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個(gè)人簡(jiǎn)介：陳運(yùn)珍，北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院總工。主要研究領(lǐng)域?yàn)椋菏姓┧に嚰夹g(shù)、工業(yè)供水技術(shù)、供水管網(wǎng)技術(shù)與管理、規(guī)劃、自控模擬、信息化管理、泵、自控系統(tǒng)及軟件 。
承擔(dān)過北京及深圳市供水調(diào)度廣域網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)工程及北京水源九廠、深圳東湖泵站等幾十項(xiàng)大中型給水排水的供配電系統(tǒng)及復(fù)雜的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)任務(wù)、承擔(dān)過深圳雅園立交等幾十座現(xiàn)代化立交道路工程的供配電及監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)、參加過“干式變壓器”等多項(xiàng)國家規(guī)范制定工作、參加過“大功率變頻裝置”等多項(xiàng)高新產(chǎn)品的評(píng)審工作，被北京市人事局等多個(gè)單位聘為評(píng)標(biāo)專家，評(píng)過幾十項(xiàng)工程的標(biāo)。
摘 要：城市水工業(yè)是一個(gè)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)企業(yè)，自動(dòng)化控制系統(tǒng)發(fā)展太慢，跟不上我國其他行業(yè)。21世紀(jì)是數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代。隨著IT技術(shù)、高端的計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及各種高端的先進(jìn)控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，只有創(chuàng)建最現(xiàn)代化最科學(xué)的自動(dòng)化控制技術(shù)，才能建造經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的新型水企業(yè)。
關(guān)鍵詞：信息控制一體化；實(shí)用以太網(wǎng)；PAC；現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；交換機(jī)
1 水工業(yè)自動(dòng)化面臨新的挑戰(zhàn)
城市上下水處理、工礦企業(yè)污水處理、城市樓群二次供水、上水水質(zhì)深度處理、城市中水處理、江河湖泊的環(huán)保治理，都是城鎮(zhèn)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。這些工程規(guī)模越來越大，系統(tǒng)越來越繁雜，大大小小泵站越來越多，上下水及中水管網(wǎng)像蜘蛛網(wǎng)一樣遍布城鄉(xiāng)的每個(gè)角落。隨著“十一五”規(guī)劃的實(shí)施，城建缺水將更加嚴(yán)重，水的資源將更加窮泛，城市污染將更加危害。國務(wù)院撥出巨資規(guī)劃許多南水北調(diào)項(xiàng)目。對(duì)嚴(yán)重缺水的北方城鎮(zhèn)來說，也只是車水之薪。據(jù)統(tǒng)計(jì)和預(yù)測(cè)：全國城市缺水2×108m3/d，污水排放量是6×108m3/d，工業(yè)廢水猛增到2×108m3/d。國務(wù)院撥巨款，每年新建擴(kuò)建水工程600×104m3/d，污水工程700×104m3/d。
40多年來，筆者參加過數(shù)十項(xiàng)大中小型的給水排水處理工程中電氣與自控方面的設(shè)計(jì)任務(wù)。承擔(dān)過北京和深圳等大城市供水調(diào)度系統(tǒng)和源水調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)。筆者認(rèn)真研究了國內(nèi)將近十年來典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)例，我國水企業(yè)的自動(dòng)化水平比國內(nèi)其它行業(yè)要落后10年左右。在新形勢(shì)下，如何使這個(gè)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)企業(yè)在經(jīng)濟(jì)全球化的環(huán)境中具有立足之地？水工業(yè)綜合自動(dòng)化的核心技術(shù)是什么？建立什么樣的自動(dòng)控制系統(tǒng)？是擺在所有投身水行業(yè)的科技工作者面前的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。
2 現(xiàn)代化水工業(yè)對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的要求
2.1現(xiàn)代化水工業(yè)發(fā)展的特征和基因要素
各大城市和各工控企業(yè)要做的給水排水或污水處理項(xiàng)目，不管實(shí)際情況有多么不同，但對(duì)一個(gè)現(xiàn)代化的水企業(yè)，都有一個(gè)共同的特征：生產(chǎn)模式要泵性化。才能適應(yīng)當(dāng)今市場(chǎng)的各種需求；供需能力國際化，不斷地節(jié)省成本，縮短市場(chǎng)的供應(yīng)期；產(chǎn)量研發(fā)快速化，盡快適應(yīng)水量周期日益縮短的趨勢(shì)；競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)聯(lián)盟化，最大限度滿足客戶的要求。
在激烈競(jìng)爭(zhēng)的世界經(jīng)濟(jì)環(huán)境中，要使水企業(yè)取得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，不僅在信息化、網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)的工廠策略方面，要以本企業(yè)的經(jīng)營(yíng)策略快速高效的高度融合，還必須具備三方面的”基因要素”：極強(qiáng)的應(yīng)變能力、極強(qiáng)的應(yīng)變速度、極強(qiáng)的求知力度。
2.2 現(xiàn)代化水工業(yè)對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的要求
