基于PLC设计出的水厂滤池自动控制系统设计论.doc

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：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 ABSTRACT Water 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 PLC and 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 目录目录 1 绪论1 11 课题研究背景1 1.2 课题研究内容.2 1.3 研究的目的和意义.5 2 控制系统总体方案的设计.7 2.1 系统分析.7 2.2 系统总体方案的设计.12 3 控制系统的硬件设计27 3.1 滤池实现自动控制所需的设备.27 3.2 传感器和执行器的选择.33 3.3 系统的硬件配置及 I/O 连接图 .39 3.4 控制参数整定.43 4 系统的软件设计.47 4.1 软件总体方案的设计.47 4.2 控制方案程序.49 5 监控系统的设计.61 5.1 组态王 6.52 简介61 5.2 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 0 1 绪论绪论 11 课题研究背景课题研究背景 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 1 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 课题研究内容课题研究内容 1.2.1 研究现状研究现状 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 2 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 3 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 4 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。本课题主要设计的是基于PLC控制的 滤池恒水位过滤和自动反冲洗过程，主要内容是首先在分析系统功能的基 础上确定系统的被控参数和控制参数，明确系统的总体控制方案，制定整 体的工艺控制流程图，进而确定系统所需的硬件设备。其次，根据所选择 的硬件设备，确定恒水位过滤过程中PID控制算法的实现和参数的整定。 最后，完成恒水位过滤和自动反冲洗过程功能的软件的编程实现，根据所 设计的自动控制系统设计出整个系统的监控画面。 1.3 研究的目的和意义研究的目的和意义 1.3.1 研究的目的研究的目的 改革开放以来，我国人民的生活水平逐步提高，饮用水的质受到越 来越多的关注，自来水厂的处理工艺要求也不断提高，与之相反的是水 源水质却每况愈下，如何保证水厂出厂水质达标，水处理过程的每一个 环节都很重要。滤池是自来水厂处理工序中最为关键的环节之一，它运 行质量的好坏可决定一个水厂生产质量的好与坏，并对全水厂的生产成 本、效能产生重大影响。滤池最大的特点是控制运行参数多，阀门位置 分散，环境恶劣。因此为了做到安全可靠的生产，应采用自动控制系统。 5 1.3.2 研究的意义研究的意义 采用可编程控制器进行水厂滤池的自动化控制，可以缩短设计周期， 并便于安装调试，对于水厂这样的不便于停产的生产单位来讲，这一点 是尤其重要的。 由于 PLC 自动控制的灵活性，可在现场改变某些工艺 参数和动作顺序，增加系统的功能，并取代传统的继电器控制，使设备 运行更加平稳、可靠，提高了经济效益。 计 0 2 控制系统总体方案的设计控制系统总体方案的设计 2.1 系统分析系统分析 2.1.1 V 型滤池工艺应用及过程型滤池工艺应用及过程 滤池有多种型式，以石英砂作为滤料的普通滤池使用历史悠久。