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1绪论
1．1我国水处理现状
水是人类赖以生存的基本的物质基础，是一切生物的主体，它在调节全球气候、运输物质等方面起着重要的作用。
我国自来水厂的自动化工作起步较晚，但发展很快。
从六十年代简单的水位自动控制发展到七十年代采用热工仪表和集中巡检装置，八十年代以后随着国家工业水平的整体提高，使水厂进入了大规模的发展年代，特别是随着外资的引入，大量国外先进的自动化控制技术与设备进入我国，建成了一批全引进的水厂，使我国水厂自动化进程大大加快，自动化水平也快速提高。
由于历史和现实的原因，我国水厂自动化的总体发展水平还不高，发展也不平衡。
大中城市水厂，特别是发达地区大型水厂的自动化程度很高，而小城市和城镇水厂，特别是落后地区小型水厂的自动化程度较低，甚至还是空白。
在一些已实现自动化的水厂中，虽然自动化系统和设备与其他行业，如化工、电力等相比并不差，甚至更先进，但是，其功能并未充分发挥出来。
有的自控系统从未运行过，一直处于闲置状态；有的运行一段时间后变为了手动，甚至处于瘫痪状态，造成了自动化系统和设备的极大浪费。
国内实现水厂自动化控制的方法主要是新建和扩建工程。
大型水厂建设项目依靠引进外资和全套技术设备，水厂工艺自动化水平高，但设备和控制系统投资很大。
中小水厂自动化的设计、工程服务以国内为主，但系统中关键技术和设备仍以引进国外产品为主，在设备选型及工程服务上采取“土洋结合”的办法。
这种“土洋结合”的办法不但大大降低了水厂在自控系统中的投资，而且实现了工程售后服务的本地化，有利于该行业的长远发展。
1.2DCS简介
DCS（DistributedControlSystem）是分散控制系统的简称，国内一般习惯称之为惯性之为集散控制系统。
DCS是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机，通信、显示和控制等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活以及组态方便。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
DCS是计算机技术、控制技术和网络技术高度结合的产物。
DCS通常采用若干个控制器（过程站）对一个生产过程中的众多控制点进行控制，各控制器间通过网络连接并可进行数据交换。
操作采用计算机操作站，通过网络与控制器连接，收集生产数据，传达操作指令。
因此，DCS的主要特点归结为一句话就是：
分散控制集中管理。
随着计算机特别是微型计算机与网络技术的飞速发展,加上各制造商的激烈竞争,使DCS很快从70年代的第一代发展到90年代初的第三代DCS。
尽管在这之前的集散系统的技术水平已经很高,但其中存在着一个最主要的弊病是:
各大公司推出的几十种型号的系统,几乎都是该公司的专利产品,每个公司为了保护自身的利益,采用的都是专利网络，这就给企业的管理带来问题。
随着计算机的发展与网络开发使各控制厂商更多地采用商业计算机的技术,80年代末许多公司推出新一代的集散系统,其主要特征是新系统的局部网络采用MAP协议;引用智能变送器与现场总线结构;在控制软件上引入PLC的顺序控制与批量控制,使DCS也具有PLC的功能。
至90年代初各国知名的DCS有:
3000,Bailey的INFI—90,Rosemount的RS—3,WestHoose的WDPF,Leeds&Nothrup的MAX—1000,Foxboro的Iouml;AS,日本横河的CENTUM。
这里所提到的均为大型的DCS,为了适应市场的需要各厂商也开发了不少中小型的DCS系统如S—9000,MAX—2,LXL,A2PACS等等。
国内DCS主要厂家有：
上海新华，浙大中控，和利时，浙江威盛，自仪股份、鲁能控制，国电智深，上海华文，上海乐华，浙江中自等。
