摘 要：城市水工業(yè)是一個傳統(tǒng)的基礎(chǔ)企業(yè)，自動化控制系統(tǒng)發(fā)展太慢，跟不上我國其他行業(yè)。21世紀是數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化時代。隨著IT技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高端的計算機技術(shù)、虛擬技術(shù)、嵌入式技術(shù)以及監(jiān)控組態(tài)軟件和先進控制技術(shù)的迅猛發(fā)展，只有創(chuàng)建最現(xiàn)代化最科學(xué)的綜合自動化系統(tǒng)，才能建造經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的新型水企業(yè)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò) ；實時工業(yè)以太網(wǎng)；PAC；監(jiān)控組態(tài)軟件；自動化系統(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 中國水工業(yè)自動化現(xiàn)狀評估
1.1中國水工業(yè)現(xiàn)場儀器儀表測控系統(tǒng)
水工業(yè)的儀器儀表測控系統(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)，第五代功能強大的儀器儀表測試設(shè)備正在茁壯成長。
每個供水、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，大量的水泵機組、變頻器、軟啟動器、各種閥門、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、各個構(gòu)筑物的水位也要在線監(jiān)測，水量預(yù)測、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)場設(shè)備。拿一個污水處理廠來說，在線監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)也很多：有進出水的濁度、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、閥門、鼓風(fēng)氧曝、潷水裝置等現(xiàn)場設(shè)備要參于監(jiān)控。現(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目，所有現(xiàn)場的光、機、電、氣、儀器儀表、傳感器、變送器、執(zhí)行器、驅(qū)動器都面臨更新?lián)Q代的問題。
1.2中國水工業(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。上世紀七十年代水工業(yè)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(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，隨著微型計算機的出現(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，以計算機為核心的自動控制取得了重要進展，對一些重要參數(shù)可以在線采集;與此同時全國各大城市的水工業(yè)，引進了世界上比較先進的自動化控制技術(shù)，如水量預(yù)測、自動加藥、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。
上世紀九十年代前后，我主持設(shè)計了北京市、深圳市自來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)遠程自動化計算機監(jiān)控系統(tǒng)，部分數(shù)據(jù)可以在線的實時監(jiān)測；但是，當(dāng)時條件所限，許多水質(zhì)參數(shù)不能在線監(jiān)測，如硝基苯、藻毒類等各種細菌和病菌的參數(shù)無法在線監(jiān)測，信息孤島嚴重，設(shè)計思想，無法實現(xiàn)。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(xiàn)場環(huán)境下運轉(zhuǎn)、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的國情，引進的許多昂貴的先進控制系統(tǒng)解決不了實際問題，達不到設(shè)計的實際預(yù)期效果，只能束之高閣，造成巨大的浪費，教訓(xùn)是極其深刻的。
2 現(xiàn)代水工業(yè)綜合自動化的基本概念與功能要素