在 此基础上，人们从不同的工艺角度发展了其它型式的滤池。V 型滤池就 是在此基础上由法国德利满公司在 70 年代发展起来的。V 型滤池采用了 较粗、较厚的均匀颗粒的石英砂滤层；采用了不使滤层膨胀的气、水同 时反冲洗兼有待滤水的表面扫洗；采用了气垫分布空气和专用的长柄滤 头进行气、水分配等工艺。它具有出水水质好、滤速高、运行周期长、 反冲洗效果好、节能和便于自动化管理等特点。因此 70 年代已在欧洲大 陆广泛使用。80 年代后期，我国南京、西安、重庆等地开始引进使用。 90 年代以来，我国新建的大、中型净水厂差不多都采用了 V 型滤池这种 滤水工艺，特别是广东省新建的净水厂几乎都采用了 V 型滤池5。 水厂生产的基本工艺可分为加药、反应、沉淀、过滤、消毒、储存、 送水等几个相关过程。其中过滤过程又可分为正常过滤和滤池反冲洗两个 子过程，这两个子过程交替运行，相互之间间隔一定时间（24 H），图2.1 表示滤池工艺过程简图。 计 1 滤池正常过滤工艺过程 滤池反冲洗工艺过程 24小时 实时处理模块 图2.1 滤池工艺过程简图 2.1.2 V 型滤池的结构、工作原理、工艺特点型滤池的结构、工作原理、工艺特点 滤池是水厂净水工艺中的重要环节，而滤池过滤能力的再生，是滤池 稳定高效运行的关键。若采用较好的反冲洗技术，使滤池经常处于最优条 件下工作，不仅可以节水、节能，还能提高水质，增大滤层的截污能力， 延长工作周期，提高产水量。而 V 型滤池过滤能力的再生，就采用了先进 的气、水反冲洗兼表面扫洗这一技术。因此滤池的过滤周期比单纯水冲洗 的滤池延长了 75%左右，截污水量可提高 118%，而反冲洗水的耗量比单 纯水冲洗的滤池可减少 40%以上。滤池在气冲洗时，由于用鼓风机将空气 压入滤层，因而从以下几方面改善了滤池的过滤性能： (1)压缩空气的加入增大了滤料表面的剪力，从而使得通常水冲洗时不易剥 落的污物在气泡急剧上升的高剪力下得以剥落，从而提高了反冲洗效果。 (2)气泡在滤层中运动产生混合后，可使滤料的颗粒不断涡旋扩散，促进了 滤层颗粒循环混合，由此得到一个级配较均匀的混合滤层，其孔隙率高于 级配滤料的分级滤层，改善了过滤性能，从而提高了滤层的截污能力。 (3)压缩空气的加入，气泡在颗粒滤料中爆破，使得滤料颗粒间的碰撞磨擦 加剧，在水冲洗时，对滤料颗粒表面的剪切作用也得以充分发挥，加强了 水冲清污的效能。 (4)气泡在滤层中的运动，减少了水冲洗时滤料颗粒间的相互接触的阻力， 计 2 使水冲洗强度大大降低，从而节省冲洗的能耗5。 综上所述，气、水反冲洗时，由于气泡的激烈运动作用，大大加强了 污物剥落能力及截污能力。在滤池实际反冲洗时，我们观察到：当反冲时 间约 5 分钟时的滤层污物剥落高达 95%以上，因此 V 型滤池的反冲洗效果 是肯定的。此外反冲洗时，原水通过与反冲洗排水槽相对的两个 V 型槽底 部的小孔进入滤池，它扫洗滤层的表面，并把滤层反冲上来的污物、杂质 推向排水槽，同时扫洗了水平速度等于零的一些地方，在这些地方漂起来 的砂又重新沉淀下来。此外滤池的表面扫洗，还加快了反冲水的漂洗速度， 用原水养活了反冲洗滤后水用量及电能，也节约了冲洗水量。养活冲洗水 量是原水表面清扫的一个特别优点，事实上，它还起到了在一个滤池反冲 洗时防止其它滤池在最大输出负荷下运行的作用。 由于本水厂滤池控制部分系统设计包含恒水位过滤控制和自动反冲洗 控制，而本滤池的自动反冲洗控制只需设计出气、水的反冲洗过程便能够 达到控制要求，故本系统并未对滤池的表面扫洗技术进行深入的研究与技 术上的实现，从而在满足系统功能的前提下避免了系统设计的复杂性。 所谓滤池的正常过滤过程就是通过滤料层将待滤水去除杂质颗粒、细 菌的过程，其主要目的是使滤后水的浑浊度达到国家饮用水的卫生标准。 而滤池的反冲洗，就是先后运行气洗、水洗两种清洗方式去除滤料层中的 杂质，是滤池自净的工艺措施。现将滤池的基本的工艺结构简图绘制如图 2.2所示。 