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    陳運珍（1941-）
男，就職于北京市市政工程設計研究總院，現任水工業自動化網總工，主要研究方向為工業電氣化與自動化的最新技術應用的研究、評估、論證、設計，承擔過北京及深圳市供水調度廣域網絡系統工程及北京水源九廠、深圳東湖泵站等幾十項大中型給水排水的供配電系統及復雜的綜合自動化監控系統工程的設計任務、承擔過深圳雅園立交等幾十座現代化立交道路工程的供配電及監控系統設計任務、參加過“干式變壓器”等多項國家規范制定工作、參加過“大功率變頻裝置”等多項高新產品的評審工作，被北京市人事局等多個單位聘為評標專家。

摘要：城市水工業是一個傳統的基礎企業，自動化控制系統發展太慢，跟不上我國其他行業。21世紀是數字化、信息化和網絡化時代。隨著IT技術、網絡技術、高端的計算機技術、虛擬技術、嵌入式技術以及監控組態軟件和先進控制技術的迅猛發展，只有創建最現代化最科學的綜合自動化系統，才能建造經濟持續發展的新型水企業。

關鍵詞：自動化系統集成；CPAS；實時工業以太網；監控組態軟件；PAC

Abstract: Municipal water industry is a traditional business. Its automation and control technology develop slowly and cannot keep the pace of other fields. The 21st century is digital, information and networking era. With the rapid development of computer technology, network technology, virtual technology, embed technology and various advanced control and monitoring technology, the construction of the modern and comprehensive automation system can contribute the continuous economic and environmental success of the water enterprise.

Key words: Automatic System Inteqration； CPAS；RTE； Confiquration Sofitware； PAC

1 中國水工業自動化現狀評估

    1.1 現場儀器儀表測控系統

    儀器儀表測控系統包括敏感元件、記錄顯示、傳感器、變送器、執行器等若干單元。儀器儀表測控系統的發展，大體經歷了五個階段：從指針式發展到分立式，第三代是集成電路芯片為基礎的數字儀器，第四代是以微處理器為核心的所謂“智能式”儀表，是以硬件或固化軟件的形式存在，缺乏靈活性。隨著微處理技術、虛擬技術、嵌入式技術、信息處理技術、數字化技術、網絡技術、微細精加工技術、各種高精尖的電子元器件不斷涌現，第五代功能強大的儀器儀表測試設備正在茁壯成長。

    水工業的儀器儀表也同樣經歷了以上五個階段，但其更新換代要比其它行業晚了十年左右。

    每個供水、排水、污水處理流程企業，有各種電量、電壓、電流、電度等參數要在線監測，大量的水泵機組、變頻器、軟啟動器、各種閥門，水質各種參數如流量、水溫、余氯、水流速度、水流方向、濁度、各個構筑物的水位也要在線監測，水量預測、加藥系統的閉環監控，加氨、加氯、加礬、臭氧消毒等等現場設備。僅就污水處理廠來說，在線監測的水質參數就很多：有進出水的濁度、溶解氧、溫度、電導率、生化需氧量、化學需氧量、總有機碳、酸鹼度、總氨、總磷、懸浮固體、氰化物及砷、汞、鎘、鉻、鉛等幾十種，還有大量的電、氣、機、閥門、鼓風氧曝、潷水裝置等現場設備要參于監控。

    現在絕大多數的給水排水的工程都是十幾年前興建的項目，所有現場的光、機、電、氣、儀器儀表、傳感器、變送器、執行器、驅動器都面臨更新換代的問題。

    1.2 水工業監控系統現狀分析

    傳統的水工業工藝流程是以土木型構筑物為主的，設備的自動化程度極低。

    上世紀七十年代水工業只有極為簡單的有線三遙控制。到了八十年代初，有些水廠采用電極式或者浮子式來控制水泵電機的開停。水質參數、水量調節、鼓風曝氣大都采用人工手段。

    從八十年代到九十年代，隨著微型計算機的出現，水廠單元的環節控制有了很大的發展。筆者主持設計的北京市第九水廠采用了日本橫河的μXL控制系統，也采用了混凝投藥的單元環節控制，以計算機為核心的自動控制取得了重要進展，對一些重要參數可以在線采集;與此同時全國各大城市的水工業，引進了世界上比較先進的自動化控制技術，如水量預測、自動加藥、鼓風曝氣、臭氧處理、DCS、FCS等控制技術取得了很大的成功。

