北京市城市排水公司北京市高碑店污水處理廠
李德清

　　一 我國城市排水發展現狀及儀表自動化市場

　　現代化城市排水體系包括市政排水管網、泵站、水質監測站、工業廢水處理站、城市污水處理廠等，是保障城市經濟活動、居民生活和健康的重要基礎設施之一。截止1997年，全國共有建制市668個，建制鎮18316個，城市年排污總量約351億方。我國城市水短缺和水污染問題自60年代從北方及沿海少數城市開始暴露，70年代進一步惡化，80年代日趨尖銳和普遍，現已面臨嚴峻形勢；1978年我國提出“環境保護是我國的基本國策”，并主要針對“環境保護”制定了城市社會經濟可持續發展戰略，各主要城市陸續新建了一批廢水處理設施和城市污水處理廠，截止2000年，城市年排污總量約402億方，城市污水處理率達25%，城市污水處理廠180余座，投資約360億元RMB。根據國民經濟發展“九五”規劃和建設部制定的《建設事業“九五”計劃和2010年遠景目標》，到2000年，城市污水集中處理率達到25%，其中百萬人口以上城市和重點旅游城市不低于40%；到2010年，城市污水集中處理率不低于40%。1998年，我國政府決定在兩年內撥款1000億元人民幣，各級政府向國內外金融機構貸款和自籌資金，其比例按1：2：3，最終形成6000億元建設資金，主要用于城市給排水基本建設。根據對最近幾年已建成的城市排水項目投資分析，儀表自動化投資所占比例為5～10%。根據這一比例，在“九五”期間，用于城市給排水建設的儀表自動化市場投資每年將達10～20億元人民幣——這對于我國當前不景氣的儀表自動化行業來說無疑是一個潛力巨大的市場機遇，但也是一個直接面向國外先進自動化技術裝備的挑戰。
　　我國目前還有600多個城市沒有城市污水處理廠，18300多個建制鎮基本上還沒有污水處理的觀念，依據《中華人民共和國水法》、《中華人民共和國環境保護法》、《中華人民共和國水污染防治法》，這些市、鎮將形成我國隨后幾十年基于城市給排水行業的可持續發展的潛力巨大的環保產業市場。目前國內儀表自動化行業在這一市場的占有率極低，主要原因是還沒有形成產品質量過得硬的、有一定生產規模的專業從事水處理儀表自動化的生產廠家。如何在基于城市給排水行業的環保產業市場占一席之地，是國內儀表自動化行業值得深思的戰略性課題，要從自身體制、市場、現代自動化技術發展水平和趨勢、以及國家政策等等多方面進行綜合研究。

