基于plc的水廠濾池自動控制系統設計畢業(yè)論文（含外文翻譯）

1、<p>　　基于PLC的水廠濾池自動控制系統設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　水是生命之源，供水自然關系到國計民生的重要地步，供水不僅要滿足工業(yè)用水，還要滿足生活用水,農業(yè)用水等等，其中最為重要的是生活用水，各城市的大中小水廠是生活用水的直接來源，水廠濾池的好壞不僅影響出水的質量，更關系到人民的生命安全，所以水廠濾池

2、在供水中起到很重要的作用，以前的水廠濾池大都使用人工控制，不僅費力，而且勞動強度大，勞動效率低，出水的質量也很難保證，因此，對水廠濾池提出自動化改造已經是很有必要的事情了。</p><p>　　在設計之初，從網絡上查閱了當前水廠濾池普遍采用的過濾方法，以及存在的不足，但是每一種方法都不是十全十美的，只有通過不斷的改進，才能逐步達到最優(yōu)化設計。</p><p>　　本設計從水廠濾池控制系統要

3、求的最低控制要求和控制工藝出發(fā)，設計出了基于PLC的水廠濾池控制系統，并且在濾池正常過濾的過程中，為了實現恒水位過濾，設計了以出水流量為控制參數的濾池液位PID控制系統。而在系統接收到反沖洗信號時，本系統在設計上就主控PLC如何更好的與現場PLC協調控制濾池的反沖洗方案進行了對比并且做了優(yōu)化，增強了控制思路的清晰性，達到了預期的控制效果。根據系統的控制要求，進行了硬件設備的選型，設計了控制系統硬件配置圖、I/O模塊接線圖，并編寫了實現控

4、制算法的程序。</p><p>　　關鍵詞：水廠濾池，PLC，自動反沖洗，控制系統</p><p>　　The Application of PLC in Waterworks Control System </p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Water is the source

5、 of life, water supply natural relations to the people's livelihood important point, water supply that not only meets industrial water, and also to meet the water for living, agricultural water and so on, of which th

6、e most important is the water for living, each city medium small waterworks is the direct source of the life in the water, water quality term of not only affects the quality of the water, the more relationship to people&

7、#39;s life safety, so the water in the water in t</p><p>　　At the beginning of design, network from the current term of waterworks is generally used to filter method, and the deficiency, but each kind of met

8、hod is not perfect, and only through continuous improvement, to gradually achieve the optimization design.</p><p>　　This design from viewing a water control system minimum control requirements and control te

9、chnology of the design based on PLC control system of waterworks ponds, and in the process of viewing a normal filter, in order to realize constant water level filtering, designed for the flow of water out of the liquid

10、level control parameters for viewing the PID control system. And in the system to receive to reverse wash signal, this system in the design is how to better and PLC control the PLC coordina</p><p>　　Keywords

11、：Viewing waterworks, PLC, automatic reverse wash, the control system</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　引 言- 1 -</p><p>　　第1章 緒論- 2 -</p><p>　　1.1 課題研究內容- 2 -&

12、lt;/p><p>　　1.2 課題研究意義- 2 -</p><p>　　1.3 研究現狀- 2 -</p><p>　　1.4 發(fā)展趨勢- 4 -</p><p>　　第2章 控制系統總體方案的設計系統的分析- 6 -</p><p>　　2.1 V型濾池工藝過程- 6 -</p><p&

13、gt;　　2.2 工作過程- 6 -</p><p>　　2.3 濾池控制系統的控制任務及其設計- 8 -</p><p>　　第3章 系統總體方案的設計- 10 -</p><p>　　3.1 濾池自控方案及總體結構的實現- 10 -</p><p>　　3.2 PID控制算法的基本原理- 10 -</p><

14、p>　　3.4 現場控制器與反沖洗控制器的鏈接- 15 -</p><p>　　第4章 濾池自動控制所需的主要硬件設備- 18 -</p><p>　　4.1設備清單- 18 -</p><p>　　4.2 PLC的概述- 18 -</p><p>　　4.3 I/O模塊的基本參數配置- 21 -</p><

15、;p>　　4.4傳感器和執(zhí)行器的選擇- 22 -</p><p>　　4.5 系統的硬件配置及I/O連接圖- 26 -</p><p>　　第5章 系統的軟件設計- 29 -</p><p>　　5.1 軟件總體方案的設計- 29 -</p><p>　　5.2 控制參數整定- 31 -</p><p>

16、;　　5.3 控制方案程序- 33 -</p><p>　　第6章 組態(tài)監(jiān)控的設計- 36 -</p><p>　　6.1 MCGS組態(tài)軟件的簡介- 36 -</p><p>　　6.2 MCGS組態(tài)軟件的系統構成- 36 -</p><p>　　6.3 監(jiān)控界面的設計- 37 -</p><p>　　總結

17、與展望- 46 -</p><p>　　致 謝- 47 -</p><p>　　參考文獻- 48 -</p><p>　　附錄A：外文文獻- 49 -</p><p>　　附錄B：參考文獻摘要- 52 -</p><p><b>　　插圖清單</b></p><

18、p>　　圖2-1濾池工藝過程簡化圖.....................................................................................................6</p><p>　　圖2-2濾池工藝結構的簡圖..............................................................

19、.......................................8</p><p>　　圖3-1濾池自控網絡拓撲圖....................................................................................................10</p><p>　　圖3-2模擬PID控制器原理框圖...

20、.........................................................................................11</p><p>　　圖3-3濾池液位控制框圖..............................................................................................

21、..........13</p><p>　　圖3-4出水閥的液位控制流程圖............................................................................................14</p><p>　　圖3-5調整前的反沖洗過程........................................

22、............................................................15</p><p>　　圖3-6調整后的反沖洗過程....................................................................................................16</p><p>

23、;　　圖4-1可編程序控制器的硬件結構框圖................................................................................19</p><p>　　圖4-2系統硬件配置圖...................................................................................

24、.........................27</p><p>　　圖4-3 輸入輸出模塊接線圖...................................................................................................28</p><p>　　圖5-1濾池自控流程圖.....................

