1. 引言
随着经济的发展和社会进步，城市给水行业遇到了严重的挑战。对水处理厂而言，符合标准的原水日益缺乏，而人们对水质的要求不断提高。这就导致了水厂的处理工艺不断改进，并对水厂自动控制系统提出了更高的要求。为了满足水处理工艺优化控制的需要，水厂集散控制系统(以下简称DCS)的功能已从当初简单的数据监测发展到今天的先进控制。当今，一个现代化水厂DCS的组成结构、功能和性能要求、各种控制策略及其发展方向等方面的问题，越来越受到同行们的关注。本文试图就这些问题作一些初步的探讨。
2.水厂工艺特点简述
水厂(指地表水厂，下同)一般常规处理工艺：河水经取水泵站提升后，先加氯预消毒，再加混凝剂进入沉淀池沉淀，然后进入滤池过滤，过滤后的水用氯氨进行二次消毒后进入清水池，最后由送水泵站通过市政供水管网送到用户。见图1：
图1：水厂常规工艺流程图
3.水厂DCS系统的组成及结构
水厂过程工业自动化在90年代以前仍是自动化孤岛模式。进入90年代末，企业把提高综合自动化水平作为挖潜增效、提高竞争能力的重要途径。集常规控制、先进控制、过程优化、生产调度、企业管理、经营决策等功能于一体的综合自动化成了当前水厂自动化发展的趋势。
DCS控制就是集中管理、分散控制，注重于功能分散以求危险分散，但又能够集中监控和管理，便于实现中央控制室、车间、就地现场三级控制。对于水厂生产来说，三级控制能最大限度地保证控制系统的可靠性，也便于维护和管理。水厂DCS系统是一种基于工程实际的已商品化的控制平台，它把简单的控制回路集成到分布式控制单元中。整个系统的设计包含了硬件和软件部分，可以灵活高效地实现对各种实际过程的控制策略并具有良好的人机界面。
图2为某水厂DCS系统结构示意图。系统采用以光纤为传输介质、遵循TCP/IP协议的(10M/100M，双网)工业以太网为主干网络，现场主要设备采用独立SLC控制，采用DeviceNet等现场总线将其联接构成现场控制层，与主控PLC连网。主控PLC通过交换机连于全厂主网，控制排泥车等移动设备的小型PLC通过低功率、近距离的无线传输设备与子站主控PLC通讯。水厂内部监控系统以多任务平台上的实时监控、开发和管理软件组成工控局域网和管理以太网，通过网关上联至公司管理以太网和调度网络系统。
图2： DCS系统结构图
4.水厂DCS系统的功能
为了达到水厂安全、平稳和高效运行的目的，必须考虑以下因素：第一，水平衡。水平衡是指水厂的取水和送水平衡，及各净水构筑物的进出水平衡，以保证水在各构筑物内的停留时间符合工艺要求。第二，合理加药。以保证出厂水合符标准为目标，根据原水情况合理投加混凝、消毒等药剂。第三，合理控制各池体的排泥和反冲洗，保证高效工作状态并减少浪费。第四，各种设施、设备的不正常状态应得到及时报警和处理。
具体说来,水厂DCS系统一般包括取水、投加、净水、送水、和调度中心五个监控子站，用于全厂的数据监控和数据管理，其功能要求如下：
4.1报警处理功能
在任何时间和在任何显示上工作站均能在画面顶部或底部显示出总的报警信息，包括报警设定值(报警条件)、报警值、报警状态、报警时间。操作人员可以快速地调用与本报警有关的画面，以得到可以寻找故障原因的详细资料。在产生任何一个报警信号时，工作站可产生声光报警。
4.2历史数据的管理功能
可实现对历史数据的存储和检索，可按要求进行分类列表显示。对于变量能表明时标，属性，测量范围，实时值。也可以在表格上用“指针”选定数据点，对其设定值，测量范围，数据性质进行修改(只能由赋予权利的人员进行)。
4.3事件处理功能
以下事件都可记入不可修改的“事件登记簿”。这些事件登记是按时间顺序排列的，如全部的报警、调度命令及设备操作命令、挂标记牌操作(如检修状态、遥控禁止状态等)、报警的禁止或允许、写入数据、修改设定值和报警的确认删除等。可实现在线检索、记录存储等功能。
4.4人机界面功能
人机界面应具有以下功能：采用开放系统的图形窗口技术，可在线修改和编辑画面，支持三维图形，有联机帮助功能等。
4.5数据通信功能