    上世紀九十年代初筆者主持設計了北京市、深圳市自來水公司的城市供水調度和源水輸送調度的廣域網絡監控系統，部分數據可以實現在線的實時監測，但許多水質參數還不能在線監測，如硝基苯、藻毒類等各種細菌和病菌的參數。許多水廠引進的濁度儀、COD儀、BOD儀等儀器儀表不能在苛刻的現場環境下運轉、使用條件要求很高，有的不符合實際的需要或者不符合中國國情，引進的許多先進控制系統解決不了實際問題，達不到設計的預期效果，只能束之高閣，造成巨大的浪費，教訓是極其深刻的。

2 現代水工業綜合自動化的基本概念與功能要素

    在新形勢下，如何使這個傳統的基礎企業在經濟全球化的激烈竟爭中有立足之地？水工業綜合自動化的核心技術是什么？建立什么樣的自動化控制系統？是擺在所有投身水行業的科技工作者面前的嚴重挑戰。

    首先，要清楚水流程工業現代化的基本概念與功能要素。

    2.1 現代化水工業 的基本概念

    各大城市及各工礦企業要做的給水排水或污水處理項目，雖實際情況有千差萬別，然一個現代化的水企業的基本概念是：生產模式要柔性化，才能適應當今市場的各種需求；供需能力國際化，不斷地節省成本，縮短市場的供應期，不斷創新最佳經濟績效；產量研發快速化，盡快適應水量制造周期日益縮短的趨勢；競爭優勢聯盟化，最大限度滿足客戶的需求。

    2.2 現代化水工業綜合自動化系統的功能要素

    總結國內外成功與失敗的經驗和教訓，就清楚的知道，像國外一些大型企業，能越做越強，收購國內其他瀕臨破產的公司，深刻剖析這些企業，一個立于不敗之地的水企業必須具有三個“功能要素”：

    (1) 要有極強的應變能力

    一個現代化的水企業，必須強化對變化的洞察能力，對經營模式的重構能力，控制系統要支持各工藝流程中核心技術的形成能力；系統要支持對風險的應對能力。

    (2) 要有極強的應變速度

    一個有科學性的水企業，對陳舊落后的工藝和設備要盡快革新，供應鏈建立了，計劃決策，最上層的ERP系統和最底層的PCS的過程監控系統要同步建設，對變化了的市場要做到實時同步的快速響應；對一些沒有通信功能的老掉牙的監測儀器儀表、傳感器、變送器、執行器、驅動器和電氣機械等一切現場設備要盡快數字化，實現信息快速整合；對廠站級的控制設備，要加強網絡建設，使中間環節的MES的產品制造執行層具有快速實時同步響應能力；對水質或一些突然事件發生巨大變化時，系統對異常情況的對策要有同步應變的快速性。

    (3) 要有極強的求知力度

    經濟全球化后，市場競爭是非常激烈的。對市場變化毫不知情，對供應鏈知識一無所有，沒有隨機應變的生產計劃決策，企業就沒有生存的能力，現代化的自動控制系統，要能支持市場競爭的決策能力，系統要增強數據與信息資源的應用能力，增強數據資源的提煉能力，增強成熟知識的模型轉化能力。

3 創建科學的實用的水工業綜合自動化系統

    40多年來，筆者參加了幾十項大中型的給水排水處理工程中電氣與自控方面的設計任務和評審評標工作；承擔過北京和深圳等大城市供水調度系統和源水調度系統的設計任務；多次組織國內外高層技術專家深入研討水工業自動化的相關問題。筆者以為一個實用的科學的水工業綜合自動化系統必須有一個全數字化的儀器儀表等現場測控系統；必須有一個功能強大的現場可編程自動化控制器；必須有一個功能強大的監控組態軟件平臺和有本企業特色的先進控制技術；必須有一個功能強大的實時數據庫；必須有一個好的廠級監控網絡；這些都是自動化集成必須同步解決的關鍵技術問題。 

