背景：
位于落基山脈腹地的阿肯色河主要源頭，科羅拉多州Leadville市建立于1877年，海撥10，152英尺，該市是美國(guó)最高礦業(yè)城市，以金、銀、銅等貴金屬資源豐富而聞名。追溯至19世紀(jì)60年代，當(dāng)金和銀首次在Leadville附加發(fā)現(xiàn)時(shí)，那起初是作為當(dāng)?shù)氐囊粋€(gè)采礦基地。在以后的幾十年里，其周邊地區(qū)的山坡深處遍布金屬礦產(chǎn)。在那個(gè)年代，排出地表水和雨水很不容易，所以在采礦設(shè)施下搭建了縱向通道，使水能夠流下來(lái)匯集到阿肯色河中。
到了20世紀(jì)80年代，大量的水聚集在棄用的礦井中，金屬逐漸把水酸化。更嚴(yán)重的是附近的河流也被污染，當(dāng)有動(dòng)物經(jīng)過(guò)時(shí)，其腿和腳極易被灼傷。經(jīng)美國(guó)環(huán)境保護(hù)局評(píng)估后，Leadville礦區(qū)內(nèi)和附近的多塊區(qū)域被判為人類(lèi)非安全區(qū)域，并指定為超級(jí)基金（有毒廢物堆場(chǎng)污染清除基金）的站點(diǎn)。
美國(guó)墾務(wù)局建設(shè)堤壩、電廠(chǎng)及隧道，為超過(guò)3100百萬(wàn)的美國(guó)居民供應(yīng)用水
Leadville隧道
Leadville礦井排水隧道（LMDT）于1952年竣工，由美國(guó)礦業(yè)局建造用于礦井區(qū)指定區(qū)域的排水。隧道位于Leadville市外南/東南部，全長(zhǎng)約120，000英尺。
隧道內(nèi)部
自1992年，開(kāi)墾局（于1959年購(gòu)得隧道，一直獨(dú)立負(fù)責(zé)直至1996年被聯(lián)邦政府解散）便進(jìn)行隧道排水處理—除去溶解的金屬，保證水符合管理法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，能安全地流入阿肯色河道內(nèi)。
1996年以來(lái)，Eugene Csuti主要負(fù)責(zé)該地水處理廠(chǎng)的自動(dòng)化和電子設(shè)備。他確定、使用、維護(hù)一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程控制系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)包括水位、條件變化報(bào)警和金屬篩除如鎘、鉛、銀和鋅等。系統(tǒng)同時(shí)調(diào)節(jié)水的PH值，降低水的濁度，在排放前對(duì)其進(jìn)行凈化，甚至比日常飲用水更為清潔。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Csuti開(kāi)始重新審查安裝的Opto 22 mistic™控制平臺(tái)，包括多重G4LC32控制器（自動(dòng)化行業(yè)的第一代可編程自動(dòng)化控制器之一）和可升級(jí)至更先進(jìn)的SNAP PAC系統(tǒng)，它是Opto 22最新一代的硬件和軟件，擁有更快和更強(qiáng)大的控制器，簡(jiǎn)單易懂，Microsoft®Windows®環(huán)境下編程，易于操作的HMI開(kāi)發(fā)工具。因?yàn)镺pto 22產(chǎn)品可向后兼容，Csuti能對(duì)硬件升級(jí)，利用新的特點(diǎn)加入指令，而不用改變運(yùn)行中的現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)和I/O。
Csuti與Opto-Solutions（一家工程和設(shè)計(jì)公司專(zhuān)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化，建筑和能源管理及其他應(yīng)用等）合作，Opto-Solutions協(xié)助Csuti將整個(gè)系統(tǒng)升級(jí)至Opto 22的旗艦產(chǎn)品SNAP PAC系統(tǒng)平臺(tái)。新系統(tǒng)擁有Opto 22著名的分布式架構(gòu)，裝有與多個(gè)I/O通訊的獨(dú)立控制器，用于監(jiān)測(cè)和控制上千個(gè)點(diǎn)。Opto 22 的I/O擁有罕見(jiàn)的獨(dú)立I/O處理器，能進(jìn)行時(shí)間關(guān)鍵性、密集處理和重復(fù)任務(wù)，如高速計(jì)數(shù)、輸入閉鎖、積分計(jì)算及最出色的PID回路控制。