25、.......................................................................................29</p><p>　　圖5-2自動反沖洗子程序................................................................................................

26、........30</p><p>　　圖5-3廣義過程方框圖........................................................................................................... 31</p><p>　　圖5-4 PID仿真運行后的波形圖..........................

27、...................................................................33</p><p>　　圖5-5濾池恒水位過濾程序梯形圖........................................................................................34</p><p>　

28、　圖5-6自動反沖洗子程序梯形圖 ..........................................................................................35</p><p><b>　　表格清單</b></p><p>　　表4-1設備清單列表................................

29、................................................................................18</p><p>　　表4-2模擬量模塊輸入輸出參數表........................................................................................21</p>

30、;<p>　　表4-3 I/O地址分配表..............................................................................................................27</p><p>　　表5-1自平衡過程階躍響應曲線及其傳遞函數.....................................

31、...............................31</p><p>　　表5-2自平衡過程整定計算公式............................................................................................32</p><p><b>　　引 言</b></p>

32、;<p>　　水是生命之源，供水自然關系到國計民生的重要地步，其中最為重要的是生活用水，各城市的大中小水廠是生活用水的直接來源，水廠濾池的好壞不僅影響出水的質量，更關系到人民的生命安全，所以水廠濾池在供水中起到很重要的作用，以前的水廠濾池大都使用人工控制，不僅費力，而且勞動強度大，勞動效率低，出水的質量也很難保證，因此，對水廠濾池提出自動化改造已經是很有必要的事情了。</p><p>　　濾池是水廠

33、常規(guī)處理凈水構筑物的最后一道工序，濾池運行得好壞直接影響到水廠的出水水質。但是很多快濾池在運行一段時間后，就會出現過濾層含泥量增大，在反沖洗強度設計值范圍內不能達到預期的反沖洗效果，并且沖洗歷時延長，產水量下降，嚴重阻礙了快濾池的正常運行。濾池反沖洗對濾池工作效果影響甚大，若采用較好的反沖洗技術，使濾料層經常處于最優(yōu)條件下反沖洗，不僅可以節(jié)水節(jié)能，還能提高出水水質，增大濾料層截污能力，提高濾速，延長過濾周期。</p>&l

34、t;p>　　如果對控制系統不做一些適量的調整，濾池控制系統也就失去了他本身存在的意義，再加上我國的經濟發(fā)展不是很平衡，在我國的一些偏遠地區(qū)，水廠濾池基本上是靠人工操作，根本實現不了自動化，因此，設計一套適合我國國情的濾池控制系統已經十分必要，從引進外國的全套設備，到自己逐步積累掌握部分的技術，我們已經可以設計出一套及經濟適用，又操作方便的濾池控制系統，并且能夠建立規(guī)模適宜、自動化水平相對較高、運營成本較低的符合自身發(fā)展水平的自動監(jiān)

35、控系統。</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究內容</p><p>　　隨著人們生活水平的提高，人們越來越注重飲食的健康，水作為生命之源，自然而然的受到人們越來越多的重視，供水不僅要求要滿足人們的生活需要，供水質量的好壞也受到人們的重視，水廠的濾池是供水系統的最后一道屏障，濾池功能的強弱，直接關

36、系到供水的質量，甚至和人們的生活健康息息相關，隨著科學技術的發(fā)展，濾池的自動化程度越來越高，為了跟上時代科技的步伐，以及進一步提高濾池的自動化功能，提高濾池出水的質量，必須對濾池進行現代化升級和改造。</p><p>　　本文依據水廠濾池的現狀和要求，并根據控制系統的要求，設計出了基于PLC的濾池自動控制系統，當濾池正常工作時，濾池的水位應處于恒水位，本文設計出了以出水流量為控制參數的濾池液位PID控制系統。而在

37、系統接收到反沖洗信號時，本系統在設計上就主控PLC如何更好的與現場PLC協調控制濾池的反沖洗方案進行了對比并且做了優(yōu)化，增強了控制思路的清晰性，明確性，達到了預期的控制效果和要求。</p><p>　　濾池是水廠常規(guī)處理凈水構筑物的最后一道工序，濾池運行得好壞直接影響到水廠的出水水質。但是很多快濾池在運行一段時間后，就會出現過濾層含泥量增大，在反沖洗強度設計值范圍內不能達到預期的反沖洗效果，并且沖洗歷時延長，產水

38、量下降，嚴重阻礙了快濾池的正常運行。濾池反沖洗對濾池工作效果影響甚大，若采用較好的反沖洗技術，使濾料層經常處于最優(yōu)條件下反沖洗，不僅可以節(jié)水節(jié)能，還能提高出水水質，增大濾料層截污能力，提高濾速，延長過濾周期。</p><p>　　目前，國內外濾池反沖洗主要有三種：第一種是僅僅用水反沖洗，第二種是用水反沖洗然后再表面沖洗，第三種是氣水反沖洗。本次畢業(yè)設計主要是基于PLC的水廠濾池控制系統以及反沖洗過程，著眼于實際應

39、用中存在的問題和缺點，進一步優(yōu)化設計，主要內容就是根據實際的需要，分析系統的功能要求和技術參數，計算出控制參數和PID參數，明確設計的出發(fā)點和落腳點，選用合適的硬件，編程合用的程序，制作滿足與實際需要的監(jiān)視畫面。</p><p>　　1.2 課題研究意義</p><p>　　在水廠濾池控制系統中應用PLC具有很大的優(yōu)點：</p><p>　　1．可編程控制器控制的時

40、候編程簡單，直觀。</p><p>　　2．控制系統易操作，容易檢修，本身具有的自診斷功能也對維修人員的維修技能的要求降低，使得維護方便。</p><p>　　3．可靠性高于繼電器控制系統，體積卻小于繼電氣控制系統。</p><p>　　4．數據可以通過輸入計算機進行數據的處理分析，切通用性強，易于擴展。</p><p>　　5．有利于整個濾

