創建智能監控的水工業遠程綜合自動化系統架構

北京市市政工程設計研究總院 陳運珍

1 概述

1.1 中國水工業現場儀器儀表測控系統

水工業的儀器儀表測控系統包括敏感元件。 記錄顯示、傳感器、變送器、執行器等若干單元：大體經歷了五個發展階段：從指針式發展到分立式，第三代是集成電路芯片為基礎的數字儀器，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、虛擬技術、嵌入式技術、信息處理技術、數字化技術、網絡技術、微細精加工技術、各種高精尖的電子元器件不斷涌現，第五代功能強大的儀器儀表測試設備正在茁壯成長。

每個供水、排水、污水處理、中水處理、源水輸送等流程企業，有各種電量、電壓、電流、電度等參數要在線監測，大量的水泵機組、變頻器、軟啟動器、各種閥門、水質各種參數如流量、水溫、余氯、水流速度、水流方向、濁度、各個構筑物的水位也要在線監測，水量預測、加藥系統的閉環監控、加氨、加氯、加礬、臭氧消毒等等現場設備。拿一個污水處理廠來說，在線監測的水質參數也很多：有進出水的濁度、溶解氧、溫度、電導率、生化需氧量、化學需氧量、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、鼓風氧曝、潷水裝置等現場設備要參于監控。

現在絕大多數的給水排水的工程都是十幾年前興建的項目，所有現場的光、機、電、氣、儀器儀表、傳感器、變送器、執行器、驅動器都面臨更新換代的問題。

1.2 中國水工業監控系統現狀分析

傳統的水工業工藝流程是以土木型構筑物為主的，設備的程度極低。上世紀七十年代水工業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。水質參數、水量調節、鼓風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，水廠單元的環節控制有了很大的發展。我主持設計的北京市第九水廠采用了日本橫河的Μxl控制系統，也采用了混凝投藥的單元環節控制，以計算機為核心的自動控制取得了重要進展，對一些重要參數可以在線采集;與此同時全國各大城市的水工業，引進了世界上比較先進的自動化控制技術，如水量預測、自動加藥、鼓風曝氣、臭氧處理、dcs、fcs等控制技術取得了很大的成功。

上世紀九十年代初我主持設計了北京市、深圳市自來水公司的大城市供水調度和深圳源水輸送調度的廣域網絡遠程自動化計算機監控系統，部分數據可以在線的實時監測；但是，當時條件所限，許多水質參數還不能在線監測，如硝基苯、藻毒類等各種細菌和病菌的參數無法在線監測，信息孤島嚴重，設計思想，無法實現。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場環境下運轉、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解決不了實際問題，達不到設計的實際預期效果，只能束之高閣，造成巨大的浪費，教訓是極其深刻的。

2 現代水工業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現代化的基本概念與功能要素。

? 現代化水工業的基本概念：各大城市及各工礦企業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，生產模式要柔性化，才能適應一年四季供水需求；供需能力國際化，不斷地節省成本，不斷創新最佳經濟績效，水量研發標準化，適應水量制造周期日益縮短的趨勢；競爭優勢聯盟化，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必須具有三個功能要素：要有極強的應變能力：自動化集成要支持水工藝流程中核心技術的形成能力；系統要支持對風險的應對能力。還要有極快的應變速度：一個水企業，最上層的ERP系統和最底層的PCS的過程監控系統要同步建設，對市場變化要做到實時同步的快速響應；要加強信息網絡建設，使中間環節的MES的產品制造執行層具有快速實時同步響應能力；對水質或因一些突然事件發生巨大變化時，系統對異常情況的對策要有同步應變的快速性。三是要有極好的求知力度:經濟全球化后，市場競爭是非常激烈的；水廠主管領導，對市場變化毫不知情，對供應鏈知識一無所有，企業就沒有生存的能力。總之，現代化的遠程自動化監控系統，要有極強的數據與信息資源的傳輸和應用能力；要有極強的數據資源的提煉能力和模型轉化能力。