總結(jié)國內(nèi)外成功與失敗的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，就不難看出，國內(nèi)外一些水務(wù)集團(tuán)之所以能越做越強(qiáng)，就是在三個(gè)”基因要素”方面做得更好。對(duì)三個(gè)”基因要素”進(jìn)行深刻的剖析，一個(gè)立于不敗之地的水企業(yè)對(duì)現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)的要求如下：
2.2.1要有極強(qiáng)的應(yīng)變能力
一個(gè)現(xiàn)代化的水企業(yè)，必須強(qiáng)化對(duì)變化的洞察能力，對(duì)經(jīng)營(yíng)模式的重構(gòu)能力，控制系統(tǒng)要支持各工藝流程中核心技術(shù)的形成能力；系統(tǒng)要支持對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)能力。
2.2.2 要有極強(qiáng)的應(yīng)變速度
一個(gè)現(xiàn)代化的水企業(yè)，應(yīng)盡快革新陳舊落后的工藝和設(shè)備，經(jīng)營(yíng)模式改變了，就要?jiǎng)?chuàng)新，具有對(duì)變化相應(yīng)的快速性；對(duì)一些沒有通信功能的陳舊的監(jiān)測(cè)儀器和變送器、傳感器、執(zhí)行器要盡快更新。
2.2.3 要有極強(qiáng)的求知力度
經(jīng)濟(jì)全球化后，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)非常激烈，現(xiàn)代化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，要支持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的決策力；系統(tǒng)要增強(qiáng)數(shù)據(jù)與信息資源的應(yīng)用能力；要增強(qiáng)數(shù)據(jù)資源的提煉能力；要增強(qiáng)成熟知識(shí)的模型轉(zhuǎn)化能力。十年來新建擴(kuò)建的水處理企業(yè)，雖然在某些方面取得了進(jìn)展和實(shí)效，但是要真正達(dá)到上面的三個(gè)”基因要素”，只是萬里長(zhǎng)征走完了第一步。一個(gè)現(xiàn)代化水企業(yè)對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的特性和要求，歸根結(jié)底還是要在企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取上下功夫，使創(chuàng)建的新系統(tǒng)能覆蓋企業(yè)網(wǎng)內(nèi)外及最低層的生產(chǎn)活動(dòng)上面，而且要速度快、精度高，工序流程在網(wǎng)上有極好的整合，系統(tǒng)控制要穩(wěn)定、實(shí)用、快速和可靠。
3 只有科學(xué)的信息控制一體化，才能創(chuàng)建有持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代化水企業(yè)
3.1 我國水工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)狀分析
與其他系統(tǒng)企業(yè)相比，傳統(tǒng)的中國水企業(yè)自動(dòng)化水平要落后十年左右。上世紀(jì)八十年之前的水企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)以分立元件為主，各種水質(zhì)分析儀表、加藥系統(tǒng)、水位、溫度、壓力、流量以及供電系統(tǒng)的各種參數(shù)監(jiān)測(cè)的變送器、傳感器、執(zhí)行器、紙質(zhì)記錄儀等，笨重粗大、功能低下，當(dāng)時(shí)價(jià)格非常昂貴，監(jiān)控中心只能是個(gè)別參數(shù)的顯示。
上世紀(jì)90年代之后，在水企業(yè)工程中先后設(shè)置了PID調(diào)節(jié)、比值、前饋、后饋、FCS、DCS和最初的以太網(wǎng)技術(shù)，經(jīng)歷了幾次重大的變革，自動(dòng)化水平有了較大的提高。但是，成千上萬件的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還是處在”孤島”狀態(tài)，獨(dú)立于自動(dòng)化系統(tǒng)之外，”瓶頸”問題到處存在，上面管理決策部門對(duì)各水廠車間的工藝流程的生產(chǎn)狀態(tài)不能在線獲取。供應(yīng)鏈營(yíng)銷服務(wù)、管網(wǎng)監(jiān)測(cè)都在脫節(jié)狀態(tài)下生存。
最近五年來，許多大城市水企業(yè)，構(gòu)建了PLC及FCS現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)，或者上了DCS和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，但數(shù)據(jù)不全，傳上來的一些數(shù)據(jù)也不能共享，利用率極為低下，嚴(yán)格來講不能算作自動(dòng)化系統(tǒng)。更不用說，許多沒有搞自動(dòng)化建設(shè)的水企業(yè)了。許多工程設(shè)計(jì)的工業(yè)以太網(wǎng)＋TCP/IP協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)，絕大多數(shù)在ISO/OSI七層通訊模型中的物理層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)連絡(luò)層。現(xiàn)場(chǎng)車間中用的PLC控制器為主，即在應(yīng)用層和表示層、會(huì)話層中用的很少。縱向和橫向的各種數(shù)據(jù)還是沒有整合。
3.2 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)用FCS還是用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的比較
眾所周知，F(xiàn)CS現(xiàn)場(chǎng)控制總線是專門按照現(xiàn)場(chǎng)通訊的要求來開發(fā)的，基本滿足現(xiàn)場(chǎng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，使用方便、診斷功能強(qiáng)，比DCS系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)和自動(dòng)化，數(shù)字化、開放性是它的最大的亮點(diǎn)。但是，F(xiàn)CS現(xiàn)場(chǎng)總線不能完成大數(shù)量的數(shù)據(jù)傳輸，較多采用主/從控制方式，不容易實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)傳輸要求，各大廠家開發(fā)的軟件技術(shù)并不兼容，無法實(shí)現(xiàn)總線并構(gòu)，它們變成一個(gè)又一個(gè)的”孤島”，使”不明就里”的廣大用戶吃盡了苦頭。