41、池控制系統的靈活運行，提高了濾池的效率。</p><p><b>　　1.3 研究現狀</b></p><p>　　我國的水廠濾池技術起步較晚，但是隨著我國的改革開放的深入，引進的國際技術，使得我國的濾池技術在短期內得到了很大的發(fā)展。</p><p>　　早期的水廠濾池控制各個單元是獨立的，每個濾池單元有獨自的控制系統，每個控制系統之間也沒有任

42、何的聯系，這就使得其中的一個環(huán)節(jié)出錯都會影響出水的質量，每個環(huán)節(jié)也是獨立的，沒有協調的能力，必要的時候還需要人工的干預操作，使得濾池的效率不高，并且還耗費人力物力財力。</p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展，分散式控制逐漸被集中式控制所取代，集中式控制應用于濾池控制系統中使得濾池發(fā)生錯誤的幾率大大降低，也使得濾池的效率提高了很多，集中式控制就是由中心控制室的一臺計算機系統對各個環(huán)節(jié)的參數進行巡回檢測、數據處理、

43、控制運算，然后發(fā)出控制信號，直接控制被控對象。一臺計算機往往同時控制多個回路，即多個水處理工藝環(huán)節(jié)。在這種控制系統中，集中檢測、控制運算工作量大，要求計算機功能強大，有很高的可靠性。一旦控制系統出現故障，整個系統就都會陷于癱瘓。</p><p>　　十九世紀七十年代，單片機的問世使得控制系統的應用更為靈活，功能也更為強大，處理信息的能力大幅增強，并且具有很強的穩(wěn)定性和可靠性，處理器的發(fā)展促使了控制系統的進步，各式

44、各樣的控制系統也逐漸被應用于各行各業(yè)中去，當前水廠采用的自動控制系統的結構形式，從自控的角度可以劃分為SCADA系統、DCS系統、IPC+PLC系統、總線式工業(yè)控制機構成的系統等。IPC+PLC系統是由工業(yè)計算機(IPC)和可編程序控制器(PLC)組成。在國內水廠自動化中得到最廣泛的應用。</p><p>　　IPC+PLC系統的優(yōu)點主要有：</p><p><b>　　可實現

45、分級控制；</b></p><p>　　可靠性高、組網方便；</p><p>　　編程方便、開發(fā)周期短、維護方便；</p><p>　　可靈活方便地實現系統內部配置和調整；</p><p>　　能與現場信號直接相連接，易于實現機電一體化；</p><p>　　易于實現“集中管理、分散控制”的功能。</

46、p><p>　　目前國內水廠產站的自動化控制系統主要采用DCS系統和IPC+PLC組成的分布式控制系統，以IPC+PLC組成的控制系統其性能已達到DCS的要求，價格比DCS系統低，且開發(fā)方便。且由于DCS系統是用于工業(yè)現場的測量控制，局限于有線通訊信組網場合，雖然近年來各大DCS供應商在其原有設備基礎上選配一些第三方設備增強了其通信組網能力，也得到一些應用，但由于其無法從系統設計階段就考慮到網絡協議的合理性、可行性，

47、因此對于復雜的網絡結構，多媒體的通信要求，惡劣的工作環(huán)境就顯得力不從心。 IPC+PLC組成的控制系統滿足了實踐的需要，但是隨著社會的發(fā)展，科技的進步，國際之間的交流，技術的引進，會有更好的控制系統來適應濾池控制系統的需求。</p><p>　　我國的改革開放政策加速了我國濾池控制技術的發(fā)展，十九世紀八十年代，通過引進國外的先進技術，以及引進外資，建立的中外合資企業(yè)，我國的濾池控制技術取得了顯著的發(fā)展，控制

48、系統也逐漸全面化，一些控制系統能對生產工藝的各個環(huán)節(jié)連續(xù)自動地監(jiān)測、調節(jié)、記錄、報警等等。</p><p>　　隨著改革開放的深入，我國的經濟技術的發(fā)展，以及與國際之間的技術交流，再加上引進外國的先進設備和技術，跨國公司在我國投資設廠，中外公司合資企業(yè)的發(fā)展，這些都使得我國的濾池控制系統有了很大的發(fā)展，但是，一些小型水廠耗費了大量的財力和資源引來了一套套先進的控制設備，但是由于缺乏相關的核心技術，使得先進的設備不

49、僅運行費用很高而且很難發(fā)揮出全部的功能，況且，由于地理因素的原因，各地的水質或多或少的有一些不同，如果對控制系統不做一些適量的調整，濾池控制系統也就失去了他本身存在的意義，再加上我國的經濟發(fā)展不是很平衡，在我國的一些偏遠地區(qū)，水廠濾池基本上是靠人工操作，根本實現不了自動化，因此，設計一套適合我國國情的濾池控制系統已經十分必要，從引進外國的全套設備，到自己逐步積累掌握部分的技術，我們已經可以設計出一套及經濟適用，又操作方便的濾池控制系統，

50、并且能夠建立規(guī)模適宜、自動化水平相對較高、運營成本較低的符合自身發(fā)展水平的自動監(jiān)控系統。</p><p><b>　　1.4 發(fā)展趨勢</b></p><p>　　近年來，隨著計算機技術、PLC 技術、新器件、新方法的促進水廠濾池控制系統技術相關領域也出現了許多新的發(fā)展。</p><p>　　1.4.1 向大系統綜合化方向發(fā)展</p>

51、;<p>　　近年來一些主要的生產廠家都在增強PLC系統的功能，向系統綜合化方向發(fā)展，使系統管理與過程控制相結合，能利用過程信息較快的做出有利于控制過程的決策以適應濾池水質變化的實際需求。有的PLC系統采用光纖分布式數據接口（FDDI)局域網絡，數據傳輸速度率達100Mbps.可連多達1024個節(jié)點，這樣便于形成大型的管理與控制信息系統。</p><p>　　過程控制處理的是實時信息，為了適應這方面

