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陳運(yùn)珍

1  廠站級(jí)綜合自動(dòng)化面臨新的挑戰(zhàn)

    21世紀(jì)是計(jì)算機(jī)，數(shù)字化，網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代。自來(lái)水和排污水的流程企業(yè)是城鎮(zhèn)建設(shè)的基礎(chǔ)，供水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)都越來(lái)越復(fù)雜，泵站越來(lái)越多，管網(wǎng)象蜘蛛網(wǎng)一樣遍布城鄉(xiāng)各個(gè)角落。新老泵站自動(dòng)化水平差別越來(lái)越大。國(guó)務(wù)院撥巨資來(lái)發(fā)展水工業(yè)各領(lǐng)域（源水系統(tǒng)、自來(lái)水系統(tǒng)和排污水系統(tǒng)）的基礎(chǔ)設(shè)施。建什么樣的廠站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)將面臨巨大的挑戰(zhàn)。

2．廠站級(jí)流程企業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展歷程和展望

2.1  發(fā)展歷程

    近40年來(lái)，筆者參與了許多大中小型的給排水污水廠站的電氣與自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)項(xiàng)目，研究了國(guó)內(nèi)外大中小型廠站級(jí)監(jiān)控技術(shù)運(yùn)行工況。我國(guó)給排水系統(tǒng)廠站級(jí)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展也跟石化、電力鋼鐵等領(lǐng)域一樣，經(jīng)歷了幾次重大的技術(shù)變革。

    上世紀(jì)80年代初的監(jiān)控系統(tǒng)，以分立元件、集成電路（低級(jí)）為主，系統(tǒng)功能簡(jiǎn)單，均手動(dòng)按鈕操作。執(zhí)行器、變送器、一次儀表笨重粗大，功能低下，價(jià)格昂貴，其系統(tǒng)構(gòu)成卻非常復(fù)雜。

    上世紀(jì)90年代初，出現(xiàn)了PC計(jì)算機(jī)，WINDOWS操作系統(tǒng)，PLC可編程控制器，顯示圖形功能低下的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)。

    近幾年來(lái)，由于計(jì)算機(jī)、通訊、網(wǎng)絡(luò)高新技術(shù)的迅速發(fā)展，水工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)也發(fā)展到了新一代的水平。

    隨著水工藝流程由簡(jiǎn)單過(guò)程向大型化、連續(xù)化、復(fù)雜化方向發(fā)展，控制系統(tǒng)由簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)（如PID、串級(jí)、比值、前饋、后饋等）發(fā)展到先進(jìn)控制系統(tǒng)（如多變量來(lái)水預(yù)測(cè)、神經(jīng)元、模糊、魯棒等控制）和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)（生產(chǎn)流程控制、管理、決策一體化）。以計(jì)算機(jī)為主的控制系統(tǒng)也經(jīng)歷了DDC（Direct Digital Control，單機(jī)控制系統(tǒng)），DCS（Distributed Control System，集散控制系統(tǒng)），PLC控制系統(tǒng)，FCS（Fieldbus Control System，現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）和Internet（以太網(wǎng)+TCP/IP）的四個(gè)發(fā)展階段。

2.2  DCS、FCS系統(tǒng)的不足

    國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）歷時(shí)12年，于2000年1月才正式公布了IEC61158現(xiàn)場(chǎng)總線全部技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由于妥協(xié)了各大公司的既得利益，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一。在此標(biāo)準(zhǔn)中容納了8種互不兼容的通信協(xié)議。其開(kāi)放性全分散控制仍存在許多問(wèn)題，有許多廠商不提供真正的開(kāi)放平臺(tái)。現(xiàn)場(chǎng)總線普遍采用的主從式層次的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到主控器的數(shù)據(jù)傳輸，必需經(jīng)過(guò)不同CPU和驅(qū)動(dòng)軟件，結(jié)果是傳輸速度慢，缺乏透明度，軟件和維修費(fèi)用高，控制器之間的垂直和水平通信非常困難，所有控制器是“孤島”，獨(dú)立于Internet之外，無(wú)法集成。FCS總線存在瓶頸問(wèn)題。

    近十年來(lái)，FCS現(xiàn)場(chǎng)控制總線系統(tǒng)大量涌進(jìn)水工業(yè)各領(lǐng)域。FCS系統(tǒng)具有數(shù)字化，分散控制等特點(diǎn)，采用一對(duì)N的連接方式，可省去大量的AI/AO、DI/DO、PI/PO中間模板，用數(shù)字信號(hào)代替模擬信號(hào)，在一根雙絞線或一條電纜上可掛接多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，節(jié)省了硬件投資和安裝費(fèi)用，系統(tǒng)成本降低，一度被認(rèn)為是未來(lái)控制系統(tǒng)的主要潮流。

