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一、 產品概述：

正泰中自抗復雜惡劣環境的二次供水自主可控全冗余控制系統，國產化率100%，打破該領域國外公司的壟斷地位，具有自主可控、低能耗、高安全、高穩定、強環境適應性等特點。本產品的研發問世填補了國內二次供水領域高性能國產化控制系統的技術空白，并在自主可控、I/O模塊架構、在線故障診斷、節水節能等方面具有重大突破。智能控制算法保障供水全程安全高效低碳，減少客戶投資成本，解決“最后一公里”供水問題。該產品先后榮獲國家科技進步二等獎、浙江省優秀工業產品、浙江省首臺（套）裝備，已在眾多老舊小區、新建小區、高層小區保障了水質安全、供水設備穩定運行。

二、 產品研發立項背景

2015年，四部委聯合發布《關于加強和改進城鎮居民二次供水設施建設與管理確保水質安全的通知》（建城〔2015〕31號），要求加強改進二次供水設施建設與管理、解決“最后一公里”的水質安全問題。2017年，住房和城鄉建設部與國家發改委將城市供水安全保障工程列為全國城市市政基礎社會建設“十三五”重點工程，計劃完成1282萬戶不符合衛生、技術和安全防范要求的二次供水設施改造。

目前，城市用地越來越緊張，房地產開發商在投資住宅小區時，越來越傾向于高層建筑，問題也隨之出現。一方面，由于各地各小區各建筑二次供水設施的現狀、運行和管理情況差異較大，導致“最后一公里”在用水高峰時期，有一部分居民水壓會極其不穩定甚至沒有供水，這類問題在高層建筑尤為突出；且用水高峰期也會出現水壓紊亂、水壓過低，需水量遠大于供水量；用水低峰期，人們用水的需求量低于供水設備的供給量，多余的水堆積在管道內無法釋放，出水終端及管路內壓力急劇上升，水泵機組電能浪費，長時間持續下去有可能導致部分供水管路破裂甚至供水設備的損壞，進而浪費更多的人力物力。另一方面，供水環境隨著四季更替或出現極端溫差現象和極端濕度情況，并且由于供水設備處于地下室、負一樓，供水全程無人看守，這不僅需要考慮設備本身是否能經受惡劣環境，也需要考慮提高供水設備的供水性能以及面對突發情況時，系統本身如何應對等問題。

與此同時，我國國產化控制系統與世界處于領先水平的少數品牌存在一些差距，國內控制系統的中高端市場仍長期被艾默生、橫河、霍尼韋爾、西門子等國外品牌所壟斷，外資企業累計市場占有率過半。這些老牌自動控制領域的國外產品，在產品技術性能上有多年的積累和投入，在產品可靠性、網絡性能優化、在線診斷、功能安全等方面還是要比國內的主流品牌更為優越，給系統的可靠穩定運行及工程維護提供了更多方便，一些關鍵技術對于國內的企業來說，還需要進一步積累和完善。

三、 性能特點：

（一） 系統關鍵技術

正泰中自抗復雜惡劣環境的二次供水自主可控全冗余控制系統在以下關鍵技術上取得了突破。

關鍵技術一：雙主并行I/O模塊架構技術

設計了雙主并行I/O模塊架構：I/O模塊采用全新的模塊架構—“雙主并行”，摒棄了沿用很久的“一主一從”或“一主多從”的模塊架構，完全解決了模塊在采集數據時響應時間過長的問題，減少了通訊負荷，實現了快速無擾切換從而提高系統的整體實時性。

關鍵技術二：全系統實時自我故障診斷技術

研發了一種全系統實時自我診斷技術：該控制系統能實時診斷通訊網絡狀態（包括通訊收發數據量、丟包數、通訊狀態、通訊負荷等）、控制器狀態（包括負荷、通訊接口、算法狀態等）、I/O模塊狀態（包括通訊狀態、存儲器狀態等）以及 I/O通道狀態（包括通訊狀態、存儲器狀態、I/O通道斷線檢測等），實現全系統自我診斷。

關鍵技術三：多變量模糊控制算法技術

運用了多變量模糊控制算法：整套設備運用多變量模糊控制技術，根據實時數據精確掌握二次供水設備的關鍵被控量，實現在惡劣場景下的供水設備靈活調控，使設備長期工作在能耗最優區間，從而達到節能降耗的目的。

通常二次供水系統有以下三種模式：

1、高位水箱二次供水模式

該模式將城鎮管網來水儲存在地下水池中，再通過水泵將水從水池抽吸到屋頂水箱，然后利用屋頂水箱的勢能將水供給到各個用戶。

2、變頻二次供水模式

該模式去掉了屋頂水箱，將城鎮管網來水儲存在地下水池中，然后利用變頻調速水泵將水池中的水直接加壓供給用戶，水泵會根據用戶水壓、水量的需求調速運行，保證居民飲用水。同時，采用氣壓罐等類型的保壓裝置與該設備聯用，保證用戶在小流量用水時不必頻繁啟動水泵和控制系統。