    3.1 現場電、儀、執行器、驅動器要充分利用嵌入式技術，盡快數字化、微型化、虛擬化、智能化、多功能化和網絡化

    錢學森院士說過：“新技術革命的關鍵技術就是信息技術，信息技術由測量技術、計算機技術、通訊技術三部分組成，測量技術則是關鍵和基礎”。水工業車間的現場層設備是自動化系統的最底層。現場設備層中的設備種類繁多，有傳感器、變送器、啟動器、驅動裝置，水泵機組、I/O部件，各種閥門，各種現場檢測儀器儀表等。現場的設備就是綜合自動化的基石，是源頭。

    近二十年來，網絡技術、虛擬技術、嵌入式技術、微處理技術、計算機技術、超導技術以及特種加工、集成 、高密封 、納米 、激光 、生物等高精尖技術得到了迅猛發展，使儀器儀表測試系統發生了根本性的變革，以硬件為核心的傳統儀器儀表測試系統已過時了。IT技術和數字技術的迅猛發展，把模擬儀器測試系統的精度、分辨力、多通道、測量速度提高了幾個量級，使儀器儀表發生了質的變化。現代儀器儀表產品將加大力度向微型化、智能化、虛擬化、多功能化和網絡化方向發展。

    (1) 微型化

    傳統的傳感器、多送器、執行機構體積大、功能弱、單一性、硬件化，無法滿足網絡監控的要求，由于微機系統（MEMS）、超大規模集成（VLSI）新器件、多芯片模塊（MCM）、圓片規模集成（WSI）等大量涌現，采用更加精密的微控技術、微加工技術、微測檢技術、微光源等技術，使儀器儀表產品體積更加縮小，精度更加提高，產品更加豐富。

    (2) 智能化                                                                           

    傳統的檢測儀器只能探測一種物理量，而智能的檢測儀器可以提供整個應用系統的檢測方案。由于微處理器和人工智能技術的迅猛發展和應用，對信息進行處理、分析和調節，對信息誤差進行補償，進行邏輯思考和結論判斷；對非線性的信號進行線性化處理；智能化儀器具有自診斷、自標準功能。智能化的傳感器能夠完成多參數混合檢測，適合于各不相同的工作環境，能處理探測到的大量數據，并能存儲這些信息數據，智能化傳感器具有網絡數字化通信接口，將所測到數據域發送給遠程用戶等。

    以美國德州儀器公司的“DSPC”為例，以DSP芯片為核心，配合先進的混合信號電路、ASIC電路，提供整個應用系統的解決方案，到2010年，DSP 芯片的集成度將會提高11倍，在單個芯片上將會集成5億只晶體管。

    (3) 虛擬化

    1985年美國NI公司正式推出Labview 版本的虛擬儀器技術，是“科學家與工程師的語言”，由硬件的軟件化，軟件的模塊化而產生的虛擬儀器。因其靈活、高效、迅速、易用、用戶可以自定義分析算法、修改控制編程，節去了大量的硬件設備，用戶可通過鼠標和圖標進行操作，大大提高了工藝流程的創造性、為用戶更大規模的擴展、創新的應用創造了條件。20多年來Labview的技術，功能也在飛躍的發展。技術更先進，功能更強大，應用范圍更廣的Labview8.5版本也問世了。西門子、洛克韋爾等著名公司也相繼推出了類似的虛擬儀器產品。

    什么是成熟的虛擬儀器？它由高效的軟件編程環境、豐富多彩的模塊化結構和支持模塊化I/O集成的開放的硬件構架組成。軟件技術成了儀器組成的關鍵部件，硬件只是用來解決信號的輸入輸出，各種水質儀器儀表，現場的電氣、機械、閥門、驅動器的傳感原件，主要由計算機軟件來完成各對應的功能,“軟件就是儀器”，是對“虛擬儀器”的最科學的形象描述。虛擬儀器與傳統儀器比較見表1。

