現代水工業自動化必須走信息控制一體化的道路

1 引言
城市水工業涵蓋上下水處理、工礦企業污水處理、城市樓群二次供水、上水水質深度處理、城市中水處理、江河湖泊的環保治理，是城鎮現代化的基礎。隨著城市化進程的快速發展，工程規模越來越大，系統越來越繁雜，大大小小泵站越來越多，上下水及中水管網像蜘蛛網一樣遍布城鄉的每個角落。隨著“十一五”規劃的實施，城建缺水將更加嚴重，水的資源將更加緊張，城市污染將更加危害。巨資規劃的南水北調工程項目，對嚴重缺水的北方城鎮來說，也只是車水之薪。據統計和預測:全國城市缺水2000×108m3/d，污水排放量是6×108m3/d，工業廢水猛增到200×108m3/d。國務院撥巨款，每年新建擴建上水工程600×104m3/d，污水工程700×104m3/d。
40多年來，作者參加了幾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計任務;承擔過北京深圳等大城市供水調度系統和源水調度系統的設計任務。通過認真研究國內外近十年來典型的自動控制系統的運轉實例，我國水企業的自動化水平比國內其他行業要落后10年左右，特別是水行業各系統水處理工程，購買了許多昂貴的水質分析儀器儀表，引進了許多好的技術，也走過了不少彎路。在新形勢下，如何使這個傳統的基礎企業在經濟全球化的環境中有一個立足之地？水工業綜合自動化的核心技術是什么？建立什么樣的自動控制系統？是擺在我們所有投身水行業的科技工作者面前的嚴重挑戰。

2 現代化水工業對自動化控制系統的要求
2.1 現代化水工業發展的特征和基因要素
各大城市各工礦企業要做的給水排水或污水處理項目，盡管實際情況千差萬別的，但是，對一個現代化的水企業，都有一個共同的特征:需要用生產模式柔性化去適應當今市場的各種需求。供需能力與資本運營國際化，不斷地節省成本，縮短市場的供應期;產量研發快速化，盡快適應水量周期日益縮短的趨勢;競爭優勢聯盟化，最大限度滿足客戶的要求。
在激烈競爭的世界經濟環境中，水企業要不斷地取得競爭的優勢，不僅在信息化、網絡化建設的工廠策略方面，要以本企業的經營策略快速高效的高度融合，都必須具備三方面的“基因要素”:極強的應變能力;極強的應變速度;極強的求知力度。
2.2 現代化水工業對自動化控制系統的要求
總結國內外成功與失敗的經驗和教訓，就清楚的知道，像國外一些水務集團和國內一些水務集團(如深圳)能越做越強，收購國內其他瀕臨破產的水務公司，就是在三個“基因要素”方面做得好些。對三個“基因要素”進行深刻的剖析，一個立于不敗之地的水企業對現代自動化系統的要求如下:
(1) 要有極強的應變能力
一個現代化的水企業，必須強化對變化的洞察能力，對經營模式的重構能力，控制系統要支持各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。
(2) 要有極強的應變速度
一個現代化的水企業，對陳舊落后的工藝和設備要盡快革新，經營模式改變了，就要創新，具有對變化相應的快速性;對一些沒有通信功能的老掉牙的監測儀器和變送器、傳感器、執行器要盡快更新。使傳統實現信息快速整合性;對一些過了時的控制設備，要加強網絡建設，使系統實現對現場狀態能在線及時把握的快速性;對水質或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快速性。
(3) 要有極強的求知力度
經濟全球化后，市場競爭是非常激烈的，那種安于現狀，對市場變化毫不知情，對供應鏈知識一無所有，就會被動挨打。現代化的自動控制系統，要支持市場競爭的決策力;系統要增強數據與信息資源的應用能力;系統要增強數據資源的提煉能力;系統要增強成熟知識的模型轉化能力。
十年前的所有水處理企業不用談了，就是十年來新建擴建的水處理企業，雖然在某些方面取得了進展和實效，但是要真正達到上面的三個“基因要素”，只是萬里長征走完了第一步。一個現代化水企業對監控系統的特性和要求，歸根結底還是要在企業現場，基礎數據的獲取上下功夫，使創建的新系統，能覆蓋本企業網內外及最低層的生產活動面上，而且要速度快、精度高，工序流程在網上極好的整合，系統控制要穩定、實用和可靠。

