個(gè)人簡(jiǎn)介：陳運珍，北京市市政工程設計研究總院總工。主要研究領(lǐng)域為：市政供水工藝技術(shù)、工業(yè)供水技術(shù)、供水管網(wǎng)技術(shù)與管理、規劃、自控模擬、信息化管理、泵、自控系統及軟件 。

    承擔過(guò)北京及深圳市供水調度廣域網(wǎng)絡(luò )系統工程及北京水源九廠(chǎng)、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(dòng)化監控系統工程的設計任務(wù)、承擔過(guò)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(wù)、參加過(guò)“干式變壓器”等多項國家規范制定工作、參加過(guò)“大功率變頻裝置”等多項高新產(chǎn)品的評審工作，被北京市人事局等多個(gè)單位聘為評標專(zhuān)家，評過(guò)幾十項工程的標。

    摘 要：城市水工業(yè)是一個(gè)傳統的基礎企業(yè)，自動(dòng)化控制系統發(fā)展太慢，跟不上我國其他行業(yè)。21世紀是數字化、信息化和網(wǎng)絡(luò )化時(shí)代。隨著(zhù)IT技術(shù)、高端的計算機技術(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 )建最現代化最科學(xué)的自動(dòng)化控制技術(shù)，才能建造經(jīng)濟持續發(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；現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)；交換機

    1 水工業(yè)自動(dòng)化面臨新的挑戰

    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，都是城鎮現代化的基礎。這些工程規模越來(lái)越大，系統越來(lái)越繁雜，大大小小泵站越來(lái)越多，上下水及中水管網(wǎng)像蜘蛛網(wǎng)一樣遍布城鄉的每個(gè)角落。隨著(zhù)“十一五”規劃的實(shí)施，城建缺水將更加嚴重，水的資源將更加窮泛，城市污染將更加危害。國務(wù)院撥出巨資規劃許多南水北調項目。對嚴重缺水的北方城鎮來(lái)說(shuō)，也只是車(chē)水之薪。據統計和預測：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，每年新建擴建水工程600×104m3/d，污水工程700×104m3/d。

    40多年來(lái)，筆者參加過(guò)數十項大中小型的給水排水處理工程中電氣與自控方面的設計任務(wù)。承擔過(guò)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(wù)。筆者認真研究了國內將近十年來(lái)典型的自動(dòng)控制系統的運轉實(shí)例，我國水企業(yè)的自動(dòng)化水平比國內其它行業(yè)要落后10年左右。在新形勢下，如何使這個(gè)傳統的基礎企業(yè)在經(jīng)濟全球化的環(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？是擺在所有投身水行業(yè)的科技工作者面前的嚴重挑戰。

    2 現代化水工業(yè)對自動(dòng)化控制系統的要求

    2.1現代化水工業(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目，不管實(shí)際情況有多么不同，但對一個(gè)現代化的水企業(yè)，都有一個(gè)共同的特征：生產(chǎn)模式要泵性化。才能適應當今市場(chǎng)的各種需求；供需能力國際化，不斷地節省成本，縮短市場(chǎng)的供應期；產(chǎn)量研發(fā)快速化，盡快適應水量周期日益縮短的趨勢；競爭優(yōu)勢聯(lián)盟化，最大限度滿(mǎn)足客戶(hù)的要求。

    在激烈競爭的世界經(jīng)濟環(huán)境中，要使水企業(yè)取得競爭優(yōu)勢，不僅在信息化、網(wǎng)絡(luò )化建設的工廠(chǎng)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”：極強的應變能力、極強的應變速度、極強的求知力度。

    2.2 現代化水工業(yè)對自動(dòng)化控制系統的要求

    總結國內外成功與失敗的經(jīng)驗和教訓，就不難看出，國內外一些水務(wù)集團之所以能越做越強，就是在三個(gè)”基因要素”方面做得更好。對三個(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)對現代自動(dòng)化系統的要求如下：