国外的有西屋（艾默生）、FOXBORO、ABB、西门子、霍尼韦尔、横河、罗克韦尔、山武－霍尼韦尔公司、FISHER-ROSEMOUNT公司等。
图1-1基于Ethernet、ControllerLink和PLC的DCS架构
1.3DCS建模的优点及意义
（1）高可靠性：
由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。
此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。
（2）开放性：
DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中每台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便的连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。
（3）灵活性：
通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬组态，即确定测量与控制信号既相互间连接关系、从控制算法库选择使用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需要的各种监控和报警画面，从而方便的构成所需的控制系统。
（4）易于维护：
功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以再不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。
（5）协调性：
各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，已完成控制系统总体功能和优化处理。
（6）控制功能齐全：
控制算法丰富，集连续控制、顺序控制核批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便的加入所需的特殊控制算法。
DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记录站、现场控制站和数据采集站等组成，也可由通用的服务器、工业控制计算机和可编程控制器构成。
处于底层的过程控制级一般由分散的现场控制站、数据采集站等就地实现数据采集和控制，并通过数据通信网络传送到生产监控级计算机。
生产监控级对来自过程控制级的数据进行集中操作管理，如各种优化计算、统计报表、故障诊断、显示报警等。
随着计算机技术的发展，DCS可以按照需要与更高性能的计算机设备通过网络连接来实现更高级的集中管理功能，如计划跳读、仓储管理能源管理等。
1.4运用现场总线技术的优点及意义
图1-2基于现场总线的DCS架构
现场总线控制系统（FieldbusControlSystem,FCS）于20世纪80年代中后期在国外兴起,它是原来的仪器仪表技术与现代计算机技术结合产生的一种开创性技术是当今世界过程控制和仪器仪表行业发展的最新技术是一种全开放、全分散、全数字、多点通信的最先进的控制网络,并且将在今后5～10年内取代现有的DCS系统。
可编程控制器（PLC）发展至今,其控制内容已从简单的继电器逻辑控制发展到如今的浮点运算,完全可以实现最复杂的生产过程控制,功能逐步升级的多种级别的CPU,带有各种用户友好功能的、种类齐全的功能模板,使用户能够构成最佳的解决方案,满足自动化任务要求。
当控制任务变得更加复杂时,任何时候控制系统都可以逐步升级,而不必过多地添加额外的模板。
PLC采用模块化设计,它所具有的模板的扩展和配置功能,使其能够按照每个不同的任务需要灵活组合，CPU位于控制的中心,分布式IO系统在现场运行,一个高效的现场总线系统将CPU和IO连接在一起,并能确保它们之间毫无问题地通信。
这条开放的总线系统还能将其它现场设备连接到系统。
现场总线能够实现现场级和车间级之间的快速通信,从IO到自动化控制装置的信号传输仅为毫秒级。