3 信息控制一體化創建現代化水企業
3.1 我國水工業自動化現狀分析
與其他系統企業相比，傳統的中國水企業自動化水平要落后十年左右。上世紀八十年之前的水企業監控系統以分立元件為主，各種水質分析儀表、加藥系統、水位、溫度、壓力、流量以及供配電系統各種參數監測的變送器、傳感器、執行器、紙質記錄儀等，笨重粗大、功能低下，當時價格非常昂貴，監控中心只能是個別參數的顯示。
上世紀90年代之后，水企業工程中，先后設置了PID調節、比值、前饋、后饋、FCS、DCS和最初的以太網技術，經歷了幾次重大的變革，自動化水平有了較大的提高。但是，成千上萬件的現場設備還是處在“孤島”狀態，獨立于自動化系統之外，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狀態不能在線獲取。供應鏈營銷服務、管網監測都在脫節狀態下生存。
最近五年來，許多大城市水企業，構建了PLC及FCS現場總線系統，特別上了許多工業以太網絡技術，但數據不全，傳上來的一些數據也不能共享。利用率極為低下。嚴格來講，不能算作自動化系統。更不用說，許多沒有搞自動化建設的水企業了。許多工程設計的工業以太網＋TCP/IP協議的監控系統，絕大多數在ISO/OSI七層通訊模型中的物理層、傳輸層、網絡層和數據連絡層。現場車間中用的PLC控制器為主，即在應用層和表示層、會話層中用的很少。縱向和橫向的各種數據還是沒有整合。

