一、 产品概述：

正泰中自抗复杂恶劣环境的二次供水自主可控全冗余控制系统，国产化率100%，打破该领域国外公司的垄断地位，具有自主可控、低能耗、高安全、高稳定、强环境适应性等特点。本产品的研发问世填补了国内二次供水领域高性能国产化控制系统的技术空白，并在自主可控、I/O模块架构、在线故障诊断、节水节能等方面具有重大突破。智能控制算法保障供水全程安全高效低碳，减少客户投资成本，解决“最后一公里”供水问题。该产品先后荣获国家科技进步二等奖、浙江省优秀工业产品、浙江省首台（套）装备，已在众多老旧小区、新建小区、高层小区保障了水质安全、供水设备稳定运行。

二、 产品研发立项背景

2015年，四部委联合发布《关于加强和改进城镇居民二次供水设施建设与管理确保水质安全的通知》（建城〔2015〕31号），要求加强改进二次供水设施建设与管理、解决“最后一公里”的水质安全问题。2017年，住房和城乡建设部与国家发改委将城市供水安全保障工程列为全国城市市政基础社会建设“十三五”重点工程，计划完成1282万户不符合卫生、技术和安全防范要求的二次供水设施改造。

目前，城市用地越来越紧张，房地产开发商在投资住宅小区时，越来越倾向于高层建筑，问题也随之出现。一方面，由于各地各小区各建筑二次供水设施的现状、运行和管理情况差异较大，导致“最后一公里”在用水高峰时期，有一部分居民水压会极其不稳定甚至没有供水，这类问题在高层建筑尤为突出；且用水高峰期也会出现水压紊乱、水压过低，需水量远大于供水量；用水低峰期，人们用水的需求量低于供水设备的供给量，多余的水堆积在管道内无法释放，出水终端及管路内压力急剧上升，水泵机组电能浪费，长时间持续下去有可能导致部分供水管路破裂甚至供水设备的损坏，进而浪费更多的人力物力。另一方面，供水环境随着四季更替或出现极端温差现象和极端湿度情况，并且由于供水设备处于地下室、负一楼，供水全程无人看守，这不仅需要考虑设备本身是否能经受恶劣环境，也需要考虑提高供水设备的供水性能以及面对突发情况时，系统本身如何应对等问题。

与此同时，我国国产化控制系统与世界处于领先水平的少数品牌存在一些差距，国内控制系统的中高端市场仍长期被艾默生、横河、霍尼韦尔、西门子等国外品牌所垄断，外资企业累计市场占有率过半。这些老牌自动控制领域的国外产品，在产品技术性能上有多年的积累和投入，在产品可靠性、网络性能优化、在线诊断、功能安全等方面还是要比国内的主流品牌更为优越，给系统的可靠稳定运行及工程维护提供了更多方便，一些关键技术对于国内的企业来说，还需要进一步积累和完善。

三、 性能特点：

（一） 系统关键技术

正泰中自抗复杂恶劣环境的二次供水自主可控全冗余控制系统在以下关键技术上取得了突破。

关键技术一：双主并行I/O模块架构技术

设计了双主并行I/O模块架构：I/O模块采用全新的模块架构—“双主并行”，摒弃了沿用很久的“一主一从”或“一主多从”的模块架构，完全解决了模块在采集数据时响应时间过长的问题，减少了通讯负荷，实现了快速无扰切换从而提高系统的整体实时性。

关键技术二：全系统实时自我故障诊断技术

研发了一种全系统实时自我诊断技术：该控制系统能实时诊断通讯网络状态（包括通讯收发数据量、丢包数、通讯状态、通讯负荷等）、控制器状态（包括负荷、通讯接口、算法状态等）、I/O模块状态（包括通讯状态、存储器状态等）以及 I/O通道状态（包括通讯状态、存储器状态、I/O通道断线检测等），实现全系统自我诊断。

关键技术三：多变量模糊控制算法技术

运用了多变量模糊控制算法：整套设备运用多变量模糊控制技术，根据实时数据精确掌握二次供水设备的关键被控量，实现在恶劣场景下的供水设备灵活调控，使设备长期工作在能耗最优区间，从而达到节能降耗的目的。

通常二次供水系统有以下三种模式：

1、高位水箱二次供水模式

该模式将城镇管网来水储存在地下水池中，再通过水泵将水从水池抽吸到屋顶水箱，然后利用屋顶水箱的势能将水供给到各个用户。

2、变频二次供水模式

该模式去掉了屋顶水箱，将城镇管网来水储存在地下水池中，然后利用变频调速水泵将水池中的水直接加压供给用户，水泵会根据用户水压、水量的需求调速运行，保证居民饮用水。同时，采用气压罐等类型的保压装置与该设备联用，保证用户在小流量用水时不必频繁启动水泵和控制系统。