在新形勢下，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目，不管實際情況有千差萬別的地方，生產(chǎn)模式要柔性化，才能適應(yīng)一年四季供水需求；供需能力國際化，不斷地節(jié)省成本，不斷創(chuàng)新最佳經(jīng)濟績效，水量研發(fā)標準化，適應(yīng)水量制造周期日益縮短的趨勢；競爭優(yōu)勢聯(lián)盟化，最大限度滿足各種客戶的用水需求。
*立于不敗之地的水企業(yè)必須具有三個功能要素：要有極強的應(yīng)變能力:自動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)要支持對風(fēng)險的應(yīng)對能力。還要有極快的應(yīng)變速度：一個水企業(yè)，最上層的ERP系統(tǒng)和最底層的PCS的過程監(jiān)控系統(tǒng)要同步建設(shè)，對市場變化要做到實時同步的快速響應(yīng)；要加強信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，使中間環(huán)節(jié)的MES的產(chǎn)品制造執(zhí)行層具有快速實時同步響應(yīng)能力；對水質(zhì)或一些突然事件發(fā)生巨大變化時，系統(tǒng)對異常情況的對策要有同步應(yīng)變的快速性。三是要有極好的求知力度:經(jīng)濟全球化后，市場競爭是非常激烈的；水廠主管領(lǐng)導(dǎo)，對市場變化毫不知情，對供應(yīng)鏈知識一無所有，企業(yè)就沒有生存的能力?？傊?，現(xiàn)代化的遠程自動化監(jiān)控系統(tǒng)，要有極強的數(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)的實用的水工業(yè)遠程綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
40多年來，作者參加了幾十項大中型的給水、排水、水利、交通、環(huán)保等工程中遠程自動化監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)和評審評標工作； 多次組織國內(nèi)外高層技術(shù)專家深入研討水工業(yè)遠程自動化的相關(guān)技術(shù)難題；也認真研究了20多年來國內(nèi)外大中小型流程自動化建設(shè)的成功經(jīng)驗和失敗教訓(xùn)；作者認為，一個安全實用的科學(xué)的水工業(yè)遠程綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)該是：必須有一個全數(shù)字化的儀器儀表等現(xiàn)場測控系統(tǒng); 必須有一個功能強大的現(xiàn)場可編程自動化控制器；必須有一個功能強大的監(jiān)控組態(tài)軟件平臺和有本企業(yè)特色的先進控制技術(shù);必須有一個功能強大的實時數(shù)據(jù)庫;必須有一個好的廠級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。這些,也都是所有流程工業(yè)自動化集成必須同步解決的核心技術(shù)問題。
3.1現(xiàn)場機、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
錢學(xué)森院士說過：“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)由測量技術(shù)、計算機技術(shù)、通訊技術(shù)三部分組成，測量技術(shù)則是關(guān)鍵和基礎(chǔ)”。水工業(yè)車間的現(xiàn)場層設(shè)備是自動化系統(tǒng)的最底層。有傳感器、變送器、啟動器、驅(qū)動裝置、水泵機組、I/O部件、各種閥門、供配電、控制柜、潷水、排泥、加藥等大量的各種類型的現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)場設(shè)備是遠程綜合自動化的基石，是源頭。基石不牢，一切都是空談。
•現(xiàn)場儀器儀表、光、機、電、氣等一切設(shè)備要盡快微型化
實踐證明：傳統(tǒng)的各種水質(zhì)傳感器、變送器、執(zhí)行機構(gòu)、體積大、功能弱、單一性、硬件化，無法滿足網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的要求。由于微機系統(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)場儀器儀表、光、機、電、氣等一切設(shè)備要盡快智能化
傳統(tǒng)的水企業(yè)檢測儀器只能探測一種物理量，一個小水廠，傳感器和變送器就幾十套，而智能的檢測儀器可以提供整個應(yīng)用系統(tǒng)的檢測方案，對信息進行處理、分析和調(diào)節(jié)，對信息誤差進行補償，進行邏輯思考和結(jié)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(shù)混合檢測，智能化傳感器具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化通信接口，將所測到數(shù)據(jù)域發(fā)送給遠程監(jiān)控中心。