3.2 現場網絡用FCS還是用實時工業以太網的比較
眾所周知，FCS現場控制總線是專門按照現場通訊的要求來開發的，基本滿足現場信息傳輸的實時性要求，使用方便、診斷功能強，比DCS系統更經濟和自動化、數字化，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并不兼容，無法實現總線并聯，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，實時的工業以太網技術在水行業中也得到了最廣泛的應用，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。基本上滿足了水工業系統各企業現場的生產管理與OFFICE系統通訊的要求。
3.3 水工業的現場控制網絡必須采用實時工業以太網
實時工業以太網比過去常用的12種FCS現場總線，除了上面提到的以外，還具有一系列的優勢。
(1) 采用公認TCP/IP通訊協議，現場層就極易與Internet連接，實現各公司與眾多現場層流程控制的無縫鏈接。價格低廉、穩定可靠，通訊速率高、軟硬件產品豐富，支持技術非常成熟，是工藝系統最受歡迎的通訊網絡。
(2) 隨著高速以太網等工業以太網技術的迅猛發展，基本上解決了初期工業以太網的確定性問題，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，在數據吞吐量相同的情況下，意味著網絡負荷的大幅減輕，網絡碰撞的幾率大大降低，提高了網絡的確定性。
(3) 采用星型網絡拓撲結構，功能強大的交換機可將網絡細分為若干個網段。交換機之間，通過主干網絡進行連接。交換機可對網絡上傳輸的數據進行過濾處理，使每個網段內的節點之間數據的傳輸只限制在本地網段內進行而不需要經過主干網。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。
(4) 交換式全雙工的實時工業以太網就消除了數據在網絡上碰撞的問題，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，取水頭部的I/O接點實現無縫連接，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。
3.4 盡量采用嵌入式技術
采用嵌入式技術，將過去的FCS、DCS、PLC、GIS、OAS辦公自動化系統，所有現場測控系統及主工藝流程所應用的先進控制技術(如未來量軟測、模糊神經技術在線監控的加藥系統，污水生物廢氣處理的人工智能仿真閉環監控系統等等)都納入到“Internet+RTE+TCP/IP協議”為主要模式的信息控制一體化系統中去。
眾所周知，嵌入式技術將成為21世紀發展最快的IT產業。嵌入式系統是以應用為中心，以高端的計算機技術為基礎，軟硬件可以任意裁剪;適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功能有嚴格要求的專用計算機系統。也可以說是嵌入到對象體系中的專用計算機系統，用來實現主站監控系統對其他設備的控制、監視或管理等功能。
下一代的網絡設備中，嵌入式設備將大大增加，約占70％左右，并與Internet聯網。專家們預測，到2010年是嵌入式Internet時代，這一時代將會產生比PC時代多成百上千倍的瘦客戶服務器，能在Internet網上，自動、實時、方便、簡單地提供網上任何需要的這些信息的對象。嵌入式系統是實現水工業信息控制一體化的不可分割的一部分。
一個城市的水務集團公司，只有充分采用嵌入式系統，徹底改造過去的傳統儀器儀表，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、執行器、閥門、機電產品，將Internet功能和Ethernet功能嵌入到過去構建的各種現場控制系統(FCS)、PLC系統、DCS系統或初期的工業以太網監控系統的設備中去，才能真正實現全公司系統的信息控制一體化的監控目的。
3.5 符合信息控制一體化的實時工業以太網(Real Time Ethernet， 簡稱RTE)
水工業工程設計者，在新建和擴建的水處理工程中，應該優先選用實時的工業以太網來構建監控中心和各個站級的控制網絡。在設備層采用PLC可編程控制器，各水處理的廠站級和同級監控中心基本上都用實時工業以太網(RTE)+TCP/IP協議+Internet組建網站。
目前水工業自動化控制系統越來越復雜。對一個大的水處理工程，過去的DCS系統、現場總線上各現場單元采用的PLC系統以及用于閉環控制的MC系統，它們的鏈接，要求高速化、緊密化，整個系統有更多的獨立的分散式控制功能器組成，數量巨大的傳感器、驅動機構、變速器、儀器儀表要求虛擬化、微型化、數字化、智能化和網絡化。但是，過去這些工業PC、OPC和以太網技術，只要被鑲嵌在傳統的系統結構中去，也只能對系統作些邊緣性的提高，所有PLC等控制器還是孤島獨立地控制，只管束獨立的數據。
目前世界流行的六種實時工業以太網技術，打破了過去傳統的系統結構的堅冰，為真正科學的信息控制系統奠定了堅實的技術基礎。
目前流行的實時工業以太網:EtherCAT、Ethernet Powerlink、EPA、PROFINET、MODBUS-IDA和Ethernet/IP等，為了提高網絡的實時性能，這些廠家做了大量的研發工作，實時響應時間，都可以作到5～10ms或更低，與過去專門為工業現場的設備通訊設計的FCS現場總線差不多，甚至更快，基本上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，各自有它們研究專利技術。但是，對廣大工程設計科技人員來說，還是希望有一個比較實用的公共標準，再不要像現場總線(FCS)那樣，在實際應用中不知所措。
我們希望有這樣的實時工業以太網:對整個監控系統來講，要有一個大家共同遵守的標準化編程語言系統軟件設計平臺;在這個開發平臺上，只需要一個公共的變量定義和一個存放所有參數和控制功能的中央數據庫。這種標準的軟件編程技術，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參數眾多的機械設備，特別是現場的PLC可編程控制器;它應該是DCS、FCS、IPC、CNC、GIS、OAS、PLC、MC、SCADA系統的編程的統一標準;這種開放的模塊式結構應面向所有工業的現場應用，從現場機械設備一直到整個系統的所有設備;這種開發平臺，即可以是基于PLC的硬件平臺，也可以是基于PC的軟件平臺。用戶是上帝，希望廣大實時工業以太網的廠商，盡快研究出具有上述要求的更簡單實用的新平臺。

