不用(yòng)PLC、不用(yòng)DCS——邊緣控制系統助力智能水(shuǐ)務實現

利用(yòng)工業物(wù)聯網（IIoT）實現水(shuǐ)和(hé)污水(shuǐ)處理(lǐ)的(de)數字化(huà)轉型的(de)工程，也(yě)是實現“智能水(shuǐ)務(Smart Water)”的(de)一個(gè)數字化(huà)轉型的(de)過程。

　　什(shén)麽是“智能水(shuǐ)務”？就是利用(yòng)IIoT架構和(hé)設備控制并監測水(shuǐ)處理(lǐ)和(hé)給水(shuǐ)的(de)基礎設施。這(zhè)種控制系統的(de)原理(lǐ)是通(tōng)過使用(yòng)邊緣控制器、先進的(de)儀器儀表從而具有更好地監測、控制和(hé)預測基礎設施的(de)能力。

　　根據不斷增長(cháng)的(de)需求，讓我們看看這(zhè)個(gè)過程中幾個(gè)漸進的(de)叠代步驟：

　　●  監測：了(le)解當前的(de)系統狀态；

　　●  診斷：了(le)解故障的(de)原因和(hé)結果；

　　●  預測：利用(yòng)采集的(de)信息來(lái)預測和(hé)避免問題出現，如設備故障或關鍵過程偏差；

　　●  優化(huà)：利用(yòng)采集的(de)信息來(lái)提高(gāo)效率；

　　●  學習(xí)：學習(xí)如何預測運營的(de)行爲。

　　大(dà)多(duō)數現有的(de)基礎設施隻使用(yòng)前兩個(gè)步驟，這(zhè)意味著(zhe)他(tā)們隻能在監測和(hé)診斷階段受益。如果您能夠突破到下(xià)一個(gè)階段，就會得(de)到更好的(de)結果。新系統在設計時(shí)，必須考慮到這(zhè)個(gè)轉型的(de)過程，工廠的(de)控制理(lǐ)念需要包括數據存儲的(de)規定、支持IIoT的(de)能力，以及使用(yòng)邊緣控制器與數據雲進行通(tōng)信。廠長(cháng)必須有明(míng)确定義的(de)關鍵績效指标（KPI），如減少水(shuǐ)損失、優化(huà)能耗，并承諾從按天排定或按小時(shí)排定維護計劃轉向基于按狀态的(de)維護計劃。

　　實現這(zhè)些目标的(de)基本步驟包括：

　　●  确定要監測的(de)輸入/輸出（I/O）點；

　　●  确定或安裝監測這(zhè)些數據點的(de)儀表（最好是智能的(de)）；

　　●  納入适合連接這(zhè)些數據點并對(duì)其進行處理(lǐ)或将其傳送到更高(gāo)級别的(de)系統；

　　●  将這(zhè)些數據點記錄爲有時(shí)間戳的(de)曆史數據值以便于将它們用(yòng)于分(fēn)析。

　　在進行數字化(huà)轉型時(shí)，從現有基礎設施的(de)現代化(huà)投資中獲得(de)最大(dà)收益，是現有公用(yòng)事業部門應努力實現的(de)其中一個(gè)目标。在這(zhè)個(gè)過程中，公用(yòng)事業部門的(de)經營者們，請考慮以下(xià)幾個(gè)問題：

　　1.這(zhè)個(gè)新的(de)基礎設施是否是面向未來(lái)的(de)？

　　任何新建系統的(de)安裝或現有系統的(de)擴建都必須納入“智能水(shuǐ)務”的(de)概念，因爲這(zhè)些基礎設施項目是長(cháng)周期的(de)，需要高(gāo)額的(de)資本支出，而且不能搭建在20世紀中期的(de)過時(shí)架構中。

　　2.在競争激烈、資本支出縮減的(de)世界中新的(de)基礎設施是否有競争力？

　　減少運營和(hé)維護費用(yòng)是公用(yòng)事業部門競争的(de)有利條件。使用(yòng)邊緣控制器提高(gāo)數字化(huà)程度可(kě)以大(dà)大(dà)降低運營和(hé)維護成本，從而省下(xià)更多(duō)資金用(yòng)于擴建和(hé)新建基礎設施。

