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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(guó)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)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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)以及監(jiān)控組態(tài)軟件和先進(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)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，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：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) ；實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)；PAC；監(jiān)控組態(tài)軟件；自動(dòng)化系統(tǒng)集成；
Abstract: Municipal water including: drinking water, remediation, residual management, waste water, water reuse and desalination is a traditional business, it’s automation and control technology develop slowly and can’t keep the pace of the other field. The 21st century is digital, inbbbbation and networking era, with the rapid development of computer technology, network technology, Wireless sensor Network Technology, virtual technology, bbbbb 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:Wireless sensor Network,WSN；RTE；PAC;  Confiquration Sofitware；Automatic System Inteqration；

1 中國(guó)水工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)狀評(píng)估
1.1中國(guó)水工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表測(cè)控系統(tǒng)
       水工業(yè)的儀器儀表測(cè)控系統(tǒng)包括敏感元件:、記錄顯示、傳感器、變送器、執(zhí)行器等若干單元：大體經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段：從指針式發(fā)展到分立式，第三代是集成電路芯片為基礎(chǔ)的數(shù)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(shù)、虛擬技術(shù)、嵌入式技術(shù)、信息處理技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微細(xì)精加工技術(shù)、各種高精尖的電子元器件不斷涌現(xiàn)，第五代功能強(qiáng)大的儀器儀表測(cè)試設(shè)備正在茁壯成長(zhǎng)。
        每個(gè)供水、排水、污水處理、中水處理、源水輸送等流程企業(yè)，有各種電量、電壓、電流、電度等參數(shù)要在線監(jiān)測(cè)，大量的水泵機(jī)組、變頻器、軟啟動(dòng)器、各種閥門(mén)、水質(zhì)各種參數(shù)如流量、水溫、余氯、水流速度、水流方向、濁度、各個(gè)構(gòu)筑物的水位也要在線監(jiān)測(cè)，水量預(yù)測(cè)、加藥系統(tǒng)的閉環(huán)監(jiān)控、加氨、加氯、加礬、臭氧消毒等等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。拿一個(gè)污水處理廠來(lái)說(shuō)，在線監(jiān)測(cè)的水質(zhì)參數(shù)也很多：有進(jìn)出水的濁度、溶解氧、溫度、電導(dǎo)率、生化需氧量、化學(xué)需氧量、總有機(jī)碳、酸堿度、總氨、總磷、懸浮固體、氰化物、還有砷、汞、鎘、鉻、鉛等幾十種，還有大量的電、氣、機(jī)、閥門(mén)、鼓風(fēng)氧曝、潷水裝置等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備要參于監(jiān)控?，F(xiàn)在絕大多數(shù)的給水排水的工程都是十幾年前興建的項(xiàng)目，所有現(xiàn)場(chǎng)的光、機(jī)、電、氣、儀器儀表、傳感器、變送器、執(zhí)行器、驅(qū)動(dòng)器都面臨更新?lián)Q代的問(wèn)題。
1.2中國(guó)水工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析
       傳統(tǒng)的水工業(yè)工藝流程是以土木型構(gòu)筑物為主的，設(shè)備的程度極低。上世紀(jì)七十年代水工業(yè)只有極為簡(jiǎn)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(lái)控制水泵電機(jī)的開(kāi)停。水質(zhì)參數(shù)、水量調(diào)節(jié)、鼓風(fēng)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(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，水廠單元的環(huán)節(jié)控制有了很大的發(fā)展。我主持設(shè)計(jì)的北京市第九水廠采用了日本橫河的μXL控制系統(tǒng)，也采用了混凝投藥的單元環(huán)節(jié)控制，以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)控制取得了重要進(jìn)展，對(duì)一些重要參數(shù)可以在線采集;與此同時(shí)全國(guó)各大城市的水工業(yè)，引進(jìn)了世界上比較先進(jìn)的自動(dòng)化控制技術(shù)，如水量預(yù)測(cè)、自動(dòng)加藥、鼓風(fēng)曝氣、臭氧處理、DCS、FCS等控制技術(shù)取得了很大的成功。