即使在干扰严重的环境,跨越几公里的距离,现场总线都能提供良好的解决方案。
现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备和控制装置之间实行双向、串行、多结点的数字通信技术。
现场通信网络：
用于过程自动化或现场仪表互联的现场通信网络。
现场设备互联：
依据实际使用不同的传输介质把不同的现场设备或者现场仪表相互关联。
户操作性：
用户可以根据自身的需求选择不同厂家或者不同相好的产品构成所需的控制回路，从而可以自身自由的集成FCS。
分散功能块：
FCS废弃了DCS的输入∕输出单元和控制站，把DCS控制站的功能模块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站，彻底实现了分散控制。
通信供电：
通信供电方式允许现场仪表直接从通信线上摄取能量，这种方式提供用于本质安全环境的低功耗现场仪表，与其配套的还有安全栅。
开放式互联网络：
现场总线为开放式互联网络，既可以与同层网络互联，也可与不同层网络互联，还可以实现网络数据的共享。
以上我们可看到，现场总线体现了分布、开放、互联、高可靠性的特点，而这些正是DCS系统的缺点。
DCS通常是一对一单独传送信号，其所采用的模拟信号精度低，易受干扰，位于操作员对模拟仪表往往难以调整参数和预测故障，处于“失控”状态，很多的仪表厂商自定标准，互换性差，仪表的功能也比较单一，难以满足现代的要求，而且几乎所有的控制功能都位于控制站中。
FCS则采取一对多双向传输信号，采用的数字信号精度高、可靠性强，设备也始终处于操作员的远程监控和可控状态，用户可以自由按需要选择不同品牌种类的设备互连，智能仪表具有通信、控制和运算等丰富的功能，而且控制功能分散到各个智能仪表中去。
1．5PLC的特点
水厂处理过程的共同特点就是开关量多，模拟量少，以逻辑顺序控制为主，闭环回路控制为辅，因此PLC在污水处理行业得到了广泛应用，实现了对污水处理整个过程的实时监测和控制。
随着现代控制技术和计算机技术的飞速发展，控制技术在污水厂中得到了广泛应用，使得整个污水处理过程实现了计算机监测、控制和管理，完成了高质量、低成本、稳定可靠的运营方式。
PLC具有通用性好，可靠性高，安装灵活，扩展方便，性价比高等一系列优点，而且其总线与网络能力越来越强，可方便地与上位机组成控制系统；另一方面，污水处理过程的共同特点就是开关量多，模拟量少，以逻辑顺序控制为主，闭环回路控制为辅，因此PLC在污水处理行业得到了广泛应用，实现了对污水处理整个过程的实时监测和控制，从而保障了生产过程的连续性，降低了劳动强度，实现了少人或无人值守的目标。
（1）现在企业的确正在朝着自动化、信息化、开放化的方向发展,但这并不意味着要将现有控制系统推倒重来。
企业投入大量的人力和财力建立起来的PLC控制系统已经成型,如果要完全推翻再建立新的DCS或FCS控制系统,需要更大的资金投入,将造成很大的浪费。
（2）基于以上市场需求,许多软件厂商（例如:
华富惠通软件公司）正在考虑如何利用企业已经成型的控制系统及新建的厂级网络,开发控制系统软件,帮助企业实现工厂自动化、信息化,为企业提供控制系统与管理网络的集成。
（3）目前,PLC的功能增强、结构优化,IO模块趋向分散化、智能化,编程工具和编程语言更具标准化和高级化。
（4）PLC的联网通信能力增强,向高速度、多层次、大信息量、高可靠性及开放式的通信发展。
（5）现在的PLC系统与DCS技术、现场总线IO技术相结合,结构开放、扩展方便、技术先进、价格低廉。
由以上分析可以预见,未来PLC将朝着多功能化、集成化、智能化、标准化、开放化的方向发展,故PLC虽然面临其它自动化控制系统的挑战,但同时也在吸收它们的优点,互相融合,不断创新,在今后一段时间内将与其它先进控制方式并存,共同发展。
本次设计主要针对水厂用DCS建模及加氯控制系统的控制与仿真，加氯控制系统是重点。
