基于PLC设计出的水厂滤池自动控制系统毕业论文

山东科技大学学士学位论文 摘要摘 要供水是一个关系国计民生的重要产业。供水不仅要满足管网压力的需要、保证充足供水，还要求水质明显提高。滤池是水厂常规处理净水构筑物的最后一道工序，滤池运行的好坏直接影响到水厂的出水水质。滤池反冲洗工艺复杂，如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，为此必须进行滤池自动化系统的改造。本文从水厂滤池自动控制系统的控制要求和工艺特点出发，设计出了一套基于 ControlLogix 硬件和软件系统的水厂滤池自动控制系统。在滤池正常过滤时，为实现恒水位过滤，设计了以出水流量为控制参数的滤池液位 PID 控制系统。而在系统接收到反冲洗信号时，本系统在设计上就主控PLC 如何更好的与现场 PLC 协调控制滤池的反冲洗方案进行了对比并且做了优化，增强了控制思路的清晰性，达到了预期的控制效果。根据系统的控制要求，进行了硬件设备的选型，设计了控制系统硬件配置图、I/O 模块接线图，并编写了实现控制算法的程序。关键词：水厂滤池，恒水位 PID 控制，自动反冲洗，协调控制山东科技大学学士学位论文 ABSTRACT ABSTRACTWater supply is an important industry for the peoples 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 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-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 water 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, 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 control algorithm have been accomplished.Keywords: water plant filter, constant water level on PID control, automatic backwashing, coordinated control 山东科技大学学士学位论文 目录目录1 绪论 .111 课题研究背景 .11.2 课题研究内容 .21.3 研究的目的和意义 .52 控制系统总体方案的设计 .72.1 系统分析 .72.2 系统总体方案的设计 .123 控制系统的硬件设计 .273.1 滤池实现自动控制所需的设备 .273.2 传感器和执行器的选择 .333.3 系统的硬件配置及 I/O 连接图 .393.4 控制参数整定 .434 系统的软件设计 .474.1 软件总体方案的设计 .474.2 控制方案程序 .495 监控系统的设计 .615.1 组态王 6.52 简介 .615.2 监控界面的设计 .61结束语 .72山东科技大学学士学位论文 目录参考文 献 .73致 谢 .74附录 .75山东科技大学学士学位论文 绪论11 绪论11 课题研究背景水对人类而言有着非同寻常的意义，不论是日常生活，还是工农业生产都离不开水。特别是在现代社会中，人们不仅对水的需求量与日俱增，对水质的要求也越来越高。人类对饮用水进行处理的历史十分悠久，超过了两千年。但这是小规模、家庭型的处理，范围仅针对某个人或某个家庭。而面向社会兴建水厂，工业化的集中处理水的历史还不到 200 年，特别是以快滤池为标志的现代水厂更只有 110 多年历史。在我国，水厂的大规模建设是从解放后开始的，时间较短，但取得了卓越的成就。目前各个城市都已兴建了自己的净水厂，基本普及了自来水。而且，更加现代化的、大规模的新型水厂也在成批的建设中。水厂和其它行业的工厂一样，自出现以来不断革新，不断现代化，生产能力、净化效果都不断提高。日产百万吨以上优质自来水的超大型水厂也不罕见。维持如此大规模的水厂正常运行，且要保证出厂水质，对处理工艺和自动化水平都提出了很高的要求。水厂的处理工艺一百年来已经比较成熟，基本上是混凝沉淀、过滤和消毒。混凝剂一般采用铝盐、铁盐。利用凝聚原理去除原水中的悬浮颗粒。再进行沉淀，过滤。消毒一般采用氯化法。近几十年，随着净水理论的发展，工艺设计和处理构筑物的形式不断变化，各类反应药剂也出现许多新的替代品，比如:以高分子化合物作为混凝剂，臭氧或二氧化氯作为消毒剂等等。不过，基本的工艺过程没有根本性改变。相比之下，水厂的现代化更主要的表现在自动化监控系统上。净水厂的生产过程采用自动化技术，不是单纯的为了节省人力，更主要的山东科技大学学士学位论文 绪论2是加强各个生产环节的合理调度，保证水量、水压，提高水质，节约动力和投药量，消灭事故，积累运行资料，提高供水的可靠性和管理水平。我国的净水厂自动化技术起步较晚，一度比较落后。但在近二十年中，发展迅速，许多大城市的水厂也达到了较高的自动化程度 1。在各中小型水厂水质生产过程中，滤池处理过程的有效控制是保证水厂出厂水水质优劣及生产效率高低的关键因素。在传统的滤池生产中，一般依靠人工操作进行生产，滤池正常的过滤时间以及滤池反冲洗各环节的时间和强弱都要依靠现场操作人员的经验进行调节。