1 引言
城市水工業(yè)涵蓋上下水處理、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，是城鎮(zhèn)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)。隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，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(gè)角落。隨著“十一五”規(guī)劃的實(shí)施，城建缺水將更加嚴(yán)重，水的資源將更加緊張，城市污染將更加危害。巨資規(guī)劃的南水北調(diào)工程項(xiàng)目，對(duì)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(jì)和預(yù)測(cè):全國(guó)城市缺水2000×108m3/d，污水排放量是6×108m3/d，工業(yè)廢水猛增到200×108m3/d。國(guó)務(wù)院撥巨款，每年新建擴(kuò)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(xiàng)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(jì)任務(wù);承擔(dān)過北京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(jì)任務(wù)。通過認(rèn)真研究國(guó)內(nèi)外近十年來典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)例，我國(guó)水企業(yè)的自動(dòng)化水平比國(guó)內(nèi)其他行業(yè)要落后10年左右，特別是水行業(yè)各系統(tǒng)水處理工程，購買了許多昂貴的水質(zhì)分析儀器儀表，引進(jìn)了許多好的技術(shù)，也走過了不少彎路。在新形勢(shì)下，如何使這個(gè)傳統(tǒng)的基礎(chǔ)企業(yè)在經(jīng)濟(jì)全球化的環(huán)境中有一個(gè)立足之地？水工業(yè)綜合自動(dòng)化的核心技術(shù)是什么？建立什么樣的自動(dòng)控制系統(tǒng)？是擺在我們所有投身水行業(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(duì)自動(dòng)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
各大城市各工礦企業(yè)要做的給水排水或污水處理項(xiàng)目，盡管實(shí)際情況千差萬別的，但是，對(duì)一個(gè)現(xiàn)代化的水企業(yè)，都有一個(gè)共同的特征:需要用生產(chǎn)模式柔性化去適應(yīng)當(dāng)今市場(chǎng)的各種需求。供需能力與資本運(yùn)營(yíng)國(guó)際化，不斷地節(jié)省成本，縮短市場(chǎng)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(shì);競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)聯(lián)盟化，最大限度滿足客戶的要求。
在激烈競(jìng)爭(zhēng)的世界經(jīng)濟(jì)環(huán)境中，水企業(yè)要不斷地取得競(jìng)爭(zhēng)的優(yōu)勢(shì)，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(yíng)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(qiáng)的應(yīng)變能力;極強(qiáng)的應(yīng)變速度;極強(qiáng)的求知力度。
2.2 現(xiàn)代化水工業(yè)對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的要求
總結(jié)國(guó)內(nèi)外成功與失敗的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，就清楚的知道，像國(guó)外一些水務(wù)集團(tuán)和國(guó)內(nèi)一些水務(wù)集團(tuán)(如深圳)能越做越強(qiáng)，收購國(guó)內(nèi)其他瀕臨破產(chǎn)的水務(wù)公司，就是在三個(gè)“基因要素”方面做得好些。對(duì)三個(gè)“基因要素”進(jìn)行深刻的剖析，一個(gè)立于不敗之地的水企業(yè)對(duì)現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)的要求如下:
(1) 要有極強(qiáng)的應(yīng)變能力
一個(gè)現(xiàn)代化的水企業(yè)，必須強(qiáng)化對(duì)變化的洞察能力，對(duì)經(jīng)營(yíng)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(duì)風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)能力。
(2) 要有極強(qiáng)的應(yīng)變速度
一個(gè)現(xiàn)代化的水企業(yè)，對(duì)陳舊落后的工藝和設(shè)備要盡快革新，經(jīng)營(yíng)模式改變了，就要?jiǎng)?chuàng)新，具有對(duì)變化相應(yīng)的快速性;對(duì)一些沒有通信功能的老掉牙的監(jiān)測(cè)儀器和變送器、傳感器、執(zhí)行器要盡快更新。使傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息快速整合性;對(duì)一些過了時(shí)的控制設(shè)備，要加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)能在線及時(shí)把握的快速性;對(duì)水質(zhì)或一些突然事件發(fā)生巨大變化時(shí)，系統(tǒng)對(duì)異常情況的對(duì)策要有快速性。
(3) 要有極強(qiáng)的求知力度
經(jīng)濟(jì)全球化后，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)是非常激烈的，那種安于現(xiàn)狀，對(duì)市場(chǎng)變化毫不知情，對(duì)供應(yīng)鏈知識(shí)一無所有，就會(huì)被動(dòng)挨打。現(xiàn)代化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，要支持市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的決策力;系統(tǒng)要增強(qiáng)數(shù)據(jù)與信息資源的應(yīng)用能力;系統(tǒng)要增強(qiáng)數(shù)據(jù)資源的提煉能力;系統(tǒng)要增強(qiáng)成熟知識(shí)的模型轉(zhuǎn)化能力。