　　3.新的(de)基礎設施能否通(tōng)過手持設備進行遠(yuǎn)程控制？

　　在後疫情時(shí)代，人(rén)們更看重遠(yuǎn)程查看和(hé)監測水(shuǐ)務基礎設施等關鍵過程的(de)能力。要實現這(zhè)一目标就必須在控制系統中納入IIoT解決方案。

　　4.控制系統是否具有網絡安全性？

　　随著(zhe)黑(hēi)客針對(duì)電力和(hé)水(shuǐ)務等公共事業部門的(de)攻擊不斷增加，公共事業部門必須認識到，一定要使用(yòng)像艾默生RX3i CPL410（已通(tōng)過阿基裏斯2級認證）這(zhè)樣的(de)網絡安全控制器。它不僅提供加密的(de)固件更新，還(hái)能防止未經授權的(de)固件和(hé)配置更新，并防止“中間人(rén)”和(hé)“拒絕服務”等網絡攻擊。

　　5.目前的(de)勞動力狀況如何？

　　勞動力狀況對(duì)數字化(huà)轉型之旅的(de)成功與否關系重大(dà)。正在被新一代操作員(yuán)和(hé)工程師逐漸取代的(de)老齡化(huà)勞動力需要接受未來(lái)技術的(de)培訓。此外，以往的(de)經驗可(kě)能有助于增強他(tā)們的(de)能力。過時(shí)的(de)控制系統不僅對(duì)他(tā)們沒有吸引力，而且還(hái)可(kě)能妨礙他(tā)們的(de)工作。此外，高(gāo)管（CXO級别的(de)員(yuán)工）必須接受培訓，以明(míng)确界定需要監測和(hé)加強的(de)關鍵績效指标；否則，在沒有及時(shí)投資的(de)情況下(xià)，确實有可(kě)能過早地産生不現實的(de)期望。

　　當今社會，所有行業都在經曆某種形式的(de)數字化(huà)轉型；傳統的(de)控制系統、信息技術和(hé)數據科學的(de)融合正在爲新的(de)解決方案鋪平道路。随著(zhe)這(zhè)三方面技術轉型的(de)發展，新的(de)應用(yòng)變得(de)可(kě)能。

　　部署技術能力的(de)關鍵在于業務轉型：驅動過程的(de)可(kě)靠性，成品的(de)質量，超越競争對(duì)手的(de)競争力，以及事半功倍的(de)能力。

　　在水(shuǐ)務行業，成品是飲用(yòng)水(shuǐ)或處理(lǐ)後的(de)污水(shuǐ)。公用(yòng)事業部門需要實現降低成本、增加過程可(kě)靠性以及合規等目标的(de)方法。這(zhè)種彙集在一起的(de)需求爲水(shuǐ)務行業帶來(lái)了(le)新的(de)可(kě)能性，因爲在不同的(de)地區(qū)，提供更好的(de)水(shuǐ)處理(lǐ)的(de)挑戰越來(lái)越大(dà)。從中央監測，到數字雙胞胎，再到數據分(fēn)析，正在實施新的(de)解決方案以提高(gāo)處理(lǐ)效率并實現更好的(de)預測分(fēn)析。所有這(zhè)些概念都被封裝在業界所謂的(de)“智能水(shuǐ)務”中。

　　另外，水(shuǐ)處理(lǐ)項目是長(cháng)周期項目，并且這(zhè)樣的(de)基礎設施會持續使用(yòng)很長(cháng)時(shí)間。與石油天然氣和(hé)電力行業相比，該行業傳統上投資更少，這(zhè)意味著(zhe)水(shuǐ)處理(lǐ)行業很多(duō)基礎設施已經20多(duō)年沒有升級了(le)。

　　但是，時(shí)代變了(le)。老化(huà)的(de)基礎設施正在被改造，人(rén)們問的(de)第一個(gè)問題是：“它看起來(lái)會和(hé)原來(lái)一樣嗎？當花費巨額資本支出升級改造後有哪些先進技術能被利用(yòng)從而獲得(de)最大(dà)回報？”