4 現場網絡技術是實現信息控制一體化的必要條件
從小系統到大系統，從單一的水廠到大城市水務集團眾多水處理工程與管網技術信息集中監控的設計中又是關聯整個系統的結構體系，涉及到整個系統的全局性和根本性的問題。特別是眾多分散的廠站級現場網絡，像人的四肢的神經網絡，它是源頭。
4.1 信息控制一體化條件
好的現場網絡為構建新型的信息控制系統創造了條件。新型實用的工業以太網，可以使網絡延伸到自動化系統的最低層——各種水質儀器儀表和現場設備，不僅能橫向整合現場信息資源，做到快速響應，也能縱向整合現場信息與企業管理信息，建立全局性的自動化系統，以達到準確診斷、及時調控、快速維護、遠程監控、管理服務。就可以滿足企業領導層的運籌決策，能做到及時參與全球化的競爭要求。

4.2 信息控制一體化基礎
好的現場網絡為創造全數字化的開放的信息控制一體化系統奠定了基礎。一個好的現場網絡架構，可以快速和科學的使基礎數據構成有序的數據集合，形成對本企業運營全面完整的精確的描述。在上一級的監控中心，可準確的集成主工藝流程中各種先進控制技術專用的數據集合的在線應用，達到數字化實現系統的高精度，高閉環調控的目標。
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，引進了許多高精度的水質分析儀器儀表，配置了昂貴的工控機、多功能的數據庫、大型的顯示盤，也采用了GIS管網監控系統，用水量預測，投藥量閉環控制，溶解氧控制、污水處理的PBF人工神經網絡，污水處理中SBR工業流程的模糊控制技術等的軟件和硬件的系統配置，其功能收效甚微，沒有真正發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場網絡。
生產過程控制參數的精確設定，生產實績、設備和流程狀態的信息，都是企業信息的重要組成部分，要通過現場網絡在線的無距離的精確的實現。這種最底層的控制網絡，就在現場控制層，他對應控制系統的3層結構，見圖1。

圖1 現場網絡概念結構圖

一個理想的數據結構體系，必須創建一個理想的現場網絡結構作基礎，才能支持和促進本企業的基本要素生長發展的環境。
4.3 信息控制一體化生命周期成本
好的現場網絡技術為實現本企業的“生命周期成本”開辟美好的前景。每建一個水處理工程，對本企業的建設成本、維護運轉成本、出廠水質精度、環境污染改進加成本，企業的壽命周期，從工藝到電器，從信息到控制，都要高瞻遠矚的精打細算，如何做到單位水產值耗電量最低，是我們一直追求的目標。
一個好的現場網絡，才能為我們所追求的目標鋪平道路。這個“生命周期成本”，對工程建設成本和長期運轉成本的節約降耗，必須用科學的數字來進行全面比較。有了好的現場網絡系統，就能利用上下左右，企業內外的資源信息優勢，最大限度的發揮現場設備的全部功能，就能帶來最低的維護運轉成本。一般來說，長期的運轉成本節約降耗，遠遠大于初期建廠的成本節約。

