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    國內近期建設的水廠所采用的自動化系統大都基于PLC。我們經過多年的探索和實踐，向大家推薦一套有較高性能價格比的自動化系統：美國OPTO 22（奧圖）公司基于工業現場總線的"前端分布式智能I/O系統"的解決方案。

(一)

    水廠的自動化系統，采用的結構一般都是以車間為單位設立子站，子站一般采用PLC，它們之間通過專用網絡聯接，網絡中心設備及廠級監控配置的PC放在水廠的中心監控室。這種連接方法的一個缺點是現場的I/O信號線還是要集中拉到PLC子站處，信號電纜經長距離并大量集中在一起，不但大大增加了信號電纜布線的工程量，而且使信號受到干擾的可能性加大，以后系統維護的工作量也相應增大。現在有的PLC系統也在子站PLC下再接一層子PLC，但這種缺點還是沒有完全克服。

    我們推薦的方案是采用三層的結構方式。首先在水廠廠區范圍內布置一套以太網，用于車間子站與中心監控站及其它子站的通訊。當今世界上網絡采用以太網的占了絕大多數，以太網的技術飛速發展，已從前幾年的10M發展到100M甚至1000M，而且價格也下降得很快。在水廠采用以太網結構，不僅能緊跟世界科技發展的潮流，而且具有很好的性能價格比，與水司的辦公自動化網絡能很好結合。以太網可以采用的介質有細纜、粗纜、雙絞線或光纖，我們建議使用光纖，因為光纖的抗干擾性卓越、通訊距離長以及升級的方便。

    方案以車間為單位設立子站，配置PC連接底層I/O，監控子站范圍內的儀表設備的運行及生產過程，并負責與廠級上位機的通訊，還可以通過網絡觀察其它子站的情況。子站的底層I/O采用基于工業現場總線方式的“前端分布式智能I/O系統”，通過工業現場網絡(通常是采用RS-485串行通訊協議的一對雙絞線)將前端I/O單元分散到工業現場的設備或儀表附近，這樣不但大大地削減了現場到I/O之間一一對應的連接導線，節約了自控系統的安裝費用，將信號受干擾的可能性降至最低，還使用戶在以后的維護、擴展都十分方便。

    美國OPTO 22公司的OPTOMUX、MISTIC及SNAP I/O系統就是這樣典型的“前端分布式智能I/O系統”，子站PC通過一條雙絞線用串行通訊RS-485方式連接多個OPTO SNAP控制器(連接的方式還可以采用ETHERNET、ARCNET網絡通訊方式)；SNAP的控制器再通過一條雙絞線RS-485與分布在現場的諸多前端分布式智能I/O單元相連(連接的方式同樣還可以采用ETHERNET、ARCNET網絡通訊方式)；前端分布式智能I/O單元(以下簡稱‘前端I/O單元’)是由一個帶處理器的I/O接口板加一個模塊安裝底板構成，底板上可根據需要插上各式各樣的I/O模塊。

    SNAP-LCSX控制器的CPU為32位的Motorola 68EC020芯片，CPU的時鐘頻率為16.67MHz；SNAP-LCM4控制器的CPU為32位的Motorola 68030芯片，帶有IEEE浮點協處理器，CPU的時鐘頻率為33MHz。前端I/O單元和處理器負責對I/O進行以微秒為時間單位的掃描和檢測，能進行高達20KHz的調整計數、能分辨小到100微秒寬的脈沖寬度；執行模擬量輸入輸出、工程單位的轉換，PID控制，測量數據的累計、平均、檢測最大和最小值等功能(例如熱電偶的輸入，首先自動進行線性化，再轉換成攝氏度或華氏度，再提供給上位SNAP控制器)；對偶發事件有對上位控制器中斷的功能。前端I/O單元執行I/O掃描和其它功能時，并不消耗SNAP控制器的時間，使上位控制器能更有效地完成監控程序運行、響應中斷等任務。

(二)

    相對于PLC而言，OPTO 22解決方案的主要特點是前端分布式智能I/O。通過一條雙絞線以RS-485的串行通訊，就可以將前端I/O單元分散到工業現場的設備或儀表附近。前端I/O單元的I/O模塊是單點單通道的，任何一點的失效，都不影響系統及其它I/O，而且I/O模塊可進行帶電拔插，I/O接口板也可帶電拔插，因此在更換它們時無需斷電停機，進一步提高了系統的可維護性。在前端I/O單元的模塊安裝底板上，開關量(DI、DO)和模擬量(AI、AO)模塊可以混裝，使得可根據不同現場的不同信號需求進行靈活而貼切的配置，進一步降低成本。