　　二　引入Web及“Infranet+Intranet+Internet”一體化技術是當前SCADA發展趨勢

　　(一)技術特點：現代化城市排水體系的儀表自動化系統基本上都是以SCADA(Supervisory Control and Data Acquisition，“計算機監控和過程數據采集系統”)來概述的——SCADA不僅代表了現代城市排水體系的儀表自動化系統應用的必然趨勢，同時也表示了比儀表自動化行業傳統的DCS(Distributed Control System，“集散控制系統”)技術水平更先進的概念。儀表自動化系統經歷了從組合儀表、模擬監控(SCC)、直接數字控制(DDC)、集散控制(DCS)，到現在以現場總線為基礎的SCADA的漫長的發展過程。進入90年代以來，基于Internet(國際互聯網)的Web應用技術爆炸性發展，同樣也引發了工業控制領域深刻的技術變革——這一領域的專家們長期追求的以實現“企業綜合自動化”為目標的“管控一體化”工業流程生產集成解決方案所面臨的各種所謂技術標準化問題、用戶程序可移植性問題、系統功能可伸縮性問題、控制設備互操作性問題等等，似乎都已找到了一個已成既成事實的解決方法——這就是在全球范圍內得到廣泛而深層次成功應用的基于TCP/IP協議的網絡技術和基于WWW協議的Web技術——也就是說，組成“企業綜合自動化”的企業MIS(管理信息系統)和企業生產過程SCADA都以TCP/IP和Web技術為基礎，實現了企業“管”、“控”數據流之間無縫連接，“管控一體化”解決方案變得簡捷和現實可行，產生了以開放性、網絡化為特征的立足于Web和“Infranet+Intranet+Internet”一體化技術的應用可靠成熟的SCADA系列產品，其主要特點表現在如下幾個方面：
　　1.微電子集成技術的進一步發展促使微機、工作站、服務器等計算機設備以及PLC、智能僅表等控制器設備在硬件上相互兼容，在性能上完全可以滿足Web技術應用的條件；
　　2.網絡技術：基于TCP/IP協議實現現場總線、非標準控制網絡和信息網絡的透明互連，并最終形成“Infranet+Intranet+Internet”一體化；
　　3.操作系統：主要由Unix、Windows-NT及Linux構成相互透明的大系統操作平臺；
　　4.數據庫：企業MIS數據庫和生產過程實時數據庫無縫互連，并成為SCADA的核心功能之一；
　　5.基于Web技術的分布式人機界面(HMI)功能：
　　·在Infranet層——由實時數據庫、Web服務器、操作臺瀏覽器等組成，主要完成生產過程的實時監控功能；如果實時數據庫、Web服務器、操作臺例覽器等都基于同一臺計算機設備，則可稱為Web嵌入式控制系統——這也是當前機電一體化設備控制系統的發展模式；
　　·在Intranet層——由數據庫服務器、Web服務器、辦公用戶瀏覽器等組成，主要完成生產過程的實時監視功能和企業數據管理功能；
　　·在Internet層——由企業Internet網站和用戶瀏覽器(如家用微機等)組成，主要完成遠程數據交互功能和向城市居民公布排水工況及處理結果；
　　6.編程軟件：控制系統的編程軟件同樣經歷了從最初的語句系列、面向對象的結構化程序，到工業控制組態軟件的發展過程；隨著Internet的發展，由Microsoft公司基于Windows操作系統所提出的COMComponent Object Model)、 DCOM(Distributed Coponent Object Model)、ActiveX等概念事實上引導著世界計算機軟件產業界的編程思想和方法，在工控領域這種概念的一個重要成果就是OPC(OLE for Process Control，過程控制中的對象嵌入技術)技術規范。基于OPC技術，從傳統的“組態軟件”概念，發展到了已有成熟產品的“組件軟件”概念；
　　7.與地理信息管理系統GIS(Geographic Information System)的接口：鑒于GIS在市政管理中日益重要的作用，作為市政系統一部分的城市排水體系，通過Internet，實現其SCADA與市政GIS的在線連接具有重要的意義。
　　(二)系統模型結構：基于TCP/IP網絡協議和Web應用技術的SCADA結構模型及實例如下兩頁圖，可從三個方面描述：
　　1.網絡拓撲結構：Infranet+Intranet+Internet：
　　·面向工廠控制設備的現場總線及工業控制網絡層——
　　Infranet(Infrastructure Networks)；
　　·以“實時數據庫管理”和“人機操作界面”為主要內容的企業內部互聯網層——Intranet(Intra-Networks)；
　　·以實現“遠程人機交互”為主要內容的國際互聯網層——Internet(International Networks)；
　　2.數據庫分布結構：企業管理數據庫+生產實時數據庫；
　　3.HMI(Human-Machine Interface：人—機界面)分布結構：
　　生產工況監控+數據庫管理。
　　支持TCP/IP協議以實現三層網絡無縫互聯，應用Web技術實現“企業綜合自動化”，是當前SCADA發展的主要方向，國際上一些著名的工控領域軟硬件制造商、系統集成商如：Rockwell、Siemens、Foxbro、Fisher-Rosemount、Schneider、Intellution、Wanderware、PC-Soft等等最近2、3年中所推出的基于“整體自動化”和“工廠自動化”概念的各種系列產品基本上都是這種結構的典型范例和事實“標準”，并且在發達國家城市排水體系中得到了廣泛應用。

　　三　順應科技發展潮流，堅持全開放性原則，充分利用各種社會資源選擇系統軟硬件設備

　　從工程控制的角度看，城市排水體系是一個直接由城市人群生產生活過程產生的、物理位置分散、分布時變參數多、生產過程及結果透明度高的開放型大系統。系統設計、軟硬件設備選型都要堅持開放性原則——在目前以“信息化、全球化、以人為本”為標志的知識經濟時代，這不僅是當前儀表自動化產業的發展規范，也是降低綜合成本(主要是設備成本和人成本)的有效措施——只有堅持全開放性原則，才能充分利用各種社會資源(通訊資源、人力資源、技術服務資源等等)，才能節省投資和及時獲得相應的維護人才。