       上世紀(jì)九十年代前后，我主持設(shè)計(jì)了北京市、深圳市自來(lái)水公司的大城市供水調(diào)度和深圳源水輸送調(diào)度的廣域網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程自動(dòng)化計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，部分?jǐn)?shù)據(jù)可以在線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；但是，當(dāng)時(shí)條件所限，許多水質(zhì)參數(shù)不能在線監(jiān)測(cè)，如硝基苯、藻毒類(lèi)等各種細(xì)菌和病菌的參數(shù)無(wú)法在線監(jiān)測(cè)，信息孤島嚴(yán)重，設(shè)計(jì)思想，無(wú)法實(shí)現(xiàn)。許多水廠引進(jìn)的濁度儀、COD儀、BOD儀等儀器儀表不能在苛刻的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)、使用條件要求很高，有的不符合實(shí)際的需要或者不符合中國(guó)的國(guó)情，引進(jìn)的許多昂貴的先進(jìn)控制系統(tǒng)解決不了實(shí)際問(wèn)題，達(dá)不到設(shè)計(jì)的實(shí)際預(yù)期效果，只能束之高閣，造成巨大的浪費(fèi)，教訓(xùn)是極其深刻的。

2 現(xiàn)代水工業(yè)綜合自動(dòng)化的基本概念與功能要素
在新形勢(shì)下，首先，我們要搞清楚水流程工業(yè)現(xiàn)代化的基本概念與功能要素。
        *現(xiàn)代化水工業(yè) 的基本概念要四化：各大城市及各工礦企業(yè)要做的給水排水或污水處理項(xiàng)目，不管實(shí)際情況有千差萬(wàn)別的地方，生產(chǎn)模式要柔性化，才能適應(yīng)一年四季供水需求；供需能力國(guó)際化，不斷地節(jié)省成本，不斷創(chuàng)新最佳經(jīng)濟(jì)績(jī)效，水量研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化，適應(yīng)水量制造周期日益縮短的趨勢(shì)；競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)聯(lián)盟化，最大限度滿足各種客戶(hù)的用水需求。
       *立于不敗之地的水企業(yè)必須具有三個(gè)功能要素：要有極強(qiáng)的應(yīng)變能力:自動(dòng)化集成要支持水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。還要有極快的應(yīng)變速度：一個(gè)水企業(yè)，最上層的ERP系統(tǒng)和最底層的PCS的過(guò)程監(jiān)控系統(tǒng)要同步建設(shè)，對(duì)市場(chǎng)變化要做到實(shí)時(shí)同步的快速響應(yīng)；要加強(qiáng)信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，使中間環(huán)節(jié)的MES的產(chǎn)品制造執(zhí)行層具有快速實(shí)時(shí)同步響應(yīng)能力；對(duì)水質(zhì)或一些突然事件發(fā)生巨大變化時(shí)，系統(tǒng)對(duì)異常情況的對(duì)策要有同步應(yīng)變的快速性。三是要有極好的求知力度:經(jīng)濟(jì)全球化后，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)是非常激烈的；水廠主管領(lǐng)導(dǎo)，對(duì)市場(chǎng)變化毫不知情，對(duì)供應(yīng)鏈知識(shí)一無(wú)所有，企業(yè)就沒(méi)有生存的能力?？傊F(xiàn)代化的遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，要有極強(qiáng)的數(shù)據(jù)與信息資源的傳輸和應(yīng)用能力；系統(tǒng)要極強(qiáng)數(shù)據(jù)資源的提煉能力和模型轉(zhuǎn)化能力。

3 創(chuàng)建科學(xué)的實(shí)用的水工業(yè)遠(yuǎn)程綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
        40多年來(lái)，作者參加了幾十項(xiàng)大中型的給水、排水、水利、交通、環(huán)保等工程中遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)和評(píng)審評(píng)標(biāo)工作； 多次組織國(guó)內(nèi)外高層技術(shù)專(zhuān)家深入研討水工業(yè)遠(yuǎn)程自動(dòng)化的相關(guān)技術(shù)難題；也認(rèn)真研究了20多年來(lái)國(guó)內(nèi)外大中小型流程自動(dòng)化建設(shè)的成功經(jīng)驗(yàn)和失敗教訓(xùn)；作者認(rèn)為，一個(gè)安全實(shí)用的科學(xué)的水工業(yè)遠(yuǎn)程綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)該是：必須有一個(gè)全數(shù)字化的儀器儀表等現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng); 必須有一個(gè)功能強(qiáng)大的現(xiàn)場(chǎng)可編程自動(dòng)化控制器；必須有一個(gè)功能強(qiáng)大的監(jiān)控組態(tài)軟件平臺(tái)和有本企業(yè)特色的先進(jìn)控制技術(shù);必須有一個(gè)功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù);必須有一個(gè)好的廠級(jí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。這些,也都是所有流程工業(yè)自動(dòng)化集成必須同步解決的核心技術(shù)問(wèn)題。
