水工业领域广域网络监控系统的最新模式研究

The Latest Research in Using WAN to model Water Utility Metering and Control Systems Beijing Municipal Engineering Design & Research Institute Chen Yunzhen [摘要]本文从城市供水、排污水流程企业的厂站级和远程监控系统的现状出发，提出了构建最新的广域网络监控系统要解决的几个关键问题，为创建新世纪的中国水工业领域综合自动化最新模式提出一条切实可行的新思路。 [关键词]水工业领域，ETHERNET，ENTERNET，WAN,透明网络 Abstract: Based on the present system of water plants and their remote metering and control system in city water supply and sewage treatment, the article brings us some new key elements in how to build WAN metering and control system. It shows a brilliant clue and feasible way to create a newer model of comprehensive automation at water utility in our country for this century. Keywords: WATER UTILITY, ETHERNET, ENTERNET, WAN, TRANSPARENT NETWORK. 1．水工业领域综合自动化面临新的挑战 现在是计算机,数字化,网络化时代。水工业领域的综合自动化也走过了几个重大的技术变革的历程。自来水和排污水的流程企业是城镇建设的基础，供水系统和排水系统都越来越复杂，泵站越来越多，管网象蜘蛛网一样遍布城乡各个角落。新老泵站自动化水平差别越来越大。国务院拨巨资来发展水工业各领域(源水系统,自来水系统和排污水系统)的基础设施。我们要审时度势，从各大城市的实际情况出发，站的高一些，要运筹帷幄，与时俱进，搞好广域网络监控的建设.时代不同了，建什么样的广域网系统将面临巨大的挑战。 2．城市水工业领域监控系统的发展历程和展望 2.1 发展历程 作者于上世纪80年代初负责北京市自来水公司的供水调度系统工程的设计工作，上世纪90年代初至上世纪末，先后承担了深圳市自来水公司的供水调度系统工程的设计任务和深圳市源水调度系统的可行性方案研究工作。近40年来，参与了许多大中小型的给排污水厂站的电气与自动控制的设计项目。作者研究了国内外大中小型城市级的供水排水调度系统的运行工况。我国城市水工业领域的广域网络监控系统和厂站级监控系统也跟石化，电力领域一样，经历了几次重大的技术变革，刮过几场旋风暴雨。 上世纪80年代初的监控系统，以分立元件，集成电路（低级）为主，系统功能简单，均手动按钮操作。执行器，变送器，一次仪表笨重粗大，功能低下，价格昂贵，其系统构成却非常复杂。 上世纪90年代初，出现了PC计算机，WINDOWS操作系统，PLC可编程控制器，显示图形功能低下的数据库技术。 近几年来，由于计算机、通讯、网络高新技术的迅速发展，水工业调度系统也发展到了新一代的水平。 随着水工艺流程由简单过程向大型化，连续化，复杂性方向发展，控制系统由简单控制系统（如PID，串级，比值，前馈，后馈等）发展到先进控制系统（如多变量来水预测，神经元，模糊，鲁棒等控制）和综合自动化系统（生产流程控制，管理，决策一体化）。以计算机为主的控制系统也经历了DDC（Direc Digital Coptrol）（单机控制系统），DCS（Distributed Control System ）（集散控制系统），FCS（FieldBus Control System）（现场总线控制系统）和CIPS（Computor Integrated Process System）（计算机集成过程控制系统）、SCADA（监控与数据采集系统）的五个发展阶段。 近十年来，FCS现场控制总线系统大量涌进水工业各领域。FCS系统具有数字化，分散控制等特点；采用一对N的连接方式，可省去大量的AI/AO，DI/DO，PI/PO中间模板，用数字信号代替模拟信号，在一根双绞线或一条电缆上可挂接多个现场设备，节省了硬件投资和安装费用，系统成本降低。曾几何时一度被认为是未来控制系统的主要潮流。 2.2 DCS、FCS、SCADA系统的不足 国际电工委员会（IEC）历时12年，于2000年1月才正式公布了IEC61158现场总线全部技术标准，由于妥协了各大公司的既得利益，并没有实现标准的统一。在此标准中容纳了8种互不兼容的通信协议。其开放性全分散控制仍存在许多问题，有许多厂商不提供真正的开放平台。现场总线普遍采用的主从式层次的控制网络结构，从所有现场设备到主控器的数据传输，必需经过不同CPU和驱动软件，结果是传输速度慢，缺乏透明度，软件和维修费用高，控制器之间的垂直和水平通信非常困难，所有控制器是“孤岛”，独立于INTERNET之外，无法集成。