畢業(yè)設(shè)計(jì)---基于plc設(shè)計(jì)出的水廠濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　供水是一個(gè)關(guān)系國計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè)。供水不僅要滿足管網(wǎng)壓力的需要、保證充足供水，還要求水質(zhì)明顯提高。濾池是水廠常規(guī)處理凈水構(gòu)筑物的最后一道工序，濾池運(yùn)行的好壞直接影響到水廠的出水水質(zhì)。濾池反沖洗工藝復(fù)雜，如果仍然沿用人工方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，安全性難以保障，為此必須進(jìn)行濾池自動(dòng)化系統(tǒng)的改造。</p><

2、;p>　　本文從水廠濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求和工藝特點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)出了一套基于ControlLogix硬件和軟件系統(tǒng)的水廠濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)。在濾池正常過濾時(shí)，為實(shí)現(xiàn)恒水位過濾，設(shè)計(jì)了以出水流量為控制參數(shù)的濾池液位PID控制系統(tǒng)。而在系統(tǒng)接收到反沖洗信號時(shí)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上就主控PLC如何更好的與現(xiàn)場PLC協(xié)調(diào)控制濾池的反沖洗方案進(jìn)行了對比并且做了優(yōu)化，增強(qiáng)了控制思路的清晰性，達(dá)到了預(yù)期的控制效果。</p><p&

3、gt;　　根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，進(jìn)行了硬件設(shè)備的選型，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)硬件配置圖、I/O模塊接線圖，并編寫了實(shí)現(xiàn)控制算法的程序。</p><p>　　關(guān)鍵詞：水廠濾池，恒水位PID控制，自動(dòng)反沖洗，協(xié)調(diào)控制</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Water supply is an important indus

4、try for the people's livelihood. Not only to meet the needs of the pipeline network pressure and to ensure adequate water supply, but also called for the improvement of water quality. As to conventional water treatme

5、nt plant, filter is the last structures of water purification processes, filter run a direct impact on water quality. The process of filter backwash is complexity, if still used in manually, labor-intensive, low producti

6、vity, so it is difficult to en</p><p>　　In this paper, as a view of the automatic control system for the water plant filter requirements and process characteristics, the automatic control system for the wate

7、r plant design of a set of hardware and software based on the ControlLogix system has been accomplished. When in the normal filtrate period,</p><p>　　in order to keep the constant level, designed the PID fil

8、ter level control system which is based on the water flow parameters. When receives backwashing signals, the control system on how to enhance coordination between master PLC</p><p>　　and on-site PLC, has bee

9、n compared and optimized. </p><p>　　According to requirements of the designed control system, the selection of hardware devices, hardware configuration, I/O module wiring diagram, procedures for the realizat

10、ion of control algorithm have been accomplished.</p><p>　　Keywords: water plant filter, constant water level on PID control, automatic backwashing, coordinated control </p><p><b>　　目錄</

11、b></p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1．1課題研究背景1</p><p>　　1.2 課題研究內(nèi)容2</p><p>　　1.3 研究的目的和意義5</p><p>　　2 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)7</p><p>　　2

12、.1 系統(tǒng)分析7</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)12</p><p>　　3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)27</p><p>　　3.1 濾池實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需的設(shè)備27</p><p>　　3.2 傳感器和執(zhí)行器的選擇33</p><p>　　3.3 系統(tǒng)的硬件配置及I/O連接圖39</p&g

13、t;<p>　　3.4 控制參數(shù)整定43</p><p>　　4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)47</p><p>　　4.1 軟件總體方案的設(shè)計(jì)47</p><p>　　4.2 控制方案程序49</p><p>　　5 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)61</p><p>　　5.1 組態(tài)王6.52簡介61</p&g

14、t;<p>　　5.2 監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)61</p><p><b>　　結(jié)束語72</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)73</b></p><p><b>　　致謝74</b></p><p><b>　　附錄75</b>

15、</p><p><b>　　1緒論</b></p><p><b>　　1．1課題研究背景</b></p><p>　　水對人類而言有著非同尋常的意義，不論是日常生活，還是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都離不開水。特別是在現(xiàn)代社會中，人們不僅對水的需求量與日俱增，對水質(zhì)的要求也越來越高。</p><p>　　人類對飲

16、用水進(jìn)行處理的歷史十分悠久，超過了兩千年。但這是小規(guī)模、家庭型的處理，范圍僅針對某個(gè)人或某個(gè)家庭。而面向社會興建水廠，工業(yè)化的集中處理水的歷史還不到200年，特別是以快濾池為標(biāo)志的現(xiàn)代水廠更只有110多年歷史。在我國，水廠的大規(guī)模建設(shè)是從解放后開始的，時(shí)間較短，但取得了卓越的成就。目前各個(gè)城市都已興建了自己的凈水廠，基本普及了自來水。而且，更加現(xiàn)代化的、大規(guī)模的新型水廠也在成批的建設(shè)中。水廠和其它行業(yè)的工廠一樣，自出現(xiàn)以來不斷革新，不斷

17、現(xiàn)代化，生產(chǎn)能力、凈化效果都不斷提高。日產(chǎn)百萬噸以上優(yōu)質(zhì)自來水的超大型水廠也不罕見。維持如此大規(guī)模的水廠正常運(yùn)行，且要保證出廠水質(zhì)，對處理工藝和自動(dòng)化水平都提出了很高的要求。水廠的處理工藝一百年來已經(jīng)比較成熟，基本上是混凝沉淀、過濾和消毒?；炷齽┮话悴捎娩X鹽、鐵鹽。利用凝聚原理去除原水中的懸浮顆粒。再進(jìn)行沉淀，過濾。消毒一般采用氯化法。近幾十年，隨著凈水理論的發(fā)展，工藝設(shè)計(jì)和處理構(gòu)筑物的形式不斷變化，各類反應(yīng)藥劑也出現(xiàn)許多新的替代品，比

18、如:以高分子化合物作為混凝劑，臭氧或二氧化氯作為消毒劑等等。不過，基本的工藝過程沒有根本性改變。相比之下，水廠的</p><p>　　在各中小型水廠水質(zhì)生產(chǎn)過程中，濾池處理過程的有效控制是保證水廠出廠水水質(zhì)優(yōu)劣及生產(chǎn)效率高低的關(guān)鍵因素。在傳統(tǒng)的濾池生產(chǎn)中，一般依靠人工操作進(jìn)行生產(chǎn)，濾池正常的過濾時(shí)間以及濾池反沖洗各環(huán)節(jié)的時(shí)間和強(qiáng)弱都要依靠現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于受到人員素質(zhì)及經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境溫度、源水水質(zhì)變化等

19、各種復(fù)雜因素的影響，很難使出廠水水質(zhì)長期穩(wěn)定。因此水廠濾池的自動(dòng)化控制對于出廠水質(zhì)優(yōu)劣尤為重要。</p><p>　　為了更好地安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)水廠自動(dòng)化控制，本課題希望通過研究PLC在水廠濾池控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，使通過PLC設(shè)計(jì)出的水廠濾池控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)水廠濾池控制系統(tǒng)具有更好的維護(hù)性和擴(kuò)展性，提高水廠濾池控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，確保水廠供水更安全更可靠。</p><p>　　1.2 課題

20、研究內(nèi)容</p><p>　　1.2.1 研究現(xiàn)狀</p><p>　　早期的水廠控制是單元式的。根據(jù)需要，各個(gè)工藝環(huán)節(jié)建立獨(dú)立的控制設(shè)施。這些設(shè)施可以一次建成，也可以分別建設(shè)，相互之間沒有聯(lián)系。每個(gè)環(huán)節(jié)根據(jù)自身的情況進(jìn)行工作，只能解決該環(huán)節(jié)局部的控制調(diào)節(jié)問題，環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)是難以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，需要人工加以干預(yù)。這屬于分散式控制。以后隨著計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集中式控制形式，由中心控