3.1現(xiàn)場(chǎng)機(jī)、電、儀、執(zhí)行器等設(shè)備要盡快微型化、虛擬化、智能化、多功能化和網(wǎng)絡(luò)化
        錢(qián)學(xué)森院士說(shuō)過(guò)：“新技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)就是信息技術(shù)，信息技術(shù)由測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)三部分組成，測(cè)量技術(shù)則是關(guān)鍵和基礎(chǔ)”。水工業(yè)車(chē)間的現(xiàn)場(chǎng)層設(shè)備是自動(dòng)化系統(tǒng)的最底層。有傳感器、變送器、啟動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)裝置、水泵機(jī)組、I/O部件、各種閥門(mén)、供配電、控制柜、潷水、排泥、加藥等大量的各種類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備是遠(yuǎn)程綜合自動(dòng)化的基石，是源頭?；焕危磺卸际强照?。
•現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、光、機(jī)、電、氣等一切設(shè)備要盡快微型化
        實(shí)踐證明：傳統(tǒng)的各種水質(zhì)傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、體積大、功能弱、單一性、硬件化，無(wú)法滿足網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的要求。由于微機(jī)系統(tǒng)（MEMS）、超大規(guī)模集成（VLSI）新器件、多芯片模塊（MCM）、圓片規(guī)模集成（WSI）等大量涌現(xiàn)，采用更加精密的微控技術(shù)、微加工技術(shù)、微光源等技術(shù)，使儀器儀表產(chǎn)品體積更加縮小，精度更加提高，產(chǎn)品更加豐富。
•現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、光、機(jī)、電、氣等一切設(shè)備要盡快智能化
       傳統(tǒng)的水企業(yè)檢測(cè)儀器只能探測(cè)一種物理量，一個(gè)小水廠，傳感器和變送器就幾十套，而智能的檢測(cè)儀器可以提供整個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的檢測(cè)方案，對(duì)信息進(jìn)行處理、分析和調(diào)節(jié)，對(duì)信息誤差進(jìn)行補(bǔ)償，進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷；對(duì)非線性的信號(hào)進(jìn)行線性化處理；智能化儀器具有自診斷、自標(biāo)準(zhǔn)功能。智能化的傳感器能夠完成多參數(shù)混合檢測(cè)，智能化傳感器具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化通信接口，將所測(cè)到數(shù)據(jù)域發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。
•現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、光、機(jī)、電、氣等一切設(shè)備要盡快虛擬化
        硬件的軟件化，軟件的模塊化而產(chǎn)生的虛擬儀器，用戶(hù)可通過(guò)鼠標(biāo)和圖標(biāo)進(jìn)行操作，大大提高了工藝流程的創(chuàng)造性、為水工業(yè)用戶(hù)更大規(guī)模的擴(kuò)展、創(chuàng)新的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。20多年來(lái)，美國(guó)NI公司Labview的技術(shù)在很多水的項(xiàng)目中選用，自動(dòng)化水平提高了。技術(shù)更先進(jìn)，功能更強(qiáng)大，應(yīng)用范圍更廣的Labview8.5版本也問(wèn)世兩年多了。西門(mén)子、洛克葦爾等著名公司也相繼推出了功能很強(qiáng)的虛擬儀器產(chǎn)品。
        近年來(lái)，隨著TNTERNET和嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，又產(chǎn)生了新一代的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器，是水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測(cè)的高效解決方案。水質(zhì)的監(jiān)測(cè)是很困難的，從進(jìn)水到出水的整個(gè)流程處理過(guò)程中，要有快速的全方位的眾多水質(zhì)參數(shù)的儀器功能，精度指標(biāo)都集成在一個(gè)軟件庫(kù)中。通過(guò)I/O接口，完成眾多復(fù)雜系統(tǒng)的功能，根據(jù)水量和水質(zhì)的變化參數(shù)，可在線的及時(shí)修改編程，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)；構(gòu)建成一個(gè)完整的多通道綜合自動(dòng)化的虛擬儀器儀表的測(cè)控系統(tǒng)，并可減少許多要引進(jìn)的昂貴的水質(zhì)分析儀器。
•現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、光、機(jī)、電、氣等一切設(shè)備要盡快網(wǎng)絡(luò)化
