【大學(xué)本科畢業(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)----自動(dòng)化等專業(yè)_第1頁(yè)
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1、摘要摘要供水是一個(gè)關(guān)系國(guó)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。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(guò)濾時(shí),為實(shí)現(xiàn)恒水位過(guò)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(hào)時(shí),本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上就主控PLC 如何更好的與

2、現(xiàn)場(chǎng) PLC 協(xié)調(diào)控制濾池的反沖洗方案進(jìn)行了對(duì)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。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。關(guān)鍵詞: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 ABSTRACTWater supply is an important industry for the peoples livelihood. Not only to meet the needs of the pipeline network pressure and to ensure adequ

3、ate water supply, but also called for the improvement of water quality. As to conventional water treatment 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

4、-intensive, low productivity, so it is difficult to ensure the safety of this system and it must be transformed to automatic systems.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

5、r plant design of a set of hardware and software based on the ControlLogix system has been accomplished. When in the normal filtrate period,in order to keep the constant level, designed the PID filter level control system which is based on the water flow parameters. When receives backwashing signals

6、, the control system on how to enhance coordination between master PLCand on-site PLC, has been compared and optimized. According to requirements of the designed control system, the selection of hardware devices, hardware configuration, I/O module wiring diagram, procedures for the realization of co

7、ntrol algorithm have been accomplished.Keywords: water plant filter, constant water level on PID control, automatic backwashing, coordinated control 目錄目錄1 緒論.111 課題研究背景.11.2 課題研究?jī)?nèi)容.21.3 研究的目的和意義.52 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì).72.1 系統(tǒng)分析.72.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì).123 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì).273.1 濾池實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需的設(shè)備.273.2 傳感器和執(zhí)行器的選擇.333.3 系統(tǒng)的硬件配置及

8、 I/O 連接圖 .393.4 控制參數(shù)整定.434 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì).474.1 軟件總體方案的設(shè)計(jì).474.2 控制方案程序.495 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).615.1 組態(tài)王 6.52 簡(jiǎn)介.615.2 監(jiān)控界面的設(shè)計(jì).61結(jié)束語(yǔ).72參考文獻(xiàn).73致謝.74附錄.751 緒論緒論11 課題研究背景課題研究背景水對(duì)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(huì)中,人們不僅對(duì)水的需求量與日俱增,對(duì)水質(zhì)的要求也越來(lái)越高。人類對(duì)飲用水進(jìn)行處理的歷史十分悠久,超過(guò)了兩千年。但這是小規(guī)模、家庭型的處理,范圍僅針對(duì)某個(gè)人或某個(gè)家庭。而面向社會(huì)興建水廠,工業(yè)化的集中處理水

9、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(guó),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(lái)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(lái)不斷革新,不斷現(xiàn)代化,生產(chǎn)能力、凈化效果都不斷提高。日產(chǎn)百萬(wàn)噸以上優(yōu)質(zhì)自來(lái)水的超大型水廠也不罕見(jiàn)。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(duì)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(lái)已經(jīng)比較成熟,基本上是混凝沉淀、過(guò)濾和消毒。混凝劑一般采用鋁鹽、鐵鹽。利用凝聚原理去除原水中

10、的懸浮顆粒。再進(jìn)行沉淀,過(guò)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(guò),基本的工藝過(guò)程沒(méi)有根本性改變。相比之下,水廠的現(xiàn)代化更主要的表現(xiàn)在自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)上。凈水廠的生產(chǎn)過(guò)程采用自動(dòng)化技術(shù),不是單純的為了節(jié)省人力,更主要的是加強(qiáng)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的合理調(diào)度,保證水量、水壓,提高水質(zhì),節(jié)約動(dòng)力和投藥量,消滅事故,積累運(yùn)行資料,提高供水的可靠性和管理水平。我國(guó)的凈水廠自動(dòng)化技術(shù)起步較晚,一度比較落后。但在近二十年中,發(fā)展迅速,許多大城市的水廠也達(dá)到了較高的自動(dòng)化

