；另一方面能方便地實現與Internet（也遵循TCP/IP協議）互連。

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

    由于自來水公司和排污水公司的廠站越建越多，隨著大量現場儀表智能化的迅速發展，傳輸的數據量將大大增加，未來傳輸的數據可能不再滿足于幾個字節，甚至可能是網頁，網絡傳輸信息的高速度在水工業流程企業中將越來越重要。以太網的高帶寬完全可以滿足給排水系統各個層次網絡的要求。

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

    (5)  可持續發展潛力大。以太網能實現與管網GIS系統及遠程的取水廠站或井群監控的