控制网

陈运珍

1  厂站级综合自动化面临新的挑战

    21世纪是计算机，数字化，网络化时代。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。建什么样的厂站级监控系统将面临巨大的挑战。

2．厂站级流程企业监控系统的发展历程和展望

2.1  发展历程

    近40年来，笔者参与了许多大中小型的给排水污水厂站的电气与自动控制的设计项目，研究了国内外大中小型厂站级监控技术运行工况。我国给排水系统厂站级监控技术的发展也跟石化、电力钢铁等领域一样，经历了几次重大的技术变革。

    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，水工业监控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、复杂化方向发展，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（Direct Digital Control，单机控制系统），DCS（Distributed Control System，集散控制系统），PLC控制系统，FCS（Fieldbus Control System，现场总线控制系统）和Internet（以太网+TCP/IP）的四个发展阶段。

2.2  DCS、FCS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。

    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，一度被认为是未来控制系统的主要潮流。

    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  用交换式以太网和TCP/IP协议来组建厂站级监控系统网络

    工业以太网是当今信息网络领域应用最为广泛的局域网。流程企业控制领域需要一种高速价廉，实时性强，开放性好，可靠性高，e网到底的网络系统。

    工业以太网络中，现场设备与交换机端口采用全双工通信线路，交换机内部实现了多对端口之间的并行交换，这样，彻底摆脱了CSMA/CD的限制，提高了信息传递的确定性和实时性。交换式以太网具有传输带宽高，网络容量大，组网方便等优点。同时，还支持虚拟网络，从而降低组网成本并提高网络灵活性。以太网电缆由早期的粗铜轴电缆发展到现在的双绞线电缆和光缆，大大提高了网络的传输速度和抗干扰的能力，同时成本也大大降低了。

    工业以太网与DCS，FCS等控制网络相比还具有下列优势。

    (1)  开放性好。几乎所有的编程语言都支持以太网的应用开发。以太网遵循的是IEEE802.3及IEEE802.3U系列国际标准，是最具有开放性的网络，其软硬件资源非常丰富。

    (2)  集成度高。基于TCP/IP协议的以太网控制网络，一方面可实现本地工控系统纵向的现场设备监控级在内的无缝集成；另一方面能方便地实现与Internet（也遵循TCP/IP协议）互连。

    (3)  高带宽。FCS现场总线一般传输速率为几十Kbit/s至1～2Mbit/s，以太网的最低带宽都为10Mbit/s，100Mbit/s和千兆快速交换机已非常成熟了。现在，万兆快速交换机也已经问世和运用了。

    由于自来水公司和排污水公司的厂站越建越多，随着大量现场仪表智能化的迅速发展，传输的数据量将大大增加，未来传输的数据可能不再满足于几个字节，甚至可能是网页，网络传输信息的高速度在水工业流程企业中将越来越重要。以太网的高带宽完全可以满足给排水系统各个层次网络的要求。

    (4)  以太网成本低廉。组网成本下降，FF等现场总线网卡要1万多美元一个，而以太网卡只有20美元以下。

    (5)  可持续发展潜力大。以太网能实现与管网GIS系统及远程的取水厂站或井群监控的