（计算机软件与理论专业论文）水厂滤池自动化系统的方案设计和关键技术的研究.pdf

摘要 供水是一个关系国计民生的重要产业。随着社会的发展和人民生 活水平的提高，对城市供水提出了更高的要求，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，滤池运行得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。 本文针对目前正在实施的柿园水厂滤池自动化改造项目，结合黄 河水质特点、水厂的功用等诸多方面，详细探讨了该水厂的滤池自动 控制系统的总体方案设计，采用具有实时控制功能的模块化设计方 案，充分挖掘组态软件的功能，利用基于p l c 的p i d 算法实现了滤池 恒水位的控制。改造后的滤池白控系统既可保持独立运行，同时作 为水厂调度系统的一部分，要求调度室能实时观测滤池运行情况，滤 池站也可通过网络监测到其它分站的信息，为此采用s l c 系列p l c 和 组态王软件设计了监控程序，实现管理和控制一体化。 改造后滤池可实现自动恒水位运行、自动气水反冲洗，远程监控， 实现无人值守。 关键词：供水滤池p i d 算法p l c 编程监控系统梯形图 a b s t r a c t w a t e rs u p p l yi sa j li m p o r t a i l ti n d u s 廿yc o n c e m e dw i t hn a t i o n a l e c o n o m ya n dm ep e o p l e sl i 、，i n g w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm es o c i e 哆a n d t h ei m p r o v e m e n to f ( h cp e o p l e sl i 血gs t a n d a r d ，t h eh i 曲e rr e q u i r e m 衄t f o rt h ew a t e rs u p p l yi nc i t i e sh a sb e e np u tf o r w a r d ，w h i c hi sn o to n l yt o m e e tt h en e e do fp r c s s u r eo fp i p e l i n e sa n dn e t s ，t oe n s u r ea d e q u a t ew a t e r s u p p l y ，b u ta l s ot or e q u i r e 也eo b v i o u si m p r 0 v e m e n to fw a t e rq u a l i 够t h e 矗l t e ri st h el a s tp r o c e d u r ei nw h i c hm ew a t e r w o r k sd e a l sw i mw a t e r p u r i f i c a t i o nf a c i l i t 主e s ，w h o s e 劬c t i o nd i r e c t l ye f r e c t sm eq u a l i t ) ro ft h e e f n u e n t舳mt l ew a 姐w o r k s t h e b a c k w a s h i n g o ft h ef i l t e ri s c o r n p l i c a t e di np f o c e s sd e s i g n i fw es t i l la ( 1 0 p tt h ea r t i f i c i a lm o d e ，w e w i l lh a v eah e a v yl a b o ri n t e n s i 哆a n da1 0 wl a b o re 伍c i e n c ya n di t s d i 衢c u l tf o ru st oe 璐u r et h es a 兜t y s o 、em u s t 拓a n s f o h nt h ea u t o m a t i c s y s t e mo ft h ef i l t e r a i 觚n ga tt h ef i l t e r sa u t o m a t i c 仃a n s f o n i l i n gi t e m sb e i n gc a r n e do u t i ns h i y u a l lw a t e h r k s ，a n dc o m b i n i 工l gw i mt h ew a t e rc h a r a c t e r i s t i co f t h ey e l l o w 谢v e r ，m ef l l i l c t i 咖o ft h ew a t e 州o r k sa 1 1 do m e ra s p e c t s ，m e a n i c l ep r o b e si n t ot h es a i dw a t e 州o r k s t h eo v e