②基于PLC的水厂滤池控制系统设计-控制方案

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 1V 型滤池工艺过程型滤池工艺过程 V 型滤池是一种粗滤料滤池的一种形式 因两侧 或一侧也 可 进水槽设计成 V 字形而得名 其主要特点是 1 可采用 较粗滤料较厚滤层以增加过滤周期 2 气 水反冲再加始终存 在的横向表面扫洗 冲洗效果好 冲洗水量大大减少 V 型滤池 由法国德意满公司在七十年代发展起来的 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 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 24H 工艺流程如图 2 1 所示 滤池正常过滤工艺过程 滤池反冲洗工艺过程 实时处理模块 图 2 1 滤池工艺过程简图 2 1 2V 型滤池的工艺结构及其控制原理型滤池的工艺结构及其控制原理 滤池的工作状况包括正常恒水位过滤和反冲洗控制两种 所 谓的滤池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 基本工艺简图绘制如图 2 2 所示 进 水 阀 排 水 阀 气 冲 阀 排 气 阀 清 水 阀 V型滤池 水冲阀 图 2 2 滤池工艺结构简图 恒水位过滤控制和自动反冲洗控制工作原理 1 滤池正常过滤的工作程序 依据水池中水位的变化调节出水阀的开启度来实现等速的恒 水位过滤 系统接收到水位计的水位信号 当水位信号高于设定 的恒水位时 开大出水阀 调节阀门的开启度 当水位信号低于 设定的恒水位时 关小出水阀 调节阀门的开启度 当水位信号 等于恒水位时 保持出水阀开启度 图 2 3 PID方程 设定水位SP 输出附 加处理 流速 偏差 前馈或输出补偿 运算输出 开度可调的清水出水阀 控制输出 滤格 过程变量PV 滤格水位 超声波水位计 图 2 3 恒水位过滤控制框图 滤池水位的控制是一个典型的 PID 闭环控制系统 控制过程 是 具有参数可调的 PID 方程根据设定值和过程变量输入之间的 误差 经运算后把输出信号传送给输出附加处理程序 再输出给 控制阀 对整个过程进行控制 即实际水位比设定水位的值大得 越多 输出的开度就越大 开度增加的数值是由一定累积时间内 水位上升的速度及实际水位和设定水位的差共同决定的 反应为 进水流速越快 清水出水阀开度越大 PID 方程计算的目标是 把受控的过程变量保持在设定值 附加值可作为补偿添加到输出 控制中 输出附加处理程序是把 PID 方程的运算按一定的规律输 出给清水阀 其控制方框图如图 2 滤池反冲洗控制的工作程序 当系统接受到手动强制冲洗信号 水头损失信号 定时冲 洗信号中的任一个指令时 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 2 1 3 滤池的控制系统组成及控制要求滤池的控制系统组成及控制要求 V 型滤池控制系统一般由受控设备 电气执行机构 PLC 控制器组成 其中受控设备可以分为两部分 滤池阀门和反冲洗 系统 常见滤池都有六个阀门 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 排水阀 在集水渠另一端 用于将反冲洗的污水排出的阀门 气冲阀 反冲洗时允许气流对滤层进行冲洗的阀门 排气阀 反冲后排出残留在气冲管道中的气体 防止其进入 滤层影响过滤 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的阀门 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 PLC 可编程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 滤池的控制与其它陈建略有不同 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 可以采取集中 单独控制器共同工作的 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 反冲洗和两者交替 目的就是保障过滤后水的浓度符合要求 过滤时要求维持一定的 滤速 本设计水厂滤池部分由 8 个 V 型滤池组成 每个滤池尺寸 为 6m 6m 6m 滤料采用单层 1 4m 加厚均粒石英砂滤料 设计 滤速为 9m h 气冲强度为 15 3L s 水冲强度 3 8L s 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 400 2 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 格滤池反冲洗 当多格滤池同时要求反冲洗时 系统自动按照先 进先出的原则排队进行 滤池正常过滤时 为实现恒水位过滤 设计以出水流量为控 制参数的滤池液位 PID 控制系统 在中控室设置主控 PLC 其主要的功能是负责和现场的 PLC 通信 收集反冲洗水泵 鼓风机等反冲洗设备信号 协调各格滤 池的反冲洗 2 2 系统总体方案设计系统总体方案设计 2 2 1 滤池自控方案滤池自控方案 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 在每个滤池上 各配置一台 PLC 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 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 或水头损失的大小自动和稳定的运行 4 每个滤池的反冲洗 均可在两种状态下进行 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 和各部分 PLC 既联系又独立 在正常运行时 他们各司其职 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 如滤池后水流量 浊 度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 7 采用西门子公司的 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 一台主 控上位机组成 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 责管理每个滤池恒水位运行和自动反冲洗 整个滤池的运行可以在以下三种方式下工作 1 半自动控 制 2 PLC 自动控制 3 上位机远程控制 其拓扑网络如 2 4 所示 主主控控PLC PC 现场PLC1现场PLC3现场PLC2现场PLC4现场PLC5现场PLC6现场PLC7现场PLC8 1号滤池2号滤池3号滤池4号滤池5号滤池6号滤池7号滤池8号滤池 图 2 4 滤池自控网络拓扑图 2 2 2 PIDPID 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 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 在工业生产控制过程 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 的变种 又具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 大型的可编程控制器 配置过程控制模块可同时对几十路模拟量进行闭环控制 单造价 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 