十年前的所有水處理企業(yè)不用談了，就是十年來新建擴(kuò)建的水處理企業(yè)，雖然在某些方面取得了進(jìn)展和實(shí)效，但是要真正達(dá)到上面的三個(gè)“基因要素”，只是萬里長(zhǎng)征走完了第一步。一個(gè)現(xiàn)代化水企業(yè)對(duì)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(chǎng)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取上下功夫，使創(chuàng)建的新系統(tǒng)，能覆蓋本企業(yè)網(wǎng)內(nèi)外及最低層的生產(chǎn)活動(dòng)面上，而且要速度快、精度高，工序流程在網(wǎng)上極好的整合，系統(tǒng)控制要穩(wěn)定、實(shí)用和可靠。

3 信息控制一體化創(chuàng)建現(xiàn)代化水企業(yè)
3.1 我國(guó)水工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)狀分析
與其他系統(tǒng)企業(yè)相比，傳統(tǒng)的中國(guó)水企業(yè)自動(dòng)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、流量以及供配電系統(tǒng)各種參數(shù)監(jiān)測(cè)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(shí)價(jià)格非常昂貴，監(jiān)控中心只能是個(gè)別參數(shù)的顯示。
上世紀(jì)90年代之后，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(dòng)化水平有了較大的提高。但是，成千上萬件的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備還是處在“孤島”狀態(tài)，獨(dú)立于自動(dòng)化系統(tǒng)之外，瓶頸問題到處存在，上面管理決策部門對(duì)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(yíng)銷服務(wù)、管網(wǎng)監(jiān)測(cè)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(chǎng)總線系統(tǒng)，特別上了許多工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)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(dòng)化系統(tǒng)。更不用說，許多沒有搞自動(dòng)化建設(shè)的水企業(yè)了。許多工程設(shè)計(jì)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?，F(xiàn)場(chǎng)車間中用的PLC控制器為主，即在應(yīng)用層和表示層、會(huì)話層中用的很少?？v向和橫向的各種數(shù)據(jù)還是沒有整合。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)用FCS還是用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的比較
眾所周知，F(xiàn)CS現(xiàn)場(chǎng)控制總線是專門按照現(xiàn)場(chǎng)通訊的要求來開發(fā)的，基本滿足現(xiàn)場(chǎng)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求，使用方便、診斷功能強(qiáng)，比DCS系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)和自動(dòng)化、數(shù)字化，開放性是它的最大的亮點(diǎn)。但是，F(xiàn)CS現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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(shí)現(xiàn)總線并聯(lián)，它們變成一個(gè)又一個(gè)的“孤島”，使“不明就里”的廣大用戶吃盡了苦頭。
今天，實(shí)時(shí)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(shí)采用不同速率來傳輸大數(shù)量數(shù)據(jù)信息正好補(bǔ)充了各種FCS現(xiàn)場(chǎng)總線的不足?；旧蠞M足了水工業(yè)系統(tǒng)各企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)必須采用實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)
實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)比過去常用的12種FCS現(xiàn)場(chǎng)總線，除了上面提到的以外，還具有一系列的優(yōu)勢(shì)。
(1) 采用公認(rèn)TCP/IP通訊協(xié)議，現(xiàn)場(chǎng)層就極易與Internet連接，實(shí)現(xiàn)各公司與眾多現(xiàn)場(chǎng)層流程控制的無縫鏈接。價(jià)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) 隨著高速以太網(wǎng)等工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)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，100Mb/s增加到今天的1000Mb/s，10Gb/s。這是FCS系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)吞吐量相同的情況下，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(qiáng)大的交換機(jī)可將網(wǎng)絡(luò)細(xì)分為若干個(gè)網(wǎng)段。交換機(jī)之間，通過主干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。交換機(jī)可對(duì)網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行過濾處理，使每個(gè)網(wǎng)段內(nèi)的節(jié)點(diǎn)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?cái)?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。
(4) 交換式全雙工的實(shí)時(shí)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(shí)性和實(shí)時(shí)性又大大提高了一步。