r a l lp r o 舒a md e s i 趴o fm e f i l t c r sa u t o m a t i cc o n 仃ds y s t e mi nd e t a i l ，w h i c ha d o p t s 山em o d u l a r d e s i g np l a i lh 疵l gt h e 如t a n t l yc o n 们l l m gm n c t i o n ，d e v e l o p s t h e 触l c t i o n so fc o n 6 9 u r a t i o ns o 脚a r et ot h e 彻1a n dm a k e sg o o du s eo f p i da l g o r i t h mb a s e do np l ct o 缸l 丘1 1t h ec o n 打o lf o rc o n s t a n tw a t e r1 e v e l i nm ef i l t e r _ t h ct r a l l s 触da u t o m a t i cs y s t e mo fm ef i l t e rc a l l 觚c t i o n i n d e p e n d e n t l y ，a n di nt h cm e a n w h i l e ，a sap a r to f 也ed i s p a t c hs y s t e m ，i t c a nd e m a n dt b ed i s d a t c h e r so f b c et oo b s e n 7 et h ef u n c t i o no ft h e 颤l t e r t h ef i l t e rs t a “o nc a na l s og e tm es u b s t a t i o n si n f o n l l a t i o nb ym en e t s o a d o p 曲gt h ep l ci nm es e r i e ss l ca n dc o n 6 9 u r a t i o nk i n gs o 脚a r e ， t h e yh a v ed e s i 印e dt 1 1 em o n i t o 五n gp r o c e s sa j l df u l 6 1 1 e dm ei n t e g r a t i o no f 眦a g e m e n ta n dc o n 仃0 1 t h et r a n s f b n l l e df i l t e rc a nb r i n ga b o u ta u t o m a t i cc o n s t a n tw a t e rl e v e l m o v e ，t h ea u t o m a t i cb a c k 一眦s h i n 舀1 伽g - d i s t a i l c em o n i t o r i n ga n dr e a l i z e s e l f s e r v i c e k e yw o r d s ：w a 七e rs u p p l y ；f i l t e r ；p i da l g o r i t l l m ；p l cp r o g r a m m i n g ； m o n i t o r i n gs y s t e m ； l a d d e rd i a 铲a m l l l 郑重声明 y 9 s 6 7 1 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学 位论文没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行 为，否则，本人愿意承担由此产生的一切法律责任和法律后 果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：荔乙 卯 2 0 0 5 年1 1 月8 日 承r 滤池自动钝系统曲方案设计和关键技术的研究 1引言 1 1 系统设计的背景 1 9 5 4 年建成的柿园水厂是郑州市的供水骨干厂，曰供水能力3 7 万吨左右， 水源采用黄河水，供水量占全市供水的4 5 。近年来黄河水质不断下降，给水厂 的水质安全带来了很大的压力；另一方面，随着社会的发展和人民生活水平的提 高，对城市供水提出了更高的要求，不仅要满足管网压力需要、保证充足供水， 还要求水质明显提高。滤池作为保障水质的重要环节，其作用越来越受到重视。 1 2 系统的现状及存在的闯题 受当时的技术条件和经济状况的制约，柿园水厂建厂初期兴建的滤池( 称为 北滤池) ，以及9 0 年代兴建的一个滤池( 称为南滤池) 均为普通快滤池，每座 滤池池型、面积一样，各有滤格6 组，共1 2 组。 滤池运行参数如下： 单格面积：f = 5 5 i l l 术1 1 o m ：6 0 5 m 2 进水浊度：5 6 n t u 滤后水浊度： 1 n t u 运行周期： 南滤池：t = 1 2 h 北滤池：t ：1 6 h 反冲洗强度：q = 1 4 l m 2 s 冲洗历时：t = 5 8 m i n 每组滤格均采用“丰”字管形式的大阻力配水系统，单水反冲。