今天，實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在水行業(yè)中也得到了最廣泛的應(yīng)用，它的多主站、通用性、可以同時(shí)采用不同速率來傳輸大數(shù)量數(shù)據(jù)信息，這正好補(bǔ)充了各種FCS現(xiàn)場(chǎng)總線的不足。基本上滿足了水工業(yè)系統(tǒng)各企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)管理與OFFICE系統(tǒng)通訊的要求。
3.3 水工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)必須采用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)
相較于過去常用的12種FCS現(xiàn)場(chǎng)總線，除了上面提到的以外，實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)還具有一系列的優(yōu)勢(shì)。
（1）采用公認(rèn)TCP/IP通訊協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)層極易與Internet連接，實(shí)現(xiàn)各公司與眾多現(xiàn)場(chǎng)層流程控制的無縫連接。價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠，通訊速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富，支持技術(shù)非常成熟，是工藝系統(tǒng)最受歡迎的通訊網(wǎng)絡(luò)。
（2）隨著快速以太網(wǎng)和變換式以太網(wǎng)的迅猛發(fā)展，基本上解決了初期工業(yè)以太網(wǎng)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(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，這意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的大幅減輕，網(wǎng)絡(luò)碰撞的幾率大大降低，提高了網(wǎng)絡(luò)的確定性。
（3）采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功能強(qiáng)大的交換機(jī)可將網(wǎng)絡(luò)細(xì)分為若干個(gè)網(wǎng)段。交換機(jī)之間，通過主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。交換機(jī)可對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)的節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的傳輸只限制在本地網(wǎng)段內(nèi)進(jìn)行而不需要經(jīng)過主干網(wǎng)。使本地?cái)?shù)據(jù)傳輸不占其它網(wǎng)段的帶寬，從而，大大降低了所有網(wǎng)段和主干網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。交換機(jī)種類很多，我們用的最多的是西門子赫思曼、羅克韋爾自動(dòng)化、研華等公司的產(chǎn)品。研華公司的EK1—2528、7626C、7659CP等各種交換機(jī)和轉(zhuǎn)換器，符合IEEE802等通信標(biāo)準(zhǔn)和10/100/1000BASE—TX等要求，具有接口方便、網(wǎng)上診斷、不同的配置、冗余、安全、流量控制等各種功能，又有ESD電源浪涌、反向電源、過載等保護(hù)，可工作在惡劣的工業(yè)環(huán)境中。
（4）其中一對(duì)線專門發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對(duì)線專門接收數(shù)據(jù)，這樣的交換式全雙工的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)就消除了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上碰撞的問題，使Ethernet通訊的確實(shí)性和實(shí)時(shí)性又大大提高了一步。
（5）實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的潛力巨大。監(jiān)控主站計(jì)算機(jī)，通過Internet能實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)GIS地理監(jiān)控系統(tǒng)及眾多遠(yuǎn)程的取水泵站，取水頭部的I/O接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無縫連接，可在主站中心或任何網(wǎng)上鏈接的其他地方，進(jìn)行修改整合或監(jiān)控管理。
3.4 盡量采用嵌入式技術(shù)
采用嵌入式技術(shù)，將過去的FCS、DCS、PLC、GIS、OAS辦公自動(dòng)化系統(tǒng)，所有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)及主工藝流程所應(yīng)用的先進(jìn)控制技術(shù)（如來水量預(yù)測(cè)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、在線監(jiān)控的加藥系統(tǒng)，污水生物廢氣處理的人工智能仿真閉環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)等等）都納入到”Internet+RTE+TCP/IP協(xié)議”為主要模式的信息控制一體化系統(tǒng)中去。
眾所周知，嵌入式技術(shù)將成為21世紀(jì)發(fā)展最快的IT產(chǎn)業(yè)。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以高端的計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可以任意裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)多任務(wù)、高可靠性、低成本、體積小、功能強(qiáng)等有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。也可以說是：嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)主站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。