计 3 鼓风机 超声波液位计 反冲洗水阀 反冲洗气阀 水泵 滤料层 水平面 进水阀 排污阀 清水阀 图2.2 滤池工艺结构简图 2.1.3 滤池控制系统的组成及其控制任务滤池控制系统的组成及其控制任务 滤池控制系统一般由受控设备、电气执行机构、控制器和上位机组成。 其中受控设备可以分为两部分:滤池阀门和反冲洗系统。常见滤池都有 5 个 阀门： 进水阀：控制水流入滤池集水渠的阀门。 清水阀：控制滤后水流出滤池进入清水管的阀门。 气冲阀：反冲洗时允许气流对滤层进行冲洗的阀门。 水冲阀：反冲洗时允许清水对滤层进行冲洗的阀门。 反冲洗系统一般包括： 鼓风机：用于产生强劲气流对滤层进行冲洗。 反冲水泵：用于抽取清水对滤层进行反冲洗。 电气执行机构负责控制的具体实施， 它从控制器接收控制命令，然后相 计 4 关 的继电器接点闭合或断开，电路导通，设备获得动力继而进行动作。如果 控制器故障，操作人员也可以通过电气执行机构的控制面板，对设备进行 手动操作。控制器是实现自动控制的关键，所有自动控制的内容都由控制 器编程实现。滤池的控制与其它车间略有不同，它的设备较多且重复，每 个滤池的控制内容都是相同的。为了降低控制器故障的风险性，可以采取 主、从多个控制器共同工作的方式，这是滤池控制系统发展的一种趋势。 滤池控制系统的控制任务就是控制过滤、反冲洗和两者的交替，目的就是 保证滤后水的浊度符合要求。过滤时要求维持一定的滤速，这通过控制滤 池的液位实现，即过滤时要把液位控制在一定范围之内。当过滤进行一段 时间后，滤料吸收的悬浊物积累到一定数量，对滤后水浊度的稳定有不利 影响，需要进行反冲洗。反冲洗就是对滤层的清洗，需要控制鼓风机、水 泵等冲洗设备，以及滤池相关阀门的开、关。反冲洗与过滤是交替进行的， 反冲过后进入过滤，过滤一段时间后也需要启动反冲洗。反冲洗的启动有 两种方法:人为命令和控制器依条件判断是否启动。判断的条件可以有很多， 比如:是否到达设定时间、过滤己经进行的时间、水头损失大小等。更先进 一些的还可以直接根据滤池滤后出水的浊度决定是否反冲洗。 本设计水厂滤池部分由 8 个 V 型滤池组成，每个滤池的尺寸为 6M6M6M，滤池的滤料采用单层 1.4M 加厚均粒石英砂滤料。每格滤池 设置一个现场 PLC，主要功能是完成滤池的自动反冲洗和恒水位过滤控制。 在正常的过滤条件下，生产工艺要求将水位的波动限制在 4002CM 的范 围内实现等速恒水位过滤。当滤池的运行满足了反冲洗的条件（运行周期 到、水头信号或强冲信号） ，需要进行反冲洗，以去除滤料层的杂质。按 要求，每次只有一格滤池进行反冲洗，当多格滤池同时要求进行反冲洗时， 系统自动按照先进先出的原则排队进行。 计 5 滤池正常过滤时，为实现恒水位过滤，设计以水流量为控制参数的滤 池液位 PID 控制系统。 当系统接收到手动的强制冲洗信号、水头损失信号、定时冲洗信号中 的任何一个指令时，进行单格滤池反冲洗。首先关闭进水阀，滤池内部的 存留水经出水阀继续过滤排除，当水位降至设定的反冲洗水位时（0.35M） ， 关闭出水阀并打开排污阀，排污阀的信号到位后打开反冲气阀，启动风机 进行气冲 6MIN，然后关闭鼓风机，关闭反冲气阀。打开反冲水阀，开启 反冲水泵，水洗 6MIN，完成后关闭反冲水阀、停水泵，关闭排污阀、开 启进水阀接受待滤水。当水位升到接近过滤恒水位时，滤池反冲洗正式结 束，系统转入正常的过滤程序。 在中控室设置主控 PLC，其主要功能是负责和各现场的 PLC 通信， 收集反冲洗水泵、鼓风机等反冲洗设备的信号，协调各格滤池的反冲洗。 2.2 系统总体方案的设计系统总体方案的设计 2.2.1 滤池自控方案及总体结构的实现滤池自控方案及总体结构的实现 根据本滤池的结构，考虑到自动控制方式的先进性，稳定性，可靠性 和连续不停运行的特点，提出如下自控方案: (1)在每个滤池上，各配置一台 PLC(Programmable Logic Controller)，分别 控制这个滤格在正常过滤状态下和反冲洗状态下的运行。 (2)给每个滤池的 PLC 编制运行程序，以保证每个滤池按生产工艺的要求 自动运行。 (3)整个滤池控制系统配一台主控 PLC，负责和各个现场 PLC 的通信，协 调各格滤池的反冲洗，使每个滤池的反冲洗能按照反冲洗的时间，或水头 计 6 损失的大小自动和稳定的进行。 (4)每个滤池的反冲洗，均可在 2 种状态下进行：自动反冲洗：半自 动反冲洗。其中，半自动反冲洗为强制反冲洗，即用户可以在任何时候进 行反冲洗。 (5)各滤格的 PLC 运行均由一台主控 PLC 控制。主 PLC 和各分 PLC 既联 系又独立，在正常运行时，它们各司其职，统一运行。如果一旦主 PLC 发 生故障，并不会影响到各格滤池的正常运行。同时，还能把滤池的各信号， 如滤后水流量，浊度，余氯，以及滤池的各个工作状态，运行时间等，在 联网后，传送到中央控制室。 (6)滤池的控制操作和数据显示:使用一台 PC 机作为上位机，配有专为用户 开发的监控软件。用户可以在 PC 机上控制滤池的操作以及监测滤池的运 行情况。 该软件具有功能： 各模拟量和各开关量的数据采集。 数据的实时显示，包括各滤池的水位，滤池运行时间，滤池目前的运行 状态，各滤池的出水阀的开度，滤后水流量，各阀门的工作状态等。 重要参数的显示和设置，包括每个滤池的 PID 参数，反冲洗起始水位， 反冲洗的水冲时间，气洗时间等等。 模拟数据的实时曲线显示和历史曲线显示。 模拟数据的比较曲线，即对同一数据作不同日期的比较。 上下限设置。 各故障报警。 各类数据的查询。 数据统计。 滤池的自动，半自动选择。 计 7 (7)采用 Rockwell AB 公司的 PLC 系列产品，以保证滤池运行的稳定和可 靠。 滤池自控系统构成一个独立的 PLC 控制系统，包括主控部分、现场分 控部分。主控部分由一台主控 PLC，一台上位工控机组成，主控 PLC 负 责和现场 PLC 的通信和气水反冲洗的协调控制，上位机用于实现人机对话； 每个现场 PLC 负责管理每个滤池的恒水位运行和自动反冲洗。 整个滤池的运行可在以下二种方式下工作：(1)半自动控制；(2)PLC 自动 控制；(3)上位机远程控制。其网络拓扑如 2.3 所示。 3# 滤池 PC 主控PLC 现场 PLC1 现场 PLC2 现场 PLC3 现场 PLC4 现场 PLC5 现场 PLC6 现场 PLC7 现场 PLC8 1# 滤池2# 滤池4# 滤池5# 滤池6# 滤池7# 滤池8# 滤池 图 2.3 滤池自控网络拓扑图 2.2.2 PID 控制算法的基本原理控制算法的基本原理 PID(proportional Integral Differential)控制算法就是经典的闭环控制， 它是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的调节方式。PID 调节的实质就 是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算 结果用以输出控制。在模拟系统中，控制器最常用的控制规律就是 PID 控 制，在工业生产过程控制中，模拟量的 PID(比例、积分、微分)调节是常 见的一种控制方式，这是由于 PID 调节不需要求出控制系统的数学模型， 对于这一类系统，使用 PID 控制可以取得比较令人满意的效果，同时 PID 调节器又具有典型的结构，可以根据被控对象的具体情况，采用各种 PID 计 8 的变种，有较强的灵活性和适用性。 PLC 作为一种新型的工业控制装置，在科研、生产、社会生活的诸多 领域得到了越来越广泛的应用。大型的可编程序控制器配备过程控制模块 可同时对几十路模拟量进行闭环控制，但造价昂贵。一般中小型 PLC 控制 系统只对一路或几路模拟量进行闭环控制。硬件上只需配备 A/D 及 D/A 转换模块，软件可购买相应厂家提供的 PID 编程功能模块，只需设定好 PID 功参数，运行 PID 控制指令，就能求得输出控制值，而厂家一般只提 供标准 PID 算法，灵活性和适应性较差，如根据被控对象的具体情况不同， 采用各种 PID 控制的变种，如积分分离 PID、不完全微分 PID 等则操作上 有些困难，这时用户可根据控制的算法，自行设计梯形图程序。