随着国家对 水质标准的提高要求，已满足不了新的水质生产工艺要求。这种单水反冲主要是 反冲效果不理想，滤料易积泥，滤料层的截污能力末得到充分利用，且冲洗耗水 量大；滤池冲洗时，由于滤料膨服，因而自动进行水利分级，形成下粗上细的滤 料层，其上部易被堵塞，即水头损失增长较快，产生负压过滤，因而影响过滤周 期，下层滤料又不能充分发挥截污作用。因此，进行滤池技术改造已是当务之急。 承厂滤池皂动诧系缝的方案设计和关键技术的研究 根据运行记录，普通快滤池存在以下问题： ( 1 ) 运行周期短 根据运行记录，两座滤池运行周期多在1 6 h 一2 4 h 之间，这造成有效时间短及 反冲总洗耗水量大。 ( 2 ) 反冲水浪费严重 根据运行记录平均日耗水量为： 南池：q 1 = 5 0 0 0 一7 0 0 0 m 3 北池：q 2 = 7 0 0 0 9 5 0 0 种 每天总耗水量：q = 14 0 0 0 m 3 ( 3 ) 滤池出水浊度难以进一步降低 目前滤后水浊度暂时符合国家标准，但这是在低负荷运转的情况下，若不进 行改造，在未来达到设计负荷情况下，进一步降低滤后水浊度已十分困难。 ( 4 ) 滤池运行过程中也存在问题 a 各格滤池进水不均匀，造成个别滤池工作周期缩短，难以控制出水水质。 b 单格滤池面积过大，在反冲洗时造成局部地方不均匀，易积泥板结，造 成局部流速过大，影响出水水质。 1 3 系统设计的国内外研究 现代化的自来水厂采用计算机控制技术日益普遍。欧美国家一些城市水处理 厂已经用计算机进行数据记录和运行过程控制，甚至实现全自动化无人值守控制 模式“。如美国爱荷华水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药荆， 1 9 7 5 年应用直接数字式计算机控制自动加矾，运转一年就降低矾耗2 0 ，并且提 高了管理水平和稳定了水质“4 。此外，俄罗斯的莫斯科水厂、日本东京朝霞水厂 等也先后采用计算机自动控制水厂生产，取得较理想效果。现在许多美国大中型 水厂均由一套集散型的自动控制系统进行控制。在厂区范围内设有若干台现场计 算机，对整个水处理过程实现多环路控制，其中包括沉淀、过滤和反冲洗、化学 药剂投放等。设在中心控制室内的计算机皇机从各个现场计算机中搜集数据，并 提供图表显示、曲线、各个设备动作记录、设备故障报警等。在计算机自动控制 系统发生故障时，每一个自动控制过程都可切换成手动控制”。 2 农r 滤池包动证系统构方案设计和关键技术的研究 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 技术已沿用多年，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弱反冲洗方式。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“1 。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”1 。气水反冲洗工艺目前仍存在一些有待解决 的问题：( 1 ) 采用高气冲强度势必导致配气系统的尺寸和设备容量增大，能耗增加， 提高制水成本。( 2 ) 采用高气冲、低水冲工艺对滤池进行冲洗时，滤池仍存在跑沙 现象。( 3 ) 采用长柄滤头小阻力配水、配气系统，不仅增加了工程造价，而且滤池 面积过大易造成配水、配气不均现象，影响冲洗效果。同时，在实际运行中常常发 生长柄滤头堵塞，导致冲洗效果欠佳，甚至局部滤料产生积泥现象。( 4 ) 反冲洗结 束后，残留在滤层中的空气不能全部被排出，滤层初期的过滤阻力有所增加。( 5 ) 采用气水同时反冲洗后，需对滤池进行单一水漂洗，气水同时反冲洗时水冲强度 与单一水漂洗时的水冲强度大小不同，增加了操作管理的复杂性。 1 4 论文的结构安排 鉴于目前滤池运行中存在的问题，为了确保滤池的正常运行，提高出水水质， 计划对滤池进行技术改造。改造内容为：l 、原来的水冲洗系统由水反冲改为气一 水反冲：2 、根据工艺要求，增加自动控制系统及相应的仪器、仪表和设备；3 、 利用p l c 编程技术进行自动化控制以及远程监控管理。 在滤池气水反冲自动化控制中，恒水位的控制以及监控软件的设计与实现是 本文作者研究生期间从事的主要科研工作，本文是在项目结束后对该项工作进行 总结的基础上，并做进一步研究探讨完成的。本文在第一章详细介绍了整个系统 的背景、问题以及当前的发展现状，引出了本谋题的来源和意义。系统的整体方 案功能及总体设计放在第二章。第三章针对可编程序控制器p l c 的编程语言从技 t 承r 游泡自动佬系境精力案设计和关键技术携研究 术的角度进行理论性的研究。第四章论述了利用基于p l c 的p i d 算法解决滤池恒 水位控制的关键技术的研究。第五章论述了在滤池自动化设计中监控程序的设 计、方法以及各子模块的具体软件实现，尤其是针对组控软件与s 吼或者a c c e s s 数据传输作了具体的研究。第四、五章为本文重点，每章结束都给出了该项方案 运行的结果。