•現(xiàn)場儀器儀表、光、機、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，用戶可通過鼠標和圖標進行操作，大大提高了工藝流程的創(chuàng)造性、為水工業(yè)用戶更大規(guī)模的擴展、創(chuàng)新的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。20多年來，美國NI公司Labview的技術(shù)在很多水的項目中選用，自動化水平提高了。技術(shù)更先進，功能更強大，應(yīng)用范圍更廣的Labview8.5版本也問世兩年多了。西門子、洛克葦爾等著名公司也相繼推出了功能很強的虛擬儀器產(chǎn)品。
近年來，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)測的高效解決方案。水質(zhì)的監(jiān)測是很困難的，從進水到出水的整個流程處理過程中，要有快速的全方位的眾多水質(zhì)參數(shù)的儀器功能，精度指標都集成在一個軟件庫中。通過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)，可在線的及時修改編程，進行二次開發(fā)；構(gòu)建成一個完整的多通道綜合自動化的虛擬儀器儀表的測控系統(tǒng)，并可減少許多要引進的昂貴的水質(zhì)分析儀器。
•現(xiàn)場儀器儀表、光、機、電、氣等一切設(shè)備要盡快網(wǎng)絡(luò)化
網(wǎng)絡(luò)化的測量環(huán)境將網(wǎng)上每臺的計算機和各個現(xiàn)場的儀器儀表有機地聯(lián)系在一起。數(shù)以萬計的各種性質(zhì)的信息數(shù)據(jù)都傳送到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù)庫（SQL）服務(wù)器，進行分析、處理、運算，通過現(xiàn)場實時工業(yè)以太網(wǎng)和因特網(wǎng)，網(wǎng)上任意地點的計算機都可以從數(shù)據(jù)庫中讀取網(wǎng)上的任何一組儀器儀表的測量數(shù)據(jù)值，就可以進行遠程測量和控制， 總監(jiān)控中心能対遠端井群或閥門，實現(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)場儀器儀表、光、機、電、氣等一切設(shè)備要盡快多功能化
現(xiàn)代的現(xiàn)場數(shù)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。由于完全模塊化，數(shù)字完全開放的儀器儀表，人們很難區(qū)分是儀器還是儀表，或是測試系統(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、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。現(xiàn)場設(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)場設(shè)備的工作情況，就可以對系統(tǒng)進行遠程的參數(shù)調(diào)整，達到最優(yōu)化控制，對系統(tǒng)進行的故障診斷，可以實現(xiàn)真正意義上的遠程廣域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。方便了用戶，大大節(jié)約了成本
3.2 現(xiàn)場要選用PAC可編程自動化控制器
我認真分析總結(jié)了我國二十年來新建和擴建的給排水流程企業(yè)，有的選用早期的PLC和早期的現(xiàn)場總線，有的采用了先進的控制軟件卻運轉(zhuǎn)不靈，有的花巨資引進的水質(zhì)監(jiān)測儀器儀表，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的存在問題
傳統(tǒng)的PLC數(shù)據(jù)采集不靈，上下難以交流、車間與決策嚴重脫節(jié)，績效低下。有人說，PLC正當(dāng)時，PAC永遠不能取代它。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，很難實現(xiàn)大延時、復(fù)雜的算法控制，沒有網(wǎng)絡(luò)控制功能。現(xiàn)在有些廠商還在極力宣揚不符合國際標準的plc和fcs現(xiàn)場總線,我們在工程設(shè)計選型中要特別注意，再不要犯重蹈覆轍的錯誤。
傳統(tǒng)的IPC靈活性差、處理能力不強、在環(huán)境惡虐現(xiàn)場，其穩(wěn)定性和可靠性就更差，沒有網(wǎng)絡(luò)控制功能?，F(xiàn)在的工業(yè)IPC機有了巨大的發(fā)展，但可靠性和穩(wěn)定性還是存在問題。