         網(wǎng)絡(luò)化的測(cè)量環(huán)境將網(wǎng)上每臺(tái)的計(jì)算機(jī)和各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的儀器儀表有機(jī)地聯(lián)系在一起。數(shù)以萬(wàn)計(jì)的各種性質(zhì)的信息數(shù)據(jù)都傳送到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（SQL）服務(wù)器，進(jìn)行分析、處理、運(yùn)算，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)和因特網(wǎng)，網(wǎng)上任意地點(diǎn)的計(jì)算機(jī)都可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取網(wǎng)上的任何一組儀器儀表的測(cè)量數(shù)據(jù)值，就可以進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量和控制， 總監(jiān)控中心能対遠(yuǎn)端井群或閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的分布式的“E網(wǎng)到底”的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和診斷。
•現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表、光、機(jī)、電、氣等一切設(shè)備要盡快多功能化 
        現(xiàn)代的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字化儀器儀表在一個(gè)傳感器中可以安裝多個(gè)敏感元件，完全模塊化安裝，具有檢測(cè)、變換、補(bǔ)償、運(yùn)算、處理、分析和控制功能，一個(gè)儀表可以處理多個(gè)信息的采集和控制，是真正意義上的多傳感信息融合。由于完全模塊化，數(shù)字完全開(kāi)放的儀器儀表，人們很難區(qū)分是儀器還是儀表，或是測(cè)試系統(tǒng)設(shè)備。像水廠中低壓系統(tǒng)各種電量的網(wǎng)上在線監(jiān)測(cè)、原先要幾十套由傳感器變送器組成，現(xiàn)在只要幾套就行了?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以統(tǒng)一組態(tài)，水務(wù)總公司集控室的操作員能夠一目了然的了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的工作情況，就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的參數(shù)調(diào)整，達(dá)到最優(yōu)化控制，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行的故障診斷，可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。方便了用戶(hù)，大大節(jié)約了成本
3.2 現(xiàn)場(chǎng)要選用PAC可編程自動(dòng)化控制器
       我認(rèn)真分析總結(jié)了我國(guó)二十年來(lái)新建和擴(kuò)建的給排水流程企業(yè)，有的選用早期的PLC和早期的現(xiàn)場(chǎng)總線，有的采用了先進(jìn)的控制軟件卻運(yùn)轉(zhuǎn)不靈，有的花巨資引進(jìn)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器儀表，也只有顯示功能，不能參加優(yōu)化監(jiān)控，有的選用了早期的以太網(wǎng)，但是數(shù)據(jù)不能傳遞，還是處于“信息孤島”狀態(tài)。
•傳統(tǒng)PLC及IPC的存在問(wèn)題
       傳統(tǒng)的PLC數(shù)據(jù)采集不靈，上下難以交流、車(chē)間與決策嚴(yán)重脫節(jié)，績(jī)效低下。有人說(shuō)，PLC正當(dāng)時(shí)，PAC永遠(yuǎn)不能取代它。眾所諸知，傳統(tǒng)的PLC軟硬件結(jié)構(gòu)封閉,功能較差,不能聯(lián)網(wǎng)控制。各廠家的PLC通訊協(xié)議各自為政不能兼容，很難實(shí)現(xiàn)大延時(shí)、復(fù)雜的算法控制，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)控制功能?，F(xiàn)在有些廠商還在極力宣揚(yáng)不符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的plc和fcs現(xiàn)場(chǎng)總線,我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)選型中要特別注意，再不要犯重蹈覆轍的錯(cuò)誤。
         傳統(tǒng)的IPC靈活性差、處理能力不強(qiáng)、在環(huán)境惡虐現(xiàn)場(chǎng)，其穩(wěn)定性和可靠性就更差，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)控制功能?，F(xiàn)在的工業(yè)IPC機(jī)有了巨大的發(fā)展，但可靠性和穩(wěn)定性還是存在問(wèn)題。
•流程企業(yè)自動(dòng)化集成的迅速發(fā)展，催生了PAC可編程自動(dòng)化控制器。