11、程度1。在各中小型水廠水質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程中,濾池處理過(guò)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(guò)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(chǎng)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)變化等各種復(fù)雜因素的影響,很難使出廠水水質(zhì)長(zhǎng)期穩(wěn)定。因此水廠濾池的自動(dòng)化控制對(duì)于出廠水質(zhì)優(yōu)劣尤為重要。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(guò)研究PLC 在水廠濾池控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用,使通過(guò) 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

12、水平,確保水廠供水更安全更可靠。1.2 課題研究?jī)?nèi)容課題研究?jī)?nèi)容1.2.1 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀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(méi)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(wèn)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,由中心控制室的一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算,然后發(fā)出控制信號(hào),直接控制被控對(duì)象。一臺(tái)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(cè)、

13、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(huì)陷于癱瘓2。進(jìn)入70年代以來(lái),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)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(guó)內(nèi)水廠自動(dòng)化中得到最廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是:(1)可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)分布控制。(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。(3)組網(wǎng)方

14、便。硬件系統(tǒng)配置簡(jiǎn)潔,很容易在網(wǎng)絡(luò)中增減PLC控制器,來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的目的。(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。(5)系統(tǒng)內(nèi)的配置和調(diào)整非常靈活。(6)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接相連,易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。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(jí)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(guó)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。尤其是自80年代以來(lái),微電子等現(xiàn)代科技高速發(fā)展,水工業(yè)專用檢測(cè)儀表與裝備不斷發(fā)展,水

15、工業(yè)專用檢測(cè)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(guó)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(duì)生產(chǎn)工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)連續(xù)自動(dòng)地監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)、記錄、報(bào)警等等3。我國(guó)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),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(guó)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(guó)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(guó)際領(lǐng)先水平。水工業(yè)的一些專用檢測(cè)儀表與設(shè)備,如在線檢測(cè)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

16、水平與國(guó)外產(chǎn)品相比仍有距離,難以滿足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需要。我國(guó)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(guó)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。針對(duì)我國(guó)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(wèn)題有所不同。近年來(lái)建設(shè)的較大型的、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

17、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(duì)于眾多的中小水廠,經(jīng)濟(jì)條件有限,應(yīng)在堅(jiān)持國(guó)產(chǎn)化、實(shí)用化的原則下,著重發(fā)展那些對(duì)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(guò)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(duì)較高、運(yùn)營(yíng)成本較低的符合自身發(fā)展水平的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。1.2.2 研究?jī)?nèi)容研究?jī)?nèi)容濾池自控技術(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?jī)?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(jiǎn)單等特點(diǎn),在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。但實(shí)踐證明該技術(shù)是一種相對(duì)落后的反沖洗方式。該法耗水量較大,剪

18、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(guò)濾帶來(lái)許多弊端。由于傳統(tǒng)的水反沖洗技術(shù)存在一些問(wèn)題,眾多學(xué)者通過(guò)不斷探索和研究,開發(fā)了氣、水反沖洗技術(shù)。目前,國(guó)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(guò)濾和自動(dòng)反沖洗過(guò)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,確定恒水位過(guò)濾過(guò)程中PID控制算

19、法的實(shí)現(xiàn)和參數(shù)的整定。最后,完成恒水位過(guò)濾和自動(dòng)反沖洗過(guò)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)控畫面。1.3 研究的目的和意義研究的目的和意義1.3.1 研究的目的研究的目的改革開放以來(lái),我國(guó)人民的生活水平逐步提高,飲用水的質(zhì)受到越來(lái)越多的關(guān)注,自來(lái)水廠的處理工藝要求也不斷提高,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(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)都很重要。濾池是自來(lái)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(duì)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

20、全可靠的生產(chǎn),應(yīng)采用自動(dòng)控制系統(tǒng)。1.3.2 研究的意義研究的意義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(duì)于水廠這樣的不便于停產(chǎn)的生產(chǎn)單位來(lái)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(chǎng)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。2 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)分析系統(tǒng)分析2.1.1 V 型濾池工藝應(yīng)用及過(guò)程型濾池工藝應(yīng)用及過(guò)程濾池有多種型式,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

