1.1中國水工業(yè)現(xiàn)場儀器儀表測控系統(tǒng)

　　水工業(yè)的儀器儀表測控系統(tǒng)包括敏感元件:、記錄顯示、傳感器、變送器、執(zhí)行器等若干單元：大體經(jīng)歷了五個發(fā)展階段：從指針式發(fā)展到分立式，第三代是集成電路芯片為基礎(chǔ)的數(shù)字儀器，第四代是以微處理器為核心的所謂“智能式”儀表，是以硬件或固化軟件的形式存在，缺乏靈活性。隨著微處理技術(shù)、虛擬技術(shù)、嵌入式技術(shù)、信息處理技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微細(xì)精加工技術(shù)、各種高精尖的電子元器件不斷涌現(xiàn)，第五代功能強大的儀器儀表測試設(shè)備正在茁壯成長。

　　每個供水、排水、污水處理、中水處理、源水輸送等流程企業(yè)，有各種電量、電壓、電流、電度等參數(shù)要在線監(jiān)測，大量的水泵機(jī)組、變頻器、軟啟動器、各種閥門、水質(zhì)各種參數(shù)如流量、水溫、余氯、水流速度、水流方向、濁度、各個構(gòu)筑物的水位也要在線監(jiān)測，水量預(yù)測、加藥系統(tǒng)的閉環(huán)監(jiān)控、加氨、加氯、加礬、臭氧消毒等等現(xiàn)場設(shè)備。拿一個污水處理廠來說，在線監(jiān)測的水質(zhì)參數(shù)也很多：有進(jìn)出水的濁度、溶解氧、溫度、電導(dǎo)率、生化需氧量、化學(xué)需氧量、總有機(jī)碳、酸堿度、總氨、總磷、懸浮固體、氰化物、還有砷、汞、鎘、鉻、鉛等幾十種，還有大量的電、氣、機(jī)、閥門、鼓風(fēng)氧曝、潷水裝置等現(xiàn)場設(shè)備要參于監(jiān)控。

　　現(xiàn)在絕大多數(shù)的給水排水的工程都是十幾年前興建的項目，所有現(xiàn)場的光、機(jī)、電、氣、儀器儀表、傳感器、變送器、執(zhí)行器、驅(qū)動器都面臨更新?lián)Q代的問題。

　　1.2中國水工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

　　傳統(tǒng)的水工業(yè)工藝流程是以土木型構(gòu)筑物為主的，設(shè)備的程度極低。上世紀(jì)七十年代水工業(yè)只有極為簡單的有線三遙控制。到了八十年代初，有些水廠采用電極式或者浮子式來控制水泵電機(jī)的開停。水質(zhì)參數(shù)、水量調(diào)節(jié)、鼓風(fēng)曝氣大都采用人工手段。

　　從八十年代到九十年代，隨著微型計算機(jī)的出現(xiàn)，水廠單元的環(huán)節(jié)控制有了很大的發(fā)展。我主持設(shè)計的北京市第九水廠采用了日本橫河的μXL控制系統(tǒng)，也采用了混凝投藥的單元環(huán)節(jié)控制，以計算機(jī)為核心的自動控制取得了重要進(jìn)展，對一些重要參數(shù)可以在線采集;與此同時全國各大城市的水工業(yè)，引進(jìn)了世界上比較先進(jìn)的自動化控制技術(shù)，如水量預(yù)測、自動加藥、鼓風(fēng)曝氣、臭氧處理、DCS、FCS等控制技術(shù)取得了很大的成功。

　　上世紀(jì)九十年代初我主持設(shè)計了北京市、深圳市自來水公司的城市供水調(diào)度和源水輸送調(diào)度的廣域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，部分?jǐn)?shù)據(jù)可以在線的實時監(jiān)測，但是，許多水質(zhì)參數(shù)還不能在線監(jiān)測，如硝基苯、藻毒類等各種細(xì)菌和病菌的參數(shù)無法在線監(jiān)測。許多水廠引進(jìn)的濁度儀、COD儀、BOD儀等儀器儀表不能在苛刻的現(xiàn)場環(huán)境下運轉(zhuǎn)、使用條件要求很高，有的不符合實際的需要或者不符合中國的國情，引進(jìn)的許多先進(jìn)的控制系統(tǒng)解決不了實際問題，達(dá)不到設(shè)計的預(yù)期效果，只能束之高閣，造成巨大的浪費，教訓(xùn)是極其深刻的。

　　2 現(xiàn)代水工業(yè)綜合自動化的基本概念與功能要素

　　在新形勢下，首先，我們要搞清楚水流程工業(yè)現(xiàn)代化的基本概念與功能要素。

　　*現(xiàn)代化水工業(yè)的基本概念：各大城市及各工礦企業(yè)要做的給水排水或污水處理項目，不管實際情況有千差萬別的地方，生產(chǎn)模式要柔性化，才能適應(yīng)一年四季供水需求；供需能力國際化，不斷地節(jié)省成本，不斷創(chuàng)新最佳經(jīng)濟(jì)績效，水量研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化，適應(yīng)水量制造周期日益縮短的趨勢；競爭優(yōu)勢聯(lián)盟化，最大限度滿足各種客戶的用水需求。