3 創建科學的實用的水工業綜合自動化系統

40多年來，作者參加了幾十項大中型的給水排水處理工程中電氣與自控方面的設計任務和評審評標工作；承擔過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；多次組織國內外高層技術專家深入研討水工業自動化的相關問題。作者認真研究了20多年來國內外大中小型流程自動化建設的成功經驗和失敗的教訓，一個實用的科學的水工業遠程綜合自動化監控系統應該是：必須有一個全數字化的儀器儀表等現場測控系統; 必須有一個功能強大的現場可編程自動化控制器；必須有一個功能強大的監控組態軟件平臺和有本企業特色的先進控制技術;必須有一個功能強大的實時數據庫;必須有一個好的廠級監控網絡。這些,都是所有水工業自動化集成必須同步解決的核心技術問題。只有這樣，水工業才能安全軟著陸到云控制時代。

3.1 現場機、電、儀、執行器等設備要盡快虛擬化、智能化、多功能化和網絡化

錢學森說過：“新技術革命的關鍵技術就是信息技術，信息技術由測量技術、計算機技術、通訊技術三部分組成，測量技術則是關鍵和基礎”。水工業車間的現場層設備是自動化系統的最底層，有傳感器、變送器、啟動器、驅動裝置、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場設備。現場設備是綜合自動化的基石，是源頭。

3.1.1 現場儀器儀表、光、機、電、氣等一切設備要盡快智能化

實踐證明：傳統的各種水質傳感器、變送器、執行機構、體積大、功能弱、單一性、硬件化，無法滿足網絡監控的要求。由于微機系統（MEMS）、超大規模集成（VLSI）新器件、多芯片模塊（MCM）、圓片規模集成（WSI）等大量涌現，采用更加精密的微控技術、微加工技術、微光源等技術，使儀器儀表產品體積更小，精度更提高，產品更加豐富。

傳統的水企業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用系統的檢測方案，對信息進行處理、分析和調節，對信息誤差進行補償，進行邏輯思考和結論判斷；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混合檢測，智能化傳感器具有網絡數字化通信接口，將所測到數據域發送給遠程監控中心。

3.1.2 現場儀器儀表、光、機、電、氣等一切設備要盡快虛擬化

1985年美國NI公司正式推出Labview 版本的虛擬儀器技術，由硬件的軟件化，軟件的模塊化而產生的虛擬儀器。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造性，為水工業用戶更大規模的擴展、創新的應用創造了條件。20多年來Labview的技術在很多水的項目中選用，自動化水平提高了。技術更先進，功能更強大，應用范圍更廣的Labview8.5版本也問世兩年多了。西門子、羅克韋爾等著名公司也相繼推出了功能很強的虛擬儀器產品。

近年來，隨著INTERNET和嵌入式技術的迅猛發展，又產生了新一代的網絡化虛擬儀器。虛擬技術是水質參數在線監測的高效解決方案。水質的在線即時監測是很困難的，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參數的儀器功能，精度指標都集成在一個軟件庫中。通過I/O接口，完成眾多復雜系統的功能，根據水量和水質的變化參數，可在線的及時修改編程，進行二次開發；構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，并可減少許多要引進的昂貴的水質分析儀器。前五年，某污水處理廠采用美國Labview5.1的圖形化編程軟件，同時對氟離子、氯離子、氫離子、溶解氧進出水濁度等眾多參數進行監測,效果良好。

3.1.3 現場儀器儀表、光、機、電、氣等一切設備要盡快網絡化

網絡化的測量環境將網上每臺計算機和各個現場的儀器儀表有機地聯系在一起。數以萬計的各種性質的海量的信息數據都傳送到系統網絡的實時數據庫（SQL）服務器，進行分析、處理、運算，通過現場實時工業以太網和因特網，網上任意地點的計算機都可以從數據庫中讀取網上的任何一組儀器儀表的測量數據值，就可以進行遠程測量和控制，總監控中心能対遠端井群或閥門，實現真正意義上的分布式的“E網到底”的網絡監控。如某市水務集團公司，對眾多調速水泵機組調速，在網上要快速檢測大量的數據并快速計算分析處理，現場機組接到指令變速運行，達到優化運行。