21、池就是在此基礎(chǔ)上由法國(guó)德利滿公司在 70 年代發(fā)展起來(lái)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和專用的長(zhǎng)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(zhǎng)、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(guó)南京、西安、重慶等地開始引進(jìn)使用。90 年代以來(lái),我國(guó)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。水廠生產(chǎn)的基本工藝可分為加藥、反應(yīng)、沉淀、過(guò)濾、消毒、儲(chǔ)存、送水等幾個(gè)相關(guān)

22、過(guò)程。其中過(guò)濾過(guò)程又可分為正常過(guò)濾和濾池反沖洗兩個(gè)子過(guò)程,這兩個(gè)子過(guò)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(guò)程簡(jiǎn)圖。 濾池正常過(guò)濾工藝過(guò)程濾池反沖洗工藝過(guò)程24小時(shí)實(shí)時(shí)處理模塊圖2.1 濾池工藝過(guò)程簡(jiǎn)圖2.1.2 V 型濾池的結(jié)構(gòu)、工作原理、工藝特點(diǎn)型濾池的結(jié)構(gòu)、工作原理、工藝特點(diǎn)濾池是水廠凈水工藝中的重要環(huán)節(jié),而濾池過(guò)濾能力的再生,是濾池穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)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(zhǎng)工作周期,提高產(chǎn)水量。而 V 型濾池過(guò)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)。

23、因此濾池的過(guò)濾周期比單純水沖洗的濾池延長(zhǎng)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(guò)濾性能: (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。 (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(jí)配較均勻的混合濾層,其孔隙率高于級(jí)配濾料的分級(jí)濾層,改善了過(guò)濾性能,從而提高了濾層的截污能力。 (3)壓縮空氣的加入,氣泡在顆粒濾料中爆破,使得濾

24、料顆粒間的碰撞磨擦加劇,在水沖洗時(shí),對(duì)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。(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。 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(guò)與反沖洗排水槽相對(duì)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(lái)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

25、方漂起來(lái)的砂又重新沉淀下來(lái)。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。由于本水廠濾池控制部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含恒水位過(guò)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(guò)程便能夠達(dá)到控制要求,故本系統(tǒng)并未對(duì)濾池的表面掃洗技術(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。所謂濾池的正常過(guò)濾過(guò)程就是通過(guò)濾料層將待濾水去除雜質(zhì)顆粒、細(xì)菌的過(guò)程,其主要目的是使濾后水的渾濁度達(dá)到國(guó)

26、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(jiǎn)圖繪制如圖2.2所示。鼓風(fēng)機(jī)超聲波液位計(jì)反沖洗水閥反沖洗氣閥水泵濾料層水平面進(jìn)水閥排污閥清水閥 圖2.2 濾池工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2.1.3 濾池控制系統(tǒng)的組成及其控制任務(wù)濾池控制系統(tǒng)的組成及其控制任務(wù)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(jiàn)濾池都有 5 個(gè)閥門:進(jìn)水閥:控制水流入濾池集水渠的閥門。清水閥:控制濾后水流出濾池進(jìn)入清水管的閥門。氣沖閥:反沖洗時(shí)允許氣流對(duì)濾層進(jìn)行沖洗的閥門。水

27、沖閥:反沖洗時(shí)允許清水對(duì)濾層進(jìn)行沖洗的閥門。反沖洗系統(tǒng)一般包括:鼓風(fēng)機(jī):用于產(chǎn)生強(qiáng)勁氣流對(duì)濾層進(jìn)行沖洗。反沖水泵:用于抽取清水對(duì)濾層進(jìn)行反沖洗。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)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(guò)電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制面板,對(duì)設(shè)備進(jìn)行手動(dòng)操作??刂破魇菍?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)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(shì)。濾池控制