    表1   虛擬儀器與傳統儀器比較

    近年來，隨著INTERNET和嵌入式技術的迅猛發展，又產生了新一代的網絡化虛擬儀器。虛擬技術是水質參數在線監測的高效解決方案。水質的監測是很困難的，從進水到出水的整個流程處理過程中，此解決方案具有可快速的全方位的對眾多水質參數監測的儀器功能，精度指標都集成在一個軟件庫中。通過I/O接口，完成眾多復雜系統的功能，并在線的及時修改編程，進行二次開發；構建成一個完整的多通道綜合自動化的虛擬儀器儀表的系統，并可減少許多要引進的昂貴的水質分析儀器。某污水處理廠采用美國Labview5.1的圖形化編程軟件，同時對氟離子、氯離子、氫離子、溶解氧進出水濁度等眾多參數進行監測,效果良好。

    (4) 網絡化

    網絡化的測量環境將網上每臺計算機和各個現場的儀器儀表有機地聯系在一起。數以萬計的各種性質的海量的信息數據都傳送到系統網絡的實時數據庫（SQL）服務器，進行分析、處理、運算，通過現場實時工業以太網和因特網，網上任意地點的計算機都可以從數據庫中讀取網上的任何一組儀器儀表的測量數據值，就可以進行遠程測量，接入網絡的儀器儀表和所有的計算機軟硬件，其功能和容量可能差別很大，一旦組成有機的網絡系統后，就可對不同的計算機分配不同的任務，不同功能的儀器儀表就可以統一調用、從而大大減化了測試系統設備，而性能又達到最佳，操作的工程師們可控制儀器儀表在網上任何地點進行數據采集分析處理和顯示，將各種性能的計算機和各種功能的儀器儀表，通過ETHERNET和因特網INTERNET，或通過無線網絡，最有效的連接到同一網絡中，實現完全的GPIB控制功能和基于以太網的TCP/IP協議。這種完全開放網絡下的數據采集，是更科學的廣義的信息提取、管理和應用，也更具有時效性和共享性,信息利用效率更高,成本也大幅下降。因為現場信息的模擬量已經變為全數字的雙向多站的數字通訊、遠遠超脫了傳統儀器儀表的含義，總監控中心能対遠端井群或閥門，實現真正意義上的分布式的“E網到底”的網絡控制。有的科學家提出“網絡就是儀器”，確實是一個偉大的科學預見。沒有信息化，就沒有真正意義上的自動化。

    (5) 多功能化  

    現代的現場數字化儀器儀表在一個傳感器中可以安裝多個敏感元件，完全模塊化安裝，具有檢測、變換、補償、運算、處理、分析和控制功能，一個儀表可以處理多個信息的采集和控制，是真正意義上的多傳感信息融合, 方便了用戶，節約了成本。由于完全模塊化，數字完全開放的儀器儀表，人們很難區分是儀器還是儀表，或是測試系統設備。現場設備可以統一組態，集控室的操作員能夠一目了然的了解現場設備的工作情況，就可以對系統進行參數的調整，達到優化控制，對系統進行故障診斷，可以實現真正意義上的遠程廣域網絡監控。

    3.2 創建全集成的綜合自動化架構
   
    一個大中城市的水務集團旗下，上水、污水、供水的泵站多達幾百座，廠站多達幾十座，上下水管網更是星羅棋布在全市的所有角落，各種電、氣、儀、驅動器、閥門更是上千萬件。上下左右的綜合集成是非常困難的，又是必須盡快解決的問題。

    當今綜合自動化的體系結構涵蓋著從底層的流程企業自動化到公司級的管理自動化：從自動化控制和生態管理到企業全方位管理的信息數據要全集成，再不是過去PLC、DCS和早期FCS現場總線的自動化孤島；將所有底層現場的電氣控制、過程控制、運動控制、數以萬計的儀器儀表測試系統都要高度的有機的融合在綜合自動化網絡上；而公司頂級部門面對客戶市場的ERP系統，涵蓋從生產到采購、從庫存到銷售、從流程自動化到市場供應鏈、以及財務人事等廣泛的業務領域，其功能和信息數據都要快速高效的融合集成，這中間MES系統起著承上啟下的橋梁作用。