3.1.4 現場儀器儀表、光、機、電、氣等一切設備要盡快多功能化

現代的現場數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, 方便了用戶，大大節約了成本，也大大提高了可靠性。由于完全模塊化，數字完全開放的儀器儀表，人們很難區分是儀器還是儀表，或是測試系統設備。像水廠中低壓系統各種電量的網上在線監測,原先要幾十套由傳感器變送器組成，現在只要幾套就行了。現場設備可以統一組態，水務總公司集控室的操作員能夠一目了然的了解現場設備的工作情況，可以對系統進行遠程的參數調整，達到最優化控制，對系統進行的故障診斷，可以實現真正意義上的遠程廣域網絡監控。

3.2 創建全集成的水工業遠程綜合自動化架構

一個大中城市的水務集團旗下，上水、污水、供水的泵站多達幾百座，廠站多達幾十座，上下水管網更是星羅棋布在全市的所有角落，各種電、氣、儀、驅動器、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。對分布在江河湖泊、崇山峻嶺的井群管道的數據采集和網絡監控，架設電纜異常困難，采用無線傳感器網絡，就非常容易。

當今水工業遠程綜合自動化的體系結構應涵蓋著從底層的流程企業自動化到公司級的管理自動化：從自動化控制和生態管理到企業全方位管理的信息數據要全集成，再不是過去PLC、DCS和FCS現場總線的自動化孤島；將所有底層現場的電氣控制、過程控制、運動控制,和數以萬計的儀器儀表測試系統都要高度的有機的融合在綜合自動化網絡上；而公司頂級部門面對客戶市場的ERP系統，它涵蓋從生產到采購、從庫存到銷售、從流程自動化到市場供應鏈,以及財務人事等廣泛的業務領域，其功能和信息數據都要快速高效的融合集成，這中間MES系統起著承上啟下的橋梁作用。

開放，就意味著在網絡上能數據資源共享、互連互通和互操作。遠程綜合自動化集成架構,就是將工程中工藝、機械、電氣、儀器儀表測控系統等現場設備、監控組態軟件、通信網絡、計劃管理、生產制造執行、商務供應鏈、財務人事、領導決策等各種有線無線的異抅網絡都要進行同步設計,做到有機的整合集成，謀求實現最佳經濟效益。什么是水工業真實可用的遠程綜合自動化系統集成架構？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節，通過單一而又統一的平臺來進行工程設計和組態、可視化、控制、生產管理和調度、資產設備管理；具有良好的可擴展能力、可滿足小規模的單元控制、中規模的區域控制和大規模的全廠控制的各種要求；它具有公共的工程環境、統一的通信框架、建立在工業標準的基礎上等幾個關鍵特征。”這就是ARC提出的協同過程自動化系統CPAS（Collaborative Process Automation System）。如圖1所示。

圖1 CPAS系統示意圖

CPAS系統正是水流程企業實現ERP/MES/PCS三層結構的一種理想的優化解決方案。用一個統一的軟硬件平臺提供全廠的控制功能；用一個統一的工程設計和監控組態軟件，解決所有車間的電控、儀控、各種閥門執行機構和啟動裝置、HMI、SCADA的設計和組態，以及開車調試、運行管理、安全保障、在線的系統診斷等工程的一切需要。一個水流程企業自動化靈不靈，關鍵是信息傳遞靈不靈。正是在實時信息數據快速交換的關鍵問題上，CPAS在三層結構中提出的解決信息同步交換的問題，解決了經營管理、生產管理、生產制造之間的閉環控制，使電子商務和市場供應鏈與工廠流程監控協同作戰。追求最佳的績效，這就是CPAS的理念。