5 信息控制一體化的根本保證
傳統的儀器儀表，要充分利用嵌入式技術，盡快虛擬化、數字化、智能化和網絡化，是實現信息控制一體化的根本保證。幾千萬件的現場測控儀器儀表，加上他們配套的變送器和傳感器、執行器是建立水工業領域公司級和廠站級監控系統的眼睛是基礎。上世紀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勢，是本來需要專用硬件實現的技術軟件化。以使最大限度的降低系統成本，增強系統功能和靈活性，隨著IPC技術發展，國內外智能虛擬儀器(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動器代碼，可自動完成各種流程工業現場狀態的檢查、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，就可開發各種測試程序:更可貴的是，他可以結合專用集成電路(ASIC)優點和計算機相結合的可重構計算機，對大量的可編程邏輯單元陣列(FPGA)作出靈活的相應配置，還可通過流水線級甚至任務級的并行計算機，使運行速度達通用計算機的數百倍以上;更可隨機按需要高速、遠程聯系網絡上各類儀器。
基于實時工業以太網技術和TCP/IP協議為基礎的現場儀器儀表測控網絡，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，在網絡上是一個獨立的結點，可以自由的靈活的接入以太網任何一點，就是說，可以在以太網或互聯網上被任何一臺計算機訪問，實時的動態的在線監測。
TCP/IP協議嵌入現場儀器儀表上，以TCP/IP方式收發信號，徹底實現互操作性、開放性強的總線標準。以太網和TCP/IP協議的標準就是現場儀器儀表測試系統的通訊標準，開放的互聯網結構就是所有的廠站級(乃至公司級的廣域網絡監控系統)的監控系統結構，可以很方便的在各監控級的分散控制和冗余設置;系統故障就可以大大降低，監控系統的安全性和穩定性很高;增強了現場數據處理能力和關鍵的某工藝流程閉環先進控制技術的應用水平。
以TCP/IP協議為基礎的現場測控系統將每臺網上計算機和各廠站級儀器儀表有機的聯系在一起。如某一廠站采集數據后可按需拷貝多份送往各需要部門，或者定期將測量結果送往遠方數據庫保存，需要是可隨時調用，即使身處異地的不同用戶也可同時對同一過程進行監控。
接入以太網絡上各處儀器儀表和計算機軟硬件資源，其性能可能差別很大，然而一旦組成網絡環境，就可對不同功能的計算機分配不同的任務，不同功能的儀器就可以統一調用，從而使網絡系統的性能達到最佳，不同用戶可在網上任何地方進行數據采集、分析和在線修改。廠站級ETHERNET(以太網)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網上，以便組成公司級的以互聯網為基礎的綜合自動化監控系統。

6 結束語
隨著IT技術、虛擬技術、嵌入技術、網絡技術、高端工控機技術、先進控制技術的飛速發展，隨著工業自動化系統的不斷完善，縱觀國內外水工業建設的經驗教訓，自動化監控系統面臨著一場革新。采用Internet技術，使得集中型自動化系統真正成為帶有分散型智能化的網絡控制。從上面提到的基因要素和對自動化系統的要求分析來看，必須澄清已經流傳了幾十年的提法和做法。上世紀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的特點，將電氣產品有機地集合成一體，突出機與電的整合性，在機械制造行業引起了一場革新，也波及水工業和其他行業，它沒有解決多機多控制的通信問題和監控的數據傳輸問題;我國的IT專家們，提出了“管控一體化”的概念，但是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問題。很難想象，在一個控制系統中管理層不能及時正確的得到現場實時數據時，怎能作出正確的判斷？我們自動化系統的工程師們認為，唯一正確的途徑是創建新型的“信息控制一體化”。實現“信息控制一體化”的關鍵是采用新型的監控系統，即“可編程自動化系統”(PAC)，見圖2所示:

圖2 信息控制一體化結構圖

PAC系統集成DCS、MC、PLC、FCS的優點，將多個控制系統的元素集中在一個平臺上，同時更多的考慮了與現場應用之間的聯系。縱向和橫向的信息都暢通無阻，將管理層、控制層和現場層，企業系統內外的其他網絡系統集成的時間減小到最小，就可在網絡上無距離的不間斷的溝通和交流。實際上，PAC系統就是Internet＋RTE＋TCP/IP協議的有機的靈活的集合體。
“網絡就是控制器”。我們要抓住現代企業自動化系統的核心技術，開發新型的控制器PLC open。開發新型的信息控制一體化系統，將傳統的水企業競爭力大大提高一步，在經濟全球化的浪潮中占領一席之地。