52、的需要，近年來也出現了一些如動態(tài)數據交換（DDE）和對象鏈接嵌入（OLE）的實用程序，而在數據信息的應用上，則可以用SQL（結構化查詢語言）在工廠實時數據庫與各關系式數據庫之間建立起所需的聯系。</p><p>　　1.4.2 向開放式系統發(fā)展</p><p>　　PLC系統是較早在過程領域發(fā)展起來的分布式網絡系統，經過幾十年的發(fā)展，DeviceNet在北美和日本比較普遍。而Profibu

53、s-DP則在歐洲用的比較普遍，針對過程自動化，Profibus-PA和foundation Fieldbus及Interbus-s等。在實際標準化和開放型的過程中，逐漸趨向于采用UNIX(OSE/1，HP UX,Solaris,AIX),Windows NT這樣的開放式操作系統和視窗技術。</p><p>　　1.4.3發(fā)展小型系統</p><p>　　許多主流的PLC系統功能強、質量好，

54、但是價格也很高。這就使得一些中小企業(yè)在選擇控制設備時往往感到為難。集散控制系統向小規(guī)模方向發(fā)展，特別是單回路控制器稱為集散系統發(fā)展的一個方向，通訊功能和人及聯系能進一步加強。CRT操作臺在簡化操作、減少可能發(fā)生誤操作及提高操作臺自身可靠性方面進一步取得了進展。</p><p>　　1.4.4媒體技術將引入控制系統</p><p>　　包括圖像、聲音、觸覺和味覺。目前，照片、工業(yè)電視的圖像、

55、過程中產生的聲音已進入控制系統。當來自過程的電視運行圖像給出了過程概貌的直接視覺反饋，可以監(jiān)視諸如高壓設別內泄漏電流（電暈放電）等。過程的聲音也是相當重要的，通過一定的轉換手段，可以將過程聲音引到操作臺的終端和話筒喇叭上，這樣操作員可以聽到故障機件的聲音，幫助辨別故障發(fā)生的位置。另外，采用了虛擬的圖像技術，栩栩如生的圖像畫面再配上逼真的過程聲音，可以使操作員如同身臨現場，觀察和操作各種設備，完成以前很難完成的事情?？梢灶A計，多媒體技術引

56、入控制領域將會給該領域帶來一種全新的變化。</p><p>　　第2章 控制系統總體方案的設計系統的分析</p><p>　　2.1 V型濾池工藝過程</p><p>　　濾池有多種型式，以石英砂作為濾料的普通濾池使用歷史悠久。在此基礎上，人們從不同的工藝角度發(fā)展了其它型式的濾池。V型濾池是快濾池的一種形式，因為其進水槽形狀呈V字形而得名，也叫均粒濾料濾池（其濾料采

57、用均質濾料，即均粒徑濾料）、六閥濾池（各種管路上有六個主要閥門）。它是我國于20世紀80年代末從法國Degremont公司引進的技術。</p><p>　　V型濾池采用了較粗、較厚的均勻顆粒的石英砂濾層；采用了不使濾層膨脹的氣、水同時反沖洗兼有待濾水的表面掃洗；采用了氣墊分布空氣和專用的長柄濾頭進行氣、水分配等工藝。它具有出水水質好、濾速高、運行周期長、反沖洗效果好、節(jié)能和便于自動化管理等特點。90年代以來，我國

58、新建的大、中型凈水廠差不多都采用了V型濾池這種濾水工藝。</p><p>　　水廠生產的基本工藝可分為加藥、反應、沉淀、過濾、消毒、儲存、送水等幾個相關過程。其中過濾過程又可分為正常過濾和濾池反沖洗兩個子過程，這兩個子過程交替運行，相互之間間隔一定時間（24 H），圖2.1表示濾池工藝過程簡圖。</p><p>　　圖2-1 濾池工藝過程簡化圖</p><p>&

59、lt;b>　　2.2 工作過程</b></p><p><b>　　（1）過濾過程：</b></p><p>　　所謂濾池的正常過濾過程就是通過濾料層將待濾水去除雜質顆粒、細菌的過程，其主要目的是使濾后水的渾濁度達到國家飲用水的衛(wèi)生標準。 </p><p>　　待濾水由進水總渠經進水閥和方孔后，溢過堰口再經側孔進入被待濾水淹沿

60、的V型槽，分別經槽底均勻的配水孔和V型槽堰進入濾池。被均質濾料濾層過濾的濾后水經長柄濾頭流入底部空間，由方孔匯入氣水分配管渠，在經管廊中的水封井、出水堰、清水渠流入清水池。</p><p><b>　?。?）反沖洗過程：</b></p><p>　　所謂濾池的反沖洗過程，就是先后運行氣洗、水洗兩種清洗方式去除濾料層中的雜質，是濾池自凈的工藝措施。</p>

61、<p>　　關閉進水閥，但有一部分進水仍從兩側常開的方孔流入濾池，由V型槽一側流向排水渠一側，形成表面掃洗。而后開啟排水閥將池面水從排水槽中排出直至濾池水面與V型槽頂相平。反沖洗過程常采用“氣沖→氣水同時反沖→水沖”三步。</p><p>　　氣沖打開進氣閥，開啟供氣設備，空氣經氣水分配渠的上部小孔均勻進入濾池底部，由長柄濾頭噴出，將濾料表面雜質擦洗下來并懸浮于水中，被表面掃洗水沖入排水槽。</

62、p><p>　　氣水同時反沖洗 在氣沖的同時啟動沖洗水泵，打開沖洗水閥，反沖洗水也進入氣水分配渠，氣、水分別經小孔和方孔流入濾池底部配水區(qū)，經長柄濾頭均勻進入濾池，濾料得到進一步沖洗，表掃仍繼續(xù)進行</p><p>　　停止氣沖，單獨水沖 表掃仍繼續(xù)，最后將水中雜質全部沖入排水槽。</p><p>　　V型濾池的特點及設計參數</p><p>　