實時數據庫是MES的核心，是水企業實現遠程自動化的心臟，也是將來云控制系統中水工業私有云的心臟。水工藝流程中大量的實時數據要進行統一的存儲、分析、運算、處理和管理，能為客戶提供開放的二次開發平臺接口，來提升企業功能，不斷的與時俱進的提高生產效率，也能發布到其它關系數據庫，提供MES、ERP系統所用，幫助企業決策管理。

監控組態軟件和先進控制軟件是水企業綜合自動化的重要支柱，就像人的大腦一樣。監控組態軟件的發展極為神速。一個高效的水企業綜合自動化系統監控組態要智能化，功能要網絡化及實時化和WED模塊化，接口要標準化，同時要兼容多種操作系統，要求將監控組態軟件嵌入到信息化平臺上，實現信息化的集成，實現數據分析與管理決策的統一。監控組態軟件將進一步向開放化、標準化、信息化、系統化和上下兩端發展，成為工廠信息化的核心技術。

前幾年某自來水公司，為了提高運行可靠性，增強系統的靈活性，選用了美國GE-Fanuc公司的FIX工業組態軟件和美國Wondeware公司的INTOUCH工業組態軟件，建立了統一的實時數據庫，有很高的可靠性又方便二次開發，也有很高的擴展能力，取得了很好的經濟效益。

某大型的傳統水廠改造時，選用SIMATIC IT MES來創建全水廠的生產信息系統。它的軟件包括兩種軟件：HISTORIAN實時數據庫和REPORT MANAGER軟件，數據庫可實現全水廠的海量信息的實時數據的采集、處理、存儲和提取，可提供OPC服務，也可提供Web服務和其它服務，是一個典型的自動化集成架構，有靈活的模塊化組件，有很好的開放性，通過標準接口能與第三方軟件交互，客戶可增加其它模塊，不斷完善MES系統的功能。操作工程師，可不用編寫代碼，主要精力可放在生產需求的分析和業務流程管理的優化控制上。

3.3 現場要選用PAC可編程自動化控制器

我認真分析總結了我國二十年來新建和擴建的給排水流程企業，有的選用早期的PLC和早期的現場總線，有的采用了先進的控制軟件卻運轉不靈，有的花巨資引進的水質監測儀器儀表，也只有顯示功能，不能參加優化監控，有的選用了早期的以太網，但是數據不能傳遞，還是處于“信息孤島”狀態。所以，要重新審視我們的思路存在什么問題，在當今大好的形勢下，如何站在經濟全球化的起點上，創建新型的現場監控系統，讓現場的設備1+1>>2。

3.3.1 傳統PLC及IPC存在的問題

傳統的PLC數據采集不靈，上下難以交流；傳統的IPC靈活性差、處理能力不強、在環境惡劣現場，其穩定性和可靠性就更差，沒有網絡控制功能。

3.3.2 流程企業自動化集成的迅速發展，催生了PAC可編程自動化控制器

作為ERP/MES/PCS三層架構中的現場底層，原先是PLC為主體，現在的工程設計時，現場應選用新的PAC。PAC保持了PLC的編程方式和特點，具有很高的可靠性和穩定性；PAC又具有IPC的硬實時操作系統，具有強大的運算和聯網功能，編程更加簡化，更容易實現水工業流程中獨特的預估、加藥、加氯、氧曝等閉環的先進控制；PAC是一個軟邏輯結構，有極大容量的存儲能力，并有掉電保護的功能；PAC有標準的網絡接口，能方便的與其他品牌的PLC、計算機、網絡、各種分析儀器、現場所有的電、氣、儀、機等設備聯網通信；PAC的數據測試是海量的，能對應復雜的有幾百個I/O節點，甚至更多的I/O節點；PAC的性價比高，成本更低；PAC采用了事實上的網絡接口、編程語言、安全監控等各種工業標準，與異型異構的網絡進行快速的數據交換，數據共享，使遠程監控有了堅實的底層基礎；PAC采用模塊化的軟件結構可任意增加和裁減，非常適合水工業各種規模的流程的運轉控制，極便于二次開發；PAC具有統一的軟硬件開發平臺，能滿足多專業、多速率、多循環、多任務的非線性操作運行的控制要求；操作工程師可通過網上的任一臺計算機的Web窗口獲取各站最底層的所有數據信息，并能在線的進行系統診斷，尋找故障所在；與傳統的自動化設備相比，應該說PAC是實現ERP/MES/PCS三層自動化架構的最好的幫手，能幫助企業搶占更多的市場份額。PAC定是今后現場控制器的主流產品。