21、制室的一臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行巡回檢測、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算，然后發(fā)出控制信號，直接控制被控對象。一臺計(jì)算機(jī)往往同時(shí)控制多個(gè)回路，即多個(gè)水處理工藝環(huán)節(jié)。在這種控制系統(tǒng)中，集中檢測、控制運(yùn)算工作量大，要求計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大，有很高的可靠性。一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就都會陷于癱瘓[2]。</p><p>　　進(jìn)入70年代以來，以微處理器為核心的各種控制設(shè)備發(fā)展迅速，使得控制系統(tǒng)的形式也發(fā)生了相應(yīng)的變化，結(jié)構(gòu)

22、組成種類很多。當(dāng)前水廠采用的自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，從自控的角度可以劃分為SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、IPC+PLC系統(tǒng)、總線式工業(yè)控制機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)等。IPC+PLC系統(tǒng)是由工業(yè)計(jì)算機(jī)(IPC)和可編程序控制器(PLC)組成。在國內(nèi)水廠自動(dòng)化中得到最廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：</b></p><p>　　(1)可以實(shí)現(xiàn)分級分布控制。&l

23、t;/p><p>　　(2)可以實(shí)現(xiàn)“集中管理、分散控制”的功能，將危險(xiǎn)分散，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　(3)組網(wǎng)方便。硬件系統(tǒng)配置簡潔，很容易在網(wǎng)絡(luò)中增減PLC控制器，來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的目的。</p><p>　　(4)編程方便，開發(fā)周期短，維護(hù)方便。由于應(yīng)用程序采用梯形圖或順序功能圖編輯，編程和維護(hù)方便。</p><p>　

24、　(5)系統(tǒng)內(nèi)的配置和調(diào)整非常靈活。</p><p>　　(6)與工業(yè)現(xiàn)場信號直接相連，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。</p><p>　　當(dāng)前水廠采用最多的控制系統(tǒng)是IPC+PLC系統(tǒng)。該系統(tǒng)近年發(fā)展迅速，已經(jīng)與DCS系統(tǒng)的功能相近，特別是同樣具有分級分布控制、實(shí)現(xiàn)集中管理，分散控制的功能，往往從水處理工藝控制的角度也將此系統(tǒng)稱為集散式系統(tǒng)。國外自70年代起開始了供水系統(tǒng)自動(dòng)控制的研究與應(yīng)用工作。

25、尤其是自80年代以來，微電子等現(xiàn)代科技高速發(fā)展，水工業(yè)專用檢測儀表與裝備不斷發(fā)展，水工業(yè)專用檢測儀表與裝備不斷發(fā)展與完善，相應(yīng)地推動(dòng)供水系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)有了質(zhì)的飛躍。加之西方發(fā)達(dá)國家雄厚經(jīng)濟(jì)實(shí)力與技術(shù)基礎(chǔ)，供水系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控已得到普遍應(yīng)用。一些水廠己實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，能對生產(chǎn)工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)連續(xù)自動(dòng)地監(jiān)測、調(diào)節(jié)、記錄、報(bào)警等等[3]。</p><p>　　我國自80年代中后期起，陸續(xù)有一些較大型的水廠利用外資建設(shè)，

26、同時(shí)引進(jìn)了成套的水廠現(xiàn)代化監(jiān)控儀表與設(shè)備。我國在水廠關(guān)鍵環(huán)節(jié)混凝投藥控制技術(shù)與設(shè)備方面實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)電流及透光率脈動(dòng)兩種凝控制設(shè)備的國產(chǎn)化，并在水廠獲得推廣應(yīng)用，取得顯著效果，在此方面已居于國際領(lǐng)先水平。水工業(yè)的一些專用檢測儀表與設(shè)備，如在線檢測濁度儀、計(jì)量投加泵等，也有一些廠家開始生產(chǎn)，但是質(zhì)量水平與國外產(chǎn)品相比仍有距離，難以滿足國內(nèi)市場需要。我國大多數(shù)水廠的監(jiān)控技術(shù)仍是很落后的，基本以人工方式為主，很難適應(yīng)現(xiàn)代化的要求，一些水廠(包括有

27、些引進(jìn)設(shè)備的水廠)的自動(dòng)監(jiān)控基本照搬西方的模式，雖然采用了龐大的自動(dòng)化系統(tǒng)、投資很大，然而在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)上的調(diào)節(jié)功能并不強(qiáng)。這種模式并不適應(yīng)我國相當(dāng)多的水廠原水水質(zhì)變化大而快的情況，而談不上保證水處理系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，結(jié)果水質(zhì)保證率低，而運(yùn)行費(fèi)用高。這些自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)并不完全符合提高水廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益這一根本目的[4]。</p><p>　　針對我國的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，不同規(guī)模水廠迫切需要解決的問題有所不同。近年來建設(shè)的較大

28、型的、自動(dòng)監(jiān)控水平較高的水廠需要認(rèn)真總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并向優(yōu)化運(yùn)行方面發(fā)展，為這類水廠自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)步提供借鑒與指導(dǎo)。對于眾多的中小水廠，經(jīng)濟(jì)條件有限，應(yīng)在堅(jiān)持國產(chǎn)化、實(shí)用化的原則下，著重發(fā)展那些對供水質(zhì)量、運(yùn)行費(fèi)用有重要影響的工藝環(huán)節(jié)（水廠濾池的過濾環(huán)節(jié)等）的自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)與設(shè)備，建立規(guī)模適宜、自動(dòng)化水平相對較高、運(yùn)營成本較低的符合自身發(fā)展水平的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。</p><p>　　1.2.2 研究內(nèi)容</p&

29、gt;<p>　　濾池自控技術(shù)是凈水處理的重要環(huán)節(jié)，如果控制不好，就不能達(dá)到預(yù)定的水質(zhì)要求。采用哪一種濾池反沖技術(shù)是濾池自控技術(shù)中的研究內(nèi)容。單一水反沖洗技術(shù)己沿用多年，由于該方法具備操作單一和設(shè)備簡單等特點(diǎn)，在我國得到了廣泛應(yīng)用。但實(shí)踐證明該技術(shù)是一種相對落后的反沖洗方式。該法耗水量較大，剪切、碰撞及摩擦作用較弱，難以完全消除濾料上的泥球及結(jié)塊現(xiàn)象，也給過濾帶來許多弊端。由于傳統(tǒng)的水反沖洗技術(shù)存在一些問題，眾多學(xué)者通過不

30、斷探索和研究，開發(fā)了氣、水反沖洗技術(shù)。目前，國內(nèi)外氣水反沖洗有3種運(yùn)行方式：一是先氣洗，再用低流量水反沖洗；二是先氣、水同時(shí)反沖洗，再用低流量水反沖洗；三是先氣洗，再氣、水同時(shí)反沖洗，最后用水漂洗。本課題主要設(shè)計(jì)的是基于PLC控制的濾池恒水位過濾和自動(dòng)反沖洗過程，主要內(nèi)容是首先在分析系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上確定系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制參數(shù)，明確系統(tǒng)的總體控制方案，制定整體的工藝控制流程圖，進(jìn)而確定系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備。其次，根據(jù)所選擇的硬件設(shè)備，確定

31、恒水位過濾過程中PID控制算法的實(shí)現(xiàn)和參數(shù)的整定。最后，完成恒水位過濾和自動(dòng)反沖洗過程功能的軟件的編程實(shí)現(xiàn)，根據(jù)所設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控</p><p>　　1.3 研究的目的和意義</p><p>　　1.3.1 研究的目的</p><p>　　改革開放以來，我國人民的生活水平逐步提高，飲用水的質(zhì)受到越來越多的關(guān)注，自來水廠的處理工藝要求也不斷提高