    2.2.1要有極強的應變能力

    一個(gè)現代化的水企業(yè)，必須強化對變化的洞察能力，對經(jīng)營(yíng)模式的重構能力，控制系統要支持各工藝流程中核心技術(shù)的形成能力；系統要支持對風(fēng)險的應對能力。

    2.2.2 要有極強的應變速度

    一個(gè)現代化的水企業(yè)，應盡快革新陳舊落后的工藝和設備，經(jīng)營(yíng)模式改變了，就要創(chuàng )新，具有對變化相應的快速性；對一些沒(méi)有通信功能的陳舊的監測儀器和變送器、傳感器、執行器要盡快更新。

    2.2.3 要有極強的求知力度

    經(jīng)濟全球化后，市場(chǎng)競爭非常激烈，現代化的自動(dòng)控制系統，要支持市場(chǎng)競爭的決策力；系統要增強數據與信息資源的應用能力；要增強數據資源的提煉能力；要增強成熟知識的模型轉化能力。十年來(lái)新建擴建的水處理企業(yè)，雖然在某些方面取得了進(jìn)展和實(shí)效，但是要真正達到上面的三個(gè)”基因要素”，只是萬(wàn)里長(cháng)征走完了第一步。一個(gè)現代化水企業(yè)對監控系統的特性和要求，歸根結底還是要在企業(yè)現場(chǎng)、基礎數據的獲取上下功夫，使創(chuàng )建的新系統能覆蓋企業(yè)網(wǎng)內外及最低層的生產(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，系統控制要穩定、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 )建有持續發(fā)展的現代化水企業(yè)

    3.1 我國水工業(yè)自動(dòng)化現狀分析

    與其他系統企業(yè)相比，傳統的中國水企業(yè)自動(dòng)化水平要落后十年左右。上世紀八十年之前的水企業(yè)監控系統以分立元件為主，各種水質(zhì)分析儀表、加藥系統、水位、溫度、壓力、流量以及供電系統的各種參數監測的變送器、傳感器、執行器、紙質(zhì)記錄儀等，笨重粗大、功能低下，當時(shí)價(jià)格非常昂貴，監控中心只能是個(gè)別參數的顯示。

    上世紀90年代之后，在水企業(yè)工程中先后設置了PID調節、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(wàn)件的現場(chǎng)設備還是處在”孤島”狀態(tài)，獨立于自動(dòng)化系統之外，”瓶頸”問(wèn)題到處存在，上面管理決策部門(mén)對各水廠(chǎng)車(chē)間的工藝流程的生產(chǎn)狀態(tài)不能在線(xiàn)獲取。供應鏈營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)、管網(wǎng)監測都在脫節狀態(tài)下生存。

    最近五年來(lái)，許多大城市水企業(yè)，構建了PLC及FCS現場(chǎng)總線(xiàn)系統，或者上了DCS和工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，但數據不全，傳上來(lái)的一些數據也不能共享，利用率極為低下，嚴格來(lái)講不能算作自動(dòng)化系統。更不用說(shuō)，許多沒(méi)有搞自動(dòng)化建設的水企業(yè)了。許多工程設計的工業(yè)以太網(wǎng)＋TCP/IP協(xié)議的監控系統，絕大多數在ISO/OSI七層通訊模型中的物理層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò )層和數據連絡(luò )層?，F場(chǎng)車(chē)間中用的PLC控制器為主，即在應用層和表示層、會(huì )話(huà)層中用的很少?？v向和橫向的各種數據還是沒(méi)有整合。

    3.2 現場(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，FCS現場(chǎng)控制總線(xiàn)是專(zhuān)門(mén)按照現場(chǎng)通訊的要求來(lái)開(kāi)發(fā)的，基本滿(mǎn)足現場(chǎng)信息傳輸的實(shí)時(shí)性要求，使用方便、診斷功能強，比DCS系統更經(jīng)濟和自動(dòng)化，數字化、開(kāi)放性是它的最大的亮點(diǎn)。但是，FCS現場(chǎng)總線(xiàn)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(shí)現控制系統傳輸要求，各大廠(chǎng)家開(kāi)發(fā)的軟件技術(shù)并不兼容，無(wú)法實(shí)現總線(xiàn)并構，它們變成一個(gè)又一個(gè)的”孤島”，使”不明就里”的廣大用戶(hù)吃盡了苦頭。