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　　*立于不敗之地的水企業(yè)必須具有三個功能要素：要有極強的應(yīng)變能力:自動化集成要支持水工藝流程中核心技術(shù)的形成能力；系統(tǒng)要支持對風(fēng)險的應(yīng)對能力。還要有極快的應(yīng)變速度：一個水企業(yè)，最上層的ERP系統(tǒng)和最底層的PCS的過程監(jiān)控系統(tǒng)要同步建設(shè)，對市場變化要做到實時同步的快速響應(yīng)；要加強信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，使中間環(huán)節(jié)的MES的產(chǎn)品制造執(zhí)行層具有快速實時同步響應(yīng)能力；對水質(zhì)或一些突然事件發(fā)生巨大變化時，系統(tǒng)對異常情況的對策要有同步應(yīng)變的快速性。三是要有極好的求知力度:經(jīng)濟(jì)全球化后，市場競爭是非常激烈的；水廠主管領(lǐng)導(dǎo)，對市場變化毫不知情，對供應(yīng)鏈知識一無所有，企業(yè)就沒有生存的能力；現(xiàn)代化的自動控制系統(tǒng)，要增強數(shù)據(jù)與信息資源的應(yīng)用能力；系統(tǒng)要增強數(shù)據(jù)資源的提煉能力和模型轉(zhuǎn)化能力。

　　3 創(chuàng)建科學(xué)的實用的水工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)

　　40多年來，作者參加了幾十項大中型的給水排水處理工程中電氣與自控方面的設(shè)計任務(wù)和評審評標(biāo)工作；承擔(dān)過北京和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)計任務(wù)；多次組織國內(nèi)外高層技術(shù)專家深入研討水工業(yè)自動化的相關(guān)問題。一個實用的科學(xué)的水工業(yè)綜合自動化系統(tǒng)：必須有一個全數(shù)字化的儀器儀表等現(xiàn)場測控系統(tǒng); 必須有一個功能強大的現(xiàn)場可編程自動化控制器；必須有一個功能強大的監(jiān)控組態(tài)軟件平臺和有本企業(yè)特色的先進(jìn)控制技術(shù);必須有一個功能強大的實時數(shù)據(jù)庫;必須有一個好的廠級監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。這些,都是所有水工業(yè)自動化集成必須同步解決的核心技術(shù)問題。

　　錢學(xué)森院士說過：“新技術(shù)革命的關(guān)鍵技術(shù)就是信息技術(shù)，信息技術(shù)由測量技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、通訊技術(shù)三部分組成，測量技術(shù)則是關(guān)鍵和基礎(chǔ)”。水工業(yè)車間的現(xiàn)場層設(shè)備是自動化系統(tǒng)的最底層。有傳感器、變送器、啟動器、驅(qū)動裝置、水泵機(jī)組、I/O部件、各種閥門、供配電、控制柜、潷水、排泥、加藥等大量的各種類型的現(xiàn)場設(shè)備?，F(xiàn)場設(shè)備是綜合自動化的基石，是源頭。

　　3.1.1現(xiàn)場儀器儀表、光、機(jī)、電、氣等一切設(shè)備要盡快微型化

　　實踐證明：傳統(tǒng)的各種水質(zhì)傳感器、變送器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、體積大、功能弱、單一性、硬件化，無法滿足網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的要求。由于微機(jī)系統(tǒng)（MEMS）、超大規(guī)模集成（VLSI）新器件、多芯片模塊（MCM）、圓片規(guī)模集成（WSI）等大量涌現(xiàn)，采用更加精密的微控技術(shù)、微加工技術(shù)、微光源等技術(shù)，使儀器儀表產(chǎn)品體積更加縮小，精度更加提高，產(chǎn)品更加豐富。

　　3.1.2現(xiàn)場儀器儀表、光、機(jī)、電、氣等一切設(shè)備要盡快智能化

　　傳統(tǒng)的水企業(yè)檢測儀器只能探測一種物理量，一個小水廠，傳感器和變送器就幾十套，而智能的檢測儀器可以提供整個應(yīng)用系統(tǒng)的檢測方案，對信息進(jìn)行處理、分析和調(diào)節(jié)，對信息誤差進(jìn)行補償，進(jìn)行邏輯思考和結(jié)論判斷；對非線性的信號進(jìn)行線性化處理；智能化儀器具有自診斷、自標(biāo)準(zhǔn)功能。智能化的傳感器能夠完成多參數(shù)混合檢測，智能化傳感器具有網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化通信接口，將所測到數(shù)據(jù)域發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心等。