常规 PID 控制系统原理框图如图 2.4 所示，系统由模拟 PID 和被控对象组成7。 R(t) E(t) 比例P 积分I 微分D U(t) 被控对象 C(t) 图 2.4 模拟 PID 系统原理框图 滤池恒水位控制技术的发展日新月异。从模拟 PID、数字 PID 到最优 控制、自适应控制、再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改 善。在现有的滤池控制系统方案中，PID 控制应用最多，也最具代表性。 在 PID 控制算法中，存在着比例、积分、微分 3 种控制作用： (1)比例控制作用的特点： 即成比例地反映控制系统的偏差信号 E(t)，系统误差一旦产生，控制 器立即就有控制作用，使被 PID 控制的对象朝着减小误差的方向变化，控 制作用的强弱取决于比例系数 Kp。缺点是对于具有自平衡(即系统阶段响 应终值为一有限值)能力的被控对象 计 9 存在静差。加大 Kp 可减少静差，但 Kp 过大，会导致系统超调增大，使 系统的动态性能变坏。 (2)积分作用的特点： 能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。不足之处在于积 分作用具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至 于导致闭环系统不稳定。 (3)微分控制作用的特点： 通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用 可加快系统响应，使超调减小。缺点是对干扰同样敏感，使系统对干扰的 抑制能力降低。根据被控对象的不同，适当地调整 PID 参数，可以获得比 较满意的控制效果。因为其算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制 精度，因此它成为当前最为普遍采用的控制算法。 PID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 R(t)与实际输出值 C(t) 构成控制偏差： E(t)=R(t)C(t) (2.1) 将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过组合构成控制量对被控对象 进行控制，故称 PID 控制器，其控制规律为： U(t)=Kp E(t)+ + (2.2) 1 Ti t dttE 0 )( ( )dE t Td dt 上式中:Kp 是控制器比例系数 是控制器积分时间常数 1 Ti 是控制器微分时间常数 Td 计 10 E(t)是系统设定值和被控量之差 U(t)是控制器输出 由于式(2.2)为模拟量表达式，而 PLC 程序只能处理离散数字量，为此，必 须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。令 U(t)U(KT) E(t)E(KT) T t dttE 0 )( K j jTE 0 )( (2.3) dt tdE )( T TKEKTE) 1()( 则可得可得到位置式数字 PID 算法： U(K)=KpE(K)+Ki+KdE(K)-E(K-1) (2.4) K j jE 0 )( 式中：T 为采样周期,Kp 为比例增益系数，Ki=KpT/称为积分系数，Kd Ti 二 Kp/T 称为微分常数。U(K)是 U(KT)的简写，E(K)是 E(KT)的简写。 Td 位置式算法对偏差进行累加，然后给出执行机构的位置控制量。使用 位置式 PID 数字控制器会造成 PID 运算的积分积累，引起系统超调，这在 生产过程中是不允许的。 