　　四　站在國家政策和執法的高度在發展建設現代城市排水體系的過程中將SCADA作為重點技術推廣引用具有重要的意義

　　毫無疑問，對于現代城市排水體系的運營者來說，SCADA不僅是準確監測排水工況、保證污水處理質量、方便生產管理、提高生產效率，減輕勞動強度，節能降耗、減員增效的必不可少的技術設備和措施；另一方面，如果站在國家政策和執法的高度來看，正確地應用好SCADA同樣將取得非常重要的社會效益，主要表現在如下幾點：
　　1.正如前述，城市排水體系是一個開放型大系統，對其系統模型(如：排水量、排水水質變化規律等)的準確識別無疑對城市排水體系規劃、工藝線路選擇、工程設計、污水處理成本預測等等都具有重要的指導意義——這是一項系統工程；另一方面，勿容質疑，在市場經濟體制下城市排水體系必須按企業機制進行經營管理才能步入滾動發展、良性循環的發展軌道。但是，象所有其它城市公益事業一樣，從過去計劃經濟體制下走出來的城市排水體系管理模式必然帶有很多具有城市公益事業色彩的不適應市場經濟體制的管理方式和習慣，同時還要根據現代城市排水行業的特點，探索出適合我國國情的能夠在市場經濟體制下按企業機制進行運作的經營模式，這是一個艱巨而復雜的過程。如果能夠對這個過程進行科學的評估，將非常有利于這個過程的良性發展，加快我國城市排水事業的建設——這也是一項系統工程；它們都需要大量的及時而準確的基礎性實際工況數據(如：排水量、耗氣量、耗電量、出水水質等等)以及能夠對這些數據進行科學處理的各相應的城市排水行業信息管理部門。隨著城市排水事業建設的迅速發展，以政府各相應主管部門為主體的城市排水行業信息管理工作將愈來愈艱巨而復雜，如何提高這項管理工作效率是當務之急。一般來說，影響這項管理工作效率的主要因素是數據采集的準確性、及時性、處理數據的方法和所使用的工具。自然，要提高其數據采集的準確性、及時性，無疑應用Web技術的SCADA是目前最為理想的現代高科技手段。
　　2.既然城市排水體系的全部費用均來自于城市居民，自然，城市居民依法擁有各種相應的“知情權”(如：污水處理量及處理結果等等)。一般來說，居民的這種“知情權”都是通過政府各主管部門、社會輿論機構、行業協會等各社會部門利用行政手段來實現的，但往往因為中間環節過多或運營者缺乏主動性、自覺性而使這種“知情權”難以及時實現——這實際上是在損害廣大消費者的利益。SCADA應用Web技術(如：企業Internet網站)為上述各社會部門提供了一整套科學的觀測手段和監督窗口——Web技術應用也是目前浩浩蕩蕩的世界發展潮流。
　　因此，在城市排水體系中，推廣基于Web和“Infranet+Intranet+Internet”技術的SCADA具有非常重要的社會意義。但同時也應該考慮到，SCADA目前還是一個高科技領域，在我國目前的科普面有限、技術裝備相對落后、各地經濟發展不均衡、排水管理體制改革進度不一致的國情下如果不因地制宜盲目推廣應用往往會得到適得其反的結果——SCADA不但不能發揮其應有的作用，反而每年還需要一大筆維護費用。所以，在城市排水建設中，政府各相應的主管部門還應該積極為正確引導SCADA能夠在城市排水體系中發揮其應有作用制定一些必要的政策：
　　·為保證國家《水法》、《環境保護法》、《水污染防治法》能夠得到嚴格遵守，各種相應的政策、技術規范和標準等應實時更新，不斷發展，因地制宜，保持可操作性；
　　·強化監督職能——一不僅要有科學的適合我國國情的監督管理方法，還要充分利用現代高科技輿論工具，逐步引導和落實居民的“知情權”；
　　·城市排水事業應直接面向市場，按企業機制自主經營，從而為維護SCADA營造一個良好的技術和人才市場。

　　五　以高度的社會責任感來設計城市排水體系SCADA的Web功能

　　如前所述，在市場經濟體制下城市排水體系必須按企業機制進行經營管理，這就要求整個經營過程都必須嚴格遵守國家有關企業經營的一系列政策和法規，其中保護消費者的權益是其核心內容之一；同時，城市排水體系又是一項城市公益性事業，消費者往往是被動接受，沒有選擇產品的余地，這又非常不利于市場經濟體制下的遵循“自由競爭”市場經濟規律的企業化改制——這是一個很棘手的問題，解決好這個問題將有利于整個城市排水事業的發展——解決這個問題的一個有效方法就是對城市排水體系整個運營過程進行強制性全面監督——首先作為企業，責無旁貸應該主動如實向消費者宣傳說明產品質量(即污水處理結果)；其次相應的各社會部門應以高度的社會責任感來主動監督。在設計SCADA特別是其中的Web應用功能時，一個基本立足點就是為了解決這一問題。
　　城市排水體系SCADA實際上可以準確在線采集到三大類數據，并形成實時數據庫，由這個實時數據庫可以統計各種數據，包括需要和不能公開對外發布的數據：
　　·所有物流量——排水量、處理量、耗電量、產泥量等等；
　　·所有物流質——排水水質、出水水質、出泥質等等；
　　·所有設備運行工況——運行、停車、故障、修理等等；
　　Web功能基本上可分為三大類：
　　.對外公開發布城市排水工況——排水量、排水水質、排水分布情況等等；
　　·對外公開發布城市排水處理結果——處理水量、出水水質、出水分布情況等等；
　　·對外公開發布城市排水運營經濟狀況——總產值、總成本、利稅、固定資產等等。