        作為ERP/MES/PCS三層架構(gòu)中的現(xiàn)場(chǎng)底層，原先是PLC為主體，新工程設(shè)計(jì)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)首選PAC。PAC保持了PLC的編程方式和特點(diǎn)，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；PAC又具有IPC的硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有強(qiáng)大的運(yùn)算和聯(lián)網(wǎng)功能，編程更加簡(jiǎn)化，更容易實(shí)現(xiàn)水工業(yè)流程中獨(dú)特的預(yù)估、加藥、加氯、氧曝等閉環(huán)的先進(jìn)控制；PAC是一個(gè)軟邏輯結(jié)構(gòu)，有極大容量的存儲(chǔ)能力，并有掉電保護(hù)的功能；PAC有標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口，能方便的與PLC、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、各種分析儀器、現(xiàn)場(chǎng)所有的電、氣、儀、機(jī)等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通信；PAC的數(shù)據(jù)測(cè)試是海量的，能對(duì)應(yīng)復(fù)雜的有幾百個(gè)I/O節(jié)點(diǎn)，甚至更多的I/O節(jié)點(diǎn)；PAC的性?xún)r(jià)比高，成本更低；PAC采用了事實(shí)上的網(wǎng)絡(luò)接口、編程語(yǔ)言、安全監(jiān)控等各種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，與異型異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)共享，使遠(yuǎn)程監(jiān)控有了堅(jiān)實(shí)的底層基礎(chǔ)；PAC采用模塊化的軟件結(jié)構(gòu)可任意增加和裁減，非常適合水工業(yè)各種規(guī)模的流程的運(yùn)轉(zhuǎn)控制，極便于二次開(kāi)發(fā)；PAC具有統(tǒng)一的軟硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能滿足多專(zhuān)業(yè)、多速率、多循環(huán)、多任務(wù)的非線性操作運(yùn)行的控制要求；操作工程師可通過(guò)網(wǎng)上的任一臺(tái)計(jì)算機(jī)的Web窗口獲取各站所有數(shù)據(jù)信息，并能在線的進(jìn)行系統(tǒng)診斷，尋找故障所在；與傳統(tǒng)的自動(dòng)化設(shè)備相比，應(yīng)該說(shuō)PAC是實(shí)現(xiàn)ERP/MES/PCS三層自動(dòng)化架構(gòu)的最好的幫手，能幫助企業(yè)搶占更多的市場(chǎng)份額。PAC定是今后現(xiàn)場(chǎng)控制器的主流產(chǎn)品。
3.3現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)必須選用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)RTE（Real Time Ethernet, RTE ）
         眾所周知，F(xiàn)CS現(xiàn)場(chǎng)總線,使用方便，比DCS系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)和自動(dòng)化，數(shù)字化和開(kāi)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(kāi)發(fā)的軟件技術(shù)互不兼容，無(wú)法實(shí)現(xiàn)異網(wǎng)并構(gòu)，變成一個(gè)又一個(gè)的“孤島”，使“不明就里”的廣大用戶(hù)吃盡了苦頭。實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)比FCS現(xiàn)場(chǎng)總線，具有一系列的優(yōu)勢(shì)：
•采用公認(rèn)的TCP/IP通訊協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)層就極易與Internet連接，實(shí)現(xiàn)公司與眾多現(xiàn)場(chǎng)層流程控制的無(wú)縫鏈接。價(jià)格低廉、穩(wěn)定可靠，軟硬產(chǎn)品豐富，支持技術(shù)非常成熟。
•隨著快速以太網(wǎng)和變換式以太網(wǎng)的迅猛發(fā)展，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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，大大提高了網(wǎng)絡(luò)控制的確定性和可靠性問(wèn)題。
• 車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)可采用各種網(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。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。
•只用一根電纜就解決了一個(gè)車(chē)間或一個(gè)終端的控制供電問(wèn)題。使Ethernet通訊的確實(shí)性和實(shí)時(shí)性又大大提高了一步。終端采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)或采用遠(yuǎn)程I/O接口就更好與主站聯(lián)網(wǎng)了。
•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(guò)Internet能實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)GIS地理監(jiān)控系統(tǒng)及眾多遠(yuǎn)程的取水泵站的無(wú)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。
今天，實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在國(guó)外和國(guó)內(nèi)水行業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用，它的多主站、通用性、可以同時(shí)采用不同速率來(lái)傳輸大數(shù)量數(shù)據(jù)信息正好補(bǔ)充了各種FCS現(xiàn)場(chǎng)總線的不足?；旧蠞M足了水工業(yè)系統(tǒng)各企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)管理與與OFFICE系統(tǒng)通訊的要求。