最后在第六章总结了整个系统测试的结果并对未来的展望做出一定 的设想。 1 5 小结 本章简述了本系统的背景、现状以及存在的问题，提出了系统改造的可行性， 并根据国内外的研究成果，确定改造基本思路，拟采用自动控制来进行水厂滤池 的管理，同时总结出了本论文的整体结构。 4 t 水r 滤池自动化系统的方案设计和关键技术的研究 2 滤池自动化系统的方案设计 2 1 滤池结构和自控的条件 本水厂水处理过程的滤池全部采用v 型滤池。滤池的进水源来自沉淀池， 经过滤池的沙层和滤口的过滤，清水从滤池出口流出，送入清水库。本滤池由 1 2 个v 型滤格组成，每个滤格均已配有模拟电动进水阀，模拟电动出水阀，电 动反冲洗阀，电动反冲气阀，电动表面漂洗阀，电动放气阀和电动排水阀等。此 外，每个滤格必须已配好二次仪表，包括水位监测仪，压力或差压变送器等。对 整个滤池，还必须配有鼓风机组，一般由2 3 台鼓风机组成。每台鼓风机分别还 需配有电动气阀和压力变送器。本滤池采用具有足够水位差的清水渠或清水库提 供反冲洗水，故可省去反冲洗泵，但必须已配有反冲洗阀和压力变送器。同时， 还必须配有各计量仪表和水质监测仪表，如流量仪，浊度仪，余氯仪和压力仪等 等”。 水位监测仪用来提供每个滤格的实时控制水位信号，p l c 控制器根据这个信 号，作出判断，来控制本滤格出水阀的开度，使本滤格处于恒水位状态，保证滤 池正常运行。同理，模拟电动出水阀接受p l c 的控制信号，按要求连续调节出水 阀的开度，来达到滤池的恒水位。其他的各电动阀，鼓风机和各二次仪表，都用 于反冲洗的过程。 2 2 滤池实现自动化控制的方案 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 ) 在每个滤格上，各配置台p l c ( p r o g r 删b l el o g i cc o n t r 0 1 1 e r ) ，分别 控制这个滤格在正常过滤状态下的运行。 ( 2 ) 给每个滤格的p l c 编制运行软件，以保证每个滤格按生产工艺的要求自动运 行。 ( 3 ) 整个滤池配台功能稍强的主p l c ，控制滤挑的反冲洗，使每个滤格的反冲 洗能按照反冲洗的时问，或水头损失的大小自动和稳定的进行。 永r 滤池自动忧系统的方案设计翮关键技术的研究 ( 4 ) 每个滤格的反冲洗，均可在3 种状态下进行：( i ) 自动反冲洗；( i i ) 半自动 反冲洗；( i i i ) 手动反冲洗。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p l c 运行均由一台主控p l c 控制。主p l c 和各分p l c 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p l c 发生故障，并不会影 响到各滤格的正常运行。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p c 机作为上位机，配有k t x 卡和专为 用户玎发的监控软件。用户可以在p c 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，包括滤池各滤格的水位，滤池运行时间，滤池目前的运行状 态，各滤格的出水阀的开度，滤后水流量，各阀门的工作状态等。 重要参数的显示和设置，包括每个滤格的p i d 参数，反冲洗起始水位，反冲洗 的水冲时间，气水混冲时间，水冲时间，表面沙层稳定时间等等。 模拟数据的实时瞌线显示和历史雎线显示。 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，半自动和手动选择。 ( 7 ) 采用美国r o c k w e l la b 公司的p l c 的产品，以保证滤池运行的稳定和可靠。 2 3 滤池自控方案的总体结构 滤池自控系统构成一个独立的p l c 控制系统，包括主控部分、就地分控部分 以及辅助部分。主控部分由一台公共控制柜( s l c 5 0 4 ) ，一台上位工控机组成， 公共控制柜负责气水反冲的控制，上位机用于实现人机对话；分控由1 2 个就地 控制柜组成，每个控制柜负责管理每个滤组的恒水位运行；辅助部分包括反冲泵 承r 滤泡自动纯系统的方案设计和关键技术的研究 站、低压配电系统，鼓风机等。整个滤池的运行可在以下三种方式下工作：1 ) 、 现场就地手动控制；2 ) 、p l c 自动控制；3 ) 、上位机远程控制。