　　以美國德州儀器公司的“DSPC”為例，以DSP芯片為核心，配合先進(jìn)的混合信號電路、ASIC電路，提供整個應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，到2010年，DSP 芯片的集成度將會提高11倍，在單個芯片上將會集成5億只晶體管。

　　3.1.3 現(xiàn)場儀器儀表、光、機(jī)、電、氣等一切設(shè)備要盡快虛擬化

　　1985年美國NI公司正式推出Labview 版本的虛擬儀器技術(shù)，由硬件的軟件化，軟件的模塊化而產(chǎn)生的虛擬儀器。用戶可通過鼠標(biāo)和圖標(biāo)進(jìn)行操作，大大提高了工藝流程的創(chuàng)造性、為水工業(yè)用戶更大規(guī)模的擴(kuò)展、創(chuàng)新的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。20多年來Labview的技術(shù)在很多水的項目中選用，自動化水平提高了。技術(shù)更先進(jìn)，功能更強大，應(yīng)用范圍更廣的Labview8.5版本也問世了。西門子、洛克葦爾等著名公司也相繼推出了功能很強的虛擬儀器產(chǎn)品。

　　近年來，隨著TNTERNET和嵌入式技術(shù)的迅猛發(fā)展，又產(chǎn)生了新一代的網(wǎng)絡(luò)化虛擬儀器。虛擬技術(shù)是水質(zhì)參數(shù)在線監(jiān)測的高效解決方案。水質(zhì)的監(jiān)測是很困難的，從進(jìn)水到出水的整個流程處理過程中，要有快速的全方位的眾多水質(zhì)參數(shù)的儀器功能，精度指標(biāo)都集成在一個軟件庫中。通過I/O接口，完成眾多復(fù)雜系統(tǒng)的功能，根據(jù)水量水質(zhì)變化參數(shù)，可在線的及時修改編程，進(jìn)行二次開發(fā)；構(gòu)建成一個完整的多通道綜合自動化的虛擬儀器儀表的系統(tǒng)，并可減少許多要引進(jìn)的昂貴的水質(zhì)分析儀器。前五年，某污水處理廠采用美國Labview5.1的圖形化編程軟件，同時對氟離子、氯離子、氫離子、溶解氧進(jìn)出水濁度等眾多參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,效果良好。

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　　3.1.4 現(xiàn)場儀器儀表、光、機(jī)、電、氣等一切設(shè)備要盡快網(wǎng)絡(luò)化

　　網(wǎng)絡(luò)化的測量環(huán)境將網(wǎng)上每臺的計算機(jī)和各個現(xiàn)場的儀器儀表有機(jī)地聯(lián)系在一起。數(shù)以萬計的各種性質(zhì)的海量的信息數(shù)據(jù)都傳送到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù)庫（SQL）服務(wù)器，進(jìn)行分析、處理、運算，通過現(xiàn)場實時工業(yè)以太網(wǎng)和因特網(wǎng)，網(wǎng)上任意地點的計算機(jī)都可以從數(shù)據(jù)庫中讀取網(wǎng)上的任何一組儀器儀表的測量數(shù)據(jù)值，就可以進(jìn)行遠(yuǎn)程測量和控制，總監(jiān)控中心能対遠(yuǎn)端井群或閥門，實現(xiàn)真正意義上的分布式的“E網(wǎng)到底”的網(wǎng)絡(luò)控制。如某市水務(wù)集團(tuán)公司，對眾多調(diào)速水泵機(jī)組調(diào)速，在網(wǎng)上要快速檢測大量的數(shù)據(jù)并快速計算分析處理，現(xiàn)場機(jī)組接到指令變速運行，迏到優(yōu)化運行。

　　3.1.5 現(xiàn)場儀器儀表、光、機(jī)、電、氣等一切設(shè)備要盡快多功能化

　　現(xiàn)代的現(xiàn)場數(shù)字化儀器儀表在一個傳感器中可以安裝多個敏感元件，完全模塊化安裝，具有檢測、變換、補償、運算、處理、分析和控制功能，一個儀表可以處理多個信息的采集和控制，是真正意義上的多傳感信息融合, 方便了用戶，大大節(jié)約了成本。由于完全模塊化，數(shù)字完全開放的儀器儀表，人們很難區(qū)分是儀器還是儀表，或是測試系統(tǒng)設(shè)備。像水廠中低壓系統(tǒng)各種電量的網(wǎng)上在線監(jiān)測、原先要幾十套由傳感器變送器組成，現(xiàn)在只要幾套就行了?，F(xiàn)場設(shè)備可以統(tǒng)一組態(tài)，水務(wù)總公司集控室的操作員能夠一目了然的了解現(xiàn)場設(shè)備的工作情況，就可以對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，達(dá)到優(yōu)化控制，對系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷，可以實現(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程廣域網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。