下一代的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，嵌入式設(shè)備將大大增加，約占70％左右，并與Internet聯(lián)網(wǎng)。很多年前就有專家們預(yù)測(cè)，2010年是嵌入式Internet時(shí)代，這一時(shí)代將會(huì)產(chǎn)生比PC時(shí)代多成百上千倍的瘦服務(wù)器，能在Internet網(wǎng)上，自動(dòng)、實(shí)時(shí)、方便、簡(jiǎn)單地提供網(wǎng)上任何需要的這些信息的對(duì)象。嵌入式系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)水工業(yè)信息控制一體化的不可缺少的高新技術(shù)。
一個(gè)城市的水務(wù)集團(tuán)公司，只有充分采用嵌入式系統(tǒng)，徹底改造過去的傳統(tǒng)儀器儀表，徹底改造一切與信息控制一體化不相配套的變送器、傳感器、執(zhí)行器、閥門、機(jī)電產(chǎn)品，將Internet功能和Ethernet功能嵌入到過去構(gòu)建的各種現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)（FCS）、PLC系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)或初期的工業(yè)以太網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備中去，才能真正實(shí)現(xiàn)全公司系統(tǒng)的信息控制一體化的監(jiān)控目的。
3.5 符合信息控制一體化的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)（Real Time Ethernet, 簡(jiǎn)稱RTE）
水工業(yè)工程設(shè)計(jì)者，在新建和擴(kuò)建的水處理工程中，再不能采用FCS現(xiàn)場(chǎng)總線了，必須用實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)來構(gòu)建監(jiān)控中心和各個(gè)站級(jí)的控制網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)今水世界，在設(shè)備層大多采用PLC可編程控制器，各水處理的廠站級(jí)和同級(jí)監(jiān)控中心基本上都用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)（RTE）+TCP/IP協(xié)議+Internet組建網(wǎng)站。
目前水工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜。對(duì)一個(gè)大的水處理工程，過去的DCS系統(tǒng)或FCS現(xiàn)場(chǎng)總線上各單元采用的PLC系統(tǒng)以及用于閉環(huán)控制的MC系統(tǒng)，它們的連接要求，高速化、緊密化，整個(gè)系統(tǒng)有更多的獨(dú)立的分散式控制功能器組成，數(shù)量巨大的傳感器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、變速器、儀器儀表要求虛擬化、微型化、數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化。但是，過去這些工業(yè)PC、OPC和以太網(wǎng)技術(shù)，只要被鑲嵌在傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中去，也只能對(duì)系統(tǒng)做些邊緣性的提高。所有PLC等控制器還是孤島獨(dú)立地控制，是個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)。
目前世界上有十四種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，打破了過去傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅(jiān)冰，為真正科學(xué)的信息控制系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
目前最流行的六種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)是：EtherCAT、Ethernet、Powerlink、EPA、PROFINET MODBUS-IDA和Etherner/IP等，為了提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能，這些廠家做了大量的研發(fā)工作，實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間，都可以作到5～10ms或更低，與過去專門為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備通訊設(shè)計(jì)的FCS現(xiàn)場(chǎng)總線差不多，甚至更快，基本上滿足了水工業(yè)處理流程的需要，但是對(duì)于加藥系統(tǒng)精度響應(yīng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，最好是近百個(gè)節(jié)點(diǎn)控制響應(yīng)時(shí)間小于1ms左右，而抖動(dòng)誤差要小于1µs左右。這六種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，各自有專利技術(shù)。但是，對(duì)廣大工程設(shè)計(jì)科技人員來說，還是希望有一個(gè)比較實(shí)用的公共標(biāo)準(zhǔn)，再不要像現(xiàn)場(chǎng)總線(FCS)那樣，在實(shí)際應(yīng)用中不知所措。