    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)傳輸大數量數據信息，這正好補充了各種FCS現場(chǎng)總線(xiàn)的不足?；旧蠞M(mǎn)足了水工業(yè)系統各企業(yè)現場(chǎng)的生產(chǎn)管理與OFFICE系統通訊的要求。

    3.3 水工業(yè)的現場(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(guò)去常用的12種FCS現場(chǎng)總線(xiàn)，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。

    （1）采用公認TCP/IP通訊協(xié)議，現場(chǎng)層極易與Internet連接，實(shí)現各公司與眾多現場(chǎng)層流程控制的無(wú)縫連接。價(jià)格低廉、穩定可靠，通訊速率高、軟硬件產(chǎn)品豐富，支持技術(shù)非常成熟，是工藝系統最受歡迎的通訊網(wǎng)絡(luò )。

    （2）隨著(zhù)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(wèn)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(wú)法比擬的優(yōu)勢，在數據吞吐量相同的情況下，這意味著(zhù)網(wǎng)絡(luò )負荷的大幅減輕，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 )拓撲結構，功能強大的交換機可將網(wǎng)絡(luò )細分為若干個(gè)網(wǎng)段。交換機之間，通過(guò)主干網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行連接。交換機可對網(wǎng)絡(luò )上傳輸的數據進(jìn)行過(guò)濾處理，使每個(gè)網(wǎng)段內的節點(diǎn)之間數據的傳輸只限制在本地網(wǎng)段內進(jìn)行而不需要經(jīng)過(guò)主干網(wǎng)。使本地數據傳輸不占其它網(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 )負荷。交換機種類(lèi)很多，我們用的最多的是西門(mén)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等各種交換機和轉換器，符合IEEE802等通信標準和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(guò)載等保護，可工作在惡劣的工業(yè)環(huán)境中。

    （4）其中一對線(xiàn)專(zhuān)門(mén)發(fā)送數據，另一對線(xiàn)專(zhuān)門(mén)接收數據，這樣的交換式全雙工的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)就消除了數據在網(wǎng)絡(luò )上碰撞的問(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。

    （5）實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)可持續發(fā)展的潛力巨大。監控主站計算機，通過(guò)Internet能實(shí)現管網(wǎng)GIS地理監控系統及眾多遠程的取水泵站，取水頭部的I/O接點(diǎn)實(shí)現無(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(guò)去的FCS、DCS、PLC、GIS、OAS辦公自動(dòng)化系統，所有現場(chǎng)測控系統及主工藝流程所應用的先進(jìn)控制技術(shù)（如來(lái)水量預測、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、在線(xiàn)監控的加藥系統，污水生物廢氣處理的人工智能仿真閉環(huán)監控系統等等）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中去。

    眾所周知，嵌入式技術(shù)將成為21世紀發(fā)展最快的IT產(chǎn)業(yè)。嵌入式系統是以應用為中心，以高端的計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可以任意裁剪，適用于應用系統對多任務(wù)、高可靠性、低成本、體積小、功能強等有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。也可以說(shuō)是：嵌入到對象體系中的專(zhuān)用計算機系統，用來(lái)實(shí)現主站監控系統對其他設備的控制、監視或管理等功能。

    下一代的網(wǎng)絡(luò )設備中，嵌入式設備將大大增加，約占70％左右，并與Internet聯(lián)網(wǎng)。很多年前就有專(zhuān)家們預測，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象。嵌入式系統是實(shí)現水工業(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)集團公司，只有充分采用嵌入式系統，徹底改造過(guò)去的傳統儀器儀表，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、執行器、閥門(mén)、機電產(chǎn)品，將Internet功能和Ethernet功能嵌入到過(guò)去構建的各種現場(chǎng)控制系統（FCS）、PLC系統、DCS系統或初期的工業(yè)以太網(wǎng)監控系統的設備中去，才能真正實(shí)現全公司系統的信息控制一體化的監控目的。

