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    個人簡介：陳運珍，北京市市政工程設(shè)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(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大中型給水排水的供配電系統(tǒng)及復(fù)雜的綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)工程的設(shè)計任務(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)計任務(wù)、參加過“干式變壓器”等多項國家規(guī)范制定工作、參加過“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單位聘為評標(biāo)專家，評過幾十項工程的標(biāo)。

    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(jì)是數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化時代。隨著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(xiàn)代化最科學(xué)的自動化控制技術(shù)，才能建造經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的新型水企業(yè)。

    關(guān)鍵詞：信息控制一體化；實用以太網(wǎng)；PAC；現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；交換機

    1 水工業(yè)自動化面臨新的挑戰(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)的每個角落。隨著“十一五”規(guī)劃的實施，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)項目。對嚴(yán)重缺水的北方城鎮(zhèn)來說，也只是車水之薪。據(jù)統(tǒng)計和預(yù)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，筆者參加過數(shù)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(shè)計任務(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)計任務(wù)。筆者認(rèn)真研究了國內(nèi)將近十年來典型的自動控制系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)實例，我國水企業(yè)的自動化水平比國內(nèi)其它行業(yè)要落后10年左右。在新形勢下，如何使這個傳統(tǒng)的基礎(chǔ)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)綜合自動化的核心技術(shù)是什么？建立什么樣的自動控制系統(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)對自動化控制系統(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目，不管實際情況有多么不同，但對一個現(xiàn)代化的水企業(yè)，都有一個共同的特征：生產(chǎn)模式要泵性化。才能適應(yīng)當(dāng)今市場的各種需求；供需能力國際化，不斷地節(jié)省成本，縮短市場的供應(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；競爭優(yōu)勢聯(lián)盟化，最大限度滿足客戶的要求。

    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(shè)的工廠策略方面，要以本企業(yè)的經(jīng)營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(yīng)變能力、極強的應(yīng)變速度、極強的求知力度。

    2.2 現(xiàn)代化水工業(yè)對自動化控制系統(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，就是在三個”基因要素”方面做得更好。對三個”基因要素”進(jìn)行深刻的剖析，一個立于不敗之地的水企業(yè)對現(xiàn)代自動化系統(tǒng)的要求如下：

    2.2.1要有極強的應(yīng)變能力

    一個現(xiàn)代化的水企業(yè)，必須強化對變化的洞察能力，對經(jīng)營模式的重構(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)要支持對風(fēng)險的應(yīng)對能力。

    2.2.2 要有極強的應(yīng)變速度

    一個現(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)營模式改變了，就要創(chuàng)新，具有對變化相應(yīng)的快速性；對一些沒有通信功能的陳舊的監(jiān)測儀器和變送器、傳感器、執(zhí)行器要盡快更新。

    2.2.3 要有極強的求知力度

    經(jīng)濟全球化后，市場競爭非常激烈，現(xiàn)代化的自動控制系統(tǒng)，要支持市場競爭的決策力；系統(tǒng)要增強數(shù)據(jù)與信息資源的應(yīng)用能力；要增強數(shù)據(jù)資源的提煉能力；要增強成熟知識的模型轉(zhuǎn)化能力。十年來新建擴建的水處理企業(yè)，雖然在某些方面取得了進(jìn)展和實效，但是要真正達(dá)到上面的三個”基因要素”，只是萬里長征走完了第一步。一個現(xiàn)代化水企業(yè)對監(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、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)時價格非常昂貴，監(jiān)控中心只能是個別參數(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，自動化水平有了較大的提高。但是，成千上萬件的現(xiàn)場設(shè)備還是處在”孤島”狀態(tài)，獨立于自動化系統(tǒng)之外，”瓶頸”問題到處存在，上面管理決策部門對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)鏈營銷服務(wù)、管網(wǎng)監(jiān)測都在脫節(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化系統(tǒng)。更不用說，許多沒有搞自動化建設(shè)的水企業(yè)了。許多工程設(shè)計的工業(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)場車間中用的PLC控制器為主，即在應(yīng)用層和表示層、會話層中用的很少。縱向和橫向的各種數(shù)據(jù)還是沒有整合。

    3.2 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)用FCS還是用實時工業(yè)以太網(wǎng)的比較