事實(shí)上，廣大工程設(shè)計(jì)科技人員希望有這樣的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)：對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)來講，要有一個(gè)大家共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)化編程語言系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)；在這個(gè)開發(fā)平臺(tái)上，只需要一個(gè)公共的變量定義和一個(gè)存放所有參數(shù)的控制功能的中央數(shù)據(jù)庫。這種標(biāo)準(zhǔn)的軟件編程技術(shù)，能同時(shí)開發(fā)多主站和多終端的所有設(shè)備，也能同時(shí)調(diào)試和安裝參數(shù)眾多的機(jī)械設(shè)備，特別是現(xiàn)場(chǎng)的PAC（或者是PLC OPEN和傳統(tǒng)的PLC）可編程自動(dòng)控制器；它應(yīng)該是DCS、FCS、CNC、GIS、OAS、PLC、MC、SCADA、IPC、PAC、 PLC OPEN等系統(tǒng)的統(tǒng)一編程標(biāo)準(zhǔn)；這種開放的模塊式結(jié)構(gòu)應(yīng)面向所有工業(yè)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。從該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下面所有的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備，也要兼容其他網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的所有現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備；用戶是上帝，希望廣大實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的廠商，盡快研究出具有上述要求的更簡(jiǎn)單實(shí)用的新平臺(tái)。同時(shí)，每個(gè)廠商均能提供實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的所有元器件和控制器。
我國自主開發(fā)的EPA實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，理論上是可行的，但配套的設(shè)備極不齊全，客戶難以在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中采用。
3.6 傳統(tǒng)的儀器儀表及檢測(cè)系統(tǒng)要盡快虛擬化、數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化
幾千萬件的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀器儀表，以及他們配套的變送器和傳感器、執(zhí)行器是建立水工業(yè)領(lǐng)域公司級(jí)和廠站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的眼睛。上世紀(jì)80年代初，一位美國專家就提出”軟件就是儀器”的新思想。虛擬儀器的核心思路，就是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的資源優(yōu)勢(shì)，是本來需要專用硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化，以便最大限度地降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能和靈活性。隨著IPC技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)外智能虛擬儀器（Intelligent Virtual Instrunment, IVI）正在蓬勃興起。用戶可在各處的WEB瀏覽器上自動(dòng)生成儀器驅(qū)動(dòng)器代碼，可自動(dòng)完成各種流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的檢查、可自動(dòng)診斷、可自動(dòng)修改編程：可在強(qiáng)大的仿真功能支持下，不用連接實(shí)際儀器儀表，就可開發(fā)各種測(cè)試程序：更可貴的是，他可以結(jié)合專用集成電路(ASIC)優(yōu)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的可重構(gòu)計(jì)算機(jī)，對(duì)大量的可編程邏輯單元陣列（FPGA）作出靈活的相應(yīng)配置，還可通過流水線級(jí)甚至任務(wù)級(jí)的并行計(jì)算機(jī)，使運(yùn)行速度達(dá)通用計(jì)算機(jī)的數(shù)百倍以上；更可隨機(jī)按需要高速、遠(yuǎn)程聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)上各類儀器。
基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，使得儀器儀表不再受限于某一特定的計(jì)算機(jī)操縱，儀器儀表可以獨(dú)立于計(jì)算機(jī)而存在。可以和所有的不同級(jí)別的計(jì)算機(jī)一樣，在網(wǎng)絡(luò)上是一個(gè)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)，可以自由的靈活的接入以太網(wǎng)任何一點(diǎn)，就是說，可以在以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上被任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)訪問，實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。
TCP/IP協(xié)議嵌入現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表上，以TCP/IP方式收發(fā)信號(hào)，徹底實(shí)現(xiàn)互操作性、開放性強(qiáng)的總線標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)就是現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表測(cè)試系統(tǒng)的通訊標(biāo)準(zhǔn)：開放的互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)就是所有的廠站級(jí)（乃至公司級(jí)的廣域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)）的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以很方便的在各監(jiān)控級(jí)的分散控制和冗余設(shè)置；系統(tǒng)故障就可以大大降低，監(jiān)控系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性很高；增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)處理能力和關(guān)鍵的某工藝流程閉環(huán)先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用水平。
以TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)將每臺(tái)網(wǎng)上計(jì)算機(jī)和各廠站級(jí)儀器儀表有機(jī)的聯(lián)系在一起。如某一廠站采集數(shù)據(jù)后可按需拷貝多份送往各需要部門，或者定期將測(cè)量結(jié)果送往遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)庫保存，需要時(shí)可隨時(shí)調(diào)用，即使身處異地的不同用戶也可同時(shí)對(duì)同一過程進(jìn)行監(jiān)控。
接入以太網(wǎng)絡(luò)的儀器儀表和計(jì)算機(jī)軟硬件資源，其性能可能差別很大，然而一旦組成網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，就可對(duì)不同功能的計(jì)算機(jī)分配不同的任務(wù)，不同功能的儀器就可以統(tǒng)一調(diào)用，從而使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能達(dá)到最佳，不同用戶可在網(wǎng)上任何地方進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析和在線修改。廠站級(jí)EIHERNET（以太網(wǎng)）能把各種功能的計(jì)算機(jī)和各種功能的儀器儀表，最有效的連接到互聯(lián)網(wǎng)上，以便組成公司級(jí)的以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。
4 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)信息控制一體化的必要條件
從小系統(tǒng)到大系統(tǒng)，從單一的水廠到大城市水務(wù)集團(tuán)眾多水處理工程與管網(wǎng)技術(shù)信息集中監(jiān)控的設(shè)計(jì)中又是關(guān)聯(lián)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，涉及到整個(gè)系統(tǒng)的全局性和根本性的問題。特別是眾多分散的廠站級(jí)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，像人的四肢的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是源頭。
4.1 好的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)為構(gòu)建新型的信息控制系統(tǒng)創(chuàng)造了條件
新型實(shí)用的工業(yè)以太網(wǎng)，可以使網(wǎng)絡(luò)延伸到自動(dòng)化系統(tǒng)的最底層——各種水質(zhì)儀器儀表和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不僅能橫向整合現(xiàn)場(chǎng)信息資源，做到快速響應(yīng)，也能縱向整合現(xiàn)場(chǎng)信息與企業(yè)管理信息，建立全局性的自動(dòng)化系統(tǒng)，以達(dá)到準(zhǔn)確診斷、及時(shí)調(diào)控、快速維護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、管理服務(wù)。就可以滿足企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層的運(yùn)籌決策，能做到及時(shí)參與全球化的競(jìng)爭(zhēng)要求。
4.2 好的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)為創(chuàng)造全數(shù)字化的開放的信息控制一體化系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)
一個(gè)好的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以快速和科學(xué)的使基礎(chǔ)數(shù)據(jù)構(gòu)成有序的數(shù)據(jù)集合，形成對(duì)本企業(yè)運(yùn)營(yíng)全面完整的精確描述。在上一級(jí)的監(jiān)控中心，可準(zhǔn)確地集成主工藝流程中各種先進(jìn)控制技術(shù)專用的數(shù)據(jù)集合的在線應(yīng)用，達(dá)到數(shù)字化實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高精度，高閉環(huán)調(diào)控的目標(biāo)。
過去，各大城市的給排水的工藝電氣自動(dòng)化專家們，利用貸款和政策的巨資支持，引進(jìn)了許多高精度的水質(zhì)分析儀器儀表，配置了昂貴的工控機(jī)、多功能的數(shù)據(jù)庫、大型的顯示盤，也采用了GIS管網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，用水量預(yù)測(cè)，投藥量閉環(huán)控制，溶解氧控制、污水處理的PBF人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，污水處理中SBR工業(yè)流程的模糊控制技術(shù)等的軟件和硬件的系統(tǒng)配置，其功能收效甚微，沒有真正發(fā)揮其高精尖測(cè)控儀表的作用：就是因?yàn)闆]有一個(gè)完全開放的好的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。
生產(chǎn)過程控制參數(shù)的精確設(shè)定，生產(chǎn)實(shí)績(jī)、設(shè)備和流程狀態(tài)的信息，都是企業(yè)信息的重要組成部分，要通過現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)在線的無距離的精確的實(shí)現(xiàn)。這種最底層的控制網(wǎng)絡(luò)，就在現(xiàn)場(chǎng)控制層，它對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)。如圖1所示。
圖1 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概念結(jié)構(gòu)圖
一個(gè)理想的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系，必須創(chuàng)建一個(gè)理想的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作基礎(chǔ)，才能支持和促進(jìn)本企業(yè)的基本要素生長(zhǎng)發(fā)展的環(huán)境。