3、無負壓二次供水模式

該模式下二次供水設備直接與城鎮管網聯通，在原有城鎮管網水壓的基礎上，再疊加一定的壓力后直接供水給用戶。由于整個二次供水過程中，直接利用了城鎮管網余壓，同時能保護城鎮管網水壓不低于其最低標準。

本項目基于上述關鍵技術突破，研發成功了全冗余自主可控無負壓二次供水自控系統。其將雙同步功能和全冗余功能應用于二次供水系統中，配套專用轉接端子板，支持快速集成，解決了二次供水領域控制工程應用問題，控制系統整體可達到較高的安全性和可靠性。其實現全系統實時自我診斷和檢測，即使設備和系統的環境處于高溫高濕的惡劣場景下，也可以實現二次供水全冗余控制，供水系統的信息的安全存儲、以及信息的快速切換、系統的故障自我診斷。此外，其具有節水節能、無污染、投資成本低、占地空間少等優點,逐步得到了市場認可并且具備替代傳統二次供水設備的實力。

本項目研制出基于國產芯片、國產操作系統和國產核心元器件的具有完整自主知識產權的控制系統，實現軟、硬件的100%國產化。例如，控制模塊采用中科龍芯的“龍芯”和“兆易創新GD”系列芯片，設計了雙主并行I/O模塊架構。本系統的研發成功，可以撼動該領域國外公司的壟斷地位，真正實現了自主可控、可替代進口系統。

本項目研發了全冗余自主可控平臺，實現了在強復雜場景下的二次供水全冗余控制，提高了信息安全存儲、快速切換、故障診斷特性，系統替代進口，在多變量模糊控制算法、在線故障診斷、自主可控技術等方面上具有重大突破。該系統的技術在所檢索到的國內外相關產品和文獻中未見具體述及。

因此，本項目產品自主研發的主要技術打破了該領域國外公司的壟斷地位，實現國產化率100%，同時可以在高溫高濕惡劣環境下進行二次供水，有效提升設備供水穩定性、高效性、降低供水能耗，安全性能更高，性價比更加有優越，能夠滿足各種應用場景下二次供水的需求。

（二） 創新點

創新點一：研發了100%國產化自主可控平臺，并是國內首家企業將全國產化控制系統應用于二次供水領域中。基于國產元器件，整套控制系統不僅自身具有強大的全冗余功能、全系統自診斷等功能，同時，搭配供水機組使用，實現可靠性、安全性、低能耗控制、穩定性、易用性的功能。

創新點二：采用了雙主并行I/O架構模塊，對各通道設置各自的數據傳輸通路，各數據傳輸通路直接與控制子中心連接，減少傳輸過程中的傳輸過程和公共部分電路，節約了時間成本，提高了響應速度，實現對I/O模塊的自動在線組態，只在發生變化時產生更新的組態配置文件，減少了通訊負荷，實現了快速無擾切換。

創新點三：研發了一種全系統實時自我診斷技術，實時診斷通訊網絡狀態（包括通訊收發數據量、丟包數、通訊狀態、通訊負荷等）、控制器狀態（包括負荷、通訊接口、算法狀態等）、I/O模塊狀態（包括通訊狀態、存儲器狀態等）以及 I/O通道狀態（包括通訊狀態、存儲器狀態、I/O通道斷線檢測等），實現全系統自我診斷，提高系統的安全連續運行能力。

（三） 系統特點

1、高實時性

系統具有雙主并行I/O模塊架構，I/O模塊采用“雙主并行”全新架構，以替代傳統的“一主一從”或“一主多從”架構，縮短了模塊在采集數據時的響應時間，減少了通訊負荷，實現了快速無擾切換從而提高了系統整體的實時性。

2、安全可靠

系統采用雙同步功能和全冗余功能，并將此應用于二次供水領域中，配套專用轉接端子板，支持快速集成，解決了大型控制工程應用問題，使得控制系統整體可達到很高的安全性和可靠性，更加適合在惡劣環境下保證控制系統正常運行。

3、自我診斷

系統采用了一種全系統實時自我診斷技術。該技術能實時診斷通訊網絡狀態（包括通訊收發數據量、丟包數、通訊狀態、通訊負荷等）、控制器狀態（包括負荷、通訊接口、算法狀態等）、I/O模塊狀態（包括通訊狀態、存儲器狀態等）以及 I/O通道狀態（包括通訊狀態、存儲器狀態、I/O通道斷線檢測等），實現全系統自我診斷能力。