    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(chēng)RTE）

    水工業(yè)工程設計者，在新建和擴建的水處理工程中，再不能采用FCS現場(chǎng)總線(xiàn)了，必須用實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)來(lái)構建監控中心和各個(gè)站級的控制網(wǎng)絡(luò )，當今水世界，在設備層大多采用PLC可編程控制器，各水處理的廠(chǎng)站級和同級監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)化控制系統越來(lái)越復雜。對一個(gè)大的水處理工程，過(guò)去的DCS系統或FCS現場(chǎng)總線(xiàn)上各單元采用的PLC系統以及用于閉環(huán)控制的MC系統，它們的連接要求，高速化、緊密化，整個(gè)系統有更多的獨立的分散式控制功能器組成，數量巨大的傳感器、驅動(dòng)機構、變速器、儀器儀表要求虛擬化、微型化、數字化、智能化和網(wǎng)絡(luò )化。但是，過(guò)去這些工業(yè)PC、OPC和以太網(wǎng)技術(shù)，只要被鑲嵌在傳統的系統結構中去，也只能對系統做些邊緣性的提高。所有PLC等控制器還是孤島獨立地控制，是個(gè)獨立的數據。

    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(guò)去傳統的系統結構的堅冰，為真正科學(xué)的信息控制系統奠定了堅實(shí)的技術(shù)基礎。

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(chǎng)家做了大量的研發(fā)工作，實(shí)時(shí)響應時(shí)間，都可以作到5～10ms或更低，與過(guò)去專(zhuān)門(mén)為工業(yè)現場(chǎng)的設備通訊設計的FCS現場(chǎng)總線(xiàn)差不多，甚至更快，基本上滿(mǎn)足了水工業(yè)處理流程的需要，但是對于加藥系統精度響應時(shí)間的運動(dòng)控制系統，最好是近百個(gè)節點(diǎn)控制響應時(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(zhuān)利技術(shù)。但是，對廣大工程設計科技人員來(lái)說(shuō)，還是希望有一個(gè)比較實(shí)用的公共標準，再不要像現場(chǎng)總線(xiàn)(FCS)那樣，在實(shí)際應用中不知所措。

    事實(shí)上，廣大工程設計科技人員希望有這樣的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)：對整個(gè)監控系統來(lái)講，要有一個(gè)大家共同遵守的標準化編程語(yǔ)言系統軟件設計平臺；在這個(gè)開(kāi)發(fā)平臺上，只需要一個(gè)公共的變量定義和一個(gè)存放所有參數的控制功能的中央數據庫。這種標準的軟件編程技術(shù)，能同時(shí)開(kāi)發(fā)多主站和多終端的所有設備，也能同時(shí)調試和安裝參數眾多的機械設備，特別是現場(chǎng)的PAC（或者是PLC OPEN和傳統的PLC）可編程自動(dòng)控制器；它應該是DCS、FCS、CNC、GIS、OAS、PLC、MC、SCADA、IPC、PAC、 PLC OPEN等系統的統一編程標準；這種開(kāi)放的模塊式結構應面向所有工業(yè)的現場(chǎng)應用。從該系統的網(wǎng)絡(luò )架構下面所有的現場(chǎng)機械設備，也要兼容其他網(wǎng)絡(luò )架構的所有現場(chǎng)機械設備；用戶(hù)是上帝，希望廣大實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的廠(chǎng)商，盡快研究出具有上述要求的更簡(jiǎn)單實(shí)用的新平臺。同時(shí)，每個(gè)廠(chǎng)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(kāi)發(fā)的EPA實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，理論上是可行的，但配套的設備極不齊全，客戶(hù)難以在實(shí)際工程設計中采用。