•流程企業(yè)自動化集成的迅速發(fā)展，催生了PAC可編程自動化控制器。
作為ERP/MES/PCS三層架構(gòu)中的現(xiàn)場底層，原先是PLC為主體，新工程設(shè)計時，現(xiàn)場應(yīng)首選PAC。PAC保持了PLC的編程方式和特點，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；PAC又具有IPC的硬實時操作系統(tǒng)，具有強大的運算和聯(lián)網(wǎng)功能，編程更加簡化，更容易實現(xiàn)水工業(yè)流程中獨特的預(yù)估、加藥、加氯、氧曝等閉環(huán)的先進控制；PAC是一個軟邏輯結(jié)構(gòu)，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(wǎng)絡(luò)接口，能方便的與PLC、計算機、網(wǎng)絡(luò)、各種分析儀器、現(xiàn)場所有的電、氣、儀、機等設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通信；PAC的數(shù)據(jù)測試是海量的，能對應(yīng)復(fù)雜的有幾百個I/O節(jié)點，甚至更多的I/O節(jié)點；PAC的性價比高，成本更低；PAC采用了事實上的網(wǎng)絡(luò)接口、編程語言、安全監(jiān)控等各種工業(yè)標準，與異型異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)進行快速的數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)共享，使遠程監(jiān)控有了堅實的底層基礎(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)模的流程的運轉(zhuǎn)控制，極便于二次開發(fā)；PAC具有統(tǒng)一的軟硬件開發(fā)平臺，能滿足多專業(yè)、多速率、多循環(huán)、多任務(wù)的非線性操作運行的控制要求；操作工程師可通過網(wǎng)上的任一臺計算機的Web窗口獲取各站所有數(shù)據(jù)信息，并能在線的進行系統(tǒng)診斷，尋找故障所在；與傳統(tǒng)的自動化設(shè)備相比，應(yīng)該說PAC是實現(xiàn)ERP/MES/PCS三層自動化架構(gòu)的最好的幫手，能幫助企業(yè)搶占更多的市場份額。PAC定是今后現(xiàn)場控制器的主流產(chǎn)品。
3.3現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)必須選用實時工業(yè)以太網(wǎng)RTE（Real Time Ethernet, RTE ）
眾所周知，F(xiàn)CS現(xiàn)場總線,使用方便，比DCS系統(tǒng)更經(jīng)濟和自動化，數(shù)字化和開放性是它的最大的亮點。但是，F(xiàn)CS現(xiàn)場總線不能完成大數(shù)量的數(shù)據(jù)傳輸，較多采用主/從控制方式，不容易實現(xiàn)控制系統(tǒng)傳輸要求，各大廠家開發(fā)的軟件技術(shù)互不兼容，無法實現(xiàn)異網(wǎng)并構(gòu)，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(yè)以太網(wǎng)比FCS現(xiàn)場總線，具有一系列的優(yōu)勢：
•采用公認的TCP/IP通訊協(xié)議，現(xiàn)場層就極易與Internet連接，實現(xiàn)公司與眾多現(xiàn)場層流程控制的無縫鏈接。價格低廉、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)無法比擬的優(yōu)勢，大大提高了網(wǎng)絡(luò)控制的確定性和可靠性問題。
• 車間現(xiàn)場可采用各種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，功能強大的交換機可將網(wǎng)絡(luò)細分為若干個網(wǎng)段。使本地數(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。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(wǎng)絡(luò)或采用遠程I/O接口就更好與主站聯(lián)網(wǎng)了。
•實時工業(yè)以太網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的潛力巨大。監(jiān)控主站計算機，通過Internet能實現(xiàn)管網(wǎng)GIS地理監(jiān)控系統(tǒng)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(wǎng)上鏈接的其他地方，進行修改整合或監(jiān)控管理。