4.3 好的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)本企業(yè)的”生命周期成本”開辟美好的前景
每建一個(gè)水處理工程，對(duì)本企業(yè)的建設(shè)成本、維護(hù)運(yùn)轉(zhuǎn)成本、出廠水質(zhì)精度、環(huán)境污染改進(jìn)加成本，企業(yè)的壽命周期，從工藝到電器，從信息到控制，都要高瞻遠(yuǎn)矚的精打細(xì)算，如何做到單位水產(chǎn)值耗電量最低，是我們一直追求的目標(biāo)。
一個(gè)好的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，才能為我們所追求的目標(biāo)鋪平道路。這個(gè)”生命周期成本”，對(duì)工程建設(shè)成本和長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)成本的節(jié)約降耗，必須用科學(xué)的數(shù)字來進(jìn)行全面比較。有了好的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，就能利用上下左右，企業(yè)內(nèi)外的資源信息優(yōu)勢(shì)，最大限度的發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的全部功能，就能帶來最低的維護(hù)運(yùn)轉(zhuǎn)成本。一般來說，長(zhǎng)期的運(yùn)轉(zhuǎn)成本節(jié)約降耗，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初期建廠的成本節(jié)約。
5 PLC、PC和PAC誰主沉浮
5.1 PLC、PC和PAC比較
從事工程自動(dòng)化設(shè)計(jì)的人員都很清楚，在上世紀(jì)60年代，使用機(jī)械繼電器進(jìn)行工業(yè)控制，到60年代末，出現(xiàn)了世界上第一臺(tái)PLC，大多采用原始的繼電器框圖的梯形邏輯來編程，80年代至90年代，采用PC機(jī)進(jìn)行工業(yè)控制，但PC機(jī)有以下弱點(diǎn)：穩(wěn)定性差、可靠性差，雖然靈活性多了，但編程非常困難。之后，PC機(jī)不斷智能化，軟件功能提高了，可執(zhí)行復(fù)雜工程的高級(jí)任務(wù)；PLC也不斷智能化，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，就控制應(yīng)用而言，PLC依然處于統(tǒng)治地位。
在過去的二十多年中，為了解決比較復(fù)雜的大中型給排水工程自動(dòng)控制，采用了很多”PC+PLC”的混合系統(tǒng)，利用PC進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄、連接條碼掃描，在數(shù)據(jù)庫中插入信息并存儲(chǔ)，把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，在車間現(xiàn)場(chǎng)則采用很多的PLC來完成眾多的代碼控制。這些問題困擾了工程自動(dòng)化設(shè)計(jì)者幾十年，用這種辦法建立的監(jiān)控系統(tǒng)，難度很大，故障頻發(fā)，費(fèi)用昂貴，維護(hù)困難。信息縱橫不通，瓶頸問題到處存在，每個(gè)子系統(tǒng)都是一個(gè)孤島，信息資源不能共享。多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，采用PC和PLC都不理想，只能是一對(duì)一，設(shè)備數(shù)量極大，但控制效果平平。上世紀(jì)九十年代初，北京市和深圳市的供水系統(tǒng)的廣域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，花了大量的人力物力，系統(tǒng)極為復(fù)雜，也只能采集到一點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息。
一個(gè)大中型的、復(fù)雜的給排水工程，要有一個(gè)自動(dòng)控制、生產(chǎn)管理、運(yùn)動(dòng)控制、管網(wǎng)地理信息、供應(yīng)鏈、生產(chǎn)調(diào)度、工程優(yōu)化、經(jīng)營(yíng)決策等信息系統(tǒng)的全集成架構(gòu)解決方案。即：控制層、執(zhí)行層、管理層的不同網(wǎng)絡(luò)要無縫連接和提供信息數(shù)據(jù)的高效快速的交換；不同距離、不同時(shí)期構(gòu)建的監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)要無距離的集成；特別是在控制層要有一個(gè)統(tǒng)一的軟硬件平臺(tái)，真正解決各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的電控、儀器儀表測(cè)控、運(yùn)動(dòng)控制等多專業(yè)的功能性要求；要求為新建工程從工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備設(shè)計(jì)及全場(chǎng)的自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，調(diào)試投運(yùn)、運(yùn)行操作、業(yè)務(wù)管理、文化調(diào)度、供應(yīng)鏈管理、系統(tǒng)維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)提供統(tǒng)一平臺(tái)。
世界上幾個(gè)大的自動(dòng)控制制造商，為了搶占市場(chǎng)，在他們各自的專利技術(shù)基礎(chǔ)上，大力研發(fā)新型的產(chǎn)品，來滿足迅猛發(fā)展的自動(dòng)化市場(chǎng)需要。這個(gè)新產(chǎn)品，ARC ADVISORY GROUP 稱它為”可編程自動(dòng)化控制器（PROGRAMMABLE AUTOMATION CONTROLLER—PAC）”。從2003年開始，GE FANUC 公司在PLC的基礎(chǔ)上率先推出了PAC系統(tǒng)，泓格、NI、研華等公司也相繼推出了基于PC技術(shù)的PAC系統(tǒng)，奧普?qǐng)D公司在原有的分布式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研發(fā)了PAC系統(tǒng)。
PAC與PLC和PC有什么不同？或者說，PAC有什么典型的特性和功能？
（1）具有一個(gè)能滿足多領(lǐng)域自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)的統(tǒng)一的通用平臺(tái)，采用共用的變量標(biāo)簽（TAGGING）和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫；