    3.6 傳統的儀器儀表及檢測系統要盡快虛擬化、數字化、智能化和網(wǎng)絡(luò )化

    幾千萬(wàn)件的現場(chǎng)測控儀器儀表，以及他們配套的變送器和傳感器、執行器是建立水工業(yè)領(lǐng)域公司級和廠(chǎng)站級監控系統的眼睛。上世紀80年代初，一位美國專(zhuān)家就提出”軟件就是儀器”的新思想。虛擬儀器的核心思路，就是利用計算機強大的資源優(yōu)勢，是本來(lái)需要專(zhuān)用硬件實(shí)現的技術(shù)軟件化，以便最大限度地降低系統成本，增強系統功能和靈活性。隨著(zhù)IPC技術(shù)發(fā)展，國內外智能虛擬儀器（Intelligent Virtual Instrunment, IVI）正在蓬勃興起。用戶(hù)可在各處的WEB瀏覽器上自動(dòng)生成儀器驅動(dòng)器代碼，可自動(dòng)完成各種流程工業(yè)現場(chǎng)狀態(tài)的檢查、可自動(dòng)診斷、可自動(dòng)修改編程：可在強大的仿真功能支持下，不用連接實(shí)際儀器儀表，就可開(kāi)發(fā)各種測試程序：更可貴的是，他可以結合專(zhuān)用集成電路(ASIC)優(yōu)點(diǎn)和計算機相結合的可重構計算機，對大量的可編程邏輯單元陣列（FPGA）作出靈活的相應配置，還可通過(guò)流水線(xiàn)級甚至任務(wù)級的并行計算機，使運行速度達通用計算機的數百倍以上；更可隨機按需要高速、遠程聯(lián)系網(wǎng)絡(luò )上各類(lèi)儀器。

    基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP協(xié)議為基礎的現場(chǎng)儀器儀表測控網(wǎng)絡(luò )，使得儀器儀表不再受限于某一特定的計算機操縱，儀器儀表可以獨立于計算機而存在?？梢院退械牟煌墑e的計算機一樣，在網(wǎng)絡(luò )上是一個(gè)獨立的結點(diǎn)，可以自由的靈活的接入以太網(wǎng)任何一點(diǎn)，就是說(shuō)，可以在以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上被任何一臺計算機訪(fǎng)問(wèn)，實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)的在線(xiàn)監測。

    TCP/IP協(xié)議嵌入現場(chǎng)儀器儀表上，以TCP/IP方式收發(fā)信號，徹底實(shí)現互操作性、開(kāi)放性強的總線(xiàn)標準，以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的標準就是現場(chǎng)儀器儀表測試系統的通訊標準：開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)結構就是所有的廠(chǎng)站級（乃至公司級的廣域網(wǎng)絡(luò )監控系統）的監控系統結構，可以很方便的在各監控級的分散控制和冗余設置；系統故障就可以大大降低，監控系統的安全性和穩定性很高；增強了現場(chǎng)數據處理能力和關(guān)鍵的某工藝流程閉環(huán)先進(jìn)控制技術(shù)的應用水平。

以TCP/IP協(xié)議為基礎的現場(chǎng)測控系統將每臺網(wǎng)上計算機和各廠(chǎng)站級儀器儀表有機的聯(lián)系在一起。如某一廠(chǎng)站采集數據后可按需拷貝多份送往各需要部門(mén)，或者定期將測量結果送往遠方數據庫保存，需要時(shí)可隨時(shí)調用，即使身處異地的不同用戶(hù)也可同時(shí)對同一過(guò)程進(jìn)行監控。

    接入以太網(wǎng)絡(luò )的儀器儀表和計算機軟硬件資源，其性能可能差別很大，然而一旦組成網(wǎng)絡(luò )環(huán)境，就可對不同功能的計算機分配不同的任務(wù)，不同功能的儀器就可以統一調用，從而使網(wǎng)絡(luò )系統的性能達到最佳，不同用戶(hù)可在網(wǎng)上任何地方進(jìn)行數據采集、分析和在線(xiàn)修改。廠(chǎng)站級EIHERNET（以太網(wǎng)）能把各種功能的計算機和各種功能的儀器儀表，最有效的連接到互聯(lián)網(wǎng)上，以便組成公司級的以互聯(lián)網(wǎng)為基礎的綜合自動(dòng)化監控系統。