63、　濾速可達7～20m/h，一般為12.5～15.0m/h。</p><p>　　采用單層加厚均粒濾料，粒徑一般為0.95～1.35mm，允許擴大到0.7～2.0mm，不均勻系數1.2～1.6或1.8之間。</p><p>　　對于濾速在7～20m/h之間的濾池，其濾層高度在0.95～1.5m之間選用，對于更高的濾速還可相應增加。</p><p>　　底部采用帶長柄濾

64、頭底板的排水系統，不設礫石承托層。濾頭采用網狀布置，約55個/m2。</p><p>　　反沖洗一般采用氣沖、氣水同時反沖和水沖三個過程，反沖洗效果好，大大節(jié)省反沖洗水量和電耗。氣沖強度為50～60m3/（h.m2）（13～16L/s.m2），清水沖洗強度為13～15m3/（h.m2）（3.6～4.1L/s.m2），表面掃洗用原水，一般為5～8m3/（h.m2）（1.4～2.2L/s.m2）。</p>

65、<p>　　整個濾料層在深度方向的粒徑分布基本均勻，在反沖洗過程中濾料層不膨脹，不發(fā)生水力分級現象，保證深層截污，濾層含污能力高。</p><p>　　濾層以上的水深一般大于1.2m，反沖洗時水位下降到排水槽頂，水深只有0.5m。</p><p>　　綜上所述，氣、水反沖洗時，由于氣泡的激烈運動作用，大大加強了污物剝落能力及截污能力。在濾池實際反沖洗時，我們觀察到：當反沖時間

66、約5分鐘時的濾層污物剝落高達95%以上，因此V型濾池的反沖洗效果是肯定的。此外反沖洗時，原水通過與反沖洗排水槽相對的兩個V型槽底部的小孔進入濾池，它掃洗濾層的表面，并把濾層反沖上來的污物、雜質推向排水槽，同時掃洗了水平速度等于零的一些地方，在這些地方漂起來的砂又重新沉淀下來。此外濾池的表面掃洗，還加快了反沖水的漂洗速度，用原水養(yǎng)活了反沖洗濾后水用量及電能，也節(jié)約了沖洗水量。養(yǎng)活沖洗水量是原水表面清掃的一個特別優(yōu)點，事實上，它還起到了在一

67、個濾池反沖洗時防止其它濾池在最大輸出負荷下運行的作用。</p><p>　　由于本水廠濾池控制部分系統設計包含恒水位過濾控制和自動反沖洗控制，而本濾池的自動反沖洗控制只需設計出氣、水的反沖洗過程便能夠達到控制要求，故本系統并未對濾池的表面掃洗技術進行深入的研究與技術上的實現，從而在滿足系統功能的前提下避免了系統設計的復雜性。</p><p>　　現將濾池的基本的工藝結構簡圖繪制如下圖所示。

68、</p><p>　　圖2-2 濾池工藝結構的簡圖</p><p>　　2.3 濾池控制系統的控制任務及其設計</p><p><b>　　2.3.1控制任務</b></p><p>　　濾池控制系統的控制任務就是控制過濾、反沖洗和兩者的交替，目的就是保證濾后水的濁度符合要求。過濾時要求維持一定的濾速，這通過控制濾池的液

69、位實現，即過濾時要把液位控制在一定范圍之內。當過濾進行一段時間后，濾料吸收的懸濁物積累到一定數量，對濾后水濁度的穩(wěn)定有不利影響，需要進行反沖洗。反沖洗就是對濾層的清洗，需要控制鼓風機、水泵等沖洗設備，以及濾池相關閥門的開、關。反沖洗與過濾是交替進行的，反沖過后進入過濾，過濾一段時間后也需要啟動反沖洗。反沖洗的啟動有兩種方法:人為命令和控制器依條件判斷是否啟動。判斷的條件可以有很多，比如:是否到達設定時間、過濾己經進行的時間、水頭損失大小

70、等。更先進一些的還可以直接根據濾池濾后出水的濁度決定是否反沖洗。</p><p>　　2.3.2 控制系統設計要求及其組成</p><p>　　濾池的設計及其控制系統決定了濾后水的水質。后者既不會引起出水突變也不會波動地工作，既不會引起擺動也不會太敏感，這些因素可導致清水水質惡化及濾池過早穿透，此外，控制系統必須滿足以下要求：</p><p>　　1、濾后水出口的變

71、化緩慢</p><p>　　2、持續(xù)地控制液位，沒有復雜的機械系統。</p><p>　　3、在水廠流量的各種變化中，限制人為的加入。</p><p>　　2.3.3 控制系統的組成</p><p>　　濾池控制系統一般由受控設備、電氣執(zhí)行機構、控制器和上位機組成。其中受控設備可以分為兩部分：濾池閥門和反沖洗系統。常見濾池閥門有：反沖洗閥、氣

72、閥、清水閥、排水閥。</p><p>　　自動反沖洗系統的運行可分為排水、氣沖洗、氣水混合沖洗、水沖洗和進水五個階段，反沖洗各階段運行時間根據濾池工況預置到PLC。系統接到對某池進行反沖洗的指令后進入排水階段，先關閉進水閥，把濾池的水位降至預置水位，然后關閉出水閥，打開排水閥；排水閥打開以后，濾池進入氣沖洗階段，這時氣沖計時器開始計時，排氣閥打開，同時風機啟動、風機出口打開，當風機進入運行狀態(tài)后，打開氣沖閥，同時

73、關閉排氣閥；氣沖洗時間達到預設值后，氣水混合洗計時器開始計時，反沖水閥被打開，同時啟動反沖水泵，打開水泵出口閥，濾池進入氣水混合反沖洗狀態(tài)；汽水混合反沖洗時間達到預設值后，水洗計時器開始計時，反沖氣閥被關閉，開放氣閥（放氣閥開30s后自動關閉）排空風管余氣，同時停風機，關閉風機出氣閥，濾池進入水沖洗狀態(tài)；水沖洗時間達到預設值后，關閉反沖水閥，同時停止反沖水泵，關閉水泵出口閥，最后關閉排水閥，打開進水閥，濾池進入進水狀態(tài)，當水為上升到恒水