今天，實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)在國外和國內(nèi)水行業(yè)中也得到了廣泛的應(yīng)用，它的多主站、通用性、可以同時采用不同速率來傳輸大數(shù)量數(shù)據(jù)信息正好補充了各種FCS現(xiàn)場總線的不足?；旧蠞M足了水工業(yè)系統(tǒng)各企業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)管理與與OFFICE系統(tǒng)通訊的要求。
水流程工業(yè)越來越復(fù)雜。對一個大的水處理工程，過去的現(xiàn)場總線、只要被鑲嵌在傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中去，也只能對系統(tǒng)作些邊緣性的提高，所有現(xiàn)場設(shè)備、控制器還是孤島獨立地控制，只管束獨立的數(shù)據(jù)。
目前流行的實時工業(yè)以太網(wǎng)有：PROFINET、EtherCAT、Ethernet、Powerbbbb、Etherner/IP和EPA等。去年年底統(tǒng)計，PROFINET有114萬多服務(wù)節(jié)點，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，是全球客戶選用最廣的實時工業(yè)以態(tài)網(wǎng)絡(luò)。EPA配套產(chǎn)品極少，難以組成一個系統(tǒng)。為了提高網(wǎng)絡(luò)的實時性能，這些廠家做了大量的研發(fā)工程，實時響應(yīng)時間，都可以作到5～10ms或更低，滿足了水工業(yè)處理流程的需要，但是對于加藥系統(tǒng)精度響應(yīng)時間的運動控制系統(tǒng)，最好是近百個節(jié)點控制響應(yīng)時間小于1ms左右，而抖動誤差要小于1µs左右。這六種實時工業(yè)以太網(wǎng)，各自有它們研究專利技術(shù)。但是，對廣大工程設(shè)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(xiàn)場總線(FCS)那樣，在實際應(yīng)用中不知所措。
3.4創(chuàng)建全集成的水工業(yè)遠程綜合自動化架構(gòu)
一個大中城市的水務(wù)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(wǎng)更是星羅棋布在全市的所有角落，各種電、氣、儀、驅(qū)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。對分佈在江河湖泊、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，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，就非常容易。
當(dāng)今水工業(yè)遠程綜合自動化的體系結(jié)構(gòu)應(yīng)涵蓋著從底層的流程企業(yè)自動化到公司級的管理自動化：從自動化控制和生態(tài)管理到企業(yè)全方位管理的信息數(shù)據(jù)要全集成，再不是過去PLC、DCS和 FCS現(xiàn)場總線的自動化孤島；將所有底層現(xiàn)場的電氣控制、過程控制、運動控制、和數(shù)以萬計的儀器儀表測試系統(tǒng)都要高度的有機的融合在綜合自動化網(wǎng)絡(luò)上；而公司頂級部門面對客戶市場的ERP系統(tǒng)，它涵蓋從生產(chǎn)到采購、從庫存到銷售、從流程自動化到市場供應(yīng)鏈、以及財務(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。遠程綜合自動化集成架構(gòu)、就是將工程中工藝、機械、電氣、儀器儀表測控系統(tǒng)等現(xiàn)場設(shè)備、監(jiān)控組態(tài)軟件、通信網(wǎng)絡(luò)、計劃管理、生產(chǎn)制造執(zhí)行、商務(wù)供應(yīng)鏈、財務(wù)人事、領(lǐng)導(dǎo)決策等各種有線無線的異抅網(wǎng)絡(luò)都要進行同步設(shè)計,做到有機的整合集成，謀求實現(xiàn)最佳經(jīng)濟效益。什么是水工業(yè)真實可用的遠程綜合自動化系統(tǒng)集成架構(gòu)？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(huán)節(jié)，通過單一而又統(tǒng)一的平臺來進行工程設(shè)計和組態(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)標準的基礎(chǔ)上等幾個關(guān)鍵特征?！边@就是ARC提出的協(xié)同過程自動化系統(tǒng)CPAS（collaborative process Automation System）。其示意圖見圖1.