各PLC子站通过数据通讯网络通讯。移动设备与固定设备之间的通讯采用无线方式。数据与上层公司管理系统及调度系统的通讯采用有线方式或无线方式，如通过TCP/IP协议经VPN连接或用GPRS 、CDMA等无线通讯方式。
4.6报表生成与打印功能
工作站接收各PLC站提供的带时标的数据，并储存作为编辑报表的基础。根据实际输入信号，制作出及按需求打印出日、月、旬、季、年报表。
4.7实时与历史数据分析功能
根据水厂工艺运行与管理特点，建立各种重要参数的历史知识规则库;实时采集现场数据进行计算如泵站效率，供水成本，机组电耗等，自动根据数据规则库建立水厂的重要参数的知识学习规则库、分析判断泵组是否在高效区运行，分析供水电耗是否正常，供水成本是否合理，为生产运行管理者提供决策依据。
4.8安全登录和密码保护功能
设计中把操作级别分为：厂长级、工程师级和操作员级，对各个级别的操作都设置密码，并能记录操作人员工号、操作内容、时间等，防止非法操作，确保水厂设备安全有序运行。
4.9操作控制功能
根据安全级别，实现在就地或远程对各子站的各种设备的手动、自动的监控操作和控制。系统通过总线或直接I/O，无线和有线等方式采集泵组、水质仪表、投加设备、滤池、排泥车及其他用电和供电设备等的各类参数。
4.10其它
具有服务器双机热备功能，可进行相关数据分析处理、绘制重要数据的变化过程曲线和.给生产和管理人员有清晰、准确的操作指示和对错误操作加以屏蔽的功能以及在线帮助等功能。
5.水厂DCS系统的性能特点
随着水厂自动化控制的需要，如何实现最优控制、综合最优控制、优化调度和数据共享等，都对DCS控制系统提出了更高的要求，要求其有较好的拓展性、高度的稳定性和数据的共享安全。随着DCS控制系统技术的发展，工业以太网技术、OPC技术的引入，使DCS系统具有以下特性：
5.1综合控制性
新型的DCS强调的是信息与集成，集成即是集成过程控制与顺序控制。随着现代计算机技术的发展，特别是微电子技术的发展，DCS慢慢融合了PLC的顺序控制功能，成为集过程控制、顺序控制及批量控制为一体的混合控制系统。同时，PLC和DCS也在慢慢融合，PLC也在逐渐加强模拟量的处理能力，这种技术上的融合是一种自然的趋势。
5.2开放性
不同时代引进的PLC控制系统采用的是不同的品牌，采用的是各种品牌自有的通讯协议，随着DCS系统的不断发展已从过去的封闭式网络发展成现在的开放式网络。同时，由于网络结构的开放，带来的是系统结构的开放，使不同品牌的PLC系统能无缝连接到大的DCS控制系统中。今天，先进控制、实时优化、数据挖掘、数据校正、智能健康维护等等一系列技术也正在基于这个开放的平台得以发挥作用。以DCS为平台的MES(生产过程制造执行系统)应用也已经成为DCS未来的发展趋势。
5.3稳定性
水厂DCS控制系统的底层通常由PLC和现场总线等构成，随着技术的发展，目前已具有很好的稳定性，其设备的控制和数据的采集能安全可靠的运行。这一点是水厂非常愿意采用DCS控制系统的主要原因。
5.4冗余性
从过程控制的稳定性、数据的安全性和通讯的不间断性的需要，不仅控制器要冗余、电源、数据处理服务器、网络都需要冗余，现在的DCS控制器都已具有这些功能配置，可大大降低数据丢失的危险，给水厂造成严重的损失。(待续)
参考文献
[1]白桦,李润波.净水厂混凝投药量的自学习模糊控制[J].计算机测量与控制, 2002.10(8):510-518
[2]宋启敏，陆明刚,义泳,丁云鹤.混凝剂加注量的自动控制新方法[J].中国给水排水，1999,15(4):1-4
[3] 白桦，李圭白.混凝投药智能控制系统实现方法的探讨[J].给水排水，2003,29(8):81-83
[4] 孙达志，江智军.专家系统控制自来水生产的自动加药工艺[J].中国给水排水,2003Vol.19
[5] 魏日强.预测和反馈控制用于南洲水厂投氯系统[J].中国给水排水,2006 Vol.22 No.4:59-61
[6] 易继锴,侯媛彬.智能控制技术[M].北京工业大学出版社,1999.9
[7] 魏日强.