3、无负压二次供水模式

该模式下二次供水设备直接与城镇管网联通，在原有城镇管网水压的基础上，再叠加一定的压力后直接供水给用户。由于整个二次供水过程中，直接利用了城镇管网余压，同时能保护城镇管网水压不低于其最低标准。

本项目基于上述关键技术突破，研发成功了全冗余自主可控无负压二次供水自控系统。其将双同步功能和全冗余功能应用于二次供水系统中，配套专用转接端子板，支持快速集成，解决了二次供水领域控制工程应用问题，控制系统整体可达到较高的安全性和可靠性。其实现全系统实时自我诊断和检测，即使设备和系统的环境处于高温高湿的恶劣场景下，也可以实现二次供水全冗余控制，供水系统的信息的安全存储、以及信息的快速切换、系统的故障自我诊断。此外，其具有节水节能、无污染、投资成本低、占地空间少等优点,逐步得到了市场认可并且具备替代传统二次供水设备的实力。

本项目研制出基于国产芯片、国产操作系统和国产核心元器件的具有完整自主知识产权的控制系统，实现软、硬件的100%国产化。例如，控制模块采用中科龙芯的“龙芯”和“兆易创新GD”系列芯片，设计了双主并行I/O模块架构。本系统的研发成功，可以撼动该领域国外公司的垄断地位，真正实现了自主可控、可替代进口系统。

本项目研发了全冗余自主可控平台，实现了在强复杂场景下的二次供水全冗余控制，提高了信息安全存储、快速切换、故障诊断特性，系统替代进口，在多变量模糊控制算法、在线故障诊断、自主可控技术等方面上具有重大突破。该系统的技术在所检索到的国内外相关产品和文献中未见具体述及。

因此，本项目产品自主研发的主要技术打破了该领域国外公司的垄断地位，实现国产化率100%，同时可以在高温高湿恶劣环境下进行二次供水，有效提升设备供水稳定性、高效性、降低供水能耗，安全性能更高，性价比更加有优越，能够满足各种应用场景下二次供水的需求。

（二） 创新点

创新点一：研发了100%国产化自主可控平台，并是国内首家企业将全国产化控制系统应用于二次供水领域中。基于国产元器件，整套控制系统不仅自身具有强大的全冗余功能、全系统自诊断等功能，同时，搭配供水机组使用，实现可靠性、安全性、低能耗控制、稳定性、易用性的功能。

创新点二：采用了双主并行I/O架构模块，对各通道设置各自的数据传输通路，各数据传输通路直接与控制子中心连接，减少传输过程中的传输过程和公共部分电路，节约了时间成本，提高了响应速度，实现对I/O模块的自动在线组态，只在发生变化时产生更新的组态配置文件，减少了通讯负荷，实现了快速无扰切换。

创新点三：研发了一种全系统实时自我诊断技术，实时诊断通讯网络状态（包括通讯收发数据量、丢包数、通讯状态、通讯负荷等）、控制器状态（包括负荷、通讯接口、算法状态等）、I/O模块状态（包括通讯状态、存储器状态等）以及 I/O通道状态（包括通讯状态、存储器状态、I/O通道断线检测等），实现全系统自我诊断，提高系统的安全连续运行能力。

（三） 系统特点

1、高实时性

系统具有双主并行I/O模块架构，I/O模块采用“双主并行”全新架构，以替代传统的“一主一从”或“一主多从”架构，缩短了模块在采集数据时的响应时间，减少了通讯负荷，实现了快速无扰切换从而提高了系统整体的实时性。

2、安全可靠

系统采用双同步功能和全冗余功能，并将此应用于二次供水领域中，配套专用转接端子板，支持快速集成，解决了大型控制工程应用问题，使得控制系统整体可达到很高的安全性和可靠性，更加适合在恶劣环境下保证控制系统正常运行。

3、自我诊断

系统采用了一种全系统实时自我诊断技术。该技术能实时诊断通讯网络状态（包括通讯收发数据量、丢包数、通讯状态、通讯负荷等）、控制器状态（包括负荷、通讯接口、算法状态等）、I/O模块状态（包括通讯状态、存储器状态等）以及 I/O通道状态（包括通讯状态、存储器状态、I/O通道断线检测等），实现全系统自我诊断能力。