    開放，就意味著在網絡上能互連、互通、共享和互操作。綜合自動化集成架構、就是將工程中工藝、機械、電氣、儀器儀表測控系統等現場設備、監控組態軟件、通信網絡、計劃管理、生產制造執行、商務供應鏈、財務人事、領導決策等內聯網進行同步設計,做到有機的整合集成，謀求實現最佳經濟效益。什么是信息控制一體化的綜合自動化的集成？著名的美國咨詢集團ARC的描述比較準確：“從全局的觀念對整個工廠的流程所牽涉的各個環節，通過單一而又統一的平臺來進行工程設計和組態、可視化、控制、生產管理和調度、資產設備管理；具有良好的可擴展能力、可滿足小規模的單元控制、中規模的區域控制和大規模的全廠控制的各種要求；它在公共的工程環境、統一的通信框架、建立在工業標準的基礎上等幾個關鍵特征。”這就是ARC提出的協同過程自動化系統CPAS（collaborative process Automation System），如圖1所示。

圖1   CPAS系統示意圖

    CPAS系統是流程企業實現ERP、MES和PCS三層結構的一種理想的優化解決方案。用一個統一的軟硬件平臺提供全廠的控制功能；用一個統一的工程設計和監控組態軟件，解決所有車間的電控、儀控、各種閥門執行機構和啟動裝置、HMI、SCADA的設計和組態、以及開車調試、運行管理、安全保障、在線的系統診斷等工程的一切需要。一個流程企業的自動化水平，關鍵是信息傳遞。正是在實時信息數據快速交換的關鍵問題上，CPAS在三層結構中提出的解決信息同步交換的問題，解決了經營管理、生產管理、生產制造之間的閉環控制，使電子商務和市場供應鏈與工廠流程監控協同作戰。追求最佳的績效，這就是CPAS的理念。

    傳統的PLC、DCS、早期的現場總線和早期的工業以太網，在數據采集上往往不能達到要求，使企業各系統上下難以交流、決策與車間嚴重脫節，績效低下。

    實時數據庫是MES的核心。實時數據進行統一的存儲、分析、運算、處理和管理，能為客戶提供開放的二次開發平臺接口，來提升企業功能，不斷的與時俱進的提高生產效率，也能發布到其它關系數據庫，提供MES、ERP系統所用，幫助企業決策管理。

    監控組態軟件和先進控制軟件是綜合自動化的重要支柱，就像人的大腦一樣。監控組態軟件的發展極為神速。一個高效的綜合自動化系統組態要智能化，功能要網絡化及實時化和WED模塊化，接口要標準化，同時要兼容多種操作系統，要求將監控組態軟件嵌入到信息化平臺上，實現信息化的集成，實現數據分析與管理決策的統一。監控組態軟件將進一步向開放化、標準化、信息化、系統化和上下兩端發展，成為工廠信息化的核心技術。功能強大的監控組態軟件產品很多，如美國INTELLUTION公司的IFIX  DYIIAMICS軟件，有Wonderware公司的INTOUCH軟件，有西門子公司的WINCC軟件，有德國ARC公司的PCVUE32軟件，OPC  UA、CITECT、TIA  SERVER、ARCHESTRA、CYBOCON等知名軟件，也有國內組態王6.6、 MCGS等軟件。

    前幾年某自來水公司，為了提高運行可靠性，增長系統的靈活性，選用了美國NI公司的FIX工業組態軟件和美國Wondeware公司的INTOUCH工業組態軟件，建立了統一的實時數據庫，有很高的可靠性又方便二次開發，擴展能力強，取得了很好的經濟效益。

    某大型的傳統水廠改造時，選用SIMATIC  IT MES來創建全水廠的生產信息系統。它的軟件包括兩種軟件：HISTORIAN實時數據庫和REPORT  MANAGER軟件，數據庫可實現全水廠的海量信息的實時數據的采集、處理、存儲和提取，可提供OPC服務，也可提供Web服務和其它服務，是一個典型的自動化集成架構，有靈活的模塊化組件、很好的開放性，通過標準接口能與第三方軟件交互，客戶可增加其它模塊，不斷完善MES系統的功能。操作工程師，可不用編寫代碼，主要精力可放在生產需求的分析和業務流程管理的優化控制上。