   OPTO 22的I/O模塊有多種量程范圍、多種類型，從2.5VDC到280VAC/VDC的開關量輸入/輸出，有標準的4-20mA的電流環輸入/輸出，也有10VDC輸入/輸出，各種熱電阻、電偶輸入等，可以根據現場信號的類型選取，大大減少了變送器或繼電器等中間環節，既可節省一筆費用，還增加了系統的精度和可靠性。OPTO 22的I/O采用獨立全密封封裝的固態模塊，帶有4000伏VDC的光電隔離，可把現場的任何干擾都隔離掉；可抵御很強的震動和沖擊；可工作在-25°C到75°C的溫度范圍內，在全密封、無通風或風扇散熱的環境中長期正常地工作。I/O和上一級控制器的連接采用了RS-485現場總線串行通訊標準，對模擬量的傳輸由于經過了D/A、A/D轉換，通信線路上走的是數字信號，不但能提高測量和控制的精度，還增加了抗干擾能力。而且OPTO 22的各種產品的MTTF(平均無故障操作時間)都相當高：控制器的MTTF是37萬小時；I/O接口板是140萬小時；模擬輸入、輸出模塊是296萬小時；開關量輸入模塊是378萬小時；開關量輸出模塊是592萬小時。所有這些都保證了系統的長期穩定、可靠地運行。

    如前(一)中所述，OPTO 22分布式智能I/O采用了兩級處理器；SNAP控制器執行監控程序運行、響應中斷等任務；前端I/O單元的處理器執行I/O掃描和其它功能，實現了兩級并行處理的、先進的工作方式。而在PLC中采用的是一級處理器---PLC的CPU單元，它首先必須順序掃描所有輸入點，運行監控程序，再進行輸出，它只是一個順序控制器；對各種量程的轉換需附加變送器，才能輸入到PLC中；對模擬量的處理需要在CPU單元中進行。這樣當PLC的I/O點數和要處理的功能多一點的話，PLC的中央處理器的檔次就要升得很高了。當然，有的PLC可配置專用單元進行量程的轉換和模擬量的處理，而這種專用單元通常是昂貴的。

    PID控制是工業控制中最基礎、也是用得最廣泛的一種控制方法，它具有較復雜的模型、要求快速的運算。在OPTO 22系統中，PID控制是放在前端I/O單元上，由其處理器執行，無須上位的SNAP控制器參與。假如PID控制增加較多，只需增加與之相對應的前端I/O單元(一個前端I/O單元能單獨控制8個PID回路)。OPTO 22系統的先進性由此也可見一斑。

    OPTO 22系統開放性強，它支持諸如Paragon、Fix、Intouch等流行的監控軟件開發平臺，同時也有自己的、功能相當的監控軟件開發平臺-----FactoryFloor。OPTO 22的SNAP控制器本身帶有RS-232和RS-485串行接口，十分便于與智能化儀表、設備的連接。

    FactoryFloor的編程環境是基本于Microsoft Windows平臺，采用直觀的流程圖填表方式的組態軟件，對串行口通訊的ASCII碼等通訊功能和一些復雜的算法，很容易就能完成。而且在OPTO 22較低級的控制器上開發的應用軟件，可以直接裝載到高級的控制器上運行，因此，系統擴充與升級非常容易。OPTO 22公司在SNAP的基礎上又推出了(在世界范圍內的工業控制領域中還是第一次)使用以太網和“TCP/IP”協議方式通訊的I/O系統。通過網絡與上位機進行高速的數據通訊，甚至通過Internet也可以I/O進行監控。

(三)

    在介紹了OPTO 22系統的特點后，很自然會關注一個問題：它的價格？相對PLC而言OPTO 22在價格上也比較便宜。以下是OPTO 22與三家著名PLC廠家的價格比較：以1998年10月美國本土的公開報價為基礎配置64個開關量、20個模擬量、2個串行口為例 ---- MODICON的“COMPACT 984”為US$10,472(其中硬件價格為US$8,141)；SEIMENS的“S7-300”為US$13,121(其中硬件價格為US$6,131)；ALLEN-BRADLEY的“SLC-504”為US$15，840（其中硬件價格為US$10，840）OPTO 22的“SNAP”為US$5,188(其中硬件價格為US$4,839)。除了MODICON的I/O提供十八個月的保修期外，其它兩家都只提供一年的保修期，而OPTO 22的I/O模塊則提供終身保用。從軟件費用看，FactoryFloor的基本價格為US$349，每安裝一臺PC增加US$90的費用。這樣，一個水廠的自控系統花在監控軟件開發平臺方面的費用通常不會超過US$1500。總之，OPTO 22是一套性能價格比非常優秀的自控系統。

應用實例
★ 深圳市大涌水廠
★ 深圳市東湖水廠