32、，與之相反的是水源水質(zhì)卻每況愈下，如何保證水廠出廠水質(zhì)達(dá)標(biāo)，水處理過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)都很重要。濾池是自來水廠處理工序中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，它運(yùn)行質(zhì)量的好壞可決定一個(gè)水廠生產(chǎn)質(zhì)量的好與壞，并對全水廠的生產(chǎn)成本、效能產(chǎn)生重大影響。濾池最大的特點(diǎn)是控制運(yùn)行參數(shù)多，閥門位置分散，環(huán)境惡劣。因此為了做到安全可靠的生產(chǎn)，應(yīng)采用自動(dòng)控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.3.2 研究的意義</p><p>　

33、　采用可編程控制器進(jìn)行水廠濾池的自動(dòng)化控制，可以縮短設(shè)計(jì)周期，并便于安裝調(diào)試，對于水廠這樣的不便于停產(chǎn)的生產(chǎn)單位來講，這一點(diǎn)是尤其重要的。 由于PLC 自動(dòng)控制的靈活性，可在現(xiàn)場改變某些工藝參數(shù)和動(dòng)作順序，增加系統(tǒng)的功能，并取代傳統(tǒng)的繼電器控制，使設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)、可靠，提高了經(jīng)濟(jì)效益。</p><p>　　2 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1 系統(tǒng)分析

34、</b></p><p>　　2.1.1 V型濾池工藝應(yīng)用及過程</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(chǔ)上，人們從不同的工藝角度發(fā)展了其它型式的濾池。V型濾池就是在此基礎(chǔ)上由法國德利滿公司在70年代發(fā)展起來的。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(shí)反沖洗兼有待濾水的表面掃洗；采用了氣墊分布空氣

35、和專用的長柄濾頭進(jìn)行氣、水分配等工藝。它具有出水水質(zhì)好、濾速高、運(yùn)行周期長、反沖洗效果好、節(jié)能和便于自動(dòng)化管理等特點(diǎn)。因此70年代已在歐洲大陸廣泛使用。80年代后期，我國南京、西安、重慶等地開始引進(jìn)使用。90年代以來，我國新建的大、中型凈水廠差不多都采用了V型濾池這種濾水工藝，特別是廣東省新建的凈水廠幾乎都采用了V型濾池[5]。</p><p>　　水廠生產(chǎn)的基本工藝可分為加藥、反應(yīng)、沉淀、過濾、消毒、儲存、送水

36、等幾個(gè)相關(guān)過程。其中過濾過程又可分為正常過濾和濾池反沖洗兩個(gè)子過程，這兩個(gè)子過程交替運(yùn)行，相互之間間隔一定時(shí)間（24 H），圖2.1表示濾池工藝過程簡圖。</p><p>　　圖2.1 濾池工藝過程簡圖</p><p>　　2.1.2 V型濾池的結(jié)構(gòu)、工作原理、工藝特點(diǎn)</p><p>　　濾池是水廠凈水工藝中的重要環(huán)節(jié)，而濾池過濾能力的再生，是濾池穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)

37、鍵。若采用較好的反沖洗技術(shù)，使濾池經(jīng)常處于最優(yōu)條件下工作，不僅可以節(jié)水、節(jié)能，還能提高水質(zhì)，增大濾層的截污能力，延長工作周期，提高產(chǎn)水量。而V型濾池過濾能力的再生，就采用了先進(jìn)的氣、水反沖洗兼表面掃洗這一技術(shù)。因此濾池的過濾周期比單純水沖洗的濾池延長了75%左右，截污水量可提高118%，而反沖洗水的耗量比單純水沖洗的濾池可減少40%以上。濾池在氣沖洗時(shí)，由于用鼓風(fēng)機(jī)將空氣壓入濾層，因而從以下幾方面改善了濾池的過濾性能：

38、 </p><p>　　(1)壓縮空氣的加入增大了濾料表面的剪力，從而使得通常水沖洗時(shí)不易剝落的污物在氣泡急劇上升的高剪力下得以剝落，從而提高了反沖洗效果。 </p><p>　　(2)氣泡在濾層中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生混合后，可使濾料的顆粒不斷渦旋擴(kuò)散，促進(jìn)了濾層顆粒循環(huán)混合，由此得到一個(gè)級配較均勻的混合濾層，其孔隙率高于級配濾料的分級濾層，改善了過濾

39、性能，從而提高了濾層的截污能力。 </p><p>　　(3)壓縮空氣的加入，氣泡在顆粒濾料中爆破，使得濾料顆粒間的碰撞磨擦加劇，在水沖洗時(shí)，對濾料顆粒表面的剪切作用也得以充分發(fā)揮，加強(qiáng)了水沖清污的效能。</p><p>　　(4)氣泡在濾層中的運(yùn)動(dòng)，減少了水沖洗時(shí)濾料顆粒間的相互接觸的阻力，使水沖洗強(qiáng)度大大降低，從而節(jié)省沖洗的能耗[5]。

40、 </p><p>　　綜上所述，氣、水反沖洗時(shí)，由于氣泡的激烈運(yùn)動(dòng)作用，大大加強(qiáng)了污物剝落能力及截污能力。在濾池實(shí)際反沖洗時(shí)，我們觀察到：當(dāng)反沖時(shí)間約5分鐘時(shí)的濾層污物剝落高達(dá)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(shí)，原水通過與反沖洗排水槽相對的兩個(gè)V型槽底部的小孔進(jìn)入濾池，它掃洗濾層的表面，并把濾層反沖上來的污物、雜質(zhì)推向排水槽，同時(shí)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

41、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(gè)特別優(yōu)點(diǎn)，事實(shí)上，它還起到了在一個(gè)濾池反沖洗時(shí)防止其它濾池在最大輸出負(fù)荷下運(yùn)行的作用。</p><p>　　由于本水廠濾池控制部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含恒水位過濾控制和自動(dòng)反沖洗控制，而本濾池的自動(dòng)反沖洗控制只需設(shè)計(jì)出氣、水的反沖洗過程便能夠達(dá)到控制要求，故本系統(tǒng)并未對濾池的表

42、面掃洗技術(shù)進(jìn)行深入的研究與技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)，從而在滿足系統(tǒng)功能的前提下避免了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。</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(zhì)顆粒、細(xì)菌的過程，其主要目的是使濾后水的渾濁度達(dá)到國家飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。 而濾池的反沖洗，就是先后運(yùn)行氣洗、水洗兩種清洗方式去除濾料層中的雜質(zhì)，是濾池自凈的工藝措施?，F(xiàn)將濾池的基本的工藝結(jié)構(gòu)簡圖繪制如圖2.2所示。

43、 圖2.2 濾池工藝結(jié)構(gòu)簡圖</p><p>　　2.1.3 濾池控制系統(tǒng)的組成及其控制任務(wù)</p><p>　　濾池控制系統(tǒng)一般由受控設(shè)備、電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器和上位機(jī)組成。其中受控設(shè)備可以分為兩部分:濾池閥門和反沖洗系統(tǒng)。常見濾池都有5個(gè)閥門：</p><p>　　進(jìn)水閥：控制水流入濾池集水渠的閥門。</p><p>　　清水閥：控制

44、濾后水流出濾池進(jìn)入清水管的閥門。</p><p>　　氣沖閥：反沖洗時(shí)允許氣流對濾層進(jìn)行沖洗的閥門。</p><p>　　水沖閥：反沖洗時(shí)允許清水對濾層進(jìn)行沖洗的閥門。</p><p>　　反沖洗系統(tǒng)一般包括：</p><p>　　鼓風(fēng)機(jī)：用于產(chǎn)生強(qiáng)勁氣流對濾層進(jìn)行沖洗。</p><p>　　反沖水泵：用于抽取清水對濾

