水工业自动化系统全集成架构之我见

水工业自动化系统全集成架构之我见
My Opinions on Integrated Automation system in water industry 
摘 要：城市水工业是一个传统的基础工业。21世纪是全数字化、信息化和网络化的时代。ERP/MES/PCS三层结构中，什么是核心软件？现场要建设什么样的网络，保证信息畅通，做到“E网到底”？车间现场选用什么类型的控制器才能保证ERP/MES/PCS在因特网上互联互动？特别是数量巨大的仪器仪表测控系统、光、机、电、气等一切现场设备，如何变革、如何配置、如何同步设计，才能真正实现本企业系统的自动化全集成架构方案？这些课题不仅要理论探讨，更要重视实际研究的关键技术，只有把二者有机结合，才能真正做好一个企业的自动化全集成架构。
关键词：PAC；实时工业以太网；协同过程自动化系统，监控组态软件，自动化系统集成;
Abstract: Municipal water is a traditional basic segment. The 21st century is a full digital, information and networking era. In the three-layer architecture of ERP/MES/PCS, which one is the core software? How to realize “All Ethernet” in an enterprise? How to choose the controller to make ERP/MES/PCS connected with each other on Internet? These problems on how to change, configure, and design the measurement and control system are especially discussed here. These subjects are not merely need to be discussed theoretically, but key technology of actual research shall be paid more attention to. Only by combining the theory with practice, can an integrated automation system be established.
Key words: PAC；RTE；CPAS; Confiquration Sofitware；Automatic System Inteqration；

1 中国水工业自动化现状评估
1.1中国水工业现场仪器仪表测控系统
        水工业的仪器仪表测控系统包括敏感元件:、记录显示、传感器、变送器、执行器等若干单元：大体经历了五个发展阶段：从指针式发展到分立式，第三代是集成电路芯片为基础的数字仪器，第四代是以微处理器为核心的所谓“智能式”仪表，是以硬件或固化软件的形式存在，缺乏灵活性。随着微处理技术、虚拟技术、嵌入式技术、信息处理技术、数字化技术、网络技术、微细精加工技术、各种高精尖的电子元器件不断涌现，第五代功能强大的仪器仪表测试设备正在茁壮成长。
        每个供水、排水、污水处理、中水处理、源水输送等流程企业，有各种电量、电压、电流、电度等参数要在线监测，大量的水泵机组、变频器、软启动器、各种阀门、水质各种参数如流量、水温、余氯、水流速度、水流方向、浊度、各个构筑物的水位也要在线监测，水量预测、加药系统的闭环监控、加氨、加氯、加矾、臭氧消毒等等现场设备。拿一个污水处理厂来说，在线监测的水质参数也很多：有进出水的浊度、溶解氧、温度、电导率、生化需氧量、化学需氧量、总有机碳、酸碱度、总氨、总磷、悬浮固体、氰化物、还有砷、汞、镉、铬、铅等几十种，还有大量的电、气、机、阀门、鼓风氧曝、滗水装置等现场设备要参于监控。
       现在绝大多数的给水排水的工程都是十几年前兴建的项目，所有现场的光、机、电、气、仪器仪表、传感器、变送器、执行器、驱动器都面临更新换代的问题。
1.2中国水工业监控系统现状分析
        传统的水工业工艺流程是以土木型构筑物为主的，设备的程度极低。上世纪七十年代水工业只有极为简单的有线三遥控制。到了八十年代初，有些水厂采用电极式或者浮子式来控制水泵电机的开停。水质参数、水量调节、鼓风曝气大都采用人工手段。
        从八十年代到九十年代，随着微型计算机的出现，水厂单元的环节控制有了很大的发展。我主持设计的北京市第九水厂采用了日本横河的μXL控制系统，也采用了混凝投药的单元环节控制，以计算机为核心的自动控制取得了重要进展，对一些重要参数可以在线采集;与此同时全国各大城市的水工业，引进了世界上比较先进的自动化控制技术，如水量预测、自动加药、鼓风曝气、臭氧处理、DCS、FCS等控制技术取得了很大的成功。
        上世纪九十年代初我主持设计了北京市、深圳市自来水公司的城市供水调度和源水输送调度的广域网络监控系统，部分数据可以在线的实时监测，但是，许多水质参数还不能在线监测，如硝基苯、藻毒类等各种细菌和病菌的参数无法在线监测。许多水厂引进的浊度仪、COD仪、BOD仪等仪器仪表不能在苛刻的现场环境下运转、使用条件要求很高，有的不符合实际的需要或者不符合中国的国情，引进的许多先进的控制系统解决不了实际问题，达不到设计的预期效果，只能束之高阁，造成巨大的浪费，教训是极其深刻的。