4、節能降耗

系統運用了多變量模糊控制算法，可根據實時數據精確掌握二次供水設備的關鍵被控量，實現在惡劣場景下的供水設備靈活調控，使設備長期工作在能耗最優區間，從而達到節能降耗的目的。

5、可替代進口

控制系統采用100%國產化元器件，真正實現了自主可控、可替代進口。自主研發的主要技術打破了該領域國外公司的壟斷地位，基于國產芯片、國產操作系統和國產核心元器件，并具有完整自主知識產權，實現國產化率100%。

四、 詳細科學技術內容

（1）本項目研發了100%國產化自主可控平臺，并是國內首家企業將全國產化控制系統應用于二次供水領域中。其中：控制模塊采用中科龍芯的“龍芯”系列芯片，并搭載開源的RT-Linux操作系統，具有高可靠、高性能；IO模塊采用兆易創新GD系列芯片，GD系列通用MCU基于120MHz Cortex?-M4內核并支持快速DSP功能，該芯片較常規的芯片具有更高性能、更低功耗、更方便易用。基于國產元器件，整套控制系統不僅自身具有強大的全冗余功能、全系統自診斷等功能，同時，搭配供水機組使用，實現可靠性、安全性、低能耗控制、穩定性、易用性的功能。主要的國產元器件如下表所示。

主要國產元器件及生產廠家

（2）本項目采用了雙主并行I/O架構模塊，對各通道設置各自的數據傳輸通路，各數據傳輸通路直接與控制子中心連接，減少傳輸過程中的傳輸過程和公共部分電路，節約了時間成本，提高了響應速度，實現對I/O模塊的自動在線組態，只在發生變化時產生更新的組態配置文件，減少了通訊負荷，實現了快速無擾切換。

DCS系統包括控制中心和m組I/O模塊，具體的結構示意如下圖所示。一個I/O模塊包括一個模擬量數據采集模塊和一個模擬量輸出模塊。其中，模擬量數據采集模塊用于采集至少一個通道的模擬量；模擬量輸出模塊用于輸出至少一個通道的模擬量，各模擬量輸出通道采用各自的數據輸出通路與輸出控制子中心進行數據交互，各采集控制子中心、各輸出控制子中心分別與控制中心進行數據傳輸。

控制系統結構示意圖

模擬量數據采集模塊如下圖所示，包括一個采集控制子中心、n個采集通道和n個數據采集通路，n個數據采集通路分別與采集控制子中心連接，每個采集通道連接一個數據采集通路，采集控制子中心包括第一微處理器，用于數據采集和通訊，采集每個通道的數據，第一微處理器通過通訊通路AI或/和通訊通路BI與控制中心進行數據交互。n個數據采集通路采用相同的電路架構。數據采集通路包括一個獨立的數據采集部分，用于對采集控制子中心實時并且同時采集每個通道的數據，將采集到的數據存儲在自己的存儲空間。當控制中心通過通訊A或/和通訊B通路向第一微處理器索要數據時，第一微處理器再將存儲空間中的數據發送給控制中心。輸入信號進行處理；處理方式包括：濾波、放大、模擬量轉換成數字量等。

模擬量數據采集模塊結構示意圖

模擬量輸出模塊，如下圖所示，包括一個輸出控制子中心、k個輸出通道和k個數據輸出通路、HART調制電路，k個數據輸出通路分別與輸出控制子中心連接，每個輸出通道連接一個數據輸出通路，輸出控制子中心包括第二微處理器，用于數據處理和通訊，控制輸出對應的通道，第二微處理器通過通訊通路AO或/和通訊通路BO與控制中心進行數據交互。k個數據輸出通路采用相同的電路架構。

模擬量輸出模塊結構示意圖

第一微處理器、第二微處理器采用相同的微處理器芯片，如下圖所示。其中的SCL/SDA引出端用于通過通訊A通路或通訊B通路進行通訊。數據采集通路、數據輸出通路中分別設置有濾波、放大電路，用于對信號進行濾波與放大處理。

微處理器結構示意圖

 數據采集通路包括依次連接的電壓跟隨電路、模數轉換電路U1，電壓跟隨電路包括運算放大器U2，采樣C端和D端之間連接瞬態抑制二極管（TVS）D2，C端連接二極管D1的正極，二極管D1的負極連接電阻R5的一端、電容C4的一端、運算放大器U2的正輸入端，電阻R5的另一端、電容C4的另一端連接到采樣D端。運算放大器U2的負輸入端與輸出端連接，并連接到模數轉換電路U1的輸入端AIN0，模數轉換電路U1的SCL端、SDA端分別與微處理器中的相應端口連接。如下圖所示。

數據采集通路結構示意圖

（3）本項目研發了一種全系統實時自我診斷技術，實時診斷通訊網絡狀態（包括通訊收發數據量、丟包數、通訊狀態、通訊負荷等）、控制器狀態（包括負荷、通訊接口、算法狀態等）、I/O模塊狀態（包括通訊狀態、存儲器狀態等）以及 I/O通道狀態（包括通訊狀態、存儲器狀態、I/O通道斷線檢測等），實現全系統自我診斷，提高系統的安全連續運行能力。