74、位過濾位置時，自動反沖洗完成，該池轉入正常的過濾程序。</p><p>　　本設計水廠模擬濾池有六個V型濾池組成，每個濾池的尺寸規(guī)格為5M*5M*5M，濾池的濾料采用單層1.4M加厚均粒石英砂濾料。每一個濾池現場都設置一個PLC，主要功能是完成濾池的自動反沖洗過程和濾池的恒水位控制，在正常的濾池過濾過程中，為了實現濾池的恒水位控制，本設計要求濾池的水位波動限制在400±2CM的范圍內，當濾池的運行滿足了

75、反沖洗的條件（運行周期到、水頭信號或強沖信號）時，需要進行反沖洗，以去除濾料層的雜質。按要求，每次只有一格濾池進行反沖洗，當多格濾池同時要求進行反沖洗時，系統自動按照先進先出的原則排隊進行。</p><p>　　濾池正常過濾時，為實現恒水位過濾，設計以水流量為控制參數的濾池液位PID控制系統。</p><p>　　在中控室設置主控PLC，其主要功能是負責各現場的PLC通信，數據的傳送，收集

76、反沖洗水泵、鼓風機等反沖洗設備的信號，協調各個濾池的反沖洗順序，確保濾池的反沖洗過程正常有序的。</p><p>　　第3章 系統總體方案的設計</p><p>　　3.1 濾池自控方案及總體結構的實現</p><p>　　自來水廠的工藝特點是各工藝單元既相對獨立，同時各單元之間又存在一定的聯系。正因為各工藝單元相對獨立，因此通常將整個工藝按控制單元劃分。</

77、p><p>　　采用PLC+IPC 系統的水廠自動化控制設計一般采用多主站加多從站結構，能夠較好的滿足國內水廠自動化的監(jiān)控、保護要求?？刂泣c分布在水廠內不同的位置，采用就近控制原則，在設備集中區(qū)分別設置不同的PLC 站對該區(qū)域設備進行監(jiān)控，再通過通訊網絡，各PLC 站之間進行數據通訊，實現整個水廠的自動化控制。在控制單元內，PLC 站實現對該單元內設備的自動控制。這樣的優(yōu)點是使控制系統更加可靠，當某一控制單元發(fā)生故障

78、時不會嚴重影響其它單元的自動運行，同時由于單元內控制設備、檢測儀表就近相連，減少了布線成本。</p><p>　　一般根據土建設計，將水廠自動化控制系統按設備位置情況及功能進行組織，分為如下一些控制站點。</p><p>　?。?）中央控制室站點：對整個系統進行監(jiān)控和調度，同時留有四遙（遙測、遙信、遙調、遙控）系統接口，與上層管理系統進行通訊。</p><p>　　

79、（2）濾池公共部分控制站點：對反沖洗（每個濾池的反沖洗，均可在2種狀態(tài)下進行：①自動反沖洗：②半自動反沖洗。）公共部分（反沖洗泵、鼓風機、干燥機及相關閥門）進行監(jiān)控。</p><p>　?。?）濾池控制站點：根據單格濾池數量進行配置，每格濾池一個，對單個濾池設備進行監(jiān)控，使用一臺PC機作為上位機，配有專為用戶開發(fā)的監(jiān)控軟件。用戶可以在PC機上控制濾池的操作以及監(jiān)測濾池的運行情況。</p><p

80、>　　整個濾池的運行可在以下二種方式下工作：(1)半自動控制；(2)PLC自動控制；(3)上位機遠程控制。其網絡拓撲如3-1所示。</p><p>　　圖3-1 濾池自控網絡拓撲圖</p><p>　　3.2 PID控制算法的基本原理</p><p>　　PID(proportional Integral Differential)控制算法就是經典的閉環(huán)控制，

81、按比例、積分、微分進行控制的控制器稱為PID控制器。模擬PID控制器的原理框圖如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 模擬PID控制器原理框圖</p><p>　　圖中r(t)為系統的給定值，c(t)為實際輸出值，u(t)為控制量。PID控制解決了自動控制理論所要解決的最為基本的問題，即系統的穩(wěn)定性、快速性和準確性。調節(jié)PID的參數，可以實現在系統穩(wěn)定的前提下，兼顧系統的帶載能力和

82、抗擾能力，同時由于在PID控制器中引入了積分項，系統增加了一個零極點，這樣系統階躍響應的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。</p><p>　　PID控制器是一種線性控制器，它根據給定值R(t)與實際輸出值C(t)構成控制偏差：</p><p>　　e(t)==r(t)－c(t) (3.1)</p><p>　　將偏差的比例(P)、

83、積分(I)、微分(D)通過組合構成控制量對被控對象進行控制，故稱PID控制器，其控制規(guī)律為： </p><p>　　U(t)=Kp[ E(t)+ + ] (3.2)</p><p>　　式中，e(t)為系統偏差；</p><p><b>　　Kp為比例系數;</b></p><p>　　Ti

84、為積分時間常數；</p><p>　　Td為微分時間常數。</p><p>　　式 (3.2) 也可寫成：</p><p>　　U(t)=Kpe(t)+Ki∫to e(ç）dç+Kd （3.3）</p><p>　　式中，Kp為比例系數；</p><p>　　Ki為

85、積分系數，Ki=Kp/Ti;</p><p>　　Kd為微分系數，Kd=Kp/Td;</p><p>　　簡單來說，PID控制器中各校正環(huán)節(jié)的作用如下：</p><p>　　比例環(huán)節(jié) 及時成比例地反映控制系統的偏差信號e(t),偏差一旦產生，控制器立即產生調節(jié)作用，以減少偏差。</p><p>　　積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差提高系統的

86、無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數Ti, Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。</p><p>　　微分環(huán)節(jié) 能夠反映偏差信號的變化趨勢，即偏差信號的變化速率，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統中引入一個有效的早起修正信號，從而加快系統的動作速度，減小調節(jié)時間。</p><p>　　計算機控制是一種離散的采樣控制，在計算機控制系統中所使用的是數字PID控制器，而式 (3.2)