         水流程工業(yè)越來(lái)越復(fù)雜。對(duì)一個(gè)大的水處理工程，過(guò)去的現(xiàn)場(chǎng)總線、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)作些邊緣性的提高，所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、控制器還是孤島獨(dú)立地控制，只管束獨(dú)立的數(shù)據(jù)。
         目前流行的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)有：PROFINET、EtherCAT、Ethernet、Powerbbbb、Etherner/IP和EPA等。去年年底統(tǒng)計(jì)，PROFINET有114萬(wàn)多服務(wù)節(jié)點(diǎn)，配套產(chǎn)品豐富，有2500種產(chǎn)品可供選擇，支持廠商有1400多家，是全球客戶(hù)選用最廣的實(shí)時(shí)工業(yè)以態(tài)網(wǎng)絡(luò)。EPA配套產(chǎn)品極少，難以組成一個(gè)系統(tǒng)。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)工程，實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間，都可以作到5～10ms或更低，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)，各自有它們研究專(zhuān)利技術(shù)。但是，對(duì)廣大工程設(shè)計(jì)科技人員來(lái)說(shuō)，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。
3.4創(chuàng)建全集成的水工業(yè)遠(yuǎn)程綜合自動(dòng)化架構(gòu)
         一個(gè)大中城市的水務(wù)集團(tuán)旗下，上水、污水、供水的泵站多達(dá)幾百座，廠站多達(dá)幾十座，上下水管網(wǎng)更是星羅棋布在全市的所有角落，各種電、氣、儀、驅(qū)動(dòng)器、閥門(mén)更是上千萬(wàn)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(wèn)題。對(duì)分佈在江河湖泊、崇山峻嶺的井群管道的數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，架設(shè)電纜異常困難，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，就非常容易。
        當(dāng)今水工業(yè)遠(yuǎn)程綜合自動(dòng)化的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)涵蓋著從底層的流程企業(yè)自動(dòng)化到公司級(jí)的管理自動(dòng)化：從自動(dòng)化控制和生態(tài)管理到企業(yè)全方位管理的信息數(shù)據(jù)要全集成，再不是過(guò)去PLC、DCS和 FCS現(xiàn)場(chǎng)總線的自動(dòng)化孤島；將所有底層現(xiàn)場(chǎng)的電氣控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、和數(shù)以萬(wàn)計(jì)的儀器儀表測(cè)試系統(tǒng)都要高度的有機(jī)的融合在綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)上；而公司頂級(jí)部門(mén)面對(duì)客戶(hù)市場(chǎng)的ERP系統(tǒng)，它涵蓋從生產(chǎn)到采購(gòu)、從庫(kù)存到銷(xiāo)售、從流程自動(dòng)化到市場(chǎng)供應(yīng)鏈、以及財(cái)務(wù)人事等廣泛的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，其功能和信息數(shù)據(jù)都要快速高效的融合集成，這中間MES系統(tǒng)起著承上啟下的橋梁作用。
        開(kāi)放，就意味著信息在網(wǎng)絡(luò)上能資源共享、互連互通和互操作。遠(yuǎn)程綜合自動(dòng)化集成架構(gòu)、就是將工程中工藝、機(jī)械、電氣、儀器儀表測(cè)控系統(tǒng)等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、監(jiān)控組態(tài)軟件、通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)劃管理、生產(chǎn)制造執(zhí)行、商務(wù)供應(yīng)鏈、財(cái)務(wù)人事、領(lǐng)導(dǎo)決策等各種有線無(wú)線的異抅網(wǎng)絡(luò)都要進(jìn)行同步設(shè)計(jì),做到有機(jī)的整合集成，謀求實(shí)現(xiàn)最佳經(jīng)濟(jì)效益。什么是水工業(yè)真實(shí)可用的遠(yuǎn)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)集成架構(gòu)？著名的美國(guó)咨詢(xún)集團(tuán)ARC的描述比較準(zhǔn)確：“從全局的觀念對(duì)整個(gè)工廠的流程所牽涉的各個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)單一而又統(tǒng)一的平臺(tái)來(lái)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和組態(tài)、可視化、控制、生產(chǎn)管理和調(diào)度、資產(chǎn)設(shè)備管理；具有良好的可擴(kuò)展能力、可滿足小規(guī)模的單元控制、中規(guī)模的區(qū)域控制和大規(guī)模的全廠控制的各種要求；它在公共的工程環(huán)境、統(tǒng)一的通信框架、建立在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上等幾個(gè)關(guān)鍵特征?！边@就是ARC提出的協(xié)同過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)CPAS（collaborative process Automation System）。其示意圖見(jiàn)圖1.