人工进行加氯量控制，不仅对操作工人不安全，而且投加量也难以准确控制。
而运用PLC系统对加氯系统进行自动控制可以精确控制投加的氯量，通过检测原水流量、pH值、水温、浊度和控制加氯点的加氯量，改变以往不能准确控制优浪费消毒剂的状况。
2自来水DCS建模及加氯系统控制方案设计
2.1自来水厂工艺流程
现在人们谈到饮用自来水会“心有余悸”,主要是因为害怕自来水生产过程中未能除尽水中的杂质及微生物,又害怕净水过程中混入了一些有毒气体。
基于此，我们先了解自来水的生产过程。
各个水厂根据实际情况，其工艺流程千差万别，设备有增有减，但基本的流程相似，如图2-1所示
图2-1自来水工艺流程
图中主要分为以下几个工艺过程：
（1）取水：
通过多台大型离心泵将江、河、地表等处的水抽入净水厂。
（2）药剂的制备与投加：
按工艺要求制备合适的混凝剂，并投入混凝剂及氯气，达到混凝和消毒的目的。
（3）混凝：
包括混合与絮凝，即源水投入混凝剂后进行反应，并排出反应后沉淀的污泥。
（4）平流沉淀：
与混凝剂反应后的水低速流过平流沉淀池，以便悬浮颗粒沉淀，并排出沉淀的污泥。
（5）过滤沉淀：
水通过颗粒介质（石英砂）以去除其中悬浮杂质使水澄清，并定时反冲。
（6）送水：
多台大型离心泵将自来水以一定的压力和流量送入供水管网。
2.2自来水厂控制系统组成
自来水厂的工艺特点是各工艺单元既相对独立，同时各单元之间又存在一定的联系。
正因为各工艺单元相对独立，因此通常将整个工艺按控制单元划分，主要包括：
取水泵房自动控制系统、送水泵房自动控制系统、加矾自动控制系统、加氯自动控制系统、格栅配水池控制系统、反应沉淀池控制系统、滤池气水反冲洗控制系统、配电控制系统、水厂中央控制室自动化调度系统，这些工艺单元内设备相对集中。
根据这些特点，自控系统较多采用PLC＋IPC的集散控制系统（DCS）模式。
采用PLC+IPC系统的水厂自动化控制设计一般采用多主站加多从站结构，能够较好的满足国内水厂自动化的监控、保护要求。
控制点分布在水厂内不同的位置，采用就近控制原则，在设备集中区分别设置不同的PLC站对该区域设备进行监控，再通过通讯网络，各PLC站之间进行数据通讯，实现整个水厂的自动化控制。
在控制单元内，PLC站实现对该单元内设备的自动控制。
这样的优点是使控制系统更加可靠，当某一控制单元发生故障时不会严重影响其它单元的自动运行，同时由于单元内控制设备、检测仪表就近相连，减少了布线成本。
一般根据土建设计，将水厂自动化控制系统按设备位置情况及功能进行组织，分为如下一些控制站点。
（1）中央控制室站点：
对整个系统进行监控和调度，同时留有四遥（遥测、遥信、遥调、遥控）系统接口，与上层管理系统进行通讯。
（2）配电室控制站点：
对高压及低压配电系统进行监控。
（3）取水泵房控制站点：
取水泵、真空泵、潜污泵及轴流风机等进行监控。
（4）送水泵房控制站点：
对送水泵、潜污泵等进行监控。
（5）格栅配水池控制站点：
对快开排泥阀、格栅液位、格栅除污机、螺旋输送机等进行监控。
（6）反应沉淀池控制站点：
对快开排泥阀、刮泥机进行监控。
（7）滤池公共部分控制站点：
对反冲洗公共部分（反冲洗泵、鼓风机、干燥机及相关阀门）进行监控。
（8）滤池控制站点：
根据单格滤池数量进行配置，每格滤池一个，对单个滤池设备进行监控。
（9）加矾控制站点：
对加矾、自动配矾系统进行监控。
（10）加氯控制站点：
对加氯系统进行监控。
在实际工程当中，当控制站点较近时，可以将某些站点合在一起，根据功能及控制规模大小，有些站点可以设为从站或远程站点。
例如长沙榔梨水厂自控系统中，根据实际情况，按照功能分为5大块：
即取水泵房控制系统，加矾、加氯和格栅配水控制系统，滤池及反冲洗设备控制系统，送水泵及设备控制系统，中央控制室等。
2.3水质监测技术
水处理中的自动检测技术，即水质检测技术是保证供水和排水水质的重要手段，也是指导水处理工艺运行过程的重要依据，随着自动化技术、机械制造技术等方面的发展，出现了越来越多的新型自动化检测仪表。