LMDT的控制室
PID控制
部分Leadville的處理過(guò)程包括添加硫酸和其他化學(xué)試劑以固化污染物，最終能像淤泥一樣被抽出去。使用PID回路控制有效調(diào)節(jié)了硫酸注入過(guò)程并保證了水的PH值在正常范圍內(nèi)，約7.8~8。
“我們的Opto系統(tǒng)連接化學(xué)加料器，PID控制加快或減慢注入速度，保持PH值的準(zhǔn)確”，Csuti解釋道。
分布式架構(gòu)
值得注意的是，PID回路控制的這個(gè)過(guò)程不依賴(lài)Opto 22 PAC控制器來(lái)執(zhí)行，而是通過(guò)遠(yuǎn)程處理器（也被稱(chēng)作智能處理器）實(shí)現(xiàn)的。將整個(gè)設(shè)備中的控制器層的PID回路控制的密集運(yùn)算下放到I/O機(jī)架上的智能處理器，能有效推動(dòng)控制至I/O層，同時(shí)這種分布式架構(gòu)為Csuti提供了許多優(yōu)勢(shì)。Opto—Solutions總裁Anthony Dern定時(shí)與Csuti就使用和支持的問(wèn)題進(jìn)行磋商，
他解釋道：“有了Opto的分布式SNAP PAC系統(tǒng)，中央控制器能運(yùn)行控制程序或‘策略’，并代表遠(yuǎn)程智能處理器的許多功能—從簡(jiǎn)單的I/O讀寫(xiě)到更復(fù)雜些的功能如高速計(jì)數(shù)、脈沖、測(cè)量及熱電偶線(xiàn)性化等。因此，SNAP PAC系統(tǒng)能降低系統(tǒng)內(nèi)的故障幾率，例如若主機(jī)PAC以任意形式出現(xiàn)故障，你仍有單獨(dú)單元可繼續(xù)進(jìn)行操作，永久地不停頓地執(zhí)行系統(tǒng)各自的任務(wù)。”
在Csuti的案例中，這意味著，如果中央控制器停轉(zhuǎn)、離線(xiàn)或因?yàn)槿魏卧虿贿\(yùn)行，所有分布在整個(gè)設(shè)施中的SNAP PAC智能控制器不會(huì)受到影響，將繼續(xù)執(zhí)行他們的PID計(jì)算和對(duì)規(guī)定水的計(jì)量。
Opto分布式架構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于布線(xiàn)，如Csuti的水處理操作發(fā)生在大規(guī)模設(shè)備中，一個(gè)主控制室與6個(gè)遠(yuǎn)程I/O通訊，面板加2個(gè)遠(yuǎn)程站點(diǎn)通過(guò)光纖通訊。這些都是有線(xiàn)連I/O，控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)、設(shè)備開(kāi)關(guān)及儀表監(jiān)測(cè)。在白天的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，系統(tǒng)操作狀態(tài)是手動(dòng)，面板則用于本地控制。而在晚間和節(jié)假日，系統(tǒng)切換至自動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)控制室優(yōu)先。因此，布線(xiàn)實(shí)際上需要2個(gè)不同的地點(diǎn)，同時(shí)，對(duì)于設(shè)備大于2500個(gè)I/O點(diǎn)的集中控制，需建立起并管理眾多遠(yuǎn)距離布線(xiàn)的運(yùn)行。所有這些都決定了分布式架構(gòu)才是最佳的選擇。
超過(guò)2500個(gè)Opto 22 SNAP PAC系統(tǒng)I/O點(diǎn)24h監(jiān)測(cè)和控制水處理過(guò)程
并行布線(xiàn)