3.4 現場監控網絡必須選用實時工業以太網RTE（Rea l Tim e Eth e rne t, RTE ）

眾所周知，FCS現場總線,使用方便、診斷功能強，比DCS系統更經濟和自動化，數字化和開放性是它的最大的亮點。但是，FCS現場總線不能完成大數量的數據傳輸，較多采用主/從控制方式，不容易實現控制系統傳輸要求，各大廠家開發的軟件技術互不兼容，無法實現總線并構，變成一個又一個的“孤島”。

實時工業以太網比FCS現場總線，除了上面提到的以外，還具有一系列的優勢：

? 采用公認的TCP/IP通訊協議，現場層就極易與I nternet連接。

? 隨著快速以太網和變換式以太網的迅猛發展，其通訊速率一再提高，從10Mb/s,100Mb/s增加到今天的1000Mb/s,10Gb/s。這是FCS系統無法比擬的優勢，大大提高了網絡控制的確定性和可靠性問題。

? 功能強大的交換機可將網絡細分為若干個網段，使本地數據傳輸不占其它網段的帶寬，從而大大降低了所有網段和主干網的網絡負荷。

? 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通訊的確定性和實時性又大大提高了一步。終端采用無線傳感器網絡或采用遠程I/O接口就更好與主站聯網了。

? 實時工業以太網可持續發展的潛力巨大。監控主站計算機，通過Internet能實現管網GIS地理監控系統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上鏈接的其他地方，進行修改整合或監控管理。

今天，實時工業以太網技術在國外和國內水行業中也得到了廣泛的應用，它的多主站、通用性、可以同時采用不同速率來傳輸大數量數據信息正好補充了各種FCS現場總線的不足。

目前流行的實時工業以太網有：PROFINET、EtherCAT、Ethernet、Power link、EPA、和Etherner/IP等。EPA配套產品極少，難以組成一個系統。為了提高網絡的實時性能，這些廠家做了大量的研發工程，實時響應時間，都可以作到5～10ms或更低，滿足了水工業處理流程的需要，但是對于加藥系統精度響應時間的運動控制系統，最好是近百個節點控制響應時間小于1ms左右，而抖動誤差要小于1μs左右。這六種實時工業以太網，各自有它們自己的專利技術。但是，對廣大工程設計人員來說，還是希望有一個比較實用的公共標準，再不要像現場總線(FCS)那樣，在實際應用中不知所措。

總之，一個實用的現代化的水工業遠程綜合自動化監控系統的最科學最合理的架構是：對整個監控系統來講，只選用一種實時工業以太網，有一個共同遵守的標準化編程語言系統軟件設計平臺；在這個實時工業以太網開發平臺上，只需要一個公共的變量定義和一個存放所有參數的實時數據庫，這個統一的實時數據庫是MES的核心設備，只有功能強大的實時數據庫，才能在線實時采集流程過程中的實時數據，才能進行統一的存儲與管理，才能進行運算分析和處理，才能在線提供開放的二次開發的數據信息資料，才能在線提供ERP和PCS系統中需要的準確數據，使決策部門根據供應鏈采集到的電子商務行情，及時修改生產計劃，通過MES系統將信息垂直的快速的傳達到最底層的PCS生產執行系統，真正提高生產效率，大大加快企業的應變能力，也就大大加強了企業的競爭力。這種標準軟件編程技術，能同時開發多主站和多終端的所有設備，也能同時調試和安裝眾多的機械設備；它應該是DCS、FCS、IPC、CNC、GIS、OAS、PLC、MC、無線傳感器網絡、SCADA系統的統一編程標準，同時能橫向傳輸所有從站之間的海量實時數據信息；這種開放的模塊式結構應面向所有工業的現場應用開放。從各個現場的光、機、電、氣、儀等一切設備到整個系統的全部設備都能無縫聯接并能在網絡中統一調度。下面幾個例子，雖然還是個雛形，還不是理想的架構，將再次證明我的論點是正確的。