4、节能降耗

系统运用了多变量模糊控制算法，可根据实时数据精确掌握二次供水设备的关键被控量，实现在恶劣场景下的供水设备灵活调控，使设备长期工作在能耗最优区间，从而达到节能降耗的目的。

5、可替代进口

控制系统采用100%国产化元器件，真正实现了自主可控、可替代进口。自主研发的主要技术打破了该领域国外公司的垄断地位，基于国产芯片、国产操作系统和国产核心元器件，并具有完整自主知识产权，实现国产化率100%。

四、 详细科学技术内容

（1）本项目研发了100%国产化自主可控平台，并是国内首家企业将全国产化控制系统应用于二次供水领域中。其中：控制模块采用中科龙芯的“龙芯”系列芯片，并搭载开源的RT-Linux操作系统，具有高可靠、高性能；IO模块采用兆易创新GD系列芯片，GD系列通用MCU基于120MHz Cortex®-M4内核并支持快速DSP功能，该芯片较常规的芯片具有更高性能、更低功耗、更方便易用。基于国产元器件，整套控制系统不仅自身具有强大的全冗余功能、全系统自诊断等功能，同时，搭配供水机组使用，实现可靠性、安全性、低能耗控制、稳定性、易用性的功能。主要的国产元器件如下表所示。

主要国产元器件及生产厂家

（2）本项目采用了双主并行I/O架构模块，对各通道设置各自的数据传输通路，各数据传输通路直接与控制子中心连接，减少传输过程中的传输过程和公共部分电路，节约了时间成本，提高了响应速度，实现对I/O模块的自动在线组态，只在发生变化时产生更新的组态配置文件，减少了通讯负荷，实现了快速无扰切换。

DCS系统包括控制中心和m组I/O模块，具体的结构示意如下图所示。一个I/O模块包括一个模拟量数据采集模块和一个模拟量输出模块。其中，模拟量数据采集模块用于采集至少一个通道的模拟量；模拟量输出模块用于输出至少一个通道的模拟量，各模拟量输出通道采用各自的数据输出通路与输出控制子中心进行数据交互，各采集控制子中心、各输出控制子中心分别与控制中心进行数据传输。

控制系统结构示意图

模拟量数据采集模块如下图所示，包括一个采集控制子中心、n个采集通道和n个数据采集通路，n个数据采集通路分别与采集控制子中心连接，每个采集通道连接一个数据采集通路，采集控制子中心包括第一微处理器，用于数据采集和通讯，采集每个通道的数据，第一微处理器通过通讯通路AI或/和通讯通路BI与控制中心进行数据交互。n个数据采集通路采用相同的电路架构。数据采集通路包括一个独立的数据采集部分，用于对采集控制子中心实时并且同时采集每个通道的数据，将采集到的数据存储在自己的存储空间。当控制中心通过通讯A或/和通讯B通路向第一微处理器索要数据时，第一微处理器再将存储空间中的数据发送给控制中心。输入信号进行处理；处理方式包括：滤波、放大、模拟量转换成数字量等。

模拟量数据采集模块结构示意图

模拟量输出模块，如下图所示，包括一个输出控制子中心、k个输出通道和k个数据输出通路、HART调制电路，k个数据输出通路分别与输出控制子中心连接，每个输出通道连接一个数据输出通路，输出控制子中心包括第二微处理器，用于数据处理和通讯，控制输出对应的通道，第二微处理器通过通讯通路AO或/和通讯通路BO与控制中心进行数据交互。k个数据输出通路采用相同的电路架构。

模拟量输出模块结构示意图

第一微处理器、第二微处理器采用相同的微处理器芯片，如下图所示。其中的SCL/SDA引出端用于通过通讯A通路或通讯B通路进行通讯。数据采集通路、数据输出通路中分别设置有滤波、放大电路，用于对信号进行滤波与放大处理。

微处理器结构示意图

 数据采集通路包括依次连接的电压跟随电路、模数转换电路U1，电压跟随电路包括运算放大器U2，采样C端和D端之间连接瞬态抑制二极管（TVS）D2，C端连接二极管D1的正极，二极管D1的负极连接电阻R5的一端、电容C4的一端、运算放大器U2的正输入端，电阻R5的另一端、电容C4的另一端连接到采样D端。运算放大器U2的负输入端与输出端连接，并连接到模数转换电路U1的输入端AIN0，模数转换电路U1的SCL端、SDA端分别与微处理器中的相应端口连接。如下图所示。

数据采集通路结构示意图

（3）本项目研发了一种全系统实时自我诊断技术，实时诊断通讯网络状态（包括通讯收发数据量、丢包数、通讯状态、通讯负荷等）、控制器状态（包括负荷、通讯接口、算法状态等）、I/O模块状态（包括通讯状态、存储器状态等）以及 I/O通道状态（包括通讯状态、存储器状态、I/O通道断线检测等），实现全系统自我诊断，提高系统的安全连续运行能力。