87、和式(3.3)均為模擬PID控制器的控制表達式，通過將模擬PID表達式中的積分、微分運算用數值計算方法來逼近，便可實現數字PID控制。只要采樣周期T取得足夠小，這種逼近就可以相當精確。</p><p>　　將微分項用矩形和式代替，數字PID控制器的控制表達式如式（3.4)：</p><p>　　U(K)=KpE(K)+Ki+Kd[E(K)-E(K-1)] (3.4

88、)</p><p>　　其中：T為采樣周期；</p><p>　　Kp為比例增益系數；</p><p>　　Ki=KpT/稱為積分系數；</p><p>　　Kd=Kp/T稱為微分常數；</p><p>　　U(K)是U(KT)的簡寫；</p><p>　　E(K)是E(KT)的簡寫。</

89、p><p>　　數字PID控制器的算法通?？梢苑譃槲恢檬絇ID控制算法和增量式PID控制算法，因為位置式算法對偏差進行累加，然后給出執(zhí)行機構的位置控制量。使用位置式PID數字控制器會造成PID運算的積分積累，引起系統超調，這在生產過程中是不允許的。故本系統使用的是增量式 PID控制算法，因此下面將討論如何建立增量式PID控制算法的數學模型。</p><p>　　由(3.4)不難得到：</

90、p><p>　　U(K-1)= KpE(K-1)+Ki+ Kd[E(K-1)-E(K-2)] (3.5)</p><p>　　將式(3.4)與式(3.5)相減即可得到增量式算法：</p><p>　　U(K)=U(K)一U(K-1)</p><p>　　=(Kp+Ki+Kd)E(K)-( Kp+2Kd)E(K-1)

91、+ KdE(K-2) (3.6)</p><p>　　增量式PID控制算法是對偏差增量進行處理，然后輸出控制量的增量，即執(zhí)行機構位置的增量。增量式PID數字控制器不會出現飽和，而且當計算機故障時能保持前一個采樣時刻的輸出值，保持系統穩(wěn)定，因此增量式算法比位置式算法得到更廣泛的應用。所以，式(2.5)已可以用作編程算法使用了。</p><p&

92、gt;　　3.3 現場濾池控制器</p><p>　　由于本設計采用的是恒水位設計，因此保持濾池水位的大致不變是濾池控制器最主要的任務之一，大多數的水廠濾池的液位都是通過濾池調節(jié)閥來控制的，典型的閉環(huán)控制系統可以根據現場反饋的信息來及時的進行調整處理，從而實現濾池水位的大致不變，以來自液位計的液位信號作為反饋信息，PLC作為控制器，調節(jié)閥作為執(zhí)行器形成一個典型的閉環(huán)控制系統，其模型可以簡化成下圖：

93、 </p><p>　　圖3-3 濾池液位控制框圖</p><p>　　但是在水廠濾池中，濾池的水位不用控制的那么精確不變，只要穩(wěn)定在一個大致的范圍就好了，如果用以上的控制方法，不僅加大了設備的成本，而且安裝起來特別繁瑣，所以實際應用中，只要用開關閥來代替調節(jié)閥就可以了，開關閥的液位控制仍然適用閉環(huán)反饋的基本原理，但具體情況

94、與調節(jié)閥的有很大的不同。開關閥的驅動信號有兩個開關量，開閥和關閥，只要持續(xù)為ON，閥門就會持續(xù)動作，直到全開或全關，不會始終保持在一個位置上；而調節(jié)閥是由一個模擬量的開度信號驅動的，閥門隨著該信號的變化而動作，若信號不變，閥門位置不變。所以，可以對調節(jié)閥進行控制的PID計算結果，對開關閥無效。通過PLC計算得出閥門位置的機制也就不再適用，需要重新設計。</p><p>　　根據實際情況和普遍的應用，采用雙液位控制

95、是最簡單的，所謂雙液位控制就是當濾池液位高于設定時，閥門打開，液位低于設定時，閥門關閉。雙液位控制方法簡單以實現，但是其也存在著許多缺點：它的動作頻率很頻繁，系統中的運動部件，如閥桿、閥芯和閥座等會經常摩擦，很容易損壞。這一點在實際工程中非常重要，許多場合都必須刻意避免閥門頻繁動作。所以，該方法不能直接使用。</p><p>　　雙位調節(jié)可以看作是一個極端的比例系數很大的比例控制，對任何一個偏差，不論大小，都會產

96、生飽和滿載的輸出。根據比例環(huán)節(jié)比例系數對過渡過程的影響，當比例系數增大時，會產生如下變化：</p><p>　　(1)振蕩傾向加強，穩(wěn)定程度下降；</p><p>　　(2)工作頻率增大，工作周期縮短。</p><p>　　這就是雙位調節(jié)導致閥門頻繁開關的原因。如果減小這個所謂的比例系數，就可以減小閥門動作頻率，并增強系統穩(wěn)定性。</p><p&

97、gt;　　實際上開關閥的開與關不是瞬時完成的，而是有一個動作時間。如果對這個動作時間做出限制，就可以對閥門開度進行控制。這首先要求電氣執(zhí)行機構的改變。一般的開關閥，執(zhí)行機構是由連鎖的，只要動作信號一給出，不管是否保持，閥門都要持續(xù)動作到底(關死或開足)，不會中途停止。也就是說，閥門每次的動作時間都是相同的，不可更改。所以，要控制動作時間，在執(zhí)行機構中就不能有連鎖。這樣一來，PLC就可以通過控制動作信號的持續(xù)時間，控制閥門的動作時間了。&

98、lt;/p><p>　　然而，僅僅縮短一次性動作時間仍然不能實現穩(wěn)定控制。液位的滯后性較強，PLC在檢測到其改變(由低于設定變?yōu)楦哂谠O定，或反之)前，會不斷發(fā)出閥門動作信號，直至動作到底。情況跟先前并沒什么不同，只是由一次動作變?yōu)槎啻蝿幼髁耍l繁性沒有得到根本的改變。單純的比例控制在對付滯后系統時確實很困難。參考常被應用在較強的滯后系統中的采樣PID，它通過延長反饋信號的采樣周期，延緩PID輸出的更新頻率，以適應系統