28、系統(tǒng)的控制任務(wù)就是控制過(guò)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(guò)濾時(shí)要求維持一定的濾速,這通過(guò)控制濾池的液位實(shí)現(xiàn),即過(guò)濾時(shí)要把液位控制在一定范圍之內(nèi)。當(dāng)過(guò)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(duì)濾后水濁度的穩(wěn)定有不利影響,需要進(jìn)行反沖洗。反沖洗就是對(duì)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(guò)濾是交替進(jìn)行的,反沖過(guò)后進(jìn)入過(guò)濾,過(guò)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(guò)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

29、濾后出水的濁度決定是否反沖洗。本設(shè)計(jì)水廠濾池部分由 8 個(gè) V 型濾池組成,每個(gè)濾池的尺寸為6M6M6M,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(chǎng) PLC,主要功能是完成濾池的自動(dòng)反沖洗和恒水位過(guò)濾控制。在正常的過(guò)濾條件下,生產(chǎn)工藝要求將水位的波動(dòng)限制在 4002CM 的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)等速恒水位過(guò)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(hào)或強(qiáng)沖信號(hào)) ,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。濾池正常過(guò)濾時(shí),為實(shí)現(xiàn)恒水位過(guò)濾,設(shè)計(jì)以水流量為控制參數(shù)的濾池液

30、位 PID 控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)接收到手動(dòng)的強(qiáng)制沖洗信號(hào)、水頭損失信號(hào)、定時(shí)沖洗信號(hào)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(guò)濾排除,當(dāng)水位降至設(shè)定的反沖洗水位時(shí)(0.35M) ,關(guān)閉出水閥并打開排污閥,排污閥的信號(hào)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(guò)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(guò)濾程序。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(chǎng)的 PLC 通信,收集反沖洗水泵、鼓風(fēng)

31、機(jī)等反沖洗設(shè)備的信號(hào),協(xié)調(diào)各格濾池的反沖洗。2.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)2.2.1 濾池自控方案及總體結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)濾池自控方案及總體結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)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:(1)在每個(gè)濾池上,各配置一臺(tái) PLC(Programmable Logic Controller),分別控制這個(gè)濾格在正常過(guò)濾狀態(tài)下和反沖洗狀態(tài)下的運(yùn)行。(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。(3)整個(gè)濾池控制系統(tǒng)配一臺(tái)主控 PLC,負(fù)責(zé)和各個(gè)現(xiàn)場(chǎng) PLC 的通信,協(xié)調(diào)各格濾池的反沖洗,使每個(gè)濾池

32、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。(4)每個(gè)濾池的反沖洗,均可在 2 種狀態(tài)下進(jìn)行:自動(dòng)反沖洗: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。(5)各濾格的 PLC 運(yùn)行均由一臺(tái)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(huì)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(hào),如濾后水流量,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。(6)濾池的控制操作和數(shù)據(jù)顯示:使用一臺(tái) PC 機(jī)作為上位機(jī),配有專為用戶開發(fā)的監(jiān)控

33、軟件。用戶可以在 PC 機(jī)上控制濾池的操作以及監(jiān)測(cè)濾池的運(yùn)行情況。該軟件具有功能:各模擬量和各開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集。數(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。重要參數(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。模擬數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)曲線顯示和歷史曲線顯示。模擬數(shù)據(jù)的比較曲線,即對(duì)同一數(shù)據(jù)作不同日期的比較。上下限設(shè)置。各故障報(bào)警。各類數(shù)據(jù)的查詢。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。濾池的自動(dòng),半自動(dòng)選擇。(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。濾池自控系統(tǒng)構(gòu)

34、成一個(gè)獨(dú)立的 PLC 控制系統(tǒng),包括主控部分、現(xiàn)場(chǎng)分控部分。主控部分由一臺(tái)主控 PLC,一臺(tái)上位工控機(jī)組成,主控 PLC 負(fù)責(zé)和現(xiàn)場(chǎng) PLC 的通信和氣水反沖洗的協(xié)調(diào)控制,上位機(jī)用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話;每個(gè)現(xiàn)場(chǎng) 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。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?2.3 所示。3# 濾池PC主控PLC現(xiàn)場(chǎng)PLC1現(xiàn)場(chǎng)PLC2現(xiàn)場(chǎng)PLC3現(xiàn)場(chǎng)PLC4現(xiàn)場(chǎng)PLC5現(xiàn)場(chǎng)PLC6現(xiàn)場(chǎng)PLC7現(xiàn)場(chǎng)PLC81# 濾池2# 濾池4# 濾池5# 濾池6# 濾池7# 濾池8# 濾池圖 2.3 濾池自控網(wǎng)絡(luò)