2 现代水工业综合自动化的基本概念与功能要素
在新形势下，首先，我们要搞清楚水流程工业现代化的基本概念与功能要素。
         *现代化水工业 的基本概念：各大城市及各工矿企业要做的给水排水或污水处理项目，不管实际情况有千差万别的地方，生产模式要柔性化，才能适应一年四季供水需求；供需能力国际化，不断地节省成本，不断创新最佳经济绩效，水量研发标准化，适应水量制造周期日益缩短的趋势；竞争优势联盟化，最大限度满足各种客户的用水需求。
        *立于不败之地的水企业必须具有三个功能要素：要有极强的应变能力:自动化集成要支持水工艺流程中核心技术的形成能力；系统要支持对风险的应对能力。还要有极快的应变速度：一个水企业，最上层的ERP系统和最底层的PCS的过程监控系统要同步建设，对市场变化要做到实时同步的快速响应；要加强信息网络建设，使中间环节的MES的产品制造执行层具有快速实时同步响应能力；对水质或一些突然事件发生巨大变化时，系统对异常情况的对策要有同步应变的快速性。三是要有极好的求知力度:经济全球化后，市场竞争是非常激烈的；水厂主管领导，对市场变化毫不知情，对供应链知识一无所有，企业就没有生存的能力；现代化的自动控制系统，要增强数据与信息资源的应用能力；系统要增强数据资源的提炼能力和模型转化能力。

3 创建科学的实用的水工业综合自动化系统
        40多年来，作者参加了几十项大中型的给水排水处理工程中电气与自控方面的设计任务和评审评标工作；承担过北京和深圳等大城市供水调度系统和源水调度系统的设计任务；多次组织国内外高层技术专家深入研讨水工业自动化的相关问题。一个实用的科学的水工业综合自动化系统：必须有一个全数字化的仪器仪表等现场测控系统; 必须有一个功能强大的现场可编程自动化控制器；必须有一个功能强大的监控组态软件平台和有本企业特色的先进控制技术;必须有一个功能强大的实时数据库;必须有一个好的厂级监控网络。这些,都是所有水工业自动化集成必须同步解决的核心技术问题。
3.1现场机、电、仪、执行器等设备要尽快微型化、虚拟化、智能化、多功能化和网络化
        钱学森院士说过：“新技术革命的关键技术就是信息技术，信息技术由测量技术、计算机技术、通讯技术三部分组成，测量技术则是关键和基础”。水工业车间的现场层设备是自动化系统的最底层。有传感器、变送器、启动器、驱动装置、水泵机组、I/O部件、各种阀门、供配电、控制柜、滗水、排泥、加药等大量的各种类型的现场设备。现场设备是综合自动化的基石，是源头。
3.1.1现场仪器仪表、光、机、电、气等一切设备要尽快微型化
        实践证明：传统的各种水质传感器、变送器、执行机构、体积大、功能弱、单一性、硬件化，无法满足网络监控的要求。由于微机系统（MEMS）、超大规模集成（VLSI）新器件、多芯片模块（MCM）、圆片规模集成（WSI）等大量涌现，采用更加精密的微控技术、微加工技术、微光源等技术，使仪器仪表产品体积更加缩小，精度更加提高，产品更加丰富。
3.1.2现场仪器仪表、光、机、电、气等一切设备要尽快智能化
        传统的水企业检测仪器只能探测一种物理量，一个小水厂，传感器和变送器就几十套，而智能的检测仪器可以提供整个应用系统的检测方案，对信息进行处理、分析和调节，对信息误差进行补偿，进行逻辑思考和结论判断；对非线性的信号进行线性化处理；智能化仪器具有自诊断、自标准功能。智能化的传感器能够完成多参数混合检测，智能化传感器具有网络数字化通信接口，将所测到数据域发送给远程监控中心等。
       以美国德州仪器公司的“DSPC”为例，以DSP芯片为核心，配合先进的混合信号电路、ASIC电路，提供整个应用系统的解决方案，到2010年，DSP 芯片的集成度将会提高11倍，在单个芯片上将会集成5亿只晶体管。
3.1.3 现场仪器仪表、光、机、电、气等一切设备要尽快虚拟化
        1985年美国NI公司正式推出Labview 版本的虚拟仪器技术，由硬件的软件化，软件的模块化而产生的虚拟仪器。 用户可通过鼠标和图标进行操作，大大提高了工艺流程的创造性