45、層進(jìn)行反沖洗。</p><p>　　電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)控制的具體實(shí)施，它從控制器接收控制命令，然后相關(guān)</p><p>　　的繼電器接點(diǎn)閉合或斷開，電路導(dǎo)通，設(shè)備獲得動(dòng)力繼而進(jìn)行動(dòng)作。如果控制器故障，操作人員也可以通過電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制面板，對設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作。控制器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的關(guān)鍵，所有自動(dòng)控制的內(nèi)容都由控制器編程實(shí)現(xiàn)。濾池的控制與其它車間略有不同，它的設(shè)備較多且重復(fù)，每個(gè)濾池的控制內(nèi)

46、容都是相同的。為了降低控制器故障的風(fēng)險(xiǎn)性，可以采取主、從多個(gè)控制器共同工作的方式，這是濾池控制系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢。濾池控制系統(tǒng)的控制任務(wù)就是控制過濾、反沖洗和兩者的交替，目的就是</p><p>　　保證濾后水的濁度符合要求。過濾時(shí)要求維持一定的濾速，這通過控制濾池的液位實(shí)現(xiàn)，即過濾時(shí)要把液位控制在一定范圍之內(nèi)。當(dāng)過濾進(jìn)行一段時(shí)間后，濾料吸收的懸濁物積累到一定數(shù)量，對濾后水濁度的穩(wěn)定有不利影響，需要進(jìn)行反沖洗。反

47、沖洗就是對濾層的清洗，需要控制鼓風(fēng)機(jī)、水泵等沖洗設(shè)備，以及濾池相關(guān)閥門的開、關(guān)。反沖洗與過濾是交替進(jìn)行的，反沖過后進(jìn)入過濾，過濾一段時(shí)間后也需要啟動(dòng)反沖洗。反沖洗的啟動(dòng)有兩種方法:人為命令和控制器依條件判斷是否啟動(dòng)。判斷的條件可以有很多，比如:是否到達(dá)設(shè)定時(shí)間、過濾己經(jīng)進(jìn)行的時(shí)間、水頭損失大小等。更先進(jìn)一些的還可以直接根據(jù)濾池濾后出水的濁度決定是否反沖洗。</p><p>　　本設(shè)計(jì)水廠濾池部分由8個(gè)V型濾池組成

48、，每個(gè)濾池的尺寸為6M×6M×6M，濾池的濾料采用單層1.4M加厚均粒石英砂濾料。每格濾池設(shè)置一個(gè)現(xiàn)場PLC，主要功能是完成濾池的自動(dòng)反沖洗和恒水位過濾控制。在正常的過濾條件下，生產(chǎn)工藝要求將水位的波動(dòng)限制在400±2CM的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)等速恒水位過濾。當(dāng)濾池的運(yùn)行滿足了反沖洗的條件（運(yùn)行周期到、水頭信號或強(qiáng)沖信號），需要進(jìn)行反沖洗，以去除濾料層的雜質(zhì)。按要求，每次只有一格濾池進(jìn)行反沖洗，當(dāng)多格濾池同時(shí)要求進(jìn)行

49、反沖洗時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)按照先進(jìn)先出的原則排隊(duì)進(jìn)行。</p><p>　　濾池正常過濾時(shí)，為實(shí)現(xiàn)恒水位過濾，設(shè)計(jì)以水流量為控制參數(shù)的濾池液位PID控制系統(tǒng)。</p><p>　　當(dāng)系統(tǒng)接收到手動(dòng)的強(qiáng)制沖洗信號、水頭損失信號、定時(shí)沖洗信號中的任何一個(gè)指令時(shí)，進(jìn)行單格濾池反沖洗。首先關(guān)閉進(jìn)水閥，濾池內(nèi)部的存留水經(jīng)出水閥繼續(xù)過濾排除，當(dāng)水位降至設(shè)定的反沖洗水位時(shí)（0.35M），</p>

50、<p>　　關(guān)閉出水閥并打開排污閥，排污閥的信號到位后打開反沖氣閥，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣沖6MIN，然后關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)，關(guān)閉反沖氣閥。打開反沖水閥，開啟反沖水泵，水洗6MIN，完成后關(guān)閉反沖水閥、停水泵，關(guān)閉排污閥、開啟進(jìn)水閥接受待濾水。當(dāng)水位升到接近過濾恒水位時(shí)，濾池反沖洗正式結(jié)束，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常的過濾程序。</p><p>　　在中控室設(shè)置主控PLC，其主要功能是負(fù)責(zé)和各現(xiàn)場的PLC通信，收集反沖洗水泵、鼓風(fēng)機(jī)

51、等反沖洗設(shè)備的信號，協(xié)調(diào)各格濾池的反沖洗。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.2.1 濾池自控方案及總體結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　根據(jù)本濾池的結(jié)構(gòu)，考慮到自動(dòng)控制方式的先進(jìn)性，穩(wěn)定性，可靠性和連續(xù)不停運(yùn)行的特點(diǎn)，提出如下自控方案:</p><p>　　(1)在每個(gè)濾池上，各配置一臺PLC(Progr

52、ammable Logic Controller)，分別控制這個(gè)濾格在正常過濾狀態(tài)下和反沖洗狀態(tài)下的運(yùn)行。</p><p>　　(2)給每個(gè)濾池的PLC編制運(yùn)行程序，以保證每個(gè)濾池按生產(chǎn)工藝的要求自動(dòng)運(yùn)行。</p><p>　　(3)整個(gè)濾池控制系統(tǒng)配一臺主控PLC，負(fù)責(zé)和各個(gè)現(xiàn)場PLC的通信，協(xié)調(diào)各格濾池的反沖洗，使每個(gè)濾池的反沖洗能按照反沖洗的時(shí)間，或水頭損失的大小自動(dòng)和穩(wěn)定的進(jìn)行。&

53、lt;/p><p>　　(4)每個(gè)濾池的反沖洗，均可在2種狀態(tài)下進(jìn)行：①自動(dòng)反沖洗：②半自動(dòng)反沖洗。其中，半自動(dòng)反沖洗為強(qiáng)制反沖洗，即用戶可以在任何時(shí)候進(jìn)行反沖洗。</p><p>　　(5)各濾格的PLC運(yùn)行均由一臺主控PLC控制。主PLC和各分PLC既聯(lián)系又獨(dú)立，在正常運(yùn)行時(shí)，它們各司其職，統(tǒng)一運(yùn)行。如果一旦主PLC發(fā)生故障，并不會影響到各格濾池的正常運(yùn)行。同時(shí)，還能把濾池的各信號，如濾后

54、水流量，濁度，余氯，以及濾池的各個(gè)工作狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)間等，在聯(lián)網(wǎng)后，傳送到中央控制室。</p><p>　　(6)濾池的控制操作和數(shù)據(jù)顯示:使用一臺PC機(jī)作為上位機(jī)，配有專為用戶開發(fā)的監(jiān)控軟件。用戶可以在PC機(jī)上控制濾池的操作以及監(jiān)測濾池的運(yùn)行情況。</p><p><b>　　該軟件具有功能：</b></p><p>　?、俑髂M量和各開關(guān)量的

55、數(shù)據(jù)采集。</p><p>　?、跀?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，包括各濾池的水位，濾池運(yùn)行時(shí)間，濾池目前的運(yùn)行狀態(tài)，各濾池的出水閥的開度，濾后水流量，各閥門的工作狀態(tài)等。</p><p>　?、壑匾獏?shù)的顯示和設(shè)置，包括每個(gè)濾池的PID參數(shù)，反沖洗起始水位，反沖洗的水沖時(shí)間，氣洗時(shí)間等等。</p><p>　?、苣M數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線顯示和歷史曲線顯示。</p><