其网络拓扑如 图2 一l ： pc l # 就地 控制柜 2 # 就地 控制柜 3 # 就地 控制柜 甜就地 控制柜 各滤组分控p l c 5 # 就地 控肯i 柜 硎就地 控制柜 7 # 就地 控制柜 8 # 就地 控制柜 图1 1 滤池自控网络拓扑图 2 4 滤池实现自动化所需的设备 整个滤池的自动控制所需的硬件设备，由表2 一l 所示 表2 一l ：滤池自控硬件设备清单 9 # 就地 控制柜 1 0 # 就 地控制柜 1 l # 就 地控制柜 1 2 # 就 地控制柜 序号设备名称设备型号数量 l p l c 可编程控制器 s l c 一5 3 2p r o c e s s o r17 4 7 一l 5 4 31 2 p l c 机架 s l c1 3s 1 0 t sc h a s s i s1 7 4 6 一a 1 31 3 p l c 电源 s l cp o w e rm o d u le1 7 4 6 一p 41 4 开关量输入模块 d im o d u l e17 4 6 一工b 1 63 5 开关量输出模块 d om o d u l e1 7 4 6 一o b l 62 6 模拟量输入模块a n a l o gi n p u tm o d u l e 1 7 4 6 一n 1 82 7 机柜及继电器和附件1 承广滤池色动化系统构方案设计和关键技术的研究 通讯电缆 d a t ah w yt w i n a x i a l1 7 7 0 c d l 03 c a b l e 1 0 0 0f t 3 0 5 m 8p l c 可编程控制器 s l c 一5 2 41 7 4 7 一l 5 4 l1 2 9 p l c 开关量输入模块 d im o d u l e1 7 4 6 一i b l 61 2 1 0 p l c 开关量输出模块 d om o d u l e1 7 4 6 一o b l 61 2 1 1 p l c 模拟量输入模块 a im o d u l e1 7 4 6 一n 1 41 2 1 2 p l c 模拟量输出模块 a i a 0m o d u l e1 7 4 6 一n 1 0 4 i1 2 1 3 p l c 机架( 7 糟) s l c7s l o t sc h a s s i s1 7 4 6 a 71 2 1 4p l c 电源s l cp o w e rm o d u l e1 7 4 6 一p 21 2 1 5 p l c 与p c 机通讯模块 1 7 8 4 一k t x1 1 6 p c 机 a p t i v a6 0 ci b ml 1 7 机柜及继电器和附件 1 2 滤池设备中，用一台s l c 5 3 2 作为主要的控制器，并配有2 块模拟量采集板， 可有1 6 路模拟数据量，用于各模拟量如反冲洗水压力，鼓风机出口压力，反冲 洗水流量，反冲气流量，滤后水流量，滤后水浊度，余氯等。2 块共3 2 路开关 量输出板，3 块共4 8 路开关量输入板，用于滤池反冲洗时各阀门的实时控制。其 它1 2 台p l c 分别用于每个滤格的工作。即每个滤格分别由一台p l c 和配套的 i 0 板等组成，保证它们在正常过滤时的工作。所需的软件设备，如表2 2 所示： 表2 2 ：滤池自控软件设备清单 序号软件名称设备型号数量 l p l c 编程软件r s l o g i x 5 0 09 3 2 4 一p l 0 3 0 0 e n e #l v e r s i o n2 x 2 工控平台软件 组态王 9 3 0 1 2 s e 3 3 0 0 #1 3 p l c 工控程序开发和平台软 1 件开发 r s l o g i x5 0 0 作为开发p l c 控制程序的开发工具。组态王用于上位机应用程 序的开发。 滤池的控制设备，包括主p l c 和各模块板等，以及中间继电器，各类开关， 阀门开度显示器，指示灯等等，均放置在1 个机柜内。1 2 台p l c 以及有关各模 块板，中间继电器，各类开关等等，均放在1 2 个机柜内。滤池各输入和输出的 模拟量和开关量信号连接至机柜内。 ， g t 农f - 滤池自动诧系统豹方案设计帮蓑键技术的研究 2 5 小结 本章根据滤池的结构及自动化的条件初步设定了自动化方案，并确定了滤池 实现自动化所需的软硬件及控制设备。 9 t 承r 滤池自动化幕统镌_ 方案设许和关键技术的研究 3 基于p l c 编程语言的技术研究 3 1 可编程序控制器( p l c ) 简介 可编程序控制器( p r o g r a m a b l el o g i cc o n t r 0 1 l e r ) ) 简称p l c 。所谓可编 程序控制器，就是一种专为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子系 统，它采用一种可编程序的存储器，在其内部存储并执行逻辑运算、顺序控制、 定时、记数和算术操作的指令，通过数字量或模拟量的输入输出来控制各种类型 的机械设备或生产过程“”。随着p l c 的发展，它不仅能完成编辑、运算、控制， 而且能实现模拟量、数字量的算术运算。 3 2p l c 工作原理 3 2 1 扫描的概念 扫描是一种形象化的术语，用来描述可编程序控制器内部的c p u 的工作过 程。所谓扫描就是依次对各种规定的操作项目全部进行访问和处理。p l c 运行时， 用户程序中有众多的操作需要执行，但是一个c p u 每一个时刻只能执行一个操作 而不能同时执行多个操作，因此c p u 按程序的顺序依次执行各个操作，这种需要 处理多个作业时依次按顺序处理的工作方式称为扫描工作方式。由于扫描是周而 复始无限循环的，每扫描一个循环所用的时间为扫描周期“。 顺序扫描的工作方式是p l c 的基本工作方式，它简单直观，方便用户程序设 计，为p l c 的可靠运行提供了有利保证。