35、拓?fù)鋱D2.2.2 PID 控制算法的基本原理控制算法的基本原理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(guò)程控制中,模擬量的 PID(比例、積分、微分)調(diào)節(jié)是常見(jiàn)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)學(xué)模型,對(duì)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

36、的結(jié)構(gòu),可以根據(jù)被控對(duì)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。PLC 作為一種新型的工業(yè)控制裝置,在科研、生產(chǎn)、社會(huì)生活的諸多領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。大型的可編程序控制器配備過(guò)程控制模塊可同時(shí)對(duì)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(duì)一路或幾路模擬量進(jìn)行閉環(huán)控制。硬件上只需配備 A/D 及 D/A轉(zhuǎn)換模塊,軟件可購(gòu)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(duì)象的具體情況不同,采用各種 PID 控制的變種,如

37、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(duì)象組成7。R(t)E(t)比例P積分I微分DU(t)被控對(duì)象C(t)圖 2.4 模擬 PID 系統(tǒng)原理框圖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:(1)比例控制作用的特點(diǎn):即成比例地反映控制系統(tǒng)

38、的偏差信號(hào) 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(duì)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(duì)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(duì)象存在靜差。加大 Kp 可減少靜差,但Kp 過(guò)大,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)增大,使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能變壞。(2)積分作用的特點(diǎn):能對(duì)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(huì)使被控對(duì)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。(3)微分控制作用的特點(diǎn):通過(guò)對(duì)誤差進(jìn)行微分,能感覺(jué)出誤差的變化趨勢(shì),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(duì)干擾同

39、樣敏感,使系統(tǒng)對(duì)干擾的抑制能力降低。根據(jù)被控對(duì)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?jiǎn)單,參數(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。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: E(t)=R(t)C(t) (2.1) 將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過(guò)組合構(gòu)成控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制,故稱 PID 控制器,其控制規(guī)律為: U(t)=Kp E(t)+ + (2.2)1TitdttE0)( )dE tTddt 上式中:Kp 是控制器比例系數(shù)是控制器積分時(shí)間常數(shù)1Ti是控制器

40、微分時(shí)間常數(shù)TdE(t)是系統(tǒng)設(shè)定值和被控量之差U(t)是控制器輸出由于式(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U(t)U(KT)E(t)E(KT)TtdttE0)(KjjTE0)( (2.3)dttdE )(TTKEKTE) 1()( 則可得可得到位置式數(shù)字 PID 算法:U(K)=KpE(K)+Ki+KdE(K)-E(K-1) (2.4)KjjE0)( 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),KdTi二 Kp/T 稱為微分常數(shù)。U(K)是 U(KT)的簡(jiǎn)寫,E(K)是 E(KT)

41、的簡(jiǎn)寫。Td位置式算法對(duì)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(huì)造成 PID 運(yùn)算的積分積累,引起系統(tǒng)超調(diào),這在生產(chǎn)過(guò)程中是不允許的。由(2.4)不難得到:U(K-1)= KpE(K-1)+Ki+ KdE(K-1)-E(K-2) (2.5)10)(KjjE 將式(2.4)與式(2.5)相減即可得到增量式算法: U(K)=U(K)一 U(K-1) =(Kp+Ki+Kd)E(K)-( Kp+2Kd)E(K-1)+ KdE(K-2) (2.6) 增量式 PID 控制算法是對(duì)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(huì)