圖1 CPAS系統(tǒng)示意圖
CPAS系統(tǒng)正是水流程企業(yè)實現(xiàn)ERP/MES/PCS三層結(jié)構(gòu)的一種理想的優(yōu)化解決方案。用一個統(tǒng)一的軟硬件平臺提供全廠的控制功能；用一個統(tǒng)一的工程設(shè)計和監(jiān)控組態(tài)軟件，解決所有車間的電控、儀控、各種閥門執(zhí)行機構(gòu)和啟動裝置、HMI、SCADA的設(shè)計和組態(tài)、以及開車調(diào)試、運行管理、安全保障、在線的系統(tǒng)診斷等工程的一切需要。一個水流程企業(yè)自動化靈不靈，關(guān)鍵是信息傳遞靈不靈。正是在實時信息數(shù)據(jù)快速交換的關(guān)鍵問題上，CPAS在三層結(jié)構(gòu)中提出的解決信息同步交換的問題，解決了經(jīng)營管理、生產(chǎn)管理、生產(chǎn)制造之間的閉環(huán)控制，使電子商務(wù)和市場供應(yīng)鏈與工廠流程監(jiān)控協(xié)同作戰(zhàn)。追求最佳的績效，這就是CPAS的理念。
實時數(shù)據(jù)庫是MES的核心，是水企業(yè)實現(xiàn)遠程自動化的心臟。水工藝流程中大量的實時數(shù)據(jù)要進行統(tǒng)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(fā)平臺接口，來提升企業(yè)功能，不斷的與時俱進的提高生產(chǎn)效率，也能發(fā)布到其它關(guān)系數(shù)據(jù)庫，提供MES、ERP系統(tǒng)所用，幫助企業(yè)決策管理。
監(jiān)控組態(tài)軟件和先進控制軟件是水企業(yè)綜合自動化的重要支柱，就像人的大腦一樣。監(jiān)控組態(tài)軟件的發(fā)展極為神速。一個高效的水企業(yè)綜合自動化系統(tǒng)監(jiān)控組態(tài)要智能化，功能要網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)，要求將監(jiān)控組態(tài)軟件嵌入到信息化平臺上，實現(xiàn)信息化的集成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與管理決策的統(tǒng)一。監(jiān)控組態(tài)軟件將進一步向開放化、標準化、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)。功能強大的監(jiān)控組態(tài)軟件產(chǎn)品很多，如美國GE-fanuc公司的IFIX DYIIAMICS軟件，有Wondewares 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(nèi)組態(tài)王6.6 MCGS等軟件。
總之，一個實用的現(xiàn)代化的水工業(yè)遠程綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)的最科學(xué)最合理的架構(gòu)是：對整個監(jiān)控系統(tǒng)來講，只選用一種實時工業(yè)以態(tài)網(wǎng)，有一個共同遵守的標準化編程語言系統(tǒng)軟件設(shè)計平臺；在這個實時工業(yè)以太網(wǎng)開發(fā)平臺上，只需要一個公共的變量定義和一個存放所有參數(shù)的實時數(shù)據(jù)庫，這個統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)庫是MES的核心設(shè)備，只有功能強大的實時數(shù)據(jù)庫，才能在線實時采集流程過程中的實時數(shù)據(jù)，才能進行統(tǒng)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(fā)的數(shù)據(jù)信息資料，才能在線提供ERP和PCS系統(tǒng)中需要的準確數(shù)據(jù)，使決策部門根據(jù)供應(yīng)鏈采集到的電子商務(wù)行情，及時修改生產(chǎn)計劃，通過MES系統(tǒng)將信息垂直的快速的傳達到最底層的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，也就大大加強了企業(yè)的競爭力。這種標準軟件編程技術(shù)，能同時開發(fā)多主站和多終端的所有設(shè)備，也能同時調(diào)試和安裝眾多的機械設(shè)備；它應(yīng)該是DCS、FCS、IPC、CNC、GIS、OAS、PLC、MC、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、SCADA系統(tǒng)的統(tǒng)一編程標準，同時能橫向傳輸所有從站之間的海量實時數(shù)據(jù)信息；這種開放的模塊式結(jié)構(gòu)應(yīng)面向所有工業(yè)的現(xiàn)場應(yīng)用開放。從各個現(xiàn)場的光、機、電、氣、儀等一切設(shè)備到整個系統(tǒng)的全部設(shè)備都能無縫聯(lián)接并能在網(wǎng)絡(luò)中統(tǒng)一調(diào)度。下面二個實例，雖然還是個雛形，還不是理想的架構(gòu)，將再次證明我的論點是正確的。
4．水工業(yè)綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)的典型實例
4.1 某大城市水務(wù)集團公司W(wǎng)AN遠程自動化監(jiān)控系統(tǒng)原理架構(gòu)