由(2.4)不难得到： U(K-1)= KpE(K-1)+Ki+ KdE(K-1)-E(K-2) (2.5) 1 0 )( K j jE 将式(2.4)与式(2.5)相减即可得到增量式算法： 计 11 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 控制算法是对偏差增量进行处理，然后输出控制量的增量，即 执行机构位置的增量。增量式 PID 数字控制器不会出现饱和，而且当计算 机故障时能保持前一个采样时刻的输出值，保持系统稳定，因此增量式算 法比位置式算法得到更广泛的应用7。 至此，式(2.6)已可以用作编程算法使用了。 2.2.3 现场滤池控制器现场滤池控制器 滤池控制器首先控制滤池的液位，把液位大致稳定在一个范围内，达 到维持相对稳定的滤速的目的。一般的液位控制是由调节阀来完成的。以 来自液位计的液位信号作为反馈信息，PLC 作为控制器，调节阀作为执行 器形成一个典型的闭环控制系统，如图 2.5 所示。一般 PLC 都可以实现 PID 功能。液位控制时，把液位计测定值与设定值比较，使用比例或比例 积分环节进行计算，结果作为阀位给定值送至调节阀的比例执行器，由其 完成阀门的动作。这种控制实现简单，效果很好，可以十分精确的控制液 位。 PLC调节阀液位 A/D 图 2.5 滤池液位控制框图 但是在净水厂滤池中，对液位的精度要求不高，无需将液位稳定在一 指定高度，只要保持在一个较宽松的范围内即可。此时，可以用开关阀替 代调节阀来调节液位，降低投资成本。开关阀的液位控制仍然适用闭环反 计 12 馈的基本原理，但具体情况与调节阀的有很大不同。开关阀的驱动信号有 两个，一个开阀，一个关阀，两者都是开关量，只要持续为 ON，阀门就 会持续动作，直到全开或全关，不会始终保持在一个位置上；而调节阀是 由一个模拟量的开度信号驱动的，阀门随着该信号的变化而动作，若信号 不变，阀门位置不变。所以，可以对调节阀进行控制的 PID 计算结果，对 开关阀无效。通过 PLC 计算得出阀门位置的机制也就不再适用，需要重新 设计。 最简单的办法是采用双位调节，即液位高于设定时，打开阀门，低于 设定时，关闭阀门。此方法非常容易实现，但缺点也非常突出:它的动作非 常频繁。系统中的运动部件，如阀杆、阀芯和阀座等会经常摩擦，很容易 损坏。这一点在实际工程中非常重要，许多场合都必须刻意避免阀门频繁 动作。所以，该方法不能直接使用。 双位调节可以看作是一个极端的比例系数很大的比例控制，对任何一个偏 差，不论大小，都会产生饱和满载的输出。根据比例环节比例系数对过渡 过程的影响，当比例系数增大时，会产生如下变化： (1)振荡倾向加强，稳定程度下降； (2)工作频率提高，工作周期缩短。 这就是双位调节导致阀门频繁开关的原因。如果减小这个所谓的比例系数， 就可以减小阀门动作频率，并增强系统稳定性。 下面谈谈如何实现。实际上开关阀的开与关不是瞬时完成的，而是有一个 动作时间。如果对这个动作时间做出限制，就可以对阀门开度进行控制。 这首先要求电气执行机构的改变。一般的开关阀，执行机构是由连锁的， 只要动作信号一给出，不管是否保持，阀门都要持续动作到底(关死或开足)， 不会中途停止。也就是说，阀门每次的动作时间都是相同的，不可更改。 所以，要控制动作时间，在执行机构中就不能有连锁。这样一来，PLC 就 计 13 可以通过控制动作信号的持续时间，控制阀门的动作时间了。 然而，仅仅缩短一次性动作时间仍然不能实现稳定控制。液位的滞后 性较强，PLC 在检测到其改变(由低于设定变为高于设定，或反之)前，会 不断发出阀门动作信号，直至动作到底。情况跟先前并没什么不同，只是 由一次动作变为多次动作了，频繁性没有得到根本的改变。单纯的比例控 制在对付滞后系统时确实很困难。参考常被应用在较强的滞后系统中的采 样 PID，它通过延长反馈信号的采样周期，延缓 PID 输出的更新频率，以 适应系统的滞后性。采样周期和动作时间的结合，极大的降低了阀门的动 作频率，系统也更加稳定了。 这样，对双位调节增加两个时间控制，实现了开关阀对液位的调节。 