42、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。至此,式(2.6)已可以用作編程算法使用了。2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)濾池控制器現(xiàn)場(chǎng)濾池控制器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(duì)穩(wěn)定的濾速的目的。一般的液位控制是由調(diào)節(jié)閥來(lái)完成的。以來(lái)自液位計(jì)的液位信號(hào)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 功能。液位控制時(shí),把液位計(jì)測(cè)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

43、完成閥門的動(dòng)作。這種控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,效果很好,可以十分精確的控制液位。PLC調(diào)節(jié)閥液位A/D圖 2.5 濾池液位控制框圖但是在凈水廠濾池中,對(duì)液位的精度要求不高,無(wú)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)閥來(lái)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(hào)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(huì)持續(xù)動(dòng)作,直到全開或全關(guān),不會(huì)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(hào)驅(qū)動(dòng)的,閥門隨著該信號(hào)的變化而動(dòng)作,若信號(hào)不變,閥門位置不變。所以,可以對(duì)調(diào)節(jié)

44、閥進(jìn)行控制的 PID 計(jì)算結(jié)果,對(duì)開關(guān)閥無(wú)效。通過(guò) PLC 計(jì)算得出閥門位置的機(jī)制也就不再適用,需要重新設(shè)計(jì)。最簡(jiǎn)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(huì)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(chǎng)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。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,對(duì)任何一個(gè)偏差,不論大小,都會(huì)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(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響,當(dāng)比例系數(shù)增大時(shí),會(huì)產(chǎn)生如下變化:(1)振蕩傾向加強(qiáng),穩(wěn)定程度下

45、降;(2)工作頻率提高,工作周期縮短。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),就可以減小閥門動(dòng)作頻率,并增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。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)動(dòng)作時(shí)間。如果對(duì)這個(gè)動(dòng)作時(shí)間做出限制,就可以對(duì)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?hào)一給出,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(huì)中途停止。也就是說(shuō),閥門每次的動(dòng)作時(shí)間都是相同的,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(lái),PLC 就可以通過(guò)控制動(dòng)作信號(hào)的持續(xù)時(shí)間,控制閥門的動(dòng)作時(shí)間了。然而,

46、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(cè)到其改變(由低于設(shè)定變?yōu)楦哂谠O(shè)定,或反之)前,會(huì)不斷發(fā)出閥門動(dòng)作信號(hào),直至動(dòng)作到底。情況跟先前并沒(méi)什么不同,只是由一次動(dòng)作變?yōu)槎啻蝿?dòng)作了,頻繁性沒(méi)有得到根本的改變。單純的比例控制在對(duì)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(guò)延長(zhǎng)反饋信號(hào)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。這樣,對(duì)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(duì)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,

47、平均的濾速 V 可通過(guò)下式求得:V=濾格面積生產(chǎn)時(shí)間(秒)濾池個(gè)數(shù)生產(chǎn)量以日產(chǎn)量為 144000 噸為例:V=0.0058(米/秒)362436008144000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(duì)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/秒慢很多,所以采樣的間隔可以設(shè)的比較長(zhǎng),達(dá)到十幾秒鐘。閥門的動(dòng)作時(shí)間也不必很長(zhǎng),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)。至此,液位控制己經(jīng)可以實(shí)

48、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(shì)(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(shì)與預(yù)期不同時(shí),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(shì),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(huì)在下次采樣時(shí)被更新。這樣就可以對(duì)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。開出水閥T2秒開始采樣(周期為T1)液位低于低限?液位高于高限?液位正在上升?液位正在下降?關(guān)出水閥T2

49、秒是否否是是否否是圖 2.6 出水閥的液位控制流程2.2.4 現(xiàn)場(chǎng)控制器與反沖洗控制器的協(xié)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)控制器與反沖洗控制器的協(xié)調(diào)先從反沖洗的一般過(guò)程說(shuō)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(guò)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(guò)程會(huì)伴隨著一系列的開閥關(guān)閥動(dòng)作。具體過(guò)程是這樣的:得到信號(hào)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(guò)濾。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(hào)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