(5) 實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)，通過Internet能實(shí)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(diǎn)實(shí)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(dòng)化系統(tǒng)，所有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)及主工藝流程所應(yīng)用的先進(jìn)控制技術(shù)(如未來量軟測(cè)、模糊神經(jīng)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(jì)算機(jī)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(duì)功能、可靠性、成本、體積、功能有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。也可以說是嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)主站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)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)。專家們預(yù)測(cè)，到2010年是嵌入式Internet時(shí)代，這一時(shí)代將會(huì)產(chǎn)生比PC時(shí)代多成百上千倍的瘦客戶服務(wù)器，能在Internet網(wǎng)上，自動(dòng)、實(shí)時(shí)、方便、簡(jiǎn)單地提供網(wǎng)上任何需要的這些信息的對(duì)象。嵌入式系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)水工業(yè)信息控制一體化的不可分割的一部分。
一個(gè)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(jī)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(chǎng)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(shí)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(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)(Real Time Ethernet， 簡(jiǎn)稱RTE)
水工業(yè)工程設(shè)計(jì)者，在新建和擴(kuò)建的水處理工程中，應(yīng)該優(yōu)先選用實(shí)時(shí)的工業(yè)以太網(wǎng)來構(gòu)建監(jiān)控中心和各個(gè)站級(jí)的控制網(wǎng)絡(luò)。在設(shè)備層采用PLC可編程控制器，各水處理的廠站級(jí)和同級(jí)監(jiān)控中心基本上都用實(shí)時(shí)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(dòng)化控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜。對(duì)一個(gè)大的水處理工程，過去的DCS系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線上各現(xiàn)場(chǎng)單元采用的PLC系統(tǒng)以及用于閉環(huán)控制的MC系統(tǒng)，它們的鏈接，要求高速化、緊密化，整個(gè)系統(tǒng)有更多的獨(dú)立的分散式控制功能器組成，數(shù)量巨大的傳感器、驅(qū)動(dòng)機(jī)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(duì)系統(tǒng)作些邊緣性的提高，所有PLC等控制器還是孤島獨(dú)立地控制，只管束獨(dú)立的數(shù)據(jù)。
目前世界流行的六種實(shí)時(shí)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(jiān)冰，為真正科學(xué)的信息控制系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。
目前流行的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng):EtherCAT、Ethernet Powerlink、EPA、PROFINET、MODBUS-IDA和Ethernet/IP等，為了提高網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性能，這些廠家做了大量的研發(fā)工作，實(shí)時(shí)響應(yīng)時(shí)間，都可以作到5～10ms或更低，與過去專門為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備通訊設(shè)計(jì)的FCS現(xiàn)場(chǎng)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(duì)于加藥系統(tǒng)精度響應(yīng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，最好是近百個(gè)節(jié)點(diǎn)控制響應(yīng)時(shí)間小于1ms左右，而抖動(dòng)誤差要小于1μs左右。這六種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)，各自有它們研究專利技術(shù)。但是，對(duì)廣大工程設(shè)計(jì)科技人員來說，還是希望有一個(gè)比較實(shí)用的公共標(biāo)準(zhǔn)，再不要像現(xiàn)場(chǎng)總線(FCS)那樣，在實(shí)際應(yīng)用中不知所措。
我們希望有這樣的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng):對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)來講，要有一個(gè)大家共同遵守的標(biāo)準(zhǔn)化編程語言系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)平臺(tái);在這個(gè)開發(fā)平臺(tái)上，只需要一個(gè)公共的變量定義和一個(gè)存放所有參數(shù)和控制功能的中央數(shù)據(jù)庫。這種標(biāo)準(zhǔn)的軟件編程技術(shù)，能同時(shí)開發(fā)多主站和多終端的所有設(shè)備，也能同時(shí)調(diào)試和安裝參數(shù)眾多的機(jī)械設(shè)備，特別是現(xiàn)場(chǎng)的PLC可編程控制器;它應(yīng)該是DCS、FCS、IPC、CNC、GIS、OAS、PLC、MC、SCADA系統(tǒng)的編程的統(tǒng)一標(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(chǎng)應(yīng)用，從現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備一直到整個(gè)系統(tǒng)的所有設(shè)備;這種開發(fā)平臺(tái)，即可以是基于PLC的硬件平臺(tái)，也可以是基于PC的軟件平臺(tái)。用戶是上帝，希望廣大實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)的廠商，盡快研究出具有上述要求的更簡(jiǎn)單實(shí)用的新平臺(tái)。