    3.3 現場要選用PAC可編程自動化控制器

    筆者認真分析總結了我國二十年來新建和擴建的給排水流程企業，有的選用早期的PLC和早期的現場總線；有的采用了先進的控制軟件卻運轉效果差強人意；有的花巨資引進的水質監測儀器儀表，也只有顯示功能，不能參加優化監控；有的選用了早期的以太網，但是數據不能傳遞，還是處于“信息孤島”狀態。所以，要重新審視我們的思路存在什么問題，在當今大好的形式下，如何站在經濟全球化的起點上，創建新型的現場監控系統，讓現場的設備1+1>>2。

    3.3.1傳統PLC及IPC的存在問題

    傳統的PLC軟硬件結構封閉，功能較差，不能聯網控制。各廠家的PLC通訊協義各自為政不能兼容，很難實現大延時、復雜的算法控制。現在有些廠商還在極力宣揚不符合國際標準的PLC和FCS現場總線，企業在選型中要特別注意，再不要犯重蹈覆轍的錯誤。

    傳統的IPC靈活性差、處理能力不強、在環境惡劣現場，其穩定性和可靠性就更差。現在的IPC機有了很大的發展，但可靠性和穩定性還是存在問題。

    3.3.2流程企業自動化集成的迅速發展，催生了PAC可編程自動化控制器。

    作為ERP/MES/PCS三層架構的現場底層，原先是DCS、FCS和PLC為主體，現在的工程設計時，現場可以選用新的PAC。PAC保持了PLC的編程方式和特點，具有很高的可靠性和穩定性；具有IPC的硬實時操作系統，具有強大的運算和聯網功能，編程更加簡化，更容易實現水工業流程中獨特的預估、加藥、加氯、氧曝等閉環的先進控制； PAC是一個軟邏輯結構，有極大容量的存儲能力，并有掉電保護的功能；PAC有標準的網絡接口，能方便的與其他品牌的PLC、計算機、網絡、各種分析儀器、現場所有的電、氣、儀、機等設備聯網通信；PAC的數據測試是海量的，能對應復雜的有幾百個I/O節點，甚至更多的I/O節點；PAC的性價比高，成本更低；PAC采用了事實上的網絡接口、編程語言、安全監控等各種工業標準，與異型異構的網絡進行快速的數據交換，數據共享，使遠程監控有了堅實的底層基礎；PAC采用模塊化的軟件結構可任意增加和裁減，非常適合各種規模的流程企業的運轉控制，極便于二次開發；PAC具有統一的軟硬件開發平臺，能滿足 多專業、多速率、多循環、多任務的非線性操作運行的控制要求；操作工程師可通過網上的任一臺計算機的Web窗口獲取各站最底層的所有數據信息，并能在線的進行系統診斷，尋找故障所在；與傳統的自動化設備相比，應該說PAC是實現ERP/MES/PCS三層自動化架構的最好幫手，能幫助企業搶占更多的市場份額。PAC定是今后現場控制器的主流產品。

    3.3.3PAC市場行情

    PAC的結構特征不是完全統一的。PLC的主流廠商，保留了大家熟悉的PLC編程方式，保留了邏輯控制方面固有的特點； 也選擇功能強大、穩定性好的CPU芯片，作為新一代PLC的核心處理器，它既有傳統PLC的優點，同時還具有PC機的高性能、低價格、系統開放的優點，二者有機的結合，產生了新一代的PAC可編程自動控制器。DCS的主流廠商則重視流程行業的應用，把研究的重心放在統一的平臺和與以太網的無縫連接上，產生新的PAC產品。