    FCS現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)對(duì)DCS控制系統(tǒng)無(wú)疑是一種重大挑戰(zhàn)。但是，FCS的功能模塊比DCS少；DCS靈活方便和豐富的組態(tài)功能，也比FCS強(qiáng)；在開(kāi)關(guān)量與模擬量控制并存，相互關(guān)系十分密切的控制系統(tǒng)中，采用FCS就不方便了。

    過(guò)去25年來(lái)，除北京、深圳、廣州、上海、長(zhǎng)春、成都外，還有許多大中小型城市的自來(lái)水公司，源水公司或排污水公司都先后用貸款和BOT等方式建立了先進(jìn)一時(shí)的SCADA系統(tǒng)。它們的功能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)的初衷。

?  不能對(duì)過(guò)程變量進(jìn)行預(yù)測(cè)，趨勢(shì)顯示和記錄；

?  許多關(guān)鍵裝置不能進(jìn)行遠(yuǎn)控；

?  不能對(duì)調(diào)度工程師感興趣的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；

?  人機(jī)界面不夠友好，網(wǎng)絡(luò)功能差，不能進(jìn)行多媒體服務(wù)；

?  系統(tǒng)對(duì)外通訊能力有限，開(kāi)放性差，一般沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)信息功能；

?  擴(kuò)展性差，雖有雙機(jī)熱備，但冗余性能差。

2.3  用交換式以太網(wǎng)和TCP/IP協(xié)議來(lái)組建廠站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

    工業(yè)以太網(wǎng)是當(dāng)今信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的局域網(wǎng)。流程企業(yè)控制領(lǐng)域需要一種高速價(jià)廉，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，開(kāi)放性好，可靠性高，e網(wǎng)到底的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

    工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)中，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與交換機(jī)端口采用全雙工通信線路，交換機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了多對(duì)端口之間的并行交換，這樣，徹底擺脫了CSMA/CD的限制，提高了信息傳遞的確定性和實(shí)時(shí)性。交換式以太網(wǎng)具有傳輸帶寬高，網(wǎng)絡(luò)容量大，組網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，還支持虛擬網(wǎng)絡(luò)，從而降低組網(wǎng)成本并提高網(wǎng)絡(luò)靈活性。以太網(wǎng)電纜由早期的粗銅軸電纜發(fā)展到現(xiàn)在的雙絞線電纜和光纜，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度和抗干擾的能力，同時(shí)成本也大大降低了。

    工業(yè)以太網(wǎng)與DCS，FCS等控制網(wǎng)絡(luò)相比還具有下列優(yōu)勢(shì)。

    (1)  開(kāi)放性好。幾乎所有的編程語(yǔ)言都支持以太網(wǎng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。以太網(wǎng)遵循的是IEEE802.3及IEEE802.3U系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，是最具有開(kāi)放性的網(wǎng)絡(luò)，其軟硬件資源非常豐富。

    (2)  集成度高。基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，一方面可實(shí)現(xiàn)本地工控系統(tǒng)縱向的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控級(jí)在內(nèi)的無(wú)縫集成；另一方面能方便地實(shí)現(xiàn)與Internet（也遵循TCP/IP協(xié)議）互連。

    (3)  高帶寬。FCS現(xiàn)場(chǎng)總線一般傳輸速率為幾十Kbit/s至1～2Mbit/s，以太網(wǎng)的最低帶寬都為10Mbit/s，100Mbit/s和千兆快速交換機(jī)已非常成熟了。現(xiàn)在，萬(wàn)兆快速交換機(jī)也已經(jīng)問(wèn)世和運(yùn)用了。

    由于自來(lái)水公司和排污水公司的廠站越建越多，隨著大量現(xiàn)場(chǎng)儀表智能化的迅速發(fā)展，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量將大大增加，未來(lái)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)可能不再滿(mǎn)足于幾個(gè)字節(jié)，甚至可能是網(wǎng)頁(yè)，網(wǎng)絡(luò)傳輸信息的高速度在水工業(yè)流程企業(yè)中將越來(lái)越重要。以太網(wǎng)的高帶寬完全可以滿(mǎn)足給排水系統(tǒng)各個(gè)層次網(wǎng)絡(luò)的要求。

    (4)  以太網(wǎng)成本低廉。組網(wǎng)成本下降，FF等現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)卡要1萬(wàn)多美元一個(gè)，而以太網(wǎng)卡只有20美元以下。

    (5)  可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟆Ｒ蕴W(wǎng)能實(shí)現(xiàn)與管網(wǎng)GIS系統(tǒng)及遠(yuǎn)程的取水廠站或井群監(jiān)控的