 

圖1   CPAS系統(tǒng)示意圖   
        CPAS系統(tǒng)正是水流程企業(yè)實(shí)現(xiàn)ERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)的一種理想的優(yōu)化解決方案。用一個(gè)統(tǒng)一的軟硬件平臺(tái)提供全廠的控制功能；用一個(gè)統(tǒng)一的工程設(shè)計(jì)和監(jiān)控組態(tài)軟件，解決所有車(chē)間的電控、儀控、各種閥門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和啟動(dòng)裝置、HMI、SCADA的設(shè)計(jì)和組態(tài)、以及開(kāi)車(chē)調(diào)試、運(yùn)行管理、安全保障、在線的系統(tǒng)診斷等工程的一切需要。一個(gè)水流程企業(yè)自動(dòng)化靈不靈，關(guān)鍵是信息傳遞靈不靈。正是在實(shí)時(shí)信息數(shù)據(jù)快速交換的關(guān)鍵問(wèn)題上，CPAS在三層結(jié)構(gòu)中提出的解決信息同步交換的問(wèn)題，解決了經(jīng)營(yíng)管理、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)制造之間的閉環(huán)控制，使電子商務(wù)和市場(chǎng)供應(yīng)鏈與工廠流程監(jiān)控協(xié)同作戰(zhàn)。追求最佳的績(jī)效，這就是CPAS的理念。
實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是MES的核心，是水企業(yè)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化的心臟。水工藝流程中大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)要進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)、分析、運(yùn)算、處理和管理，能為客戶(hù)提供開(kāi)放的二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)接口，來(lái)提升企業(yè)功能，不斷的與時(shí)俱進(jìn)的提高生產(chǎn)效率，也能發(fā)布到其它關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，提供MES、ERP系統(tǒng)所用，幫助企業(yè)決策管理。
         監(jiān)控組態(tài)軟件和先進(jìn)控制軟件是水企業(yè)綜合自動(dòng)化的重要支柱，就像人的大腦一樣。監(jiān)控組態(tài)軟件的發(fā)展極為神速。一個(gè)高效的水企業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)要智能化，功能要網(wǎng)絡(luò)化及實(shí)時(shí)化和WED模塊化，接口要標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)要兼容多種操作系統(tǒng)，要求將監(jiān)控組態(tài)軟件嵌入到信息化平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)信息化的集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與管理決策的統(tǒng)一。監(jiān)控組態(tài)軟件將進(jìn)一步向開(kāi)放化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、系統(tǒng)化和上下兩端發(fā)展，成為工廠信息化的核心技術(shù)。功能強(qiáng)大的監(jiān)控組態(tài)軟件產(chǎn)品很多，如美國(guó)GE-fanuc公司的IFIX  DYIIAMICS軟件，有Wondewares 公司的INTOUCH軟件，有西門(mén)子公司的WINCC軟件，有德國(guó)ARC公司的PCVUE32軟件，OPC  UA、CITECT、TIA  SERVER、ARCHESTRA、CYBOCON等知名軟件，也有國(guó)內(nèi)組態(tài)王6.6 MCGS等軟件。
        總之，一個(gè)實(shí)用的現(xiàn)代化的水工業(yè)遠(yuǎn)程綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的最科學(xué)最合理的架構(gòu)是：對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)講，只選用一種實(shí)時(shí)工業(yè)以態(tài)網(wǎng)，有一個(gè)共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)化編程語(yǔ)言系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)；在這個(gè)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)開(kāi)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)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，這個(gè)統(tǒng)一的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是MES的核心設(shè)備，只有功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，才能在線實(shí)時(shí)采集流程過(guò)程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行統(tǒng)一的存儲(chǔ)與管理，才能進(jìn)行運(yùn)算分析和處理，才能在線提供開(kāi)放的二次開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)信息資料，才能在線提供ERP和PCS系統(tǒng)中需要的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，使決策部門(mén)根據(jù)供應(yīng)鏈采集到的電子商務(wù)行情，及時(shí)修改生產(chǎn)計(jì)劃，通過(guò)MES系統(tǒng)將信息垂直的快速的傳達(dá)到最底層的PCS生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，真正提高生產(chǎn)效率，大大加快企業(yè)的應(yīng)變能力，也就大大加強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。這種標(biāo)準(zhǔn)軟件編程技術(shù)，能同時(shí)開(kāi)發(fā)多主站和多終端的所有設(shè)備，也能同時(shí)調(diào)試和安裝眾多的機(jī)械設(shè)備；它應(yīng)該是DCS、FCS、IPC、CNC、GIS、OAS、PLC、MC、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、SCADA系統(tǒng)的統(tǒng)一編程標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)能橫向傳輸所有從站之間的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息；這種開(kāi)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)用開(kāi)放。從各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的光、機(jī)、電、氣、儀等一切設(shè)備到整個(gè)系統(tǒng)的全部設(shè)備都能無(wú)縫聯(lián)接并能在網(wǎng)絡(luò)中統(tǒng)一調(diào)度。下面二個(gè)實(shí)例，雖然還是個(gè)雛形，還不是理想的架構(gòu)，將再次證明我的論點(diǎn)是正確的。