    眾所周知，F(xiàn)CS現(xiàn)場控制總線是專門按照現(xiàn)場通訊的要求來開發(fā)的，基本滿足現(xiàn)場信息傳輸?shù)膶崟r性要求，使用方便、診斷功能強，比DCS系統(tǒng)更經(jīng)濟和自動化，數(shù)字化、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)并不兼容，無法實現(xiàn)總線并構(gòu)，它們變成一個又一個的”孤島”，使”不明就里”的廣大用戶吃盡了苦頭。

    今天，實時的工業(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、可以同時采用不同速率來傳輸大數(shù)量數(shù)據(jù)信息，這正好補充了各種FCS現(xiàn)場總線的不足。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)場控制網(wǎng)絡(luò)必須采用實時工業(yè)以太網(wǎng)

    相較于過去常用的12種FCS現(xiàn)場總線，除了上面提到的以外，實時工業(yè)以太網(wǎng)還具有一系列的優(yōu)勢。

    （1）采用公認(rèn)TCP/IP通訊協(xié)議，現(xiàn)場層極易與Internet連接，實現(xiàn)各公司與眾多現(xiàn)場層流程控制的無縫連接。價格低廉、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，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)，功能強大的交換機可將網(wǎng)絡(luò)細(xì)分為若干個網(wǎng)段。交換機之間，通過主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。交換機可對網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，使每個網(wǎng)段內(nèi)的節(jié)點之間數(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(fù)荷。交換機種類很多，我們用的最多的是西門子赫思曼、羅克韋爾自動化、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(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）其中一對線專門發(fā)送數(shù)據(jù)，另一對線專門接收數(shù)據(jù)，這樣的交換式全雙工的實時工業(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通訊的確實性和實時性又大大提高了一步。

    （5）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(yuǎn)程的取水泵站，取水頭部的I/O接點實現(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辦公自動化系統(tǒng)，所有現(xiàn)場測控系統(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、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，以高端的計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可以任意裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對多任務(wù)、高可靠性、低成本、體積小、功能強等有嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。也可以說是：嵌入到對象體系中的專用計算機系統(tǒng)，用來實現(xiàn)主站監(jiān)控系統(tǒng)對其他設(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，2010年是嵌入式Internet時代，這一時代將會產(chǎn)生比PC時代多成百上千倍的瘦服務(wù)器，能在Internet網(wǎng)上，自動、實時、方便、簡單地提供網(wǎng)上任何需要的這些信息的對象。嵌入式系統(tǒng)是實現(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時工業(yè)以太網(wǎng)（Real Time Ethernet, 簡稱RTE）

    水工業(yè)工程設(shè)計者，在新建和擴建的水處理工程中，再不能采用FCS現(xiàn)場總線了，必須用實時的工業(yè)以太網(wǎng)來構(gòu)建監(jiān)控中心和各個站級的控制網(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，各水處理的廠站級和同級監(jiān)控中心基本上都用實時工業(yè)以太網(wǎng)（RTE）+TCP/IP協(xié)議+Internet組建網(wǎng)站。

    目前水工業(yè)自動化控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜。對一個大的水處理工程，過去的DCS系統(tǒng)或FCS現(xiàn)場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，整個系統(tǒng)有更多的獨立的分散式控制功能器組成，數(shù)量巨大的傳感器、驅(qū)動機構(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，也只能對系統(tǒng)做些邊緣性的提高。所有PLC等控制器還是孤島獨立地控制，是個獨立的數(shù)據(jù)。

    目前世界上有十四種實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，打破了過去傳統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅冰，為真正科學(xué)的信息控制系統(tǒng)奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

目前最流行的六種實時工業(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)的實時性能，這些廠家做了大量的研發(fā)工作，實時響應(yīng)時間，都可以作到5～10ms或更低，與過去專門為工業(yè)現(xiàn)場的設(shè)備通訊設(shè)計的FCS現(xiàn)場總線差不多，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(biāo)準(zhǔn)，再不要像現(xiàn)場總線(FCS)那樣，在實際應(yīng)用中不知所措。

    事實上，廣大工程設(shè)計科技人員希望有這樣的實時工業(yè)以太網(wǎng)：對整個監(jiān)控系統(tǒng)來講，要有一個大家共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)化編程語言系統(tǒng)軟件設(shè)計平臺；在這個開發(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)試和安裝參數(shù)眾多的機械設(shè)備，特別是現(xiàn)場的PAC（或者是PLC OPEN和傳統(tǒng)的PLC）可編程自動控制器；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)場應(yīng)用。從該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下面所有的現(xiàn)場機械設(shè)備，也要兼容其他網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的所有現(xiàn)場機械設(shè)備；用戶是上帝，希望廣大實時工業(yè)以太網(wǎng)的廠商，盡快研究出具有上述要求的更簡單實用的新平臺。同時，每個廠商均能提供實時工業(yè)以太網(wǎng)的所有元器件和控制器。