99、的滯后性。采樣周期和動作時間的結合，極大的降低了閥門的動作頻率，系統也更加穩(wěn)定了。</p><p>　　這樣，對雙位調節(jié)增加兩個時間控制，實現了開關閥對液位的調節(jié)。具體兩個時間如何確定，可以先估算，再具體調試。首先估算濾速，平均的濾速V可通過下式求得：</p><p><b>　　V =</b></p><p>　　假設以日產200000噸為例

100、計算：</p><p>　　錯誤！未找到引用源。</p><p>　　假設這個速度是在閥門90%開啟度的時候達到的，那么閥門每改變百分之一的開度，對濾速的影響為0.006厘米/秒。由于事實上不斷地有水流入濾池，實際的液位下降速度要比0.0129厘米/秒慢很多，所以采樣的間隔可以設的比較長，達到十幾秒鐘。閥門的動作時間也不必很長，有整個開啟(或關閉)時間的5%即可。在本例中，最終的取值是這樣

101、的:采樣間隔15秒，一次動作時間1秒(由全開至全關的動作時間為18秒)。</p><p>　　至此，液位控制己經可以實現，但仍然可以進一步優(yōu)化該控制，繼續(xù)減低閥門的動作頻率。當液位變化的趨勢(上升或下降)與控制預期相同時，閥門的動作是非必要的，可以免除，當趨勢與預期不同時，才需要閥門動作進行調節(jié)。所以，如果能夠判斷液位的變化趨勢，就可以進一步減少閥門動作。具體實現是一次采樣后，將該值備份，使其不會在下次采樣時被更

102、新。這樣就可以對連續(xù)兩次采樣的值作一個比較，判斷液位的升降。之后再結合液位情況，確定閥門是否動作。比如：液位高于設定值，而正處于下降狀態(tài)，則閥門不動作。相應的，液位低于設定而正在上升，閥門也不動作。故出水閥的液位控制流程圖可以簡化成下圖：</p><p>　　圖3-4 出水閥的液位控制流程圖</p><p>　　3.4 現場控制器與反沖洗控制器的鏈接</p><p>

103、;　　在濾池的反沖洗過程中，需要開關一系列的閥門，這就需要控制濾池的現場控制器與反沖洗控制器之間有很好的鏈接協調的關系，具體閥門的開關過程為：在正常過濾的過程中，進水閥和出水閥應該打開，反沖氣閥、反沖水閥和排污閥則應關閉。在反沖洗過程中，進水閥和出水閥應關閉，氣沖閥、水沖閥、排污閥打開。具體的閥門開關順序應為：在濾池控制器得到反沖洗信號后，首先關閉進水閥，并將清水閥開至最大，當液位下降至最低限制液位時，濾池退出正常的過濾過程，進入反沖洗

104、過程，此時，出水閥關閉，排污閥打開，待排污閥信號到位后準備開始反沖洗。反沖洗過程一般包括兩個過程：氣沖、水沖。先開反沖氣閥、鼓風機，氣沖開始。6分鐘后，關閉鼓風機、反沖氣閥。打開反沖水閥，開啟反沖水泵，水洗6分鐘，完成后關閉反沖水閥，停水泵，關閉排污閥。最后，打開進水閥，等液位升到接近恒水位時，濾池反沖洗正式結束，打開清水閥，系統進入正常的過濾程序。整個過程用簡化圖表示，如圖3-5所示</p><p>　　圖3-

105、5 調整前的反沖洗過程</p><p>　　在這樣一個看似很簡單其實很繁瑣的過程中，需要濾池控制器和反沖洗控制器之間有很好的協調關系，保證有些時候相關的閥門能及時的開啟和關閉，以確保正常的濾池過濾和反沖洗過程的順利進行，因此他們之間可以設定一個可靠的通信機制，通過這個機制來向其他的控制器傳遞自己當前的狀態(tài)和正在執(zhí)行的操作，這些通信機制可以用“O”、“1”來表示。當濾池或反沖洗系統處于某一狀態(tài)時，相應的標識置“1”

106、，并向另外一控制器發(fā)送，當這一狀態(tài)結束時，標識被清零，再向另外一控制器發(fā)送。標識的值隨著狀態(tài)的變化而變化。一般的通訊機制都要求接收方返回一個確認信號，用來表明正確收到被發(fā)送信號，以防止信號在傳送過程中丟失。但這里無須考慮此問題，因為連接控制器的網絡自身的通訊協議己能夠確保信號傳送的可靠性。</p><p>　　通信機制方案確定了，下面討論如何實現，在濾池反沖洗過程中不能有兩個濾池同時進行反沖洗，一旦有兩個濾池的氣

107、沖或水沖閥同時打開，沖洗就不能順利進行。故在此也要建立一個通信機制，用來實現當有一個濾池正在進行反沖洗時，其它濾池不能進行反沖洗，以阻止濾池控制器控制濾池進入反沖洗狀態(tài)。接著，當氣沖閥打開后，要有一個通信機制，用來傳遞給反沖洗系統主控制器通知它開鼓風機。同樣，還要有一個通信機制，通知反沖洗系統主控制器開反沖水泵。在鼓風機和水泵停止后，又分別要有一個通信機制，通知濾池控制器關閉反沖氣閥和反沖水閥。這一系列的通信機制，就是兩套控制器（濾池控

108、制器、反沖洗控制器）之間實現通信協調的方法。但是這種方法如果不對反沖洗的過程做一些調整和變化的話，會顯得很繁瑣復雜，并且不易實現。原因是因為上述的通信機制只是一部分，實際的工程中還涉及了故障報警，故障處理等問題，需要添加大量通信機制。這不但提高了工作過程的復雜程度，還很難保證遇到突發(fā)故障時的有效、及時處理，整個溝通過程將會加大設計的難度和復雜程度。而且當系統中多于兩臺控制器時，通信機制的個數又會成倍增加，尤其是在大系統中的應用時，如此數