4 水工業綜合自動化監控系統的典型實例

4.1 某大城市水務集團公司W AN遠程自動化監控系統原理架構

城市大部分的生產及生活用水系統規模大，供水范圍廣，因此可靠性要求高，按傳統的管理模式設計，嚴重制約了供水系統的科學化和現代化。該供水系統設計選用的是國外的SCADA系統，通過世界銀行貸款進行設備招標。部分設備選用美國摩托羅拉公司產品，遵守IEEE802.4，無線通訊遵守IEC870.5。

該供水工程的SCADA系統是一個三級調度系統。水源井群為最下級調度；八段加壓泵站、所有凈水廠及原有供水廠為中間級調度；公司監控中心對所有水廠、泵站、管網地理信息、供應鏈網等全流程系統的所有子系統進行最高級別的優化調度。詳見系統架構圖2。

SCADA系統是由遠程終端站、通信網絡系統、上位管理站及計算機網絡構成。該系統可支持單層網到復雜的遞階多級網。每級最多可支持240個遠程監控站或1000個站。監控范圍可從幾公里到幾百公里（加中繼站）。監控點數從幾百點到幾千點。而且該系統遵循國際通訊協議。

? 遠程終端站

采用SCADA系統的遠程終端單元——RTU。該單元組態很靈活，既可組態成現場監控站，也可組態成主/次通信控制器。單元采用組件結構，每站一個或幾個機箱，每箱除必備的公共組件——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絡功能的I/O組件。

? 通信系統

由RTU組態而成通信控制器，再配上無線通信組件（外連式無線電臺，頻率可根據用戶要求設定）與一體化的調制解調器（Modem）相連（井群），或者是選用有線通信組件與網絡接口相連，或者直接用串行通信口（RS485）進行通信。

? 上位管理站

選用高檔工業微機，配上監視控制及數據采集與監控組態軟件；并配置功能強大的實時數據庫，能在線的高速激活數據傳輸、處理、分析、存儲、轉送，并能在線的網上互聯互動，為網上工程師的遠程優化調度和遠程診斷，提供科學的可靠數據，方便了客戶工程師的二次開發。

圖2 W AN遠程自動化監控系統原理架構

4.2 某市水務集團公司某大型水廠遠程自動化計算機監控系統原理架構

圖3是某供水系統SCADA監控方案圖，圖4是水系統通信網絡結構圖，圖5是終端站（遠/近）系統配置，圖6是管網監控點系統配置。

圖3 某供水系統SCADA監控方案圖

圖4 水系統通信網絡結構圖

圖5 終端站（遠/近）系統配置

圖6 管網監控點系統配置

4.3 某污水處理廠PAC及組態軟件組成的監控系統原理架構

控制系統分為三層：（如系統圖7所示）

? 管理層：上位機實現系統組態、數據庫查詢、報表、系統管理等功能，采用研華公司工業計算機，使用組態軟件編程。

? 控制層：控制層采用研華PAC控制系統，IO點成本低，編程使用符號IEC-61131標準的梯形圖、功能塊等方式，方便快捷。

? 現場傳感器層： 現場采用流量計、溫度變送器、分析儀器等對現場水質參數，如流量、壓力、溫度、PH、COD、BOD等進行檢測，通過電磁閥調節液位。

4.4 上海白龍港污水處理廠計算機自動化監控系統原理架構

上海白龍港污水處理廠位于浦東新區合慶鄉東側長江岸邊，服務面積271.7km2,人口355.76萬，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。滿足近期以除磷為目標的污水處理要求，同時考慮遠期達到國家規定的二級排放標準。