一方面，所扫描的指令被执行后其结果 马上就可以被后面将要扫描的指令所利用：另一方面，还可以通过c p u 设置定时 器来监视每次扫描时间是否超过规定时间，避免由于c p u 内部故障使程序执行进 入死循环。 3 2 2p l c 的工作过程 p l c 的工作过程基本上是用户的梯形图程序的执行过程，是在系统软件的控 制下顺次扫描各输入点的状态，按用户程序解算控制逻辑，然后顺序向各个输出 点发出相应的控制信号“。除此之外，为提高工作的可靠性和及时的接收外来的 控制命令，每个扫描周期还要进行故障自诊断和处理与编程器、计算机的通信请 l o 承r 滤池自动饨系统镌方案设计和关键技术的研究 求。因此，p l c 工作过程分为以下五步： ( 1 ) 自诊断 自诊断功能可使p l c 系统防患于未然，而在发生故障时能尽快的修复，为此 p l c 每次扫描用户程序以前都对c p u 、存储器、输入输出模块等进行故障诊断， 若自诊断正常便继续进行扫描，而一旦发现故障或异常现象则转入处理程序，保 留现行工作状态，关闭全部输出，然后停机并显示出错的信息。 ( 2 ) 与外设通信 自诊断正常后p l c 即扫描编程器、上位机等通信接口，如有通信请求便响应 处理。在与编程器通信过程中，编程器把指令和修改参数发送给主机，主机把要 显示的状态、数据、错误码进行相应指示，编程器还可以向主机发送运行、停止、 清内存等监控命令。在与上位机通信过程中p l c 将接收上位机发出的指令进行相 应的操作，把现场工作状态、p l c 的内部工作状态、各种数值参数发送给上位机 以及执行启动、停机、修改参数等命令。 ( 3 ) 输入现场状态 完成前两步工作后p l c 便扫描各个输入点，读入各点的状态和数据，如开关 的通断状态、形成现场的内存映象。这一过程也称为输入采样或输出刷新，在一 个扫描周期内内存映象的内容不变，即使外部实际开关状态已经发生了变化也只 能在下一个扫描过程中的输入采样时刷新，解算用户逻辑所用的输入值是该输入 值的内存映象值而不是当时现场的实际值。 ( 4 ) 解算用户逻辑 即执行用户程序。一般是从用户出现存储器的最低地址存放的第一条程序开 始，在无跳转的情况下按存储器地址的递增方向顺序的扫描用户程序，按用户程 序进行逻辑判断和算术运算，因此称之为解算用户逻辑。解算过程中所用的计数 器、定时器，内部继电器等编程元件为相应存储单元的即时值，而输入继电器， 输出继电器则用的是内存映象值。在一个扫描周期内，某个输入信号的状态不管 外部实际情况是否己经变化，对整个用户程序是一致的，不会造成结果混乱。 ( 5 ) 输出结果 将本次的扫描过程中解算最新结果送到输出模块以代前一次扫描解算的结 果，也称为输出刷新。解算用户逻辑到用户程序为止，每一步所得到的输出信号 承r 滤池自动他系统钓方案设计秘蓑键揸术昀研究 被存入输出信号寄存表并未发送到输出模块，相当于输出信号放输出门阻隔，待 全部解算完成后打开输出门一并输出，所用输出信号由输出状态表送到输出模 块，其相应开关动作。驱动用户输出设备即p l c 的实际输出“。 在依次完成上述五个步骤操作后p l c 又开始进行下一次扫描。如此不断的 反复循环扫描，实现对全过程及设备的连续控制，直至接收到停止命令、停电、 或出现故障。 3 3 p l c 的编程语言一梯形图 梯形图在形式上类似于继电器控制电路图，它简单，直观，易读，好懂，是 p l c 中普遍采用的一种编程方式。梯形图中沿用了继电器线路的一些图形符号， 这些图形符号被称为编程元件，每一个编程元件对应有一个编号。不同厂家的 p l c ，其编程元件的多少及编号方法不尽相同，但是基本的元件及功能很相近。 梯形图有如下特点o ”： 梯形图按自上而下、从左到右的顺序排列。每一个继电器为一个逻辑行，称为 一个梯形。每一个逻辑行起始于左母线，然后是触点的各种联接，最后是线圈， 整个图形呈梯形。 梯形图中的继电器不是继电器控制电路中的物理继电器，它实质上是变量存储 器中的位触发器，因此称为软继电器，相应的某位触发器为真态，表示该继电器 通电，其常开触点闭合，常闭触点打开。 梯形图中的继电器的线圈的定义是广义的，除了输出继电器、内部继电器以 外，还包括定时嚣、计数器等。 梯形图中，一般情况下某个编号的继电器线圈只能出现一次，而继电器的触点 是可以被无限制的引用，既可是常开触点也可以是常闭触点。 梯形图是p l c 形象化的编程方式，其左右两侧的母线不接任何电源，因而图中 各个支路也没有真实的电流通过，但是为了方便，常用有电流来形象的描述解算 中满足输出线圈的动作条件。所以仅仅是概念上的电流，而且认为它只能从左向 右流动，层次的改变只能是先上后下。 水r 滤浊a 动化系统的方案设计帮关键技术的研究 3 4 可编程序控制器p l c 的优点 能适应工业现场的恶劣环境，不要求空调，能抗电磁干扰与电压冲击。 简单，易于使用，不必要求微机软硬件方面的知识，编程不需要高级语言。 可靠性高，平均故障间隔时间( m t b f ) 超过2 0 0 0 0 小时，美国m o d i o c o n 和a b 两 家公司的产品可将m t b f 提高到5 0 0 0 0 小时。 编程或修改程序容易，程序可以保存和固化。 