    4 現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是實(shí)現信息控制一體化的必要條件

    從小系統到大系統，從單一的水廠(chǎng)到大城市水務(wù)集團眾多水處理工程與管網(wǎng)技術(shù)信息集中監控的設計中又是關(guān)聯(lián)整個(gè)系統的結構體系，涉及到整個(gè)系統的全局性和根本性的問(wèn)題。特別是眾多分散的廠(chǎng)站級現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )，像人的四肢的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，它是源頭。

    4.1 好的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )為構建新型的信息控制系統創(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)化系統的最底層——各種水質(zhì)儀器儀表和現場(chǎng)設備，不僅能橫向整合現場(chǎng)信息資源，做到快速響應，也能縱向整合現場(chǎng)信息與企業(yè)管理信息，建立全局性的自動(dòng)化系統，以達到準確診斷、及時(shí)調控、快速維護、遠程監控、管理服務(wù)。就可以滿(mǎn)足企業(yè)領(lǐng)導層的運籌決策，能做到及時(shí)參與全球化的競爭要求。

    4.2 好的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )為創(chuàng )造全數字化的開(kāi)放的信息控制一體化系統奠定了基礎

    一個(gè)好的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )架構，可以快速和科學(xué)的使基礎數據構成有序的數據集合，形成對本企業(yè)運營(yíng)全面完整的精確描述。在上一級的監控中心，可準確地集成主工藝流程中各種先進(jìn)控制技術(shù)專(zhuān)用的數據集合的在線(xiàn)應用，達到數字化實(shí)現系統的高精度，高閉環(huán)調控的目標。

    過(guò)去，各大城市的給排水的工藝電氣自動(dòng)化專(zhuān)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、多功能的數據庫、大型的顯示盤(pán)，也采用了GIS管網(wǎng)監控系統，用水量預測，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配置，其功能收效甚微，沒(méi)有真正發(fā)揮其高精尖測控儀表的作用：就是因為沒(méi)有一個(gè)完全開(kāi)放的好的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )。

    生產(chǎn)過(guò)程控制參數的精確設定，生產(chǎn)實(shí)績(jì)、設備和流程狀態(tài)的信息，都是企業(yè)信息的重要組成部分，要通過(guò)現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )在線(xiàn)的無(wú)距離的精確的實(shí)現。這種最底層的控制網(wǎng)絡(luò )，就在現場(chǎng)控制層，它對應控制系統的三層結構。如圖1所示。

               

                          圖1 現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )概念結構圖

    一個(gè)理想的數據結構體系，必須創(chuàng )建一個(gè)理想的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )結構作基礎，才能支持和促進(jìn)本企業(yè)的基本要素生長(cháng)發(fā)展的環(huán)境。

    4.3 好的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)為實(shí)現本企業(yè)的”生命周期成本”開(kāi)辟美好的前景

    每建一個(gè)水處理工程，對本企業(yè)的建設成本、維護運轉成本、出廠(chǎng)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，都要高瞻遠矚的精打細算，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。

    一個(gè)好的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )，才能為我們所追求的目標鋪平道路。這個(gè)”生命周期成本”，對工程建設成本和長(cháng)期運轉成本的節約降耗，必須用科學(xué)的數字來(lái)進(jìn)行全面比較。有了好的現場(chǎng)網(wǎng)絡(luò )系統，就能利用上下左右，企業(yè)內外的資源信息優(yōu)勢，最大限度的發(fā)揮現場(chǎng)設備的全部功能，就能帶來(lái)最低的維護運轉成本。一般來(lái)說(shuō)，長(cháng)期的運轉成本節約降耗，遠遠大于初期建廠(chǎng)的成本節約。