具体两个时间如何确定，可以先估算，再具体调试。首先估算滤速，平均 的滤速 V 可通过下式求得： V= 滤格面积生产时间（秒）滤池个数 生产量 以日产量为 144000 吨为例： V=0.0058（米/秒） 362436008 144000 假设这个速度是在阀门 90%开启度的时候达到的，那么阀门每改变百分之 一的开度，对滤速的影响为 0.006 厘米/秒。由于事实上不断地有水流入滤 池，实际的液位下降速度要比 0.58 厘米/秒慢很多，所以采样的间隔可以 设的比较长，达到十几秒钟。阀门的动作时间也不必很长，有整个开启(或 关闭)时间的 5%即可。在本例中，最终的取值是这样的:采样间隔 15 秒， 一次动作时间 1 秒(由全开至全关的动作时间为 18 秒)。 至此，液位控制己经可以实现，但仍然可以进一步优化该控制，继续 减低阀门的动作频率。当液位变化的趋势(上升或下降)与控制预期相同时， 阀门的动作是非必要的，可以免除，当趋势与预期不同时，才需要阀门动 计 14 作进行调节。所以，如果能够判断液位的变化趋势，就可以进一步减少阀 门动作。具体实现是一次采样后，将该值备份，使其不会在下次采样时被 更新。这样就可以对连续两次采样的值作一个比较，判断液位的升降。之 后再结合液位情况，确定阀门是否动作。比如：液位高于设定值，而正处 于下降状态，则阀门不动作。相应的，液位低于设定而正在上升，阀门也 不动作。 开出水阀T2秒 开始 采样（周期为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？ 关出水阀T2秒 是否 否 是 是否 否是 图 2.6 出水阀的液位控制流程 2.2.4 现场控制器与反冲洗控制器的协调现场控制器与反冲洗控制器的协调 先从反冲洗的一般过程说起。在一般滤池系统的五个阀门中，进水阀、 出水阀在过滤时应打开，而反冲气阀、反冲水阀和排污阀则应关闭。在反 冲洗时，进水、出水阀关闭，气冲、水冲、排污阀打开。所以，反冲洗过 程会伴随着一系列的开阀关阀动作。具体过程是这样的:得到信号开始反冲 洗后，首先关闭进水阀，并将清水阀开至最大，液位加速下降，滤池即将 真正退出过滤。液位降至设定的反冲洗水位时，关闭出水阀，打开排污阀， 待排污阀信号到位后准备开始反冲洗。反冲洗包括气冲、水冲。先开反冲 气阀、鼓风机，气冲开始。6 分钟后， 计 15 关闭鼓风机、反冲气阀。打开反冲水阀，开启反冲水泵，水洗 6 分钟，完 成后关闭反冲水阀，停水泵，关闭排污阀。最后，打开进水阀，等液位升 到接近恒水位时，滤池反冲洗正式结束，打开清水阀，系统进入正常的过 滤程序。整个过程，如图 2.7 所示。 这样一个繁琐的过程，要由两套控制器共同完成，一套(滤池控制器， 即现场 PLC)控制阀门，另一套(反冲系统控制器，即主控 PLC)控制鼓风机 和水泵，它们之间的协调与沟通至关重要，需要约定一个可靠的沟通机制。 基本上，这个机制就是一系列的标识，用来向其它控制器表明自己当前的 状态。这些标识作为信号在通讯网络上发送，以“O”、 “1”表示。当滤池或 反冲系统处于某一状态时，相应标识置“1”，向另一控制器发送，当这一 状态结束时，标识清零，再向另一控制器发送。标识的值随着状态的变化 而变化。一般的通讯沟通都要求接收方返回一个确认信号，表明正确收到 被发送信号，以备信号在传送过程中丢失。但这里无须考虑此问题，因为 连接控制器的网络自身的通讯协议己能够确保信号传送的可靠性8。 下面再讨论一下标识的设立。首先，不能有两个滤池同时进行反冲洗， 一旦有两个滤池的气冲或水冲阀同时打开，冲洗就不能顺利进行。 计 16 正常过滤 关进水阀 关出水阀、开排污阀 开反冲气阀、开鼓风机 关鼓风机、关反冲气阀 开反冲水阀、开反冲水泵 关反冲水阀、停水泵 关排污阀、开进水阀 图 2.7 调整前的反冲洗过程 因此，要建立一个标识，表明有滤池在反冲洗，其它滤池不能进行反 冲洗，以阻止滤池控制器控制滤池进入反冲洗状态。