软件可购买厂 家提供的 PID 编程功能模块 常规 PID 控制系统原理框图如图 2 5 所示 系统由模拟 PID 和被控对象组成 比例P 积分I 微分D 被控对象 R t E t U t C t 图 2 5 模拟 PID 系统原理框图 滤池恒水位控制技术的发展非常迅速 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 也最具有代表性 在 PID 控制算法中 存在着比例 积分 微分三种控制作用 1 比例控制作用 比例控制即成比例地反应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 便被 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能力的被控对象存在静差 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 性变坏 2 积分控制作用 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的不稳定 3 微分控制作用 通过对误差进行微分 能感觉出误差的变化趋势 增大微分 控制在作用可加快系统响应 使超调减小 缺点是对干扰同样敏 感 是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 积分 微分通过组合构成控制量对被控对象 进行控制 其控制规律为 1 0 t dt tTddE dttE Ti tEKptU 2 2 上式中 Kp 是控制器的比例系数 是控制器积分时间常数 Ti 1 Td 是控制微分时间常数 E t 是系统设定值和被控量之差 U t 是控制器输出 上式为模拟量表达式 而 PLC 程序只能处理离散数字量 因此 必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程 令 ktUtU ktEtE t k oi jtEdtTtE 0 T tkEktE dt tdE 1 2 3 由此可得位置式数字 PID 算法 k i kEkEKdjEKikKpEkU 0 1 2 4 式中 T 为采样周期 Kp 为比例增益系数 Ki KpT Ti 称为积分 系数 Kd KpTd T 称为微分系数 U K 是 E KT 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 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 不难得到 2 1 0 2 1 1 1 K j dip KEKEKjEKKEKKU 5 将式 与式 相减即可得到增量控制算法 1 KUKUKU 2 1 2 KEKKEKKKEKKK ddpdip 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 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 6 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液位调节阀 A D 图 2 6 滤池液位控制图 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 关闭阀 门 低于设定时 打开阀门 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 图 2 7 所示 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作出限制 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 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 这个方法应用在本例中 也得到了很好的效果 采样周期和动作时间的结合 极大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 2 7 式求得 2 7 滤池面积生产时间 秒 滤池个数 生产量 V 以某日产量为 14 4 万吨为例 秒米 0058 0 362436008 144000 V 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备更新 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 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 在一般滤池系统的六个阀门中 进水阀 清水阀和排气阀在过滤时应打开 而气冲阀 水冲阀和 排水阀则应关闭 在反冲洗时 进水 清水 排气阀关闭 气冲 水冲 排水阀打开 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 液位足够低时 关闭排气阀 打开排水阀 准备开始冲 洗 一般的冲洗包括气冲 气水冲和水冲 先开气冲阀 开至一 半时 开鼓风机 气冲开始 一定时间后 开水冲阀 半开时启 动第一台水冲泵 进行气水冲 再过一定时间 关鼓风机 关气 冲阀 开第二台水冲泵 仅作水冲 到时间后 停掉两台水冲泵 关闭水冲阀 关闭排水阀 冲洗结束 最后 打开排气阀 进水 阀 等液位升到一定高度 打开清水阀 进入过滤 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 控制阀门 另一套 反冲洗系统控制器 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 0 1 表示 当滤池或反冲系统处于某一状态时 相应标识 置门置 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 正常过滤 关进水阀 关清水阀 开排水阀 开气冲阀 开鼓风机 关鼓风机 关气冲阀 开第二台水 冲 关水冲阀 停水泵 关排水阀 开进水阀 开水冲阀 开第一台水 冲 图 2 7 调整前的反冲洗过程 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 下面再讨论一下标识的设立 首先 不能有两个滤池同时进 入反冲洗 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 因此 要建立一个标识 表明有滤池在反冲洗时 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 系统控制器通知它开鼓风机 同样 还要有一个标识 通知反冲 洗系统控制器开水冲泵 在鼓风机和水冲泵停止后 又分别要有 一个标识 通知滤池控制器关闭气冲阀和水冲阀 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 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 这不但很大的提高了工作 的复杂程度 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 而且当系统中不只有两台控制器 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 减少须要向其他控制器传达的中间状态 经过与老师 和同学的讨论 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