　　這(zhè)就是采用(yòng)邊緣控制器解決方案的(de)“智能水(shuǐ)務”架構的(de)由來(lái)。在新建項目（尤其是智慧城(chéng)市的(de)項目）中，水(shuǐ)處理(lǐ)項目的(de)規範已經發展到包括增強的(de)數字化(huà)。然而，在整個(gè)周期中實現完全數字化(huà)還(hái)需要做(zuò)更多(duō)的(de)工作。

　　根據現有系統的(de)市政給水(shuǐ)設施的(de)規模不同，技術選擇可(kě)能也(yě)會有所不同。中小型設施可(kě)能采用(yòng)可(kě)編程邏輯控制器（PLC）和(hé)SCADA架構，而大(dà)城(chéng)市的(de)大(dà)型公用(yòng)事業部門可(kě)能采用(yòng)分(fēn)布式控制系統（DCS）。

　　然而，納入邊緣控制器架構的(de)理(lǐ)念是獨立于現有的(de)控制基礎架構的(de)。邊緣控制器可(kě)以很容易地擴展控制理(lǐ)念并改變現有的(de)操作。 

　　邊緣自動化(huà)是在雲邊緣運行過程的(de)理(lǐ)念。這(zhè)個(gè)想法是爲了(le)讓傳統的(de)過程控制能夠與外部算(suàn)法和(hé)命令進行互操作，同時(shí)關注核心過程自動化(huà)。例如，提高(gāo)工廠産量的(de)策略可(kě)能運行在邊緣控制器上，甚至運行在雲上。必要時(shí)，它可(kě)以調整輸入參數或過程的(de)設定值，以達到期望的(de)結果。

　　邊緣控制器還(hái)可(kě)以跨過程或地理(lǐ)位置将數據上傳到雲端。也(yě)可(kě)以在單個(gè)位置依次查看和(hé)分(fēn)析這(zhè)些數據，以便進行比較分(fēn)析并獲得(de)洞察力。例如，用(yòng)戶可(kě)以跨不同過程或地理(lǐ)位置比較同一制造商的(de)100台電機的(de)能源使用(yòng)數據，以比較能耗數據并在故障發生前識别故障。

　　2021年是特殊的(de)一年，每個(gè)行業都有應對(duì)和(hé)适應新冠肺炎威脅的(de)特殊示例。人(rén)們迫切需要更多(duō)的(de)數字化(huà)，特别是在更好的(de)遠(yuǎn)程監控和(hé)内置安全性方面。工廠操作員(yuán)和(hé)工程師應該能夠遠(yuǎn)程控制工廠和(hé)診斷故障，以保持過程的(de)連續性，并且人(rén)工幹預更多(duō)的(de)是爲了(le)采取措施，而不是進行診斷。

　　盡管新冠肺炎疫情最終可(kě)能會平息，但一個(gè)新常态已經形成——過去幾個(gè)月(yuè)已經讓決策者清楚地相信，爲了(le)在新冠肺炎疫情等情況下(xià)獲得(de)更好的(de)運營控制，以及提高(gāo)競争力、質量和(hé)可(kě)靠性，更多(duō)的(de)數字化(huà)和(hé)更智能的(de)水(shuǐ)務是絕對(duì)必要的(de)。

　　世界各國政府都在實施量化(huà)寬松政策，由此産生的(de)資金也(yě)流入了(le)水(shuǐ)務行業。有專門針對(duì)水(shuǐ)務基礎設施現代化(huà)的(de)具體立法，其中許多(duō)資金将繼續用(yòng)于在2021年及以後實施數字化(huà)基礎設施，加強控制系統架構。一個(gè)強大(dà)且具高(gāo)可(kě)用(yòng)性的(de)邊緣控制系統将是數字化(huà)轉型之旅中必不可(kě)少的(de)一步，也(yě)是水(shuǐ)務行業數字化(huà)轉型中的(de)一個(gè)最關鍵的(de)部分(fēn)。