    5 PLC、PC和PAC誰(shuí)主沉浮

    5.1 PLC、PC和PAC比較

    從事工程自動(dòng)化設計的人員都很清楚，在上世紀60年代，使用機械繼電器進(jìn)行工業(yè)控制，到60年代末，出現了世界上第一臺PLC，大多采用原始的繼電器框圖的梯形邏輯來(lái)編程，80年代至90年代，采用PC機進(jìn)行工業(yè)控制，但PC機有以下弱點(diǎn)：穩定性差、可靠性差，雖然靈活性多了，但編程非常困難。之后，PC機不斷智能化，軟件功能提高了，可執行復雜工程的高級任務(wù)；PLC也不斷智能化，擴大了應用范圍。在環(huán)境惡劣的工業(yè)現場(chǎng)，就控制應用而言，PLC依然處于統治地位。
在過(guò)去的二十多年中，為了解決比較復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，利用PC進(jìn)行數據記錄、連接條碼掃描，在數據庫中插入信息并存儲，把數據發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )上，在車(chē)間現場(chǎng)則采用很多的PLC來(lái)完成眾多的代碼控制。這些問(wèn)題困擾了工程自動(dòng)化設計者幾十年，用這種辦法建立的監控系統，難度很大，故障頻發(fā)，費用昂貴，維護困難。信息縱橫不通，瓶頸問(wèn)題到處存在，每個(gè)子系統都是一個(gè)孤島，信息資源不能共享。多年實(shí)踐經(jīng)驗證明，采用PC和PLC都不理想，只能是一對一，設備數量極大，但控制效果平平。上世紀九十年代初，北京市和深圳市的供水系統的廣域網(wǎng)絡(luò )監控系統，花了大量的人力物力，系統極為復雜，也只能采集到一點(diǎn)現場(chǎng)的信息。

    一個(gè)大中型的、復雜的給排水工程，要有一個(gè)自動(dòng)控制、生產(chǎn)管理、運動(dòng)控制、管網(wǎng)地理信息、供應鏈、生產(chǎn)調度、工程優(yōu)化、經(jīng)營(yíng)決策等信息系統的全集成架構解決方案。即：控制層、執行層、管理層的不同網(wǎng)絡(luò )要無(wú)縫連接和提供信息數據的高效快速的交換；不同距離、不同時(shí)期構建的監控系統網(wǎng)絡(luò )要無(wú)距離的集成；特別是在控制層要有一個(gè)統一的軟硬件平臺，真正解決各個(gè)現場(chǎng)的電控、儀器儀表測控、運動(dòng)控制等多專(zhuān)業(yè)的功能性要求；要求為新建工程從工藝流程設計、設備設計及全場(chǎng)的自動(dòng)化系統設計，調試投運、運行操作、業(yè)務(wù)管理、文化調度、供應鏈管理、系統維護等各個(gè)環(huán)節提供統一平臺。
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(zhuān)利技術(shù)基礎上，大力研發(fā)新型的產(chǎn)品，來(lái)滿(mǎn)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(chēng)它為”可編程自動(dòng)化控制器（PROGRAMMABLE AUTOMATION CONTROLLER—PAC）”。從2003年開(kāi)始，GE FANUC 公司在PLC的基礎上率先推出了PAC系統，泓格、NI、研華等公司也相繼推出了基于PC技術(shù)的PAC系統，奧普圖公司在原有的分布式控制系統的基礎上研發(fā)了PAC系統。

    PAC與PLC和PC有什么不同？或者說(shuō)，PAC有什么典型的特性和功能？

    （1）具有一個(gè)能滿(mǎn)足多領(lǐng)域自動(dòng)化系統設計和開(kāi)發(fā)的統一的通用平臺，采用共用的變量標簽（TAGGING）和統一的數據庫；
    （2）PAC平臺可集成多領(lǐng)域、多專(zhuān)業(yè)、多控制任務(wù)的功能，在同一個(gè)平臺上，可實(shí)現邏輯、順序、過(guò)程、運動(dòng)、驅動(dòng)、儀器儀表測量、數據采集和人機界面等功能；
    （3）PAC具有開(kāi)放的、模塊化的體系結構，適用于高度分散的自動(dòng)化環(huán)境；
    （4）允許OEM廠(chǎng)商和最終用戶(hù)在統一的平臺上設置多重控制應用；
    （5）采用事實(shí)上的網(wǎng)絡(luò )接口、編程語(yǔ)言、安全保障等各種工業(yè)標準，使異型和異構的系統之間能快速實(shí)現數據交換。