    現在，有許多功能強大和性價比極高的PAC可編程自動化控制器，可供我們選擇，具有代表性的產品有：GE -FANUC公司的PAC  SYSTEM系列產品；Siemens公司的SIMATIC  TDC系列產品；Rockwell 公司的CONTROILOGIX  PAC系列產品；貝加萊公司的PCC系列產品；NI的Compact  Fieldpoint，Compactr10，Compactvi-Sion  System，Industrial Pc等；泓格科技公司的μPAC ，IPAC  ，Winpac，Linpac等；BECK OFF公司的CX100 PAC系列產品；研華公司的ADAM-5000，VNO-2170和AMAX-2050等PAC系列產品；OPTO 22公司的SNAP-PAC系列產品。

    3.4 現場監控網絡必須選用實時工業以太網RTE（Real Time Ethernet, RTE ）

    眾所周知，FCS現場控制總線是按照現場通訊的要求來開發的，基本滿足現場信息傳輸的要求，使用方便、診斷功能強，比DCS系統更經濟和自動化，數字化和開放性是它的最大的亮點。但是，FCS現場總線不能完成大數量的數據傳輸，較多采用主/從控制方式，不容易實現控制系統傳輸要求，各大廠家開發的軟件技術互不兼容，無法實現總線并構，變成一個又一個的“孤島”，使“不明就里”的廣大用戶吃盡了苦頭。

    實時工業以太網比過去常用的12種FCS現場總線，除了以上提到的之外，還具有一系列的優勢：

    ● 采用公認的TCP/IP通訊協議，現場層就極易與Internet連接，實現公司與眾多現場層流程控制的無縫鏈接。價格低廉、穩定可靠，軟硬產品豐富，支持技術非常成熟。

    ● 隨著快速以太網和變換式以太網的迅猛發展，解決了初期工業以太網的確定性問題，其通訊速率一再提高，從10Mb/s, 100 Mb/s增加到今天的1000Mb/s, 10 Gb/s。這是FCS系統無法比擬的優勢，在數據吞吐量相同的情況下，意味著網絡負荷的大幅減輕，網絡碰撞的幾率大大降低，大大提高了網絡控制的確定性和可靠性問題。

    ● 車間現場可采用各種網絡拓撲結構，功能強大的交換機可將網絡細分為若干個網段。交換機之間，通過主干網絡進行連接。交換機可對網絡上傳輸的數據進行過濾處理，使每個網段內的節點之間數據的傳輸只限制在本地網段內進行而不需要經過主干網。使本地數據傳輸不占其它網段的帶寬，從而大大降低了所有網段和主干網的網絡負荷。

    ● 只用一根電纜就解決了一個車間或一個終端的控制供電問題。這樣的交換式全雙工的實時工業以太網就消除了數據在網絡上碰撞的問題，使Ethernet通訊的確實性和實時性又大大提高了一步。終端采用無線傳感器網絡或采用遠程I/O接口就更好與主站聯網了。

    ● 實時工業以太網可持續發展的潛力巨大。監控主站計算機，通過Internet能實現管網GIS地理監控系統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上鏈接的其他地方，進行修改整合或監控管理。

    今天，實時工業以太網技術在國外和國內水行業中也得到了廣泛的應用，在鋼鐵、石化、石油、輕紡、汽車、造紙、食品、水泥、冶金等流程企業都大量選用實時工業以大網作為廠級的監控網絡，它的多主站、通用性、可以同時采用不同速率來傳輸大數量數據信息正好補充了各種FCS現場總線的不足。基本上滿足了水工業系統各企業現場的生產管理與與OFFICE系統通訊的要求。

    水流程工業越來越復雜。對一個大的水處理工程，過去的DCS系統、現場總線、PC、OPC和以太網技術，只是鑲嵌在傳統的系統結構中去，也只能對系統作些邊緣性的提高，所有現場設備、控制器還是孤島獨立地控制，只管束獨立的數據。目前世界流行的六種實時工業以太網技術，打破了過去傳統的系統結構的堅冰，為真正科學的信息控制系統奠定了堅實的技術基礎。