系統診斷功能：通過系統診斷工具，用戶可以實時監控系統硬件的狀態信息、過程數據及系統信息，對通道、模塊、控制、網絡的狀態一目了然，以便及時對系統進行維護，保證運行安全。系統自我診斷包括：通過硬件配置軟件診斷；通過系統報警軟件診斷。

①  通過指示燈診斷

PCS1800系統的各個模塊均帶有LED指示燈，指示燈的狀態代表不同的含義，以下是狀態列表，便于故障識別和診斷。常見故障診斷方法如下表所示。

模塊指示燈狀態說明

常見故障診斷辦法

② 通過硬件配置軟件診斷

PCS1800系統提供硬件配置軟件，實現網絡節點狀態監控。硬件配置軟件實現診斷的條件：在操作員站運行硬件配置軟件，并完成網絡配置，實現程序下裝，保證操作員站與控制站連通狀態。

③ 通過系統報警軟件診斷

PCS1800系統可通過系統監控軟件，實現系統報警，從而對通訊網絡、網絡節點進行實時監控，并實現實時報警提示，如下圖所示。

系統報警軟件

系統基于發現機理，在監控軟件連通控制站的第一時刻，成功連通監控軟件的網絡節點和通訊網絡作為一個系統設備，添加至系統報警列表，報警類型為發現。若這個系統設備出現故障或離線，則系統以紅色字體顯示，報警類型為丟失，此時需要確認系統設備的故障原因。

（4）本項目包含的知識產權

本項目產品的研究開發過程中，浙江正泰中自控制工程有限公司積極的進行了知識產權的申請和保護。本項目產品在研發過程中，其核心技術和關鍵零部件完全采用自主研發和設計，且在研制的過程中，對產品的核心技術進行了專利保護。項目相關技術已獲發明專利 5 件、實用新型專利 6 件、軟件著作權 5 件，已受理發明專利 2 件，具體的知識產權情況如以下三表所示。

授權專利匯總表

受理專利匯總表

企業標準匯總表

五、 適用領域：

該產品將自動控制技術應用在二次供水領域。二次供水主要將市政供水管線內的自來水經儲存、加壓后再通過管道供給高層用水戶，以補償市政配水管網壓力不足的狀況，是介于配水管網和居民用水兩者之間的智慧水務應用領域。

六、 應用推廣情況

本項目產品基于國產自主可控芯片和開源軟件，研發了適用于高溫高濕環境的二次供水控制系統，設計了雙主并行I/O模塊架構，實現了快速無擾切換；研發了一種全系統實時自我診斷技術，方便系統在線維護，提高了系統的安全連續運行能力；設計了多變量模糊控制算法，根據實時數據精確掌握二次供水設備的關鍵被控量，實現供水設備靈活調控，使設備長期工作在能耗最優區間。該產品性能達到國際先進水平，實現了進口替代。

本項目產品具有全冗余功能，而國內二次供水領域同類產品未能同時滿足冗余電源、冗余網絡、控制冗余、I/O冗余的功能；本項目產品通過MRAM實時存儲，掉電不丟失，具有讀寫快、低功耗、無限次擦寫、成本低等特點，而其它國內外廠家均采用外置電池的方式實現數據的掉電保持；該產品的成功研發能夠提高二次供水設備的供水性能、效率，且夠明顯降低能耗，為全球的低碳建設貢獻力量。

本項目產品目前已經成功應用于江陰橫河自動化技術有限公司、杭州途銳科技有限公司、中國水務投資有限公司、中國水環境集團、錢江水利開發股份有限公司、杭州市水務控股集團有限公司等廠家，得到了客戶的一致好評。客戶對該產品的綜合評價為：控制系統在系統規模及性能上相比以往產品有了大幅提升，同時供水系統穩定性好、可靠性強和耗能低，能有效的降低成本，提高經濟效益。

本項目產品投放市場后，預計營收占全國水務市場15%，隨著市場的不斷開拓，本項目產品生產規模的進一步擴大，單位產品的生產成本和管理成本也隨之下降，經濟效益也將會進一步提高。

推薦理由：

隨著城市化進程的不斷推進，二次供水已成為城鎮供水的重要組成部分，對二次供水的自動控制提出了更高的要求。浙江正泰中自控制工程有限公司自主研發的基于國產芯片、國產揲作系統和國產核心元器件，擁有完整自主知識產杈的控制系統為二次供水的智慧控制提供了保障，有效解決二次供水的自動控制系統的應用問題，該系統具有較高的性能，易用性和安全性，產品應用前景十分廣闊。