50、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(guò)濾程序。整個(gè)過(guò)程,如圖 2.7 所示。這樣一個(gè)繁瑣的過(guò)程,要由兩套控制器共同完成,一套(濾池控制器,即現(xiàn)場(chǎng) 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(shí),用來(lái)向其它控制器表明自己當(dāng)前的狀態(tài)。這些標(biāo)識(shí)作為信號(hào)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

51、態(tài)時(shí),相應(yīng)標(biāo)識(shí)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(shí)清零,再向另一控制器發(fā)送。標(biāo)識(shí)的值隨著狀態(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(hào),表明正確收到被發(fā)送信號(hào),以備信號(hào)在傳送過(guò)程中丟失。但這里無(wú)須考慮此問(wèn)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(hào)傳送的可靠性8。下面再討論一下標(biāo)識(shí)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。 正常過(guò)濾關(guān)進(jìn)水閥關(guān)出水閥、開排污閥開反沖氣閥、開鼓風(fēng)機(jī)關(guān)鼓風(fēng)機(jī)、關(guān)反沖氣閥開反沖水閥、開反沖水泵關(guān)反沖水閥、停水泵關(guān)排污閥、開進(jìn)水閥圖 2.7 調(diào)整前的反沖洗過(guò)程因此,要建立一個(gè)

52、標(biāo)識(shí),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(shí),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(shí),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(shí),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(shí),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(duì)反沖洗的過(guò)程作一些調(diào)整和簡(jiǎn)化,這種方法會(huì)十分復(fù)雜,不易實(shí)現(xiàn)。原因如下:上述的標(biāo)識(shí)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(wèn)題,需要添加大量標(biāo)識(shí)。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(guò)程

53、將會(huì)設(shè)計(jì)的很龐大、復(fù)雜。而且當(dāng)系統(tǒng)中不只兩臺(tái)控制器時(shí),標(biāo)識(shí)個(gè)數(shù)又會(huì)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(shí)使溝通的編程實(shí)現(xiàn)十分困難。要減少表明濾池或反沖洗系統(tǒng)所處狀態(tài)的標(biāo)識(shí),須從反沖洗過(guò)程入手,減少需要向其他控制器傳送的中間狀態(tài)。經(jīng)過(guò)與老師和同學(xué)們的討論,可以對(duì)原先的反沖洗過(guò)程作一些修改,以得到一套簡(jiǎn)化許多的通訊方案。原先溝通機(jī)制過(guò)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(duì)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(jiǎn)化。調(diào)整后的反沖洗過(guò)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,反沖洗后的關(guān)、開閥階段。流程示意圖如圖

54、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(lái)不同的是,此處現(xiàn)場(chǎng) PLC 僅僅只涉及到這些閥門的動(dòng)作,沒(méi)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(shí),進(jìn)入第二階段。這一階段沒(méi)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,反沖洗系統(tǒng)控制器回給濾池控制器一個(gè)標(biāo)識(shí),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(guò)濾恒水位時(shí),開出水閥,進(jìn)入正常的過(guò)濾工序。關(guān)閉進(jìn)水閥、出水閥,打開排污閥、

55、反沖氣閥、反沖水閥氣沖、水沖關(guān)閉反沖水閥、反沖氣閥、排污閥,打開進(jìn)水閥,出水閥沖洗完后給出沖洗結(jié)束標(biāo)識(shí)開、關(guān)閥階段完成后,產(chǎn)生反沖洗標(biāo)識(shí)圖 2.8 調(diào)整后的反沖洗過(guò)程這個(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(jiǎn)化了協(xié)調(diào)過(guò)程,對(duì)于簡(jiǎn)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(méi)有到位,就不會(huì)送出標(biāo)識(shí),故障的處理僅由濾池控制器單獨(dú)進(jìn)行。上述的控制器協(xié)調(diào)機(jī)制是只有兩套控制器的最簡(jiǎn)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(méi)有太多不同。每個(gè)濾池控制器都可