    我國自主開發(fā)的EPA實時工業(yè)以太網(wǎng)，理論上是可行的，但配套的設(shè)備極不齊全，客戶難以在實際工程設(shè)計中采用。

    3.6 傳統(tǒng)的儀器儀表及檢測系統(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)場測控儀器儀表，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)域公司級和廠站級監(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，就是利用計算機強大的資源優(yōu)勢，是本來需要專用硬件實現(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瀏覽器上自動生成儀器驅(qū)動器代碼，可自動完成各種流程工業(yè)現(xiàn)場狀態(tài)的檢查、可自動診斷、可自動修改編程：可在強大的仿真功能支持下，不用連接實際儀器儀表，就可開發(fā)各種測試程序：更可貴的是，他可以結(jié)合專用集成電路(ASIC)優(yōu)點和計算機相結(jié)合的可重構(gòu)計算機，對大量的可編程邏輯單元陣列（FPGA）作出靈活的相應(yīng)配置，還可通過流水線級甚至任務(wù)級的并行計算機，使運行速度達(dá)通用計算機的數(shù)百倍以上；更可隨機按需要高速、遠(yuǎn)程聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)上各類儀器。

    基于實時工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的現(xiàn)場儀器儀表測控網(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。可以和所有的不同級別的計算機一樣，在網(wǎng)絡(luò)上是一個獨立的結(jié)點，可以自由的靈活的接入以太網(wǎng)任何一點，就是說，可以在以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上被任何一臺計算機訪問，實時的動態(tài)的在線監(jiān)測。

    TCP/IP協(xié)議嵌入現(xiàn)場儀器儀表上，以TCP/IP方式收發(fā)信號，徹底實現(xiàn)互操作性、開放性強的總線標(biāo)準(zhǔn)，以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)就是現(xiàn)場儀器儀表測試系統(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（乃至公司級的廣域網(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；增強了現(xiàn)場數(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)場測控系統(tǒng)將每臺網(wǎng)上計算機和各廠站級儀器儀表有機的聯(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，或者定期將測量結(jié)果送往遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)庫保存，需要時可隨時調(diào)用，即使身處異地的不同用戶也可同時對同一過程進(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(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(chǔ)的綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)。

    4 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實現(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)計中又是關(guān)聯(lián)整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，涉及到整個系統(tǒng)的全局性和根本性的問題。特別是眾多分散的廠站級現(xiàn)場網(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

    新型實用的工業(yè)以太網(wǎng)，可以使網(wǎng)絡(luò)延伸到自動化系統(tǒng)的最底層——各種水質(zhì)儀器儀表和現(xiàn)場設(shè)備，不僅能橫向整合現(xiàn)場信息資源，做到快速響應(yīng)，也能縱向整合現(xiàn)場信息與企業(yè)管理信息，建立全局性的自動化系統(tǒng)，以達(dá)到準(zhǔn)確診斷、及時調(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)層的運籌決策，能做到及時參與全球化的競爭要求。

    4.2 好的現(xiàn)場網(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)

    一個好的現(xiàn)場網(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，形成對本企業(yè)運營全面完整的精確描述。在上一級的監(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、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，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)揮其高精尖測控儀表的作用：就是因為沒有一個完全開放的好的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。

    生產(chǎn)過程控制參數(shù)的精確設(shè)定，生產(chǎn)實績、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)場網(wǎng)絡(luò)在線的無距離的精確的實現(xiàn)。這種最底層的控制網(wǎng)絡(luò)，就在現(xiàn)場控制層，它對應(yīng)控制系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

               

                          圖1 現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)概念結(jié)構(gòu)圖

    一個理想的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系，必須創(chuàng)建一個理想的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作基礎(chǔ)，才能支持和促進(jìn)本企業(yè)的基本要素生長發(fā)展的環(huán)境。

    4.3 好的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為實現(xiàn)本企業(yè)的”生命周期成本”開辟美好的前景

    每建一個水處理工程，對本企業(yè)的建設(shè)成本、維護(hù)運轉(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)。