56、;p>　?、菽M數(shù)據(jù)的比較曲線，即對同一數(shù)據(jù)作不同日期的比較。</p><p><b>　?、奚舷孪拊O(shè)置。</b></p><p><b>　　⑦各故障報(bào)警。</b></p><p><b>　?、喔黝悢?shù)據(jù)的查詢。</b></p><p><b>　?、釘?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

57、。</b></p><p>　　⑩濾池的自動(dòng)，半自動(dòng)選擇。</p><p>　　(7)采用Rockwell AB公司的PLC系列產(chǎn)品，以保證濾池運(yùn)行的穩(wěn)定和可靠。</p><p>　　濾池自控系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立的PLC控制系統(tǒng)，包括主控部分、現(xiàn)場分控部分。主控部分由一臺主控PLC，一臺上位工控機(jī)組成，主控PLC負(fù)責(zé)和現(xiàn)場PLC的通信和氣水反沖洗的協(xié)調(diào)控制，

58、上位機(jī)用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話；每個(gè)現(xiàn)場PLC負(fù)責(zé)管理每個(gè)濾池的恒水位運(yùn)行和自動(dòng)反沖洗。</p><p>　　整個(gè)濾池的運(yùn)行可在以下二種方式下工作：(1)半自動(dòng)控制；(2)PLC自動(dòng)控制；(3)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙?.3所示。</p><p>　　圖2.3 濾池自控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D</p><p>　　2.2.2 PID控制算法的基本原理</p><p

59、>　　PID(proportional Integral Differential)控制算法就是經(jīng)典的閉環(huán)控制，它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)方式。PID調(diào)節(jié)的實(shí)質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分和微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果用以輸出控制。在模擬系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律就是PID控制，在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，模擬量的PID(比例、積分、微分)調(diào)節(jié)是常見的一種控制方式，這是由于PID調(diào)節(jié)不需要求出控制系統(tǒng)的數(shù)

60、學(xué)模型，對于這一類系統(tǒng)，使用PID控制可以取得比較令人滿意的效果，同時(shí)PID調(diào)節(jié)器又具有典型的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)被控對象的具體情況，采用各種PID的變種，有較強(qiáng)的靈活性和適用性。</p><p>　　PLC作為一種新型的工業(yè)控制裝置，在科研、生產(chǎn)、社會生活的諸多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。大型的可編程序控制器配備過程控制模塊可同時(shí)對幾十路模擬量進(jìn)行閉環(huán)控制，但造價(jià)昂貴。一般中小型PLC控制系統(tǒng)只對一路或幾路模擬量進(jìn)行

61、閉環(huán)控制。硬件上只需配備A/D及D/A轉(zhuǎn)換模塊，軟件可購買相應(yīng)廠家提供的PID編程功能模塊，只需設(shè)定好PID功參數(shù)，運(yùn)行PID控制指令，就能求得輸出控制值，而廠家一般只提供標(biāo)準(zhǔn)PID算法，靈活性和適應(yīng)性較差，如根據(jù)被控對象的具體情況不同，采用各種PID控制的變種，如積分分離PID、不完全微分PID等則操作上有些困難，這時(shí)用戶可根據(jù)控制的算法，自行設(shè)計(jì)梯形圖程序。常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖2.4所示，系統(tǒng)由模擬PID和被控對象組成[7

62、]。</p><p>　　圖2.4 模擬PID系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　濾池恒水位控制技術(shù)的發(fā)展日新月異。從模擬PID、數(shù)字PID到最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在現(xiàn)有的濾池控制系統(tǒng)方案中，PID控制應(yīng)用最多，也最具代表性。在PID控制算法中，存在著比例、積分、微分3種控制作用：</p><p>　　(1)比例控制作

63、用的特點(diǎn)：</p><p>　　即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號E(t)，系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的對象朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強(qiáng)弱取決于比例系數(shù)Kp。缺點(diǎn)是對于具有自平衡(即系統(tǒng)階段響應(yīng)終值為一有限值)能力的被控對象存在靜差。加大Kp可減少靜差，但Kp過大，會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)增大，使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞。</p><p>　　(2)積分作用的特點(diǎn)：&l

64、t;/p><p>　　能對誤差進(jìn)行記憶并積分，有利于消除系統(tǒng)的靜差。不足之處在于積分作用具有滯后特性，積分作用太強(qiáng)會使被控對象的動(dòng)態(tài)品質(zhì)變壞，以至于導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。</p><p>　　(3)微分控制作用的特點(diǎn)：</p><p>　　通過對誤差進(jìn)行微分，能感覺出誤差的變化趨勢，增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)減小。缺點(diǎn)是對干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對干擾的抑制能力降

65、低。根據(jù)被控對象的不同，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整PID參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果。因?yàn)槠渌惴ê唵危瑓?shù)調(diào)整方便，并且有一定的控制精度，因此它成為當(dāng)前最為普遍采用的控制算法。</p><p>　　PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值R(t)與實(shí)際輸出值C(t)構(gòu)成控制偏差：</p><p>　　E(t)==R(t)－C(t) (2.1)</

66、p><p>　　將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過組合構(gòu)成控制量對被控對象進(jìn)行控制，故稱PID控制器，其控制規(guī)律為： </p><p>　　U(t)=Kp[ E(t)+ + ] (2.2)</p><p>　　上式中:Kp是控制器比例系數(shù)</p><p>　　是控制器積分時(shí)間常數(shù)</p><p

67、>　　是控制器微分時(shí)間常數(shù)</p><p>　　E(t)是系統(tǒng)設(shè)定值和被控量之差</p><p>　　U(t)是控制器輸出</p><p>　　由于式(2.2)為模擬量表達(dá)式，而PLC程序只能處理離散數(shù)字量，為此，必須將連續(xù)形式的微分方程化成離散形式的差分方程。令</p><p><b>　　U(t)U(KT)</b&g

68、t;</p><p><b>　　E(t)E(KT)</b></p><p><b>　　T</b></p><p><b>　　(2.3)</b></p><p>　　則可得可得到位置式數(shù)字PID算法：</p><p>　　U(K)=KpE(K)+Ki

69、+Kd[E(K)-E(K-1)] (2.4)</p><p>　　式中：T為采樣周期,Kp為比例增益系數(shù)，Ki=KpT/稱為積分系數(shù)，Kd二Kp/T稱為微分常數(shù)。U(K)是U(KT)的簡寫，E(K)是E(KT)的簡寫。</p><p>　　位置式算法對偏差進(jìn)行累加，然后給出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置控制量。使用位置式PID數(shù)字控制器會造成PID運(yùn)算的積分積累，引起系統(tǒng)超調(diào)，這在生產(chǎn)

70、過程中是不允許的。</p><p>　　由(2.4)不難得到：</p><p>　　U(K-1)= KpE(K-1)+Ki+ Kd[E(K-1)-E(K-2)] (2.5)</p><p>　　將式(2.4)與式(2.5)相減即可得到增量式算法：</p><p>　　U(K)=U(K)一U(K-1)</p><p

71、>　　=(Kp+Ki+Kd)E(K)-( Kp+2Kd)E(K-1)+ KdE(K-2) (2.6)</p><p>　　增量式PID控制算法是對偏差增量進(jìn)行處理，然后輸出控制量的增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量。增量式PID數(shù)字控制器不會出現(xiàn)飽和，而且當(dāng)計(jì)算機(jī)故障時(shí)能保持前一個(gè)采樣時(shí)刻的輸出值，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，因此增量式算法比位置式算法得到更廣泛的應(yīng)用[7]。</p><

72、;p>　　至此，式(2.6)已可以用作編程算法使用了。</p><p>　　2.2.3 現(xiàn)場濾池控制器</p><p>　　濾池控制器首先控制濾池的液位，把液位大致穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)，達(dá)到維持相對穩(wěn)定的濾速的目的。一般的液位控制是由調(diào)節(jié)閥來完成的。以來自液位計(jì)的液位信號作為反饋信息，PLC作為控制器，調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器形成一個(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2.5所示。一般PLC都可以實(shí)現(xiàn)PID