白龍港污水處理廠自控系統，如系統圖8所示。只有兩層控制結構，控制中心和現場控制站：控制中心，兩臺服務器，五臺客戶機，由WinCC冗余組態軟件進行監控，由于所有的組態編程在服務器上進行，所以大大減少了組態的工作量；現場控制站，設有沉淀池控制站，中水回用控制站，變電站控制站，污泥處理控制站等六個現場控制站。現場控制站選用SIMATIC S7-416控制器（即PAC），利用PROFIBUS-DP總線（最好選用PROFINET實時以太網）下掛遠程分布式I/O組件，閥門定位器，物位計，馬達控制中心，中壓配電柜和PA總線智能儀表。西門子編程和組態軟件對所有產品進行配置，編程，組態和測試，使用的是統一的實時數據庫，并通過國際及中國認可的標準通訊網絡（PROFINET及PROFIBUS）交換數據，大大節省了用戶的投資成本，減少了工程施工和調試的時間，提高了整個系統的可靠性，充分體現了全集成自動化的優勢。

圖7 管網監控點系統配置

“網絡就是控制器”。根據上面提到的“功能要素”和對綜合自動化監控系統集成的幾個核心技術的要求，我們搞綜合自動化系統的專家們認為，唯一正確的途徑是創建新型的“信息控制一體化”的科學的遠程綜合自動化系統。實現“信息控制一體化”的關鍵是：抓住信息化的核心技術不放，各種數據、圖像、聲頻、視頻、文本、報表能暢通無阻，達到無距離無時限的垂直上下和橫平左右的安全高效快速的訪問；從本企業的實際情況出發，站在建設“數字工廠”的高點上思考問題，做好企業系統的ERP/MES/PCS三個系統基礎的科學配置，特別是選好功能強大的實時數據庫、監控組態軟件和先進控制軟件；各車間現場采用PAC可編程自動化控制器（也可選用新型的PLCopen設備）；光、機、電、氣、儀等一切現場設備做到全數字化、智能化、多功能化、網絡化、虛擬化（采用嵌入式技術將網絡功能植入到舊設備中去、使它們具有網絡功能）；現場監控網絡采用全開放的實時工業以太網；共同采用TCP/IP通訊協議（対加氯、加藥、預估、氧曝、調速等響應時間要求毫秒級、抖動誤差小于1微秒的，可采用等時同步實時“IRT”等技術來滿足某些高精確度控制的要求）；這個科學的實用的最現代化的水工業遠程綜合自動化系統架構，就是“(INTERNET+WLAN)＋(RTE+WPAN)＋TCP/IP協議+PAC”的完全開放的靈活高效的集成體。

圖8 水工業綜合自動化系統架構示意圖

5 結束語

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，但它沒有解決多機種多控制的通信問題和監控的數據傳輸問題；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控制系統信息傳輸的實時性和確定性問題；特別是忽略了現場層各種信息采集和準確傳輸的關鍵性問題。

[1] 孫柏林. 無線通訊網絡技術在軍事中的應用[J]，自動化博覽，2006. 06.

[2] 彭瑜. 自動化體系架構的現狀和發展[J]，電氣時代，2007. 09.

[3] 榮岡等. MES的現狀及發展[J] ，自動化博覽 ，2008.03.

[4] 陸益. 工業自動化儀器儀表數字化系統技術及其發展[J]，PLC&FA，2006.08.

[5] 蕭德云. 監控組態軟件[J]，世界儀表與自動化，2007. 05.

[6] 繆學勤，實時以太網技術及其趨勢發展[J]，世界儀表與自動化, 2007.09.

[7] 羅昌俊等. 無線傳感器網絡技術研究[J]，測控技術，2006. 07.

[8] 2006工業無線通訊網絡技術調查報告[J]，自動化博覽，2006. 05.