体积小，价格低。 可直接将数据送入处理器中，可直接连接到现场。 可在基本系统上扩展，系统容易配置，与负载最远距离可达1 0 0 0 0 英尺，内存 可以扩展。 有很强的通讯功能，可与多种支持设备连接。 系统化，有标准外围接口模块。 系统在一种现场不需要时，仍可改在另一种现场上使用等一系列优点“。 3 5 可编程序控制器p l c 技术发展的特点 体系结构向多样化发展 结构多样化的一个表现是，输入输出点数在2 5 6 点以下的小型p l c 基本上采 用非总线式结构，这种趋势仍然可能保持下去。千点以上的大型p l c 都有自己的 总线结构。近年来也有以标准总线为基础的产品，这种结构的产品使系统在控制 和通讯功能方面都得到了增强。多样化的另一个表现是在网络通讯方面，几大 p l c 厂家均有各自的通讯网，每个厂家内部也都配有不同层次应用的通讯网。如 g e f a u c e 公司有g e n e t ( p l c 对等网) 、g e n i u sl a n ( 远程网) 等等“”。 p l c 配套的智能外围模块发展迅速 高速计数器、位置控制、联网、通讯、远程等各种功能模块的发展大大扩展 了p l c 的应用领域，在某些方面的应用和工控机己没有实质的差别，如在运动控 制方面，两者都可以组成步迸电机或直流伺服系统，价格也不相上下。 软件逐步丰富 p l c 软件方面一般使用的仍然是梯形逻辑语言，据统计美国有7 0 的编程人员 1 3 承r 滤池宜动钝系统曲方案设计秘关键技术韵研究 仍使用它，而且它的功能也在不断的扩大。如美国的r d 一1 0 0 0 不仅能够实现梯形 逻辑编程，而且能够用于p d 调节；其次是指令表语言在一些小的p l c 中仍然使 用；较近的发展是顺序流程图( s f c ) 语言，s f c 是由功能模块、顺序和并行部分 组成，通过s f c 可以用条件辨别进行编程，直观方便且易于调试程序，目前己有 少数厂家实际应用了s f c 。s f c 本身己有国际和国内的标准，国内机械部自动化 所也开始在s f c 基础上开发p l c 自动编程系统，并取得了初步的成效。 结构小型化 象以v l s i 、a s i c 和s m t 技术为基础的工控机一样，p l c 也以此为基础向轻、 薄、短、小的方向发展，如一台2 0 点的微型p l c 可以放在手掌上，一台4 0 点的 p l c 也可整机集成在一块印刷电路板上，变的轻而薄。 系统规模趋于两极化 系统处理速度越来越快，大量使用专用c p u 芯片等也是p l c 发展的一些特点 n 7 】 3 6p l c 在滤池自动化中的应用 根据国外资料统计，工业控制中8 0 以上都可采用p l c 来完成。因为顺序控 制是工业控制不可缺少的一环，几乎任何一个过程控制和生产管理都是有步骤地 进行的，因此都可以采用p l c 。由于p l c 技术的飞跃发展，成为一种综合的控制 系统，特别是p l c 己经深入到智能控制，如机械手、机器人、实现离散数学模型 等，使p l c 技术的利用更为灵活与广泛。在水厂自动化系统中，滤池子站是整个 水厂控制系统的一部分其主机选用为工控机滤池子站下挂若干滤格子站，每格 子站都选用p l c ，采用d h + 网络联接反冲洗用一主p l c 控制通过网络将所有p l c 与主机连为一有机整体( 滤池子站) 再通过厂区控制网络与中心控制站主机相 联。p l c 有以下几种控制方式： 自动控制：p l c 根据滤层堵塞程度( 滤池水位) 和冲洗周期是否满足反冲洗条件 进行控制。如果滤池不满足冲洗条件，p l c 控制滤池正常运行( 恒水位过滤) ：如果 滤池满足冲洗条件，p l c 就会自动完成该池的气水反冲洗全过程，并对鼓风机、反 冲洗泵、阀门等被控设备进行保护控制( 分别由各自p l c 来完成) 。 集中控制：p l c 可接受中央调度中心的控制命令，直接控制滤池的启用、停用、 1 4 t 永r 滤池自动纯系统舶方案设计和关键技术的研究 反冲洗、按顺序完成滤池的反冲洗顺序控制，将各种状态信号、过程变量及时反 馈到中控室，并对鼓风机、反冲洗泵、阀门等被控设备进行保护控制。 监测：p l c 不控制阀门、反冲洗泵等设备，只对设备工况、生产数据、过程变量 进行监测和故障报警。 就地手动控制：人工现场操作，通过硬件切换，优先权高于( 自动控制) ( 集中控 制) 3 7 小结 本章主要是介绍了p l c 的简介、定义、工作原理、发展概况及其在实际应用 中的一些问题和技术特点，另外还介绍了在编制p l c 逻辑控制程序时需要注意的 一些问题和编程的一些常用的方法。最后总结了p l c 在滤池自动化方面的使用及 控制方法。 t 永r 滤池自动化系统啦方案设计和关键技术的研究 4 基于p l c 的p i d 算法在恒水位控制上的实现 4 1p i d 控制算法基本原理 p i d ( p r o p o r t i o n a li n t e g r a ld i f f e r e n t i a l ) 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。