FCS总线存在瓶颈问题。 FCS现场总线技术对DCS控制系统无疑是一种重大挑战。但是，FCS的功能模块比DCS少；DCS灵活方便和丰富的组态功能，也比FCS强；在开关量与模拟量控制并存，相互关系十分密切的控制系统中，采用FCS就不方便了。 过去25年来，除北京，深圳，广州，上海，长春，成都外，还有许多大中小型城市的自来水公司，源水公司或排污水公司都先后用贷款和BOT等方式建立了先进一时的SCADA系统。它们的功能也远远没有达到设计的初衷： .不能对过程变量进行预测，趋势显示和记录。 .许多关键装置不能进行远控。 .不能对调度工程师感兴趣的数据进行存储。 .人机界面不够友好。网络功能差，不能进行多媒体服务。 .系统对外通讯能力有限，开放性差，一般没有网络信息功能。 .扩展性差，虽有双机热备，但冗余性能差。 2.3 水工业领域广域网络监控系统的最新展望 城市水工业是一个典型的流程企业，其控制系统分级应按其几十年来的实际需要来分级：公司调度中心监控级，水厂厂站监控级和各车间现场监控级。所谓“信息层，管理层，控制层”或者“设备层，监控层，现场层”的种种分层都是不科学的，或者说是唯理论性的东西。排污水公司也一样。 城市级水工业领域的广域网络系统应满足“广域，实时，专用，便捷，主动”的要求；应做到“实时再线监控，通信距离无限，接口自动兼容”。它面临异常复杂的众多应用软件和支持软件的建模任务，精确机理建模日益困难，要实施科学的综合自动化监控，是十分艰巨的任务。 科学的水工业广域网络优化调度监控系统，就是要打破传统的PLC、DCS、FCS、SCADA、GIS系统的分工界限，构成有机统一的现代综合自动化监控系统。创建最现代化的水工业领域广域网络系统的巨大动力是迅速发展的最新的计算机技术，网络技术，数字化技术，嵌入技术，虚拟化技术，Web服务器技术，各种先进控制技术……等等。当今“综合自动化”的内涵有更深刻更广泛的含义，甚至可以包容我们的工作、生活、资金流、物资流、财务结算、客户服务、运营管理、办公自动化等各个方面。 现就关于广域网络优化监控系统的三个控制级和网络建设问题，进行一一探索。 3．调度中心监控级的总体要求和主要设置 调度中心从专业角度看，要具有MIS（Management Information System）（管理信息系统），公司内部各职能部门的办公自动化系统OAS （Office Automatic System），监控与数据采集系统SCADA （Super Visory Control And Data Acquisition），管网管理系统GIS（Geography Information System）和可编程控制器PLC（Programmable Logic Control）。 总的原则是： （1）有先进性和开放性。 原则上要建符合国际标准的ETHERNET。可双环可单环，视规模容量大小而定，便于将公司内部的局域网串联，支持不同介质。和异构网络的互连和集成，易于网络的扩充和升级，易于网络管理平台统一操作。 （2）有极强的实用性和可靠性，有极强的可操作性，人机界面友好，易于管理维护，发展，实时准确地监测水源及各水厂，供配水管网压力，流量，浊度。 （3）网络的安全性和透明性，即要建“透明网络”。 （4）建立强大的智能数据库。 （5）现代流程企业是以数学和电子信息技术为基础，在快速准确的数字信息基础上，利用管理经济学和运筹学，建立智能化的数学模型。 （6）大家知道，现代企业的目标是加快整个企业相关信息的传递、交流、共享和处理，自动进行工作流程控制，对市场，外部环境及企业内部生产，经营要素变化的迅速（即实时）响应或反馈，最大限度地减少等待时间和决策时间，降低时间成本，做到生产与供应“同步”，经营与市场“同步”，信息与经营“同步”，这一切都说明要建立强大的智能数据库。其数据源是唯一的，信息在线，实时地更新和处理，构成经营决策的大闭环控制。 （7）创建符合水工业领域广域网络监控系统的支持软件和应用软件。要建立的模块软件有：人机界面软件，数据预处理模块软件，通讯模块软件，历史趋势和实时趋势模块软件，智能输入输出模块软件，系统状态显示模块软件，仿真或模糊神经元控制模块软件，软测量模块软件，虚拟仪器仪表监测模块软件，远程数据库访问模块软件，报警模块软件，运营管理模块软件，音频视频管理模块软件，管网管理系统模块软件……等等。 （8）要双机群设置，工控机功能要强大，不仅要做到双机冗余，还要全面冗余。服务器软件采用动态容错技术，通过可靠手段保持双机的同步，数据互备，网络冗余，控制器冗余，I/O冗余，I/O SERVER冗余，操作站冗余。 （9）建立可互操作性的软件平台，可在WINDOW NT及互联网上直接用WEB浏览器操作。在工控机上构建功能强大的基于INTERNET∕INTRANET技术构成的集成平台，客户端软件简单而统一。用户主要通过WEB浏览器与工控机进行交互工作。 （10）坚持信息采集高度集中，控制高度分散的原则。 4．厂站级监控系统要解决的几个关键问题 一个水厂或排污水处理厂，其规模大小复杂程度差别很大，有的日处理量为150万m3/d，有的几十万m3/d，有的才几万m3/d。像<