不用PLC、不用DCS——边缘控制系统助力智能水务实现

利用工业物联网（IIoT）实现水和污水处理的数字化转型的工程，也是实现“智能水务(Smart Water)”的一个数字化转型的过程。

　　什么是“智能水务”？就是利用IIoT架构和设备控制并监测水处理和给水的基础设施。这种控制系统的原理是通过使用边缘控制器、先进的仪器仪表从而具有更好地监测、控制和预测基础设施的能力。

　　根据不断增长的需求，让我们看看这个过程中几个渐进的迭代步骤：

　　●  监测：了解当前的系统状态；

　　●  诊断：了解故障的原因和结果；

　　●  预测：利用采集的信息来预测和避免问题出现，如设备故障或关键过程偏差；

　　●  优化：利用采集的信息来提高效率；

　　●  学习：学习如何预测运营的行为。

　　大多数现有的基础设施只使用前两个步骤，这意味着他们只能在监测和诊断阶段受益。如果您能够突破到下一个阶段，就会得到更好的结果。新系统在设计时，必须考虑到这个转型的过程，工厂的控制理念需要包括数据存储的规定、支持IIoT的能力，以及使用边缘控制器与数据云进行通信。厂长必须有明确定义的关键绩效指标（KPI），如减少水损失、优化能耗，并承诺从按天排定或按小时排定维护计划转向基于按状态的维护计划。

　　实现这些目标的基本步骤包括：

　　●  确定要监测的输入/输出（I/O）点；

　　●  确定或安装监测这些数据点的仪表（最好是智能的）；

　　●  纳入适合连接这些数据点并对其进行处理或将其传送到更高级别的系统；

　　●  将这些数据点记录为有时间戳的历史数据值以便于将它们用于分析。

　　在进行数字化转型时，从现有基础设施的现代化投资中获得最大收益，是现有公用事业部门应努力实现的其中一个目标。在这个过程中，公用事业部门的经营者们，请考虑以下几个问题：

　　1.这个新的基础设施是否是面向未来的？

　　任何新建系统的安装或现有系统的扩建都必须纳入“智能水务”的概念，因为这些基础设施项目是长周期的，需要高额的资本支出，而且不能搭建在20世纪中期的过时架构中。

　　2.在竞争激烈、资本支出缩减的世界中新的基础设施是否有竞争力？

　　减少运营和维护费用是公用事业部门竞争的有利条件。使用边缘控制器提高数字化程度可以大大降低运营和维护成本，从而省下更多资金用于扩建和新建基础设施。

　　3.新的基础设施能否通过手持设备进行远程控制？

　　在后疫情时代，人们更看重远程查看和监测水务基础设施等关键过程的能力。要实现这一目标就必须在控制系统中纳入IIoT解决方案。

　　4.控制系统是否具有网络安全性？

　　随着黑客针对电力和水务等公共事业部门的攻击不断增加，公共事业部门必须认识到，一定要使用像艾默生RX3i CPL410（已通过阿基里斯2级认证）这样的网络安全控制器。它不仅提供加密的固件更新，还能防止未经授权的固件和配置更新，并防止“中间人”和“拒绝服务”等网络攻击。

　　5.目前的劳动力状况如何？

　　劳动力状况对数字化转型之旅的成功与否关系重大。正在被新一代操作员和工程师逐渐取代的老龄化劳动力需要接受未来技术的培训。此外，以往的经验可能有助于增强他们的能力。过时的控制系统不仅对他们没有吸引力，而且还可能妨碍他们的工作。此外，高管（CXO级别的员工）必须接受培训，以明确界定需要监测和加强的关键绩效指标；否则，在没有及时投资的情况下，确实有可能过早地产生不现实的期望。

　　当今社会，所有行业都在经历某种形式的数字化转型；传统的控制系统、信息技术和数据科学的融合正在为新的解决方案铺平道路。随着这三方面技术转型的发展，新的应用变得可能。

　　部署技术能力的关键在于业务转型：驱动过程的可靠性，成品的质量，超越竞争对手的竞争力，以及事半功倍的能力。

　　在水务行业，成品是饮用水或处理后的污水。公用事业部门需要实现降低成本、增加过程可靠性以及合规等目标的方法。这种汇集在一起的需求为水务行业带来了新的可能性，因为在不同的地区，提供更好的水处理的挑战越来越大。从中央监测，到数字双胞胎，再到数据分析，正在实施新的解决方案以提高处理效率并实现更好的预测分析。所有这些概念都被封装在业界所谓的“智能水务”中。

　　另外，水处理项目是长周期项目，并且这样的基础设施会持续使用很长时间。与石油天然气和电力行业相比，该行业传统上投资更少，这意味着水处理行业很多基础设施已经20多年没有升级了。

　　但是，时代变了。老化的基础设施正在被改造，人们问的第一个问题是：“它看起来会和原来一样吗？当花费巨额资本支出升级改造后有哪些先进技术能被利用从而获得最大回报？”

　　这就是采用边缘控制器解决方案的“智能水务”架构的由来。在新建项目（尤其是智慧城市的项目）中，水处理项目的规范已经发展到包括增强的数字化。然而，在整个周期中实现完全数字化还需要做更多的工作。

　　根据现有系统的市政给水设施的规模不同，技术选择可能也会有所不同。中小型设施可能采用可编程逻辑控制器（PLC）和SCADA架构，而大城市的大型公用事业部门可能采用分布式控制系统（DCS）。

　　然而，纳入边缘控制器架构的理念是独立于现有的控制基础架构的。边缘控制器可以很容易地扩展控制理念并改变现有的操作。 

　　边缘自动化是在云边缘运行过程的理念。这个想法是为了让传统的过程控制能够与外部算法和命令进行互操作，同时关注核心过程自动化。例如，提高工厂产量的策略可能运行在边缘控制器上，甚至运行在云上。必要时，它可以调整输入参数或过程的设定值，以达到期望的结果。

　　边缘控制器还可以跨过程或地理位置将数据上传到云端。也可以在单个位置依次查看和分析这些数据，以便进行比较分析并获得洞察力。例如，用户可以跨不同过程或地理位置比较同一制造商的100台电机的能源使用数据，以比较能耗数据并在故障发生前识别故障。

　　2021年是特殊的一年，每个行业都有应对和适应新冠肺炎威胁的特殊示例。人们迫切需要更多的数字化，特别是在更好的远程监控和内置安全性方面。工厂操作员和工程师应该能够远程控制工厂和诊断故障，以保持过程的连续性，并且人工干预更多的是为了采取措施，而不是进行诊断。

　　尽管新冠肺炎疫情最终可能会平息，但一个新常态已经形成——过去几个月已经让决策者清楚地相信，为了在新冠肺炎疫情等情况下获得更好的运营控制，以及提高竞争力、质量和可靠性，更多的数字化和更智能的水务是绝对必要的。

　　世界各国政府都在实施量化宽松政策，由此产生的资金也流入了水务行业。有专门针对水务基础设施现代化的具体立法，其中许多资金将继续用于在2021年及以后实施数字化基础设施，加强控制系统架构。一个强大且具高可用性的边缘控制系统将是数字化转型之旅中必不可少的一步，也是水务行业数字化转型中的一个最关键的部分。