    一個好的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)，才能為我們所追求的目標(biāo)鋪平道路。這個”生命周期成本”，對工程建設(shè)成本和長期運轉(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，最大限度的發(fā)揮現(xiàn)場設(shè)備的全部功能，就能帶來最低的維護(hù)運轉(zhuǎn)成本。一般來說，長期的運轉(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

    從事工程自動化設(shè)計的人員都很清楚，在上世紀(jì)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(xiàn)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：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機不斷智能化，軟件功能提高了，可執(zhí)行復(fù)雜工程的高級任務(wù)；PLC也不斷智能化，擴大了應(yīng)用范圍。在環(huán)境惡劣的工業(yè)現(xiàn)場，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，把數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上，在車間現(xiàn)場則采用很多的PLC來完成眾多的代碼控制。這些問題困擾了工程自動化設(shè)計者幾十年，用這種辦法建立的監(jiān)控系統(tǒng)，難度很大，故障頻發(fā)，費用昂貴，維護(hù)困難。信息縱橫不通，瓶頸問題到處存在，每個子系統(tǒng)都是一個孤島，信息資源不能共享。多年實踐經(jīng)驗證明，采用PC和PLC都不理想，只能是一對一，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，也只能采集到一點現(xiàn)場的信息。

    一個大中型的、復(fù)雜的給排水工程，要有一個自動控制、生產(chǎn)管理、運動控制、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統(tǒng)一的軟硬件平臺，真正解決各個現(xiàn)場的電控、儀器儀表測控、運動控制等多專業(yè)的功能性要求；要求為新建工程從工藝流程設(shè)計、設(shè)備設(shè)計及全場的自動化系統(tǒng)設(shè)計，調(diào)試投運、運行操作、業(yè)務(wù)管理、文化調(diào)度、供應(yīng)鏈管理、系統(tǒng)維護(hù)等各個環(huán)節(jié)提供統(tǒng)一平臺。
世界上幾個大的自動控制制造商，為了搶占市場，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)展的自動化市場需要。這個新產(chǎn)品，ARC ADVISORY GROUP 稱它為”可編程自動化控制器（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)，奧普圖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）具有一個能滿足多領(lǐng)域自動化系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)的統(tǒng)一的通用平臺，采用共用的變量標(biāo)簽（TAGGING）和統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫；
    （2）PAC平臺可集成多領(lǐng)域、多專業(yè)、多控制任務(wù)的功能，在同一個平臺上，可實現(xiàn)邏輯、順序、過程、運動、驅(qū)動、儀器儀表測量、數(shù)據(jù)采集和人機界面等功能；
    （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化環(huán)境；
    （4）允許OEM廠商和最終用戶在統(tǒng)一的平臺上設(shè)置多重控制應(yīng)用；
    （5）采用事實上的網(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，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，豐富的軟件功能，強大的數(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)的強大發(fā)展勢頭，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，就搶占了許多自動化監(jiān)控系統(tǒng)的市場，可以預(yù)計，在不久的將來，它一定會主導(dǎo)監(jiān)控系統(tǒng)的舞臺。

    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)、高端工控機技術(shù)、步進(jìn)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著工業(yè)自動化系統(tǒng)的不斷完善，縱觀國內(nèi)外水工業(yè)建設(shè)的經(jīng)驗教訓(xùn)，自動化監(jiān)控系統(tǒng)面臨著一場革新。

    采用Internet技術(shù)，使得集中型自動化系統(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自動化系統(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”機電一體化”。由于針對機械制造行業(yè)的特點，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)引起了一場革新，也波及水工業(yè)和其他行業(yè)，它沒有解決多機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，我國的自動化專家們，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(zhǔn)確傳輸?shù)年P(guān)鍵問題。很難想象，在一個控制系統(tǒng)中管理層不能及時正確的得到現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)時，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(jù)上面提到的”基因要素”和對自動化監(jiān)控系統(tǒng)的要求，自動化系統(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”。實現(xiàn)”信息控制一體化”的關(guān)鍵是現(xiàn)場控制層采用新型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，將多個控制系統(tǒng)的元素集中在一個平臺上，同時更多的考慮了與現(xiàn)場應(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)場層，企業(yè)系統(tǒng)內(nèi)外的其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成的時間減小到最小，就可在網(wǎng)絡(luò)上無距離的不間斷的溝通和交流。實際上，一個科學(xué)的水工業(yè)綜合自動化監(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)自動化系統(tǒng)的核心技術(shù)，開發(fā)新型的PAC可編程自動控制器，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。