    目前流行的實時工業以太網：EtherCAT、Ethernet、Powerlink、EPA、PROFINET MODBUS-IDA和Etherner/IP等，為了提高網絡的實時性能，這些廠家做了大量的研發工程，實時響應時間，都可以作到5～10ms或更低，與過去專門為工業現場的設備通訊設計的FCS現場總線差不多，甚至更快，基本上滿足了水工業處理流程的需要，但是對于加藥系統精度響應時間的運動控制系統，最好是近百個節點控制響應時間小于1ms左右，而抖動誤差要小于1誷左右。這六種實時工業以太網，各自有它們研究專利技術。但是，對廣大工程設計科技人員來說，還是希望有一個比較實用的公共標準，再不要像現場總線(FCS)那樣，在實際應用中不知所措。

    流程企業希望有這樣的實時工業以太網：對整個監控系統來講，要有一個大家共同遵守的標準化編程語言系統軟件設計平臺；在實時工業以太網開發平臺上，只需要一個公共的變量定義和一個存放所有參數的實時數據庫，這個統一的實時數據庫是MES的核心設備，只有功能強大的實時數據庫，才能在線實時采集流程過程中的實時數據，才能進行統一的存儲與管理，才能進行運算分析和處理，才能在線提供開放的二次開發的數據信息資料，才能在線提供ERP和PCS系統中需要的準確數據，使決策部門根據供應鏈采集到的電子商務行情，及時修改生產計劃，通過MES系統將信息垂直的快速的傳達到最底層的PCS生產執行系統，真正提高生產效率，大大加快企業的應變能力，也就大大加強了企業的競爭力。這種實時工業以太網的標準軟件編程技術，能同時開發多主站和多終端的所有設備，也能同時調試和安裝眾多的機械設備；它應該是DCS、FCS、IPC、CNC、GIS、OAS、PLC、MC、無線傳感器網絡、SCADA系統的統一編程標準，同時能橫向傳輸所有從站之間的海量實時數據信息；這種開放的模塊式結構應面向所有工業的現場應用開放。從各個現場的光、機、電、氣、儀等一切設備到整個系統的全部設備都能無縫聯接并能在網絡中統一調度。用戶是上帝，希望廣大實時工業以太網的廠商，盡快研究出具有上述要求的更簡單實用的新平臺。

4 結束語

    “網絡就是控制器”。上世紀70年代，日本專家提出了 “機電一體化”的概念與電的整合性，但它沒有解決多機種多控制的通信問題和監控的數據傳輸問題；曾幾何時，我國信息化的專家們，提出了“管控一體化”的概念，它僅僅側重于控制層和管理層之間的信息問題，而忽略了如何提高工業控制系統信息傳輸的實時性和確定性問題，特別是忽略了現場層各種信息采集和準確傳輸的關鍵性問題。很難想象，管理層不能及時正確的得到現場實時數據時，怎能作出正確的判斷？！

圖2    水工業綜合自動化系統示意圖

    根據上面提到的“基因要素”和對綜合自動化監控系統集成的幾個關鍵技術的要求，研究綜合自動化系統的專家們認為，唯一正確的途徑是創建新型的“信息控制一體化”的科學的綜合自動化系統。實現“信息控制一體化”的關鍵是：抓住信息化的核心技術不放，各種數據、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高效快速的訪問；從本企業的實際情況出發，站在建設“數字工廠”的高點上思考問題，做好企業系統的ERP/MES/PCS三個系統基礎的科學配置，特別是選好功能強大的實時數據庫、監控組態軟件和先進控制軟件；各車間現場采用PAC可編程自動化控制器（也可選用新型的PLCopen設備）；光、機、電、氣、儀等一切現場設備做到全數字化、智能化、多功能化、網絡化、虛擬化，（采用嵌入式技術將網絡功能植入到舊設備中去、使它們具有網絡功能）；現場監控網絡采用全開放的實時工業以太網；共同采用TCP/IP通訊協議（加氯、加藥、預估、氧曝、調速等響應時間要求毫秒級、抖動誤差小于1微秒的、可采用等時同步實時“IRT”等技術來滿足某些高精確度控制的要求）；這個科學的實用的現代化的水工業綜合自動化系統，就是“(INTERNET+WLAN)＋(RTE+WPAN)＋TCP/IP協議+PAC”的完全開放的靈活高效的集成體 ，如圖2所示。

參考文獻：

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    編號：080527