由于受到人员素质及经验、环境温度、源水水质变化等各种复杂因素的影响，很难使出厂水水质长期稳定。因此水厂滤池的自动化控制对于出厂水质优劣尤为重要。为了更好地安全生产，实现水厂自动化控制，本课题希望通过研究PLC 在水厂滤池控制系统中的实际应用，使通过 PLC 设计出的水厂滤池控制系统比传统水厂滤池控制系统具有更好的维护性和扩展性，提高水厂滤池控制系统的自动化水平，确保水厂供水更安全更可靠。1.2 课题研究内容1.2.1 研究现状早期的水厂控制是单元式的。根据需要，各个工艺环节建立独立的控制设施。这些设施可以一次建成，也可以分别建设，相互之间没有联系。每个环节根据自身的情况进行工作，只能解决该环节局部的控制调节问题，环节之间的协调是难以自动实现的，需要人工加以干预。这属于分散式控制。以后随着计算机及控制技术的发展，出现了集中式控制形式，由中心控制室的一台计算机系统对各个环节的参数进行巡回检测、数据处理、控制运算，然后发出控制信号，直接控制被控对象。一台计算机往往同时控制多个回路，即多个水处理工艺环节。在这种控制系统中，集中检测、控山东科技大学学士学位论文 绪论3制运算工作量大，要求计算机功能强大，有很高的可靠性。一旦控制系统出现故障，整个系统就都会陷于瘫痪 2。进入70年代以来，以微处理器为核心的各种控制设备发展迅速，使得控制系统的形式也发生了相应的变化，结构组成种类很多。当前水厂采用的自动控制系统的结构形式，从自控的角度可以划分为SCADA系统、DCS系统、IPC+PLC 系统、总线式工业控制机构成的系统等。IPC+PLC系统是由工业计算机(IPC)和可编程序控制器(PLC)组成。在国内水厂自动化中得到最广泛的应用。该系统的优点是：(1)可以实现分级分布控制。(2)可以实现“集中管理、分散控制”的功能，将危险分散，大大提高了系统的可靠性。(3)组网方便。硬件系统配置简洁，很容易在网络中增减PLC控制器，来实现扩展网络的目的。(4)编程方便，开发周期短，维护方便。由于应用程序采用梯形图或顺序功能图编辑，编程和维护方便。(5)系统内的配置和调整非常灵活。(6)与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化。当前水厂采用最多的控制系统是IPC+PLC系统。该系统近年发展迅速，已经与DCS系统的功能相近，特别是同样具有分级分布控制、实现集中管理，分散控制的功能，往往从水处理工艺控制的角度也将此系统称为集散式系统。国外自70年代起开始了供水系统自动控制的研究与应用工作。尤其是自80年代以来，微电子等现代科技高速发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展与完善，相应地推动供水系统的自动监控技术有了质的飞跃。加之西方发达国家雄厚经济实力山东科技大学学士学位论文 绪论4与技术基础，供水系统的自动监控已得到普遍应用。一些水厂己实现全自动运行，能对生产工艺的各个环节连续自动地监测、调节、记录、报警等等 3。我国自80年代中后期起，陆续有一些较大型的水厂利用外资建设，同时引进了成套的水厂现代化监控仪表与设备。我国在水厂关键环节混凝投药控制技术与设备方面实现了流动电流及透光率脉动两种凝控制设备的国产化，并在水厂获得推广应用，取得显著效果，在此方面已居于国际领先水平。水工业的一些专用检测仪表与设备，如在线检测浊度仪、计量投加泵等，也有一些厂家开始生产，但是质量水平与国外产品相比仍有距离，难以满足国内市场需要。我国大多数水厂的监控技术仍是很落后的，基本以人工方式为主，很难适应现代化的要求，一些水厂(包括有些引进设备的水厂)的自动监控基本照搬西方的模式，虽然采用了庞大的自动化系统、投资很大，然而在一些关键环节上的调节功能并不强。这种模式并不适应我国相当多的水厂原水水质变化大而快的情况，而谈不上保证水处理系统运行优化，结果水质保证率低，而运行费用高。这些自动监控系统并不完全符合提高水厂技术经济效益这一根本目的 4。针对我国的技术经济条件，不同规模水厂迫切需要解决的问题有所不同。近年来建设的较大型的、自动监控水平较高的水厂需要认真总结应用经验，并向优化运行方面发展，为这类水厂自动监控技术的进步提供借鉴与指导。对于众多的中小水厂，经济条件有限，应在坚持国产化、实用化的原则下，着重发展那些对供水质量、运行费用有重要影响的工艺环节（水厂滤池的过滤环节等）的自动监控技术与设备，建立规模适宜、自动化水平相对较高、运营成本较低的符合自身发展水平的自动监控系统。1.2.2 研究内容滤池自控技术是净水处理的重要环节，如果控制不好，就不能达到预山东科技大学学士学位论文 绪论5定的水质要求。采用哪一种滤池反冲技术是滤池自控技术中的研究内容。单一水反冲洗技术己沿用多年，由于该方法具备操作单一和设备简单等特点，在我国得到了广泛应用。但实践证明该技术是一种相对落后的反冲洗方式。该法耗水量较大，剪切、碰撞及摩擦作用较弱，难以完全消除滤料上的泥球及结块现象，也给过滤带来许多弊端。由于传统的水反冲洗技术存在一些问题，众多学者通过不断探索和研究，开发了气、水反冲洗技术。目前，国内外气水反冲洗有3种运行方式：一是先气洗，再用低流量水反冲洗；二是先气、水同时反冲洗，再用低流量水反冲洗；三是先气洗，再气、水同时反冲洗，最后用水漂洗。本课题主要设计的