某大城市的供水工程SCADA系統(tǒng)是一個三級調(diào)度系統(tǒng)。水源井群為最下級調(diào)度；所有凈水廠及原有供水廠為中間級調(diào)度；公司監(jiān)控中心對所有水廠、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)進行最高級別的優(yōu)化調(diào)度。詳見系統(tǒng)架構(gòu)圖2。
SCADA系統(tǒng)是由遠程終端站、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、上位管理站及計算機網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。該系統(tǒng)可支持單層網(wǎng)到復(fù)雜的遞階多級網(wǎng)。每級最多可支持240個遠程監(jiān)控站或1000個站。監(jiān)控范圍可從幾公里到幾百公里（加中繼站）。監(jiān)控點數(shù)從幾百點到幾千點。而且該系統(tǒng)遵循國際通訊協(xié)議。
•上位管理站選用高檔工業(yè)微機，配上監(jiān)視控制及數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控組態(tài)軟件，并配置功能強大的實時數(shù)據(jù)庫，能在線的高速激活數(shù)據(jù)傳輸、處理、分析、存儲、轉(zhuǎn)送，并能在線的網(wǎng)上互聯(lián)互動，為網(wǎng)上工程師的遠程優(yōu)化調(diào)度和遠程診斷，提供科學(xué)的可靠數(shù)據(jù)，方便了客戶工程師的二次開發(fā)。
•遠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）進行通信。
圖2 WAN遠程自動化監(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算機自動化監(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120萬立方米/天，遠期處理水量為210萬立方米/天 。自控系統(tǒng)，見系統(tǒng)圖3，只有兩層控制結(jié)構(gòu)，控制中心和現(xiàn)場控制站：控制中心，選用西門子 WinCC冗余組態(tài)軟件進行監(jiān)控；沉淀池等六個現(xiàn)場控制站，選用SIMATIC S7-416控制器（即PAC），下掛遠程分布式I/O組件、閥門定位器、馬達控制中心、中壓配電柜儀器儀表等所有現(xiàn)場設(shè)備。西門子編程和組態(tài)軟件對所有產(chǎn)品進行配置，編程，組態(tài)和測試，使用的是統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)庫，并通過國際及中國認可的標準通訊網(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)省了用戶的投資成本，減少了工程施工和調(diào)試的時間，提高了整個系統(tǒng)的可靠性和安全性，充分體現(xiàn)了全集成自動化的優(yōu)勢。
圖3 白龍港污水處理廠監(jiān)控系統(tǒng)原理圖
5．結(jié)束語
上世紀70年代，日本專家提出了 “機電一體化”的概念，推動了機與電的整合性，它沒有解決多機種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，我國搞信息的專家們，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題，而忽略了如何提高工業(yè)控制系統(tǒng)信息傳輸?shù)膶崟r性和確定性問題；特別是忽略了現(xiàn)場層各種信息采集和準確傳輸?shù)年P(guān)鍵性問題。
“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”。根據(jù)上面提到的“功能要素”和對綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)集成的幾個核心技術(shù)的要
求，我們搞綜合自動化系統(tǒng)的專家們認為，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)的遠程綜合自動化系統(tǒng)。就是“(INTERNET+WLAN)＋(RTE+WPAN)＋TCP/IP協(xié)議+PAC”的完全開放的靈活高效的集成體 。見圖4所示.
圖4 水工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)架構(gòu)示意圖
參考文獻
[1] 陸益，工業(yè)自動化儀器儀表數(shù)字化系統(tǒng)技術(shù)及其發(fā)展，深圳，PLC&FA，2006.08
[2] 第二屆中國PAC應(yīng)用高峰論壇，北京，中國工控網(wǎng)，2007.06.07
[3] 榮岡等，MES的現(xiàn)狀及發(fā)展 ，北京，自動化博覽，2008、03
[4] 繆學(xué)勤，實時以太網(wǎng)技術(shù)及其趨勢發(fā)展，上海，世界儀表與自動化,2007.09
[5] 蕭德云，監(jiān)控組態(tài)軟件，上海，世界儀表與自動化，2007,05
[6] 彭瑜，自動化體系架構(gòu)的現(xiàn)狀和發(fā)展，北京，電氣時代，2007，09
[7] 羅昌俊等，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究，北京，測控技術(shù)，2006. 07
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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