    總之，PAC中既結合了PLC最突出的優(yōu)點(diǎn)，標準外觀(guān)、耐用性和可靠性；也結合了PC的諸多優(yōu)點(diǎn)，豐富的軟件功能，強大的數學(xué)和通訊處理功能，高度的開(kāi)放性和靈活性，大容量的存儲器功能等。

    總結當今世界，大多采用PLC系統，由于嵌入式技術(shù)的強大發(fā)展勢頭，在監控中心采用PC的風(fēng)頭更勁。PAC新產(chǎn)品只出現了三年多，就搶占了許多自動(dòng)化監控系統的市場(chǎng)，可以預計，在不久的將來(lái)，它一定會(huì )主導監控系統的舞臺。

    6 結束語(yǔ)

    隨著(zhù)IT技術(shù)、嵌入技術(shù)、虛擬技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)、高端工控機技術(shù)、步進(jìn)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化系統的不斷完善，縱觀(guān)國內外水工業(yè)建設的經(jīng)驗教訓，自動(dòng)化監控系統面臨著(zhù)一場(chǎng)革新。

    采用Internet技術(shù)，使得集中型自動(dòng)化系統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自動(dòng)化系統的要求分析來(lái)看，必須澄清已經(jīng)流傳了幾十年的提法和做法。

    上世紀70年代，日本人提出了”MECHATRONIC”的概念，即”機電一體化”。由于針對機械制造行業(yè)的特點(diǎn)，將電氣產(chǎn)品有機地集合成一體，突出機與電的整合性，在機械制造行業(yè)引起了一場(chǎng)革新，也波及水工業(yè)和其他行業(yè)，它沒(méi)有解決多機多控制的通信問(wèn)題和監控的數據傳輸問(wèn)題。

    曾幾何時(shí)，我國的自動(dòng)化專(zhuān)家們，提出了”管控一體化”的概念，但是它僅僅側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)控制系統傳輸的實(shí)時(shí)性和確定性問(wèn)題。特別是忽略了現場(chǎng)層各種信息采集和準確傳輸的關(guān)鍵問(wèn)題。很難想象，在一個(gè)控制系統中管理層不能及時(shí)正確的得到現場(chǎng)實(shí)時(shí)數據時(shí)，怎能作出正確的判斷？

    “機電一體化”是機械工程師提出的概念，”管控一體化”是IT工程師提出的概念。根據上面提到的”基因要素”和對自動(dòng)化監控系統的要求，自動(dòng)化系統的工程師們認為，唯一正確的途徑是創(chuàng )建新型的”信息控制一體化”。實(shí)現”信息控制一體化”的關(guān)鍵是現場(chǎng)控制層采用新型PAC控制器，即”可編程控制器控制系統”。如圖2所示。

    PAC系統集成DCS、MC、PLC、FCS的優(yōu)點(diǎn)，將多個(gè)控制系統的元素集中在一個(gè)平臺上，同時(shí)更多的考慮了與現場(chǎng)應用之間的聯(lián)系?？v向和橫向的信息都暢通無(wú)阻，將管理層、控制層和現場(chǎng)層，企業(yè)系統內外的其他網(wǎng)絡(luò )系統集成的時(shí)間減小到最小，就可在網(wǎng)絡(luò )上無(wú)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)化監控系統就是：

    INTERNET+RTE+TCP/IP協(xié)議+PAC，即科學(xué)的、功能強大的、完全開(kāi)放的信息控制一體化系統。

                 

                          圖2 信息控制一體化結構圖

    ”網(wǎng)絡(luò )就是控制器”。我們要抓住現代企業(yè)自動(dòng)化系統的核心技術(shù)，開(kāi)發(fā)新型的PAC可編程自動(dòng)控制器，開(kāi)發(fā)新型的信息控制一體化系統，將傳統的水企業(yè)競爭力大大提高一步，在經(jīng)濟全球化的浪潮中占領(lǐng)一席之地。