接着，当气冲阀打开 后，要有一个标识，传递给反冲洗系统主控制器通知它开鼓风机。同样， 计 17 还要有一个标识，通知反冲洗系统主控制器开反冲水泵。在鼓风机和水泵 停止后，又分别要有一个标识，通知滤池控制器关闭反冲气阀和反冲水阀。 这一系列的标识，就是两套控制器之间实现沟通协调的方法。然而，若不 对反冲洗的过程作一些调整和简化，这种方法会十分复杂，不易实现。原 因如下:上述的标识只是一部分，实际的工程中还涉及了故障报警，故障处 理等问题，需要添加大量标识。这不但提高了工作程复杂程度，还很难保 证遇到突发故障时的有效处理，整个沟通过程将会设计的很庞大、复杂。 而且当系统中不只两台控制器时，标识个数又会成倍增加，尤其在大系统 中应用时，如此数量庞大的标识使沟通的编程实现十分困难。 要减少表明滤池或反冲洗系统所处状态的标识，须从反冲洗过程入手， 减少需要向其他控制器传送的中间状态。经过与老师和同学们的讨论，可 以对原先的反冲洗过程作一些修改，以得到一套简化许多的通讯方案。原 先沟通机制过于复杂的原因在于阀门控制和反冲洗系统的控制穿插进行， 两套控制器各自实施控制常要以对方的控制完成为条件。新的方案则可以 减少这种条件，使通讯大为简化。 调整后的反冲洗过程可分为三个阶段:反冲洗前的开、关阀阶段，反冲 洗阶段，反冲洗后的关、开阀阶段。流程示意图如图 2.8 所示。第一阶段 由滤池控制器控制，也是先关闭进水阀，开足清水阀，液位降到设定的反 冲洗水位后关闭出水阀，再打开排污阀，反冲水阀和反冲气阀。与原来不 同的是，此处现场 PLC 仅仅只涉及到这些阀门的动作，没有任何涉及反冲 洗系统的控制。所有阀门到位后，滤格控制器向反冲洗系统控制器传递一 个标识，进入第二阶段。这一阶段没有任何涉及阀门的控制，全部是关于 鼓风机、水泵的操作，由反冲洗系统控制器独立完成。冲洗完毕，反冲洗 系统控制器回给滤池控制器一个标识，进入第三阶段。滤池控制器关闭反 冲气阀、反冲水阀、排污阀，再打开进水阀，液位接近过滤恒水位时，开 计 18 出水阀，进入正常的过滤工序。 关闭进水阀、出水阀，打开排污 阀、反冲气阀、反冲水阀 气冲、水冲 关闭反冲水阀、反冲气阀、排污 阀，打开进水阀，出水阀 冲洗完后给出冲洗结束标 识 开、关阀阶段完成后，产 生反冲洗标识 图 2.8 调整后的反冲洗过程 这个方案中，两控制器的控制作用阶段分得很清晰，便于控制器集中 完成控制任务，不仅简化了协调过程，对于简化突发故障的处理也很有意 义。比如:在开反冲水阀时遇到故障，原先的处理要发出报警，主控 PLC 还要阻止水泵的启动，两套控制器都要参与处理。而新方案中，阀门没有 到位，就不会送出标识，故障的处理仅由滤池控制器单独进行。 上述的控制器协调机制是只有两套控制器的最简情况，当滤池控制器 有多个时，情况要复杂一些，但并没有太多不同。每个滤池控制器都可以 此机制与反冲控制器沟通。由于同一时刻只允许有一个滤格处于反冲洗状 态，其它滤格只能进入等待队列，所以一次反冲洗只会有一个滤格控制器 与反冲洗控制器进行沟通，换句话说，实际上的通讯并不会很复杂，而是 有一定的秩序。由此也可见，在多滤池系统中，正在反冲洗的状态标识是 最重要的一个，它类似于交通信号灯中的红灯，禁止其它滤池与反冲洗系 统进行非法的通讯，保证通讯协调的正常秩序，避免混乱的发生。 以两台控制器组成的滤池控制系统，在净水厂滤池自动化中有较强的实际 意义，既可以在它的基础上，扩展成为多控制器滤池系统，适应大型水厂 计 19 的需要，也可以用于老旧中小型水厂的扩建、改造。在我国目前许多城市 规模扩大、人口增加，对自来水需求量迅速增长的情况下，有很大的应用 前景。 山东科技大学学士学位论文 控制系统的硬件设计 0 3 控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计 3.1 滤池实现自动控制所需的设备滤池实现自动控制所需的设备 3.1.1 自控设备清单自控设备清单 整个滤池的自动控制所需的硬件设备，由表 3.1 所示。 表 3.1