73、功能。液位控制時(shí)，把液位計(jì)測定值與設(shè)定值比較，使用比例或比例積分環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果作為閥位給定值送至調(diào)節(jié)閥的比例執(zhí)行器，由其完成閥門的動(dòng)作。這種控制實(shí)現(xiàn)簡單，效果很好，可以十分精確的控制液位。</p><p>　　圖2.5 濾池液位控制框圖</p><p>　　但是在凈水廠濾池中，對液位的精度要求不高，無需將液位穩(wěn)定在一指定高度，只要保持在一個(gè)較寬松的范圍內(nèi)即可。此時(shí)，可以用開關(guān)閥替代調(diào)節(jié)

74、閥來調(diào)節(jié)液位，降低投資成本。開關(guān)閥的液位控制仍然適用閉環(huán)反饋的基本原理，但具體情況與調(diào)節(jié)閥的有很大不同。開關(guān)閥的驅(qū)動(dòng)信號有兩個(gè)，一個(gè)開閥，一個(gè)關(guān)閥，兩者都是開關(guān)量，只要持續(xù)為ON，閥門就會持續(xù)動(dòng)作，直到全開或全關(guān)，不會始終保持在一個(gè)位置上；而調(diào)節(jié)閥是由一個(gè)模擬量的開度信號驅(qū)動(dòng)的，閥門隨著該信號的變化而動(dòng)作，若信號不變，閥門位置不變。所以，可以對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制的PID計(jì)算結(jié)果，對開關(guān)閥無效。通過PLC計(jì)算得出閥門位置的機(jī)制也就不再適用，需

75、要重新設(shè)計(jì)。</p><p>　　最簡單的辦法是采用雙位調(diào)節(jié)，即液位高于設(shè)定時(shí)，打開閥門，低于設(shè)定時(shí)，關(guān)閉閥門。此方法非常容易實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)也非常突出:它的動(dòng)作非常頻繁。系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件，如閥桿、閥芯和閥座等會經(jīng)常摩擦，很容易損壞。這一點(diǎn)在實(shí)際工程中非常重要，許多場合都必須刻意避免閥門頻繁動(dòng)作。所以，該方法不能直接使用。</p><p>　　雙位調(diào)節(jié)可以看作是一個(gè)極端的比例系數(shù)很大的比例控制

76、，對任何一個(gè)偏</p><p>　　差，不論大小，都會產(chǎn)生飽和滿載的輸出。根據(jù)比例環(huán)節(jié)比例系數(shù)對過渡過程的影響，當(dāng)比例系數(shù)增大時(shí)，會產(chǎn)生如下變化：</p><p>　　(1)振蕩傾向加強(qiáng)，穩(wěn)定程度下降；</p><p>　　(2)工作頻率提高，工作周期縮短。</p><p>　　這就是雙位調(diào)節(jié)導(dǎo)致閥門頻繁開關(guān)的原因。如果減小這個(gè)所謂的比例系數(shù)

77、，就可以減小閥門動(dòng)作頻率，并增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。</p><p>　　下面談?wù)勅绾螌?shí)現(xiàn)。實(shí)際上開關(guān)閥的開與關(guān)不是瞬時(shí)完成的，而是有一個(gè)</p><p>　　動(dòng)作時(shí)間。如果對這個(gè)動(dòng)作時(shí)間做出限制，就可以對閥門開度進(jìn)行控制。這首先要求電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改變。一般的開關(guān)閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由連鎖的，只要?jiǎng)幼餍盘栆唤o出，不管是否保持，閥門都要持續(xù)動(dòng)作到底(關(guān)死或開足)，不會中途停止。也就是說，閥門每次的動(dòng)作時(shí)間

78、都是相同的，不可更改。所以，要控制動(dòng)作時(shí)間，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中就不能有連鎖。這樣一來，PLC就可以通過控制動(dòng)作信號的持續(xù)時(shí)間，控制閥門的動(dòng)作時(shí)間了。</p><p>　　然而，僅僅縮短一次性動(dòng)作時(shí)間仍然不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。液位的滯后性較強(qiáng)，PLC在檢測到其改變(由低于設(shè)定變?yōu)楦哂谠O(shè)定，或反之)前，會不斷發(fā)出閥門動(dòng)作信號，直至動(dòng)作到底。情況跟先前并沒什么不同，只是由一次動(dòng)作變?yōu)槎啻蝿?dòng)作了，頻繁性沒有得到根本的改變。單純的比

79、例控制在對付滯后系統(tǒng)時(shí)確實(shí)很困難。參考常被應(yīng)用在較強(qiáng)的滯后系統(tǒng)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(yīng)系統(tǒng)的滯后性。采樣周期和動(dòng)作時(shí)間的結(jié)合，極大的降低了閥門的動(dòng)作頻率，系統(tǒng)也更加穩(wěn)定了。</p><p>　　這樣，對雙位調(diào)節(jié)增加兩個(gè)時(shí)間控制，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)閥對液位的調(diào)節(jié)。具體兩個(gè)時(shí)間如何確定，可以先估算，再具體調(diào)試。首先估算濾速，平均的濾速V可通過下式求得：</p>

80、<p><b>　　V=</b></p><p>　　以日產(chǎn)量為144000噸為例：</p><p>　　V==0.0058（米/秒）</p><p>　　假設(shè)這個(gè)速度是在閥門90%開啟度的時(shí)候達(dá)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(shí)上不斷地有水流入濾池，實(shí)際的液位下降速度要比0.58厘米/

81、秒慢很多，所以采樣的間隔可以設(shè)的比較長，達(dá)到十幾秒鐘。閥門的動(dòng)作時(shí)間也不必很長，有整個(gè)開啟(或關(guān)閉)時(shí)間的5%即可。在本例中，最終的取值是這樣的:采樣間隔15秒，一次動(dòng)作時(shí)間1秒(由全開至全關(guān)的動(dòng)作時(shí)間為18秒)。</p><p>　　至此，液位控制己經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但仍然可以進(jìn)一步優(yōu)化該控制，繼續(xù)減低閥門的動(dòng)作頻率。當(dāng)液位變化的趨勢(上升或下降)與控制預(yù)期相同時(shí)，閥門的動(dòng)作是非必要的，可以免除，當(dāng)趨勢與預(yù)期不同時(shí)，

82、才需要閥門動(dòng)作進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以，如果能夠判斷液位的變化趨勢，就可以進(jìn)一步減少閥門動(dòng)作。具體實(shí)現(xiàn)是一次采樣后，將該值備份，使其不會在下次采樣時(shí)被更新。這樣就可以對連續(xù)兩次采樣的值作一個(gè)比較，判斷液位的升降。之后再結(jié)合液位情況，確定閥門是否動(dòng)作。比如：液位高于設(shè)定值，而正處于下降狀態(tài)，則閥門不動(dòng)作。相應(yīng)的，液位低于設(shè)定而正在上升，閥門也不動(dòng)作。</p><p>　　圖2.6出水閥的液位控制流程</p>&

83、lt;p>　　2.2.4 現(xiàn)場控制器與反沖洗控制器的協(xié)調(diào)</p><p>　　先從反沖洗的一般過程說起。在一般濾池系統(tǒng)的五個(gè)閥門中，進(jìn)水閥、出水閥在過濾時(shí)應(yīng)打開，而反沖氣閥、反沖水閥和排污閥則應(yīng)關(guān)閉。在反沖洗時(shí)，進(jìn)水、出水閥關(guān)閉，氣沖、水沖、排污閥打開。所以，反沖洗過程會伴隨著一系列的開閥關(guān)閥動(dòng)作。具體過程是這樣的:得到信號開始反沖洗后，首先關(guān)閉進(jìn)水閥，并將清水閥開至最大，液位加速下降，濾池即將真正退出過濾