（2）PAC平臺(tái)可集成多領(lǐng)域、多專業(yè)、多控制任務(wù)的功能，在同一個(gè)平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)邏輯、順序、過程、運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)、儀器儀表測(cè)量、數(shù)據(jù)采集和人機(jī)界面等功能；
（3）PAC具有開放的、模塊化的體系結(jié)構(gòu)，適用于高度分散的自動(dòng)化環(huán)境；
（4）允許OEM廠商和最終用戶在統(tǒng)一的平臺(tái)上設(shè)置多重控制應(yīng)用；
（5）采用事實(shí)上的網(wǎng)絡(luò)接口、編程語言、安全保障等各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使異型和異構(gòu)的系統(tǒng)之間能快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。
總之，PAC中既結(jié)合了PLC最突出的優(yōu)點(diǎn)，標(biāo)準(zhǔn)外觀、耐用性和可靠性；也結(jié)合了PC的諸多優(yōu)點(diǎn)，豐富的軟件功能，強(qiáng)大的數(shù)學(xué)和通訊處理功能，高度的開放性和靈活性，大容量的存儲(chǔ)器功能等。
總結(jié)當(dāng)今世界，大多采用PLC系統(tǒng)，由于嵌入式技術(shù)的強(qiáng)大發(fā)展勢(shì)頭，在監(jiān)控中心采用PC的風(fēng)頭更勁。PAC新產(chǎn)品只出現(xiàn)了三年多，就搶占了許多自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的市場(chǎng)，可以預(yù)計(jì)，在不久的將來，它一定會(huì)主導(dǎo)監(jiān)控系統(tǒng)的舞臺(tái)。
6 結(jié)束語
隨著IT技術(shù)、嵌入技術(shù)、虛擬技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高端工控機(jī)技術(shù)、步進(jìn)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的不斷完善，縱觀國內(nèi)外水工業(yè)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)面臨著一場(chǎng)革新。
采用Internet技術(shù)，使得集中型自動(dòng)化系統(tǒng)真正成為帶有分散型智能化的網(wǎng)絡(luò)控制。從上面提到的基因要素和對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的要求分析來看，必須澄清已經(jīng)流傳了幾十年的提法和做法。
上世紀(jì)70年代，日本人提出了”MECHATRONIC”的概念，即”機(jī)電一體化”。由于針對(duì)機(jī)械制造行業(yè)的特點(diǎn)，將電氣產(chǎn)品有機(jī)地集合成一體，突出機(jī)與電的整合性，在機(jī)械制造行業(yè)引起了一場(chǎng)革新，也波及水工業(yè)和其他行業(yè)，它沒有解決多機(jī)多控制的通信問題和監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸問題。
曾幾何時(shí)，我國的自動(dòng)化專家們，提出了”管控一體化”的概念，但是它僅僅側(cè)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(yè)控制系統(tǒng)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性問題。特別是忽略了現(xiàn)場(chǎng)層各種信息采集和準(zhǔn)確傳輸?shù)年P(guān)鍵問題。很難想象，在一個(gè)控制系統(tǒng)中管理層不能及時(shí)正確的得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，怎能作出正確的判斷？
“機(jī)電一體化”是機(jī)械工程師提出的概念，”管控一體化”是IT工程師提出的概念。根據(jù)上面提到的”基因要素”和對(duì)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的要求，自動(dòng)化系統(tǒng)的工程師們認(rèn)為，唯一正確的途徑是創(chuàng)建新型的”信息控制一體化”。實(shí)現(xiàn)”信息控制一體化”的關(guān)鍵是現(xiàn)場(chǎng)控制層采用新型PAC控制器，即”可編程控制器控制系統(tǒng)”。如圖2所示。
PAC系統(tǒng)集成DCS、MC、PLC、FCS的優(yōu)點(diǎn)，將多個(gè)控制系統(tǒng)的元素集中在一個(gè)平臺(tái)上，同時(shí)更多的考慮了與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之間的聯(lián)系。縱向和橫向的信息都暢通無阻，將管理層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層，企業(yè)系統(tǒng)內(nèi)外的其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成的時(shí)間減小到最小，就可在網(wǎng)絡(luò)上無距離的不間斷的溝通和交流。實(shí)際上，一個(gè)科學(xué)的水工業(yè)綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)就是：
INTERNET+RTE+TCP/IP協(xié)議+PAC，即科學(xué)的、功能強(qiáng)大的、完全開放的信息控制一體化系統(tǒng)。
圖2 信息控制一體化結(jié)構(gòu)圖
”網(wǎng)絡(luò)就是控制器”。我們要抓住現(xiàn)代企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心技術(shù)，開發(fā)新型的PAC可編程自動(dòng)控制器，開發(fā)新型的信息控制一體化系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的水企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力大大提高一步，在經(jīng)濟(jì)全球化的浪潮中占領(lǐng)一席之地。
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