目前使用的水处理自动化仪表包括流量、水位、温度、压力仪表以及水质测量分析仪表，如pH测量仪、流动电流检测仪、漏氯报警仪、余氯分析仪、高低浊度在线检测仪等。
在流量测量方面，除了传统的电磁流量计外，还出现了大量非接触式仪表。
水位测量仪表是水处理中另一类使用广泛的检测仪表，滤池、清水池、格栅配水井、配矾等处都要用到，主要有差压式、静压式、吹气式、浮子式、静电电容式、以及超声波等类型。
检测仪表是实现水厂自动化的基础，在日本等发达国家不仅大面积使用现有成熟仪表外，还不断开发出新的检测仪表并发展相关的检测技术，不断扩大检测范围，提高检测精度。
随着电子技术、计算机技术以及光电技术等相关学科的发展，近十年来工业自动化在各个方面都发生了深刻的变化，包括自动化感应部件、各种检测传感器、变送器、各种间接测量设备、各种执行机构等底层设备，以及自动回路调节器、自动控制单元、各种大小型装置控制系统乃至综合优化调度系统等。
有关控制系统的研究和应用也一直是现代工业生产的重点工作之一，并且已经在控制理论和自动控制系统水平方面都发生了极大的变化。
2.3.1水处理控制技术
随着水处理技术的不断发展，对于水质指标的控制与水处理效率的要求也在不断提高。
新工艺、新设备的广泛应用一方面提高了水处理能力，另一方面也对整个系统的控制、协调提出了更加严格复杂的要求。
常规控制手段已经成为水处理行业中的薄弱环节之一，需要在现有工业自动化已经取得的成果基础上研究、设计、投用适合于水处理行业的先进控制系统。
由于水处理系统（特别是混凝投药和加氯控制过程）是一个大迟滞、非线性、时变的复杂系统，系统建模困难，很难控制好。
因此各种先进的控制算法不断提了出来。
文献就设计了一种基于图像处理的自动加矾系统，文献则采用智能控制，如神经网络、模糊控制、遗传算法等来进行加矾或加氯控制，亦取得了较好的控制效果。
虽然各种先进的控制理论和算法不断被提了出来，但是在实际的应用过程中，尤其是中小型水厂自动化控制系统中，经典的控制理论仍有着广泛的应用空间。
因此本文在研究水厂自动控制理论方面，侧重于经典控制理论及其应用。
2.4自来水厂DCS建模
2.4.1概述
自来水厂水生产系统是一个多变量（如流量、温度、压力等）、多任务（如水的输送、投药加氯控制、格栅与排泥控制、滤池控制、出水泵起停控制、压力控制、数据管理等）、多设备（如电机、阀门、泵等）并具有时变性、耦合性和随机性的复杂非线性系统。
国内现有的自来水厂水生产系统大部分采用落后的常规仪表和手动操作。
采用DCS技术的计算机控制,取代了常规仪表和手动操作,在实现水生产的分散自动控制和集中监控方面,取得了一定的进展。
2.4.2分布式控制系统
DCS是分散控制系统（DistributedControlSystem）的简称，国内一般习惯称为集散控制系统。
它是一个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统，综合了计算机（Computer）、通讯（Communication）、显示（CRT）和控制（Control）等4C技术，其基本思想是分散控制、集中操作、分级管理、配置灵活、组态方便。
由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。
分布式控制系统采用微处理机分别控制各个回路，而用中小型工业控制计算机或高性能的微处理机实施上一级的控制。
各回路之间和上下级之间通过高速数据通道交换信息。
分布式控制系统具有数据获取、直接数字控制、人机交互以及监控和管理等功能。
分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。
在分布式控制系统中，按地区把微处理机安装在测量装置与控制执行机构附近，将控制功能尽可能分散，管理功能相对集中。
这种分散化的控制方式能改善控制的可靠性，不会由于计算机的故障而使整个系统失去控制。
当管理级发生故障时，过程控制级（控制回路）仍具有独立控制能力，个别控制回路发生故障时也不致影响全局。