4．水工業(yè)綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的典型實(shí)例
4.1 某大城市水務(wù)集團(tuán)公司W(wǎng)AN遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)原理架構(gòu)
        某大城市的供水工程SCADA系統(tǒng)是一個(gè)三級(jí)調(diào)度系統(tǒng)。水源井群為最下級(jí)調(diào)度；所有凈水廠及原有供水廠為中間級(jí)調(diào)度；公司監(jiān)控中心對(duì)所有水廠、泵站、管網(wǎng)地理信息、供應(yīng)鏈網(wǎng)等全流程系統(tǒng)的所有子系統(tǒng)進(jìn)行最高級(jí)別的優(yōu)化調(diào)度。詳見(jiàn)系統(tǒng)架構(gòu)圖2。
        SCADA系統(tǒng)是由遠(yuǎn)程終端站、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、上位管理站及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。該系統(tǒng)可支持單層網(wǎng)到復(fù)雜的遞階多級(jí)網(wǎng)。每級(jí)最多可支持240個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控站或1000個(gè)站。監(jiān)控范圍可從幾公里到幾百公里（加中繼站）。監(jiān)控點(diǎn)數(shù)從幾百點(diǎn)到幾千點(diǎn)。而且該系統(tǒng)遵循國(guó)際通訊協(xié)議。
•上位管理站選用高檔工業(yè)微機(jī)，配上監(jiān)視控制及數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控組態(tài)軟件，并配置功能強(qiáng)大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，能在線的高速激活數(shù)據(jù)傳輸、處理、分析、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)送，并能在線的網(wǎng)上互聯(lián)互動(dòng)，為網(wǎng)上工程師的遠(yuǎn)程優(yōu)化調(diào)度和遠(yuǎn)程診斷，提供科學(xué)的可靠數(shù)據(jù)，方便了客戶(hù)工程師的二次開(kāi)發(fā)。
•遠(yuǎn)程終端站采用組件結(jié)構(gòu)，除電源組件、中央處理組件、通信組件（有線或無(wú)線通信組件）外，還可安裝通信控制組件及所需的具有網(wǎng)絡(luò)功能的I/O組件。
•通信系統(tǒng)由RTU組態(tài)而成通信控制器，再配上無(wú)線通信組件或者是選用有線通信組件與網(wǎng)絡(luò)接口相連，或者直接用串行通信口（RS485）進(jìn)行通信。
 

       圖2  WAN遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)原理架構(gòu)
4.2上海白龍港大型污水處理廠計(jì)算機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)原理架構(gòu)
         上海白龍港污水處理廠近期處理水量為120萬(wàn)立方米/天，遠(yuǎn)期處理水量為210萬(wàn)立方米/天 。自控系統(tǒng)，見(jiàn)系統(tǒng)圖3，只有兩層控制結(jié)構(gòu)，控制中心和現(xiàn)場(chǎng)控制站：控制中心，選用西門(mén)子 WinCC冗余組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控；沉淀池等六個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站，選用SIMATIC S7-416控制器（即PAC），下掛遠(yuǎn)程分布式I/O組件、閥門(mén)定位器、馬達(dá)控制中心、中壓配電柜儀器儀表等所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。西門(mén)子編程和組態(tài)軟件對(duì)所有產(chǎn)品進(jìn)行配置，編程，組態(tài)和測(cè)試，使用的是統(tǒng)一的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)國(guó)際及中國(guó)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)通訊網(wǎng)絡(luò)（PROFINET及PROFIBUS）交換數(shù)據(jù)，統(tǒng)一遵守TCP/IP協(xié)議，大大節(jié)省了用戶(hù)的投資成本，減少了工程施工和調(diào)試的時(shí)間，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和安全性，充分體現(xiàn)了全集成自動(dòng)化的優(yōu)勢(shì)。
 

圖3 白龍港污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

5．結(jié)束語(yǔ)
       上世紀(jì)70年代，日本專(zhuān)家提出了 “機(jī)電一體化”的概念，推動(dòng)了機(jī)與電的整合性，它沒(méi)有解決多機(jī)種多控制的通信問(wèn)題和監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題；曾幾何時(shí)，我國(guó)搞信息的專(zhuān)家們，提出了“管控一體化”的概念，它僅僅側(cè)重于控制層和管理層之間的信息問(wèn)題，而忽略了如何提高工業(yè)控制系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和確定性問(wèn)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)鍵性問(wèn)題。
       “網(wǎng)絡(luò)就是控制器”。根據(jù)上面提到的“功能要素”和對(duì)綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)集成的幾個(gè)核心技術(shù)的要
求，我們搞綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的專(zhuān)家們認(rèn)為，唯一正確的途徑是創(chuàng)建新型的“信息控制一體化”的科學(xué)的遠(yuǎn)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。就是“(INTERNET+WLAN)＋(RTE+WPAN)＋TCP/IP協(xié)議+PAC”的完全開(kāi)放的靈活高效的集成體 。見(jiàn)圖4所示.
 

圖4   水工業(yè)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

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