系统诊断功能：通过系统诊断工具，用户可以实时监控系统硬件的状态信息、过程数据及系统信息，对通道、模块、控制、网络的状态一目了然，以便及时对系统进行维护，保证运行安全。系统自我诊断包括：通过硬件配置软件诊断；通过系统报警软件诊断。

①  通过指示灯诊断

PCS1800系统的各个模块均带有LED指示灯，指示灯的状态代表不同的含义，以下是状态列表，便于故障识别和诊断。常见故障诊断方法如下表所示。

模块指示灯状态说明

常见故障诊断办法

② 通过硬件配置软件诊断

PCS1800系统提供硬件配置软件，实现网络节点状态监控。硬件配置软件实现诊断的条件：在操作员站运行硬件配置软件，并完成网络配置，实现程序下装，保证操作员站与控制站连通状态。

③ 通过系统报警软件诊断

PCS1800系统可通过系统监控软件，实现系统报警，从而对通讯网络、网络节点进行实时监控，并实现实时报警提示，如下图所示。

系统报警软件

系统基于发现机理，在监控软件连通控制站的第一时刻，成功连通监控软件的网络节点和通讯网络作为一个系统设备，添加至系统报警列表，报警类型为发现。若这个系统设备出现故障或离线，则系统以红色字体显示，报警类型为丢失，此时需要确认系统设备的故障原因。

（4）本项目包含的知识产权

本项目产品的研究开发过程中，浙江正泰中自控制工程有限公司积极的进行了知识产权的申请和保护。本项目产品在研发过程中，其核心技术和关键零部件完全采用自主研发和设计，且在研制的过程中，对产品的核心技术进行了专利保护。项目相关技术已获发明专利 5 件、实用新型专利 6 件、软件著作权 5 件，已受理发明专利 2 件，具体的知识产权情况如以下三表所示。

授权专利汇总表

受理专利汇总表

企业标准汇总表

五、 适用领域：

该产品将自动控制技术应用在二次供水领域。二次供水主要将市政供水管线内的自来水经储存、加压后再通过管道供给高层用水户，以补偿市政配水管网压力不足的状况，是介于配水管网和居民用水两者之间的智慧水务应用领域。

六、 应用推广情况

本项目产品基于国产自主可控芯片和开源软件，研发了适用于高温高湿环境的二次供水控制系统，设计了双主并行I/O模块架构，实现了快速无扰切换；研发了一种全系统实时自我诊断技术，方便系统在线维护，提高了系统的安全连续运行能力；设计了多变量模糊控制算法，根据实时数据精确掌握二次供水设备的关键被控量，实现供水设备灵活调控，使设备长期工作在能耗最优区间。该产品性能达到国际先进水平，实现了进口替代。

本项目产品具有全冗余功能，而国内二次供水领域同类产品未能同时满足冗余电源、冗余网络、控制冗余、I/O冗余的功能；本项目产品通过MRAM实时存储，掉电不丢失，具有读写快、低功耗、无限次擦写、成本低等特点，而其它国内外厂家均采用外置电池的方式实现数据的掉电保持；该产品的成功研发能够提高二次供水设备的供水性能、效率，且够明显降低能耗，为全球的低碳建设贡献力量。

本项目产品目前已经成功应用于江阴横河自动化技术有限公司、杭州途锐科技有限公司、中国水务投资有限公司、中国水环境集团、钱江水利开发股份有限公司、杭州市水务控股集团有限公司等厂家，得到了客户的一致好评。客户对该产品的综合评价为：控制系统在系统规模及性能上相比以往产品有了大幅提升，同时供水系统稳定性好、可靠性强和耗能低，能有效的降低成本，提高经济效益。

本项目产品投放市场后，预计营收占全国水务市场15%，随着市场的不断开拓，本项目产品生产规模的进一步扩大，单位产品的生产成本和管理成本也随之下降，经济效益也将会进一步提高。

推荐理由：

随着城市化进程的不断推进，二次供水已成为城镇供水的重要组成部分，对二次供水的自动控制提出了更高的要求。浙江正泰中自控制工程有限公司自主研发的基于国产芯片、国产揲作系统和国产核心元器件，拥有完整自主知识产杈的控制系统为二次供水的智慧控制提供了保障，有效解决二次供水的自动控制系统的应用问题，该系统具有较高的性能，易用性和安全性，产品应用前景十分广阔。