84、。液位降至設(shè)定的反沖洗水位時(shí)，關(guān)閉出水閥，打開排污閥，待排污閥信號到位后準(zhǔn)備開始反沖洗。反沖洗包括氣沖、水沖。先開反沖氣閥、鼓風(fēng)機(jī)，氣沖開始。6分鐘后，關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)、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(guān)閉反沖水閥，停水泵，關(guān)閉排污閥。最后，打開進(jìn)水閥，等液位升到接近恒水位時(shí)，濾池反沖洗正式結(jié)束，打開清水閥，系統(tǒng)進(jìn)入正常的過濾程序。整個(gè)過程，如圖2.7所示。</p><p>　　這樣一個(gè)繁瑣的過

85、程，要由兩套控制器共同完成，一套(濾池控制器，即現(xiàn)場PLC)控制閥門，另一套(反沖系統(tǒng)控制器，即主控PLC)控制鼓風(fēng)機(jī)和水泵，它們之間的協(xié)調(diào)與溝通至關(guān)重要，需要約定一個(gè)可靠的溝通機(jī)制?；旧希@個(gè)機(jī)制就是一系列的標(biāo)識，用來向其它控制器表明自己當(dāng)前的狀態(tài)。這些標(biāo)識作為信號在通訊網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，以“O”、“1”表示。當(dāng)濾池或反沖系統(tǒng)處于某一狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)標(biāo)識置“1”，向另一控制器發(fā)送，當(dāng)這一狀態(tài)結(jié)束時(shí)，標(biāo)識清零，再向另一控制器發(fā)送。標(biāo)識的值隨著狀

86、態(tài)的變化而變化。一般的通訊溝通都要求接收方返回一個(gè)確認(rèn)信號，表明正確收到被發(fā)送信號，以備信號在傳送過程中丟失。但這里無須考慮此問題，因?yàn)檫B接控制器的網(wǎng)絡(luò)自身的通訊協(xié)議己能夠確保信號傳送的可靠性[8]。</p><p>　　下面再討論一下標(biāo)識的設(shè)立。首先，不能有兩個(gè)濾池同時(shí)進(jìn)行反沖洗，一旦有兩個(gè)濾池的氣沖或水沖閥同時(shí)打開，沖洗就不能順利進(jìn)行。</p><p>　　圖2.7 調(diào)整前的反沖洗過程

87、</p><p>　　因此，要建立一個(gè)標(biāo)識，表明有濾池在反沖洗，其它濾池不能進(jìn)行反沖洗，以阻止濾池控制器控制濾池進(jìn)入反沖洗狀態(tài)。接著，當(dāng)氣沖閥打開后，要有一個(gè)標(biāo)識，傳遞給反沖洗系統(tǒng)主控制器通知它開鼓風(fēng)機(jī)。同樣，還要有一個(gè)標(biāo)識，通知反沖洗系統(tǒng)主控制器開反沖水泵。在鼓風(fēng)機(jī)和水泵停止后，又分別要有一個(gè)標(biāo)識，通知濾池控制器關(guān)閉反沖氣閥和反沖水閥。這一系列的標(biāo)識，就是兩套控制器之間實(shí)現(xiàn)溝通協(xié)調(diào)的方法。然而，若不對反沖洗的過

88、程作一些調(diào)整和簡化，這種方法會十分復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。原因如下:上述的標(biāo)識只是一部分，實(shí)際的工程中還涉及了故障報(bào)警，故障處理等問題，需要添加大量標(biāo)識。這不但提高了工作程復(fù)雜程度，還很難保證遇到突發(fā)故障時(shí)的有效處理，整個(gè)溝通過程將會設(shè)計(jì)的很龐大、復(fù)雜。而且當(dāng)系統(tǒng)中不只兩臺控制器時(shí)，標(biāo)識個(gè)數(shù)又會成倍增加，尤其在大系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，如此數(shù)量龐大的標(biāo)識使溝通的編程實(shí)現(xiàn)十分困難。</p><p>　　要減少表明濾池或反沖洗系統(tǒng)所處

89、狀態(tài)的標(biāo)識，須從反沖洗過程入手，減少需要向其他控制器傳送的中間狀態(tài)。經(jīng)過與老師和同學(xué)們的討論，可以對原先的反沖洗過程作一些修改，以得到一套簡化許多的通訊方案。原先溝通機(jī)制過于復(fù)雜的原因在于閥門控制和反沖洗系統(tǒng)的控制穿插進(jìn)行，兩套控制器各自實(shí)施控制常要以對方的控制完成為條件。新的方案則可以減少這種條件，使通訊大為簡化。</p><p>　　調(diào)整后的反沖洗過程可分為三個(gè)階段:反沖洗前的開、關(guān)閥階段，反沖洗階段，反沖洗

90、后的關(guān)、開閥階段。流程示意圖如圖2.8所示。第一階段由濾池控制器控制，也是先關(guān)閉進(jìn)水閥，開足清水閥，液位降到設(shè)定的反沖洗水位后關(guān)閉出水閥，再打開排污閥，反沖水閥和反沖氣閥。與原來不同的是，此處現(xiàn)場PLC僅僅只涉及到這些閥門的動(dòng)作，沒有任何涉及反沖洗系統(tǒng)的控制。所有閥門到位后，濾格控制器向反沖洗系統(tǒng)控制器傳遞一個(gè)標(biāo)識，進(jìn)入第二階段。這一階段沒有任何涉及閥門的控制，全部是關(guān)于鼓風(fēng)機(jī)、水泵的操作，由反沖洗系統(tǒng)控制器獨(dú)立完成。沖洗完畢，反沖洗系

91、統(tǒng)控制器回給濾池控制器一個(gè)標(biāo)識，進(jìn)入第三階段。濾池控制器關(guān)閉反沖氣閥、反沖水閥、排污閥，再打開進(jìn)水閥，液位接近過濾恒水位時(shí)，開出水閥，進(jìn)入正常的過濾工序。</p><p>　　圖2.8 調(diào)整后的反沖洗過程</p><p>　　這個(gè)方案中，兩控制器的控制作用階段分得很清晰，便于控制器集中完成控制任務(wù)，不僅簡化了協(xié)調(diào)過程，對于簡化突發(fā)故障的處理也很有意義。比如:在開反沖水閥時(shí)遇到故障，原先的處

92、理要發(fā)出報(bào)警，主控PLC還要阻止水泵的啟動(dòng)，兩套控制器都要參與處理。而新方案中，閥門沒有到位，就不會送出標(biāo)識，故障的處理僅由濾池控制器單獨(dú)進(jìn)行。</p><p>　　上述的控制器協(xié)調(diào)機(jī)制是只有兩套控制器的最簡情況，當(dāng)濾池控制器有多個(gè)時(shí)，情況要復(fù)雜一些，但并沒有太多不同。每個(gè)濾池控制器都可以此機(jī)制與反沖控制器溝通。由于同一時(shí)刻只允許有一個(gè)濾格處于反沖洗狀態(tài)，其它濾格只能進(jìn)入等待隊(duì)列，所以一次反沖洗只會有一個(gè)濾格控制

93、器與反沖洗控制器進(jìn)行溝通，換句話說，實(shí)際上的通訊并不會很復(fù)雜，而是有一定的秩序。由此也可見，在多濾池系統(tǒng)中，正在反沖洗的狀態(tài)標(biāo)識是最重要的一個(gè)，它類似于交通信號燈中的紅燈，禁止其它濾池與反沖洗系統(tǒng)進(jìn)行非法的通訊，保證通訊協(xié)調(diào)的正常秩序，避免混亂的發(fā)生。</p><p>　　以兩臺控制器組成的濾池控制系統(tǒng)，在凈水廠濾池自動(dòng)化中有較強(qiáng)的實(shí)際意義，既可以在它的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展成為多控制器濾池系統(tǒng)，適應(yīng)大型水廠的需要，也可以