這一水處理應(yīng)用中獨(dú)特的一面是，升級(jí)至SNAP PAC系統(tǒng)意味著Csuti需要對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行并行布線(xiàn)，通過(guò)安裝新的的硬件同時(shí)和舊硬件并行與I/O相連，逐一復(fù)制現(xiàn)有架構(gòu)。盡管這種方法比一般硬件移除替換更費(fèi)時(shí)，在LMDT中的操作性質(zhì)及這些操作對(duì)健康、周?chē)用窈铜h(huán)境產(chǎn)生的巨大影響決定了沒(méi)有其他的選擇。
“我們廠(chǎng)里的設(shè)備全年無(wú)休，每天約處理280萬(wàn)加侖，我們的水處理操作關(guān)系著這個(gè)社區(qū)，” Csuti說(shuō)道。“我們處在不能長(zhǎng)時(shí)間關(guān)閉任何設(shè)備的狀態(tài)下，因此在系統(tǒng)升級(jí)方面，我們沒(méi)有很多選擇。復(fù)制每條線(xiàn)路的確是件棘手的事。在廠(chǎng)的各個(gè)位置我們都裝有I/O和應(yīng)急配件。”
但是最終的升級(jí)將是值得的，因?yàn)樾碌南到y(tǒng)的速度將是原來(lái)的100倍，且具有較好的PID處理能力，并提供高密度的I / O，能為當(dāng)局節(jié)省很大空間。
整個(gè)控制系統(tǒng)是并行配置，Csuti能從其舊的mistic架構(gòu)切換至他的新SNAP PAC架構(gòu)，微調(diào)至他所需要的操作詳細(xì)和參數(shù)上。新系統(tǒng)的功能使得Csuti估算并標(biāo)記出必要的調(diào)節(jié)。他也可以切換回舊系統(tǒng)并做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，仍保持設(shè)備的可操作性。Csuti計(jì)劃繼續(xù)像這樣系統(tǒng)倒轉(zhuǎn)直至系統(tǒng)正常，以后他將徹底卸除舊系統(tǒng)—包括控制器、布線(xiàn)、底板、模塊和其他硬件。
故障報(bào)錯(cuò)，報(bào)警和可靠性
監(jiān)察當(dāng)局繼續(xù)監(jiān)測(cè)Leadville內(nèi)及附近的水域。若水中金屬量超標(biāo)，或水質(zhì)不干凈，當(dāng)局將面臨重罰。為了避免處罰，Csuti設(shè)計(jì)的控制策略指定若有任意過(guò)程不符合設(shè)定的操作規(guī)定，控制系統(tǒng)將發(fā)布指令將排出的水從河道內(nèi)轉(zhuǎn)移至確認(rèn)的池塘內(nèi)直到問(wèn)題糾正，系統(tǒng)重啟。
類(lèi)似地，當(dāng)水廠(chǎng)監(jiān)測(cè)處于自動(dòng)模式，若發(fā)現(xiàn)一個(gè)閥門(mén)位置錯(cuò)誤或模擬量讀數(shù)超過(guò)參數(shù)范圍，控制策略會(huì)對(duì)系統(tǒng)嘗試重啟操作。若系統(tǒng)無(wú)法正常重啟，整個(gè)過(guò)程安全有序的關(guān)閉。若遇緊急情況如自主撥號(hào)激活，撥打如下之一的電話(huà)（管理者、操作員、機(jī)械專(zhuān)家或電氣專(zhuān)家Csuti），使其可以快速知曉并迅速抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。
Opto 22系統(tǒng)還監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組的停電—若有任何事件發(fā)生，發(fā)送即時(shí)通知—不間斷電源供應(yīng)保證控制器和控制策略時(shí)刻運(yùn)行。
“大規(guī)模的編程使得系統(tǒng)能對(duì)許多不同的情況和描述做出響應(yīng)，” Csuti說(shuō)道。“我們策略的復(fù)雜性—其中接近80項(xiàng)—決策的制定需要它們，使得我們的系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)逼真的整體。”
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