p i d 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p i d 控制，在工业生产过程控 制中，模拟量的p i d ( 比例、积分、微分) 调节是常见的种控制方式，这是由于 p i d 调节不需要求出控制系统的数学模型，至今为止，很难求出许多控制对象准 确的数学模型，对于这一类系统，使用p i d 控制可以取得比较令人满意的效果， 同时p i d 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p i d 的变种，有较强的灵活性和适用性“。 p l c 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p l c 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p i d 编程功能模块，只需设定好p i d 参数，运行p i d 控制指令，就能求得 输出控制值，而厂家一般只提供标准p i d 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p i d 控制的变种，如积分分离p i d 、不完全微分 p i d 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p i d 控制系统原理框图如图4 一l 所示，系统由模拟p i d 和被控对象组 成。 r ( t )e ( t ) 摹 u ( t ) + 。-。r 。i 7 - ：广j 图4 一l 模拟p i d 控制系统原理框图 永r 滤池皂动亿系境的方案设计翔关键技术曲研究 滤池恒水位控制技术的发展日新月异。从模拟p i d 、数字p i d 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，p i d 控制应用最多，也最具代表性。在p i d 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p i d 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k p 。缺点是对于具有自平衡( 即系统阶段响应终值为一有限值) 能力的被控对象存在静差。加大k p 可减少静差，但k p 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p i d 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。 p i d 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 ) 一c ( t ) ( 4 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p i d 控制器，其控制规律为： m 卜+ 寺f 张+ 学 一( 4 2 ) 水r 滤池自动纯系统韵方案设计和关键教术的研究 上式中：k 。控制器比例系数 t 。控制器积分时间常数； t 。控制器微分时间常数 e ( t ) 一系统设定值和被控量之差 u ( t ) 控制器输出 由于式( 4 2 ) 为模拟量表达式，而p l c 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 “( f ) “( 七，) 仑( f ) 8 ( 七丁) fp ( r ) 出z ，e ( _ ，r ) ，= u 旦盟。壁旦二坐! 二! 幽 则可得可得到位置式数字p i d 算法 “( 七) = 口( 七) + 蜀p ( ) + f p ) 一e ( 七1 ) = 0 式中，t 为采样周期：k p 为比例增益系数：k 。= k p t 。t 。称为积分系数：k 。= k p t 。t 称为微分常数：u ( k ) 是u ( k 。) 的简写，e ( k ) 是e ( k 。) 的简写。 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 p i d 数字控制器会造成p i d 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1 。 由( 4 4 ) 不难得到 t l “( 一1 ) = 置，时一1 ) + k e ( j ) + 如 g ( t 一1 ) 一e ( 一2 ) 1 i t o ( 4 5 ) 求厂涟池自动他系统的方案设计和蓑键技术的研究x 将式( 4 4 ) 与式( 4 5 ) 相减即可得到增量式算法 ”( 惫) = 甜( 七) 一村( 七一1 ) = ( 岛+ 丸+ 扫) d 七) 一( 岛+ 2 幻) f ( 七一1 ) + 口( 七一2 ) ( 4 6 ) 增量式p i d 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p i d 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。