56、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(huì)有一個(gè)濾格控制器與反沖洗控制器進(jìn)行溝通,換句話說(shuō),實(shí)際上的通訊并不會(huì)很復(fù)雜,而是有一定的秩序。由此也可見(jiàn),在多濾池系統(tǒng)中,正在反沖洗的狀態(tài)標(biāo)識(shí)是最重要的一個(gè),它類似于交通信號(hào)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。以兩臺(tái)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,也可以用于老舊中小型水廠的擴(kuò)建、改造。在我國(guó)目前許多城市規(guī)模擴(kuò)大、人口增加,對(duì)自來(lái)水

57、需求量迅速增長(zhǎng)的情況下,有很大的應(yīng)用前景。3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)3.1 濾池實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需的設(shè)備濾池實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需的設(shè)備3.1.1 自控設(shè)備清單自控設(shè)備清單整個(gè)濾池的自動(dòng)控制所需的硬件設(shè)備,由表 3.1 所示。表 3.1 濾池自控硬件設(shè)備清單序號(hào)123456789設(shè)備名稱PLCPLC機(jī)架PLC電源開關(guān)量輸入模塊開關(guān)量輸出模塊模擬量輸入模塊模擬量輸出模塊PLC與PC通信模塊PC機(jī)設(shè)備型號(hào)數(shù)量LOGIX 55501756-L1/A917 SLOTS CHASSIS1756-A17/B9POWER MODULE (AC)1756-PA75/A9DI MODULEDO MODUL

58、EAI MODULEAO MODULERS-232LENOVO奔月2000 PIII/86611756-IF81756-OF6CI1756-IB321756-OB16E99999濾池設(shè)備中,用一臺(tái) LOGIX 5550 作為主要的控制器,用于和各個(gè)現(xiàn)場(chǎng) 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(hào),協(xié)調(diào)各格濾池的反沖洗。其它的 8 臺(tái) PLC 分別用于各格濾池的工作,即每個(gè)濾池分別由一臺(tái) PLC 和相應(yīng)的 I/O 模塊組成,保證正常過(guò)濾時(shí)的工作。3.1.2 PLC 基本知識(shí)及其工作原理基本知識(shí)及其工作原理可編程序控制器(Programmable Logic Controller)簡(jiǎn)

59、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(chǔ)器,在其內(nèi)部存儲(chǔ)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(guò)數(shù)字量或模擬量的輸入輸出來(lái)控制各種類型的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)過(guò)程。隨著 PLC 的發(fā)展,它不僅能完成編輯、運(yùn)算、控制,而且能實(shí)現(xiàn)模擬量、數(shù)字量的算術(shù)運(yùn)算。用 PLC 設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有如下的優(yōu)點(diǎn):(1)能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的惡劣環(huán)境,能抗電磁干擾與電壓沖擊。(2)簡(jiǎn)單,易于使用,不必要求微機(jī)軟硬件方面的知識(shí),編程不需要高級(jí)語(yǔ)言。(3)可靠性高,平均故障間隔時(shí)間(MTBF)超過(guò) 20000 小時(shí),羅克韋爾公司的產(chǎn)品 MT

60、BF 達(dá)到 50000 小時(shí)。(4)編程或修改程序容易,程序可以保存和固化。(5)體積小,價(jià)格低。(6)可直接將數(shù)據(jù)送入處理器中,可直接連接到現(xiàn)場(chǎng)。(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)存可以擴(kuò)展。(8)有很強(qiáng)的通訊功能,可與多種支持設(shè)備連接。(9)系統(tǒng)化,有標(biāo)準(zhǔn)外圍接口模塊。(10)系統(tǒng)在一種現(xiàn)場(chǎng)不需要時(shí),仍可改在另一現(xiàn)場(chǎng)使用等一系列優(yōu)點(diǎn)。PLC 采用的是掃描的工作方式。掃描是一種形象化的術(shù)語(yǔ),用來(lái)描述可編程序控制器內(nèi)部的 CPU 的工作過(guò)程。所謂掃描就是依次對(duì)各種規(guī)定的操作項(xiàng)目全部進(jìn)行訪問(wèn)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

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