4 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)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(jì)中又是關(guān)聯(lián)整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系，涉及到整個(gè)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(jí)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，像人的四肢的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是源頭。
4.1 信息控制一體化條件
好的現(xiàn)場(chǎng)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(shí)用的工業(yè)以太網(wǎng)，可以使網(wǎng)絡(luò)延伸到自動(dòng)化系統(tǒng)的最低層——各種水質(zhì)儀器儀表和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，不僅能橫向整合現(xiàn)場(chǎng)信息資源，做到快速響應(yīng)，也能縱向整合現(xiàn)場(chǎng)信息與企業(yè)管理信息，建立全局性的自動(dòng)化系統(tǒng)，以達(dá)到準(zhǔn)確診斷、及時(shí)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(yùn)籌決策，能做到及時(shí)參與全球化的競(jìng)爭(zhēng)要求。

4.2 信息控制一體化基礎(chǔ)
好的現(xiàn)場(chǎng)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(gè)好的現(xiàn)場(chǎng)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(duì)本企業(yè)運(yùn)營(yíng)全面完整的精確的描述。在上一級(jí)的監(jiān)控中心，可準(zhǔn)確的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(shí)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(dòng)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(jī)、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(cè)，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(cè)控儀表的作用:就是因?yàn)闆]有一個(gè)完全開放的好的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)。
生產(chǎn)過程控制參數(shù)的精確設(shè)定，生產(chǎn)實(shí)績(jī)、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(chǎng)網(wǎng)絡(luò)在線的無距離的精確的實(shí)現(xiàn)。這種最底層的控制網(wǎng)絡(luò)，就在現(xiàn)場(chǎng)控制層，他對(duì)應(yīng)控制系統(tǒng)的3層結(jié)構(gòu)，見圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)概念結(jié)構(gòu)圖

一個(gè)理想的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體系，必須創(chuàng)建一個(gè)理想的現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)發(fā)展的環(huán)境。
4.3 信息控制一體化生命周期成本
好的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)本企業(yè)的“生命周期成本”開辟美好的前景。每建一個(gè)水處理工程，對(duì)本企業(yè)的建設(shè)成本、維護(hù)運(yùn)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(gè)好的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，才能為我們所追求的目標(biāo)鋪平道路。這個(gè)“生命周期成本”，對(duì)工程建設(shè)成本和長(zhǎng)期運(yùn)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(chǎng)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(shì)，最大限度的發(fā)揮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的全部功能，就能帶來最低的維護(hù)運(yùn)轉(zhuǎn)成本。一般來說，長(zhǎng)期的運(yùn)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 信息控制一體化的根本保證
傳統(tǒng)的儀器儀表，要充分利用嵌入式技術(shù)，盡快虛擬化、數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，是實(shí)現(xiàn)信息控制一體化的根本保證。幾千萬件的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控儀器儀表，加上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(jí)和廠站級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的眼睛是基礎(chǔ)。上世紀(jì)80年代初，一位美國(guó)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(jì)算機(jī)強(qiáng)大的資源優(yōu)勢(shì)，是本來需要專用硬件實(shí)現(xiàn)的技術(shù)軟件化。以使最大限度的降低系統(tǒng)成本，增強(qiáng)系統(tǒng)功能和靈活性，隨著IPC技術(shù)發(fā)展，國(guó)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(dòng)生成儀器驅(qū)動(dòng)器代碼，可自動(dòng)完成各種流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)的檢查、可自動(dòng)診斷、可自動(dòng)修改編程:可在強(qiáng)大的仿真功能支持下，不用連接實(shí)際儀器儀表，就可開發(fā)各種測(cè)試程序:更可貴的是，他可以結(jié)合專用集成電路(ASIC)優(yōu)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)相結(jié)合的可重構(gòu)計(jì)算機(jī)，對(duì)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(jí)甚至任務(wù)級(jí)的并行計(jì)算機(jī)，使運(yùn)行速度達(dá)通用計(jì)算機(jī)的數(shù)百倍以上;更可隨機(jī)按需要高速、遠(yuǎn)程聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)上各類儀器。