94、用于老舊中小型水廠的擴(kuò)建、改造。在我國目前許多城市規(guī)模擴(kuò)大、人口增加，對自來水需求量迅速增長的情況下，有很大的應(yīng)用前景。</p><p>　　3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 濾池實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需的設(shè)備</p><p>　　3.1.1 自控設(shè)備清單</p><p>　　整個(gè)濾池的自動(dòng)控制所需的硬件設(shè)備，由表3.1所示。<

95、;/p><p>　　表3.1 濾池自控硬件設(shè)備清單</p><p>　　濾池設(shè)備中，用一臺LOGIX 5550作為主要的控制器，用于和各個(gè)現(xiàn)場PLC的通信，收集反沖洗水泵，鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備的開關(guān)量信號，協(xié)調(diào)各格濾池的反沖洗。其它的8臺PLC分別用于各格濾池的工作，即每個(gè)濾池分別由一臺PLC和相應(yīng)的I/O模塊組成，保證正常過濾時(shí)的工作。</p><p>　　3.1.2 PLC

96、基本知識及其工作原理</p><p>　　可編程序控制器(Programmable Logic Controller)簡稱PLC。所謂可編程序控制器，就是一種專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，它采用一種可編程序的存儲器，在其內(nèi)部存儲并執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)操作的指令，通過數(shù)字量或模擬量的輸入輸出來控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過程。隨著PLC的發(fā)展，它不僅能完成編輯、運(yùn)算、控制，

97、而且能實(shí)現(xiàn)模擬量、數(shù)字量的算術(shù)運(yùn)算。</p><p>　　用PLC設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有如下的優(yōu)點(diǎn)：</p><p>　　(1)能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境，能抗電磁干擾與電壓沖擊。</p><p>　　(2)簡單，易于使用，不必要求微機(jī)軟硬件方面的知識，編程不需要高級語言。</p><p>　　(3)可靠性高，平均故障間隔時(shí)間(MTBF)超過200

98、00小時(shí)，羅克韋爾公司的產(chǎn)品MTBF達(dá)到50000小時(shí)。</p><p>　　(4)編程或修改程序容易，程序可以保存和固化。</p><p>　　(5)體積小，價(jià)格低。</p><p>　　(6)可直接將數(shù)據(jù)送入處理器中，可直接連接到現(xiàn)場。</p><p>　　(7)可在基本系統(tǒng)上擴(kuò)展，系統(tǒng)容易配置，與負(fù)載最遠(yuǎn)距離可達(dá)10000英尺，內(nèi)存可以

99、擴(kuò)展。</p><p>　　(8)有很強(qiáng)的通訊功能，可與多種支持設(shè)備連接。</p><p>　　(9)系統(tǒng)化，有標(biāo)準(zhǔn)外圍接口模塊。</p><p>　　(10)系統(tǒng)在一種現(xiàn)場不需要時(shí)，仍可改在另一現(xiàn)場使用等一系列優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　PLC采用的是掃描的工作方式。掃描是一種形象化的術(shù)語，用來描述可編程序控制器內(nèi)部的CPU的工作過程。所謂

100、掃描就是依次對各種規(guī)定的操作項(xiàng)目全部進(jìn)行訪問和處理。PLC運(yùn)行時(shí)，用戶程序中有眾多的操作需要執(zhí)行，但是一個(gè)CPU每一個(gè)時(shí)刻只能執(zhí)行一個(gè)操作而不能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)操作，因此CPU按程序的順序依次執(zhí)行各個(gè)操作，這種需要處理多個(gè)作業(yè)時(shí)依次按順序處理的工作方式稱為掃描工作方式。由于掃描是周而復(fù)始無限循環(huán)的，每掃描一個(gè)循環(huán)所用的時(shí)間為掃描周期[8]。</p><p>　　順序掃描的工作方式是PLC的基本工作方式，它簡單直觀，方

101、便用戶程序設(shè)計(jì)，為PLC的可靠運(yùn)行提供了有利保證。一方面，所掃描的指令被執(zhí)行后其結(jié)果馬上就可以被后面將要掃描的指令所利用；另一方面，還可以通過CPU設(shè)置定時(shí)器來監(jiān)視每次掃描時(shí)間是否超過規(guī)定時(shí)間，避免由于CPU內(nèi)部故障使程序執(zhí)行進(jìn)入死循環(huán)。</p><p>　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)PLC采用的是梯形圖編程語言。梯形圖在形式上類似于繼電器控制電路圖，它簡單，直觀，易讀，好懂，是PLC中普遍采用的一種編程方式。梯形圖中沿用了繼電

102、器線路的一些圖形符號，這些圖形符號被稱為編程元件，每一個(gè)編程元件對應(yīng)有一個(gè)編號。不同廠家的PLC，其編程元件的多少及編號方法不盡相同，但是基本的元件及功能很相近。</p><p><b>　　梯形圖有如下特點(diǎn)：</b></p><p>　　(1)梯形圖按自上而下、從左到右的順序排列。每一個(gè)繼電器為一個(gè)邏輯行，稱為一個(gè)梯形。每一個(gè)邏輯行起始于左母線，然后是觸點(diǎn)的各種聯(lián)接

103、，最后是線圈，整個(gè)圖形呈梯形。</p><p>　　(2)梯形圖中的繼電器不是繼電器控制電路中的物理繼電器，它實(shí)質(zhì)上是變量存儲器中的位觸發(fā)器，因此稱為軟繼電器，相應(yīng)的某位觸發(fā)器為真態(tài)，表示該繼電器通電，其常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)打開。</p><p>　　梯形圖中的繼電器的線圈的定義是廣義的，除了輸出繼電器、內(nèi)部繼電器以外，還包括定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等。</p><p>　

104、　(3)梯形圖中，一般情況下某個(gè)編號的繼電器線圈只能出現(xiàn)一次，而繼電器的觸點(diǎn)是可以被無限制的引用，既可是常開觸點(diǎn)也可以是常閉觸點(diǎn)。</p><p>　　(4)梯形圖是PLC形象化的編程方式，其左右兩側(cè)的母線不接任何電源，因而圖中各個(gè)支路也沒有真實(shí)的電流通過，但是為了方便，常用有電流來形象的描述輸出線圈的動(dòng)作條件。所以僅僅是概念上的電流，而且認(rèn)為它只能從左向右流動(dòng)，層次的改變只能是先上后下。</p>

105、<p>　　PLC的工作過程基本上是用戶的梯形圖程序的執(zhí)行過程，是在系統(tǒng)軟件的控制下順次掃描各輸入點(diǎn)的狀態(tài)，按用戶程序解算控制邏輯，然后順序向各個(gè)輸出點(diǎn)發(fā)出相應(yīng)的控制信號。除此之外，為提高工作的可靠性和及時(shí)的接收外來的控制命令，每個(gè)掃描周期還要進(jìn)行故障自診斷和處理與編程器、計(jì)算機(jī)的通信請求。因此，PLC工作過程分為以下五步：</p><p><b>　　(1)自診斷</b><

106、/p><p>　　自診斷功能可使PLC系統(tǒng)防患于未然，而在發(fā)生故障時(shí)能盡快的修復(fù)，為此PLC每次掃描用戶程序以前都對CPU、存儲器、輸入輸出模塊等進(jìn)行故障診斷，若自診斷正常便繼續(xù)進(jìn)行掃描，而一旦發(fā)現(xiàn)故障或異?，F(xiàn)象則轉(zhuǎn)入處理程序，保留現(xiàn)行工作狀態(tài)，關(guān)閉全部輸出，然后停機(jī)并顯示出錯(cuò)的信息。</p><p><b>　　(2)與外設(shè)通信</b></p><p