与计算机多级控制系统相比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。
分散型控制系统（DCS）是以微处理机为基础，以危险分散控制，操作和管理集中为特性，集先进的计算机技术、通讯技术、CRT技术和控制技术即4C技术于一体的新型控制系统。
随着现代计算机和通讯网络技术的高速发展，DCS正向着多元化、网络化、开放化、集成管理方向发展，使得不同型号的DCS可以互连，进行数据交换，并可通过以太网DCS系统和工厂管理网相连，实现实时数据上网，成为过程工业自动控制的主流。
近几年来，生产行业进一步提高了工厂综合自动化水平，注重信息化的建设，特别是各地的火电厂纷纷提出适合自己工厂的厂级监控信息系统（SIS）以提高生产效率，实现工厂管理信息系统与各种分散控制系统之间的数据交换。
厂级实时监控信息系统以分散控制系统为基础，以经济运行和提高发电企业整体效益为目的，采用先进、适用、有效的专业计算方法，实现整个电厂范围内信息共享，厂级生产过程的实时信息监控和调度，同时又提高了机组运行的可靠性。
它为电厂管理层的决策提供真实、可靠的实时运行数据，为市场运作下的企业提供科学、准确的经济性指标。
2.5DCS结构与特点
2.5.1DCS的结构
从结构上划分，DCS包括过程级、操作级和管理级。
过程级主要由过程控制站、IO单元和现场仪表组成，是系统控制功能的主要实施部分。
操作级包括：
操作员站和工程师站，完成系统的操作和组态。
管理级主要是指工厂管理信息系统（MIS系统），作为DCS更高层次的应用，目前国内纸行业应用到这一层的系统较少。
DCS的控制程序：
DCS的控制决策是由过程控制站完成的，所以控制程序是由过程控制站执行的。
过程控制站的组成：
DCS的过程控制站是一个完整的计算机系统，主要由电源、CPU（中央处理器）、网络接口和IO组成
IO：
控制系统需要建立信号的输入和输出通道，这就是IO。
DCS中的IO一般是模块化的，一个IO模块上有一个或多个IO通道，用来连接传感器和执行器（调节阀）。
IO单元：
通常，一个过程控制站是有几个机架组成，每个机架可以摆放一定数量的模块。
CPU所在的机架被称为CPU单元，同一个过程站中只能有一个CPU单元，其他只用来摆放IO模块的机架就是IO单元。
3.2DCS的特点
DCS具有以下特点：
（1）高可靠性
由于DCS将系统控制功能分散在各台计算机上实现，系统结构采用容错设计，因此某一台计算机出现的故障不会导致系统其它功能的丧失。
此外，由于系统中各台计算机所承担的任务比较单一，可以针对需要实现的功能采用具有特定结构和软件的专用计算机，从而使系统中每台计算机的可靠性也得到提高。
（2）开放性
DCS采用开放式、标准化、模块化和系列化设计，系统中各台计算机采用局域网方式通信，实现信息传输，当需要改变或扩充系统功能时，可将新增计算机方便地连入系统通信网络或从网络中卸下，几乎不影响系统其他计算机的工作。
（3）灵活性
通过组态软件根据不同的流程应用对象进行软硬件组态，即确定测量与控制信号及相互间连接关系、从控制算法库选择适用的控制规律以及从图形库调用基本图形组成所需的各种监控和报警画面，从而方便地构成所需的控制系统。
（4）易于维护
功能单一的小型或微型专用计算机，具有维护简单、方便的特点，当某一局部或某个计算机出现故障时，可以在不影响整个系统运行的情况下在线更换，迅速排除故障。
（5）协调性
各工作站之间通过通信网络传送各种数据，整个系统信息共享，协调工作，以完成控制系统的总体功能和优化处理。
（6）控制功能齐全
控制算法丰富，集连续控制、顺序控制和批处理控制于一体，可实现串级、前馈、解耦、自适应和预测控制等先进控制，并可方便地加入所需的特殊控制算法。
DCS的构成方式十分灵活，可由专用的管理计算机站、操作员站、工程师站、记
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