基于實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和TCP/IP協(xié)議為基礎(chǔ)的現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，使得儀器儀表不再受限于某一特定的計(jì)算機(jī)操縱，儀器儀表可以獨(dú)立于計(jì)算機(jī)而存在?？梢院退械牟煌?jí)別的計(jì)算機(jī)一樣，在網(wǎng)絡(luò)上是一個(gè)獨(dú)立的結(jié)點(diǎn)，可以自由的靈活的接入以太網(wǎng)任何一點(diǎn)，就是說，可以在以太網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上被任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)訪問，實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。
TCP/IP協(xié)議嵌入現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表上，以TCP/IP方式收發(fā)信號(hào)，徹底實(shí)現(xiàn)互操作性、開放性強(qiáng)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(chǎng)儀器儀表測(cè)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(jí)(乃至公司級(jí)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(jí)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(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)測(cè)控系統(tǒng)將每臺(tái)網(wǎng)上計(jì)算機(jī)和各廠站級(jí)儀器儀表有機(jī)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(cè)量結(jié)果送往遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)庫保存，需要是可隨時(shí)調(diào)用，即使身處異地的不同用戶也可同時(shí)對(duì)同一過程進(jìn)行監(jiān)控。
接入以太網(wǎng)絡(luò)上各處儀器儀表和計(jì)算機(jī)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(duì)不同功能的計(jì)算機(jī)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(jí)ETHERNET(以太網(wǎng))能把各種功能的計(jì)算機(jī)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(jí)的以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的綜合自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。

6 結(jié)束語
隨著IT技術(shù)、虛擬技術(shù)、嵌入技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、高端工控機(jī)技術(shù)、先進(jìn)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，隨著工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的不斷完善，縱觀國(guó)內(nèi)外水工業(yè)建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)面臨著一場(chǎng)革新。采用Internet技術(shù)，使得集中型自動(dòng)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(duì)自動(dòng)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(jī)電一體化”。由于針對(duì)機(jī)械制造行業(yè)的特點(diǎn)，將電氣產(chǎn)品有機(jī)地集合成一體，突出機(jī)與電的整合性，在機(jī)械制造行業(yè)引起了一場(chǎng)革新，也波及水工業(yè)和其他行業(yè)，它沒有解決多機(jī)多控制的通信問題和監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸問題;我國(guó)的IT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?shí)時(shí)性和確定性問題。特別是忽略了現(xiàn)場(chǎng)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(gè)控制系統(tǒng)中管理層不能及時(shí)正確的得到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，怎能作出正確的判斷？我們自動(dòng)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(shí)現(xiàn)“信息控制一體化”的關(guān)鍵是采用新型的監(jiān)控系統(tǒng)，即“可編程自動(dòng)化系統(tǒng)”(PAC)，見圖2所示:

圖2 信息控制一體化結(jié)構(gòu)圖

PAC系統(tǒng)集成DCS、MC、PLC、FCS的優(yōu)點(diǎn)，將多個(gè)控制系統(tǒng)的元素集中在一個(gè)平臺(tái)上，同時(shí)更多的考慮了與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用之間的聯(lián)系?？v向和橫向的信息都暢通無阻，將管理層、控制層和現(xiàn)場(chǎng)層，企業(yè)系統(tǒng)內(nèi)外的其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成的時(shí)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(shí)際上，PAC系統(tǒng)就是Internet＋RTE＋TCP/IP協(xié)議的有機(jī)的靈活的集合體。
“網(wǎng)絡(luò)就是控制器”。我們要抓住現(xiàn)代企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心技術(shù)，開發(fā)新型的控制器PLC open。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(jìng)爭(zhēng)力大大提高一步，在經(jīng)濟(jì)全球化的浪潮中占領(lǐng)一席之地。