水厂滤池系统的设计毕业论文.doc

山东科技大学学士学位论文 目录 水厂滤池系统的设计毕业论文水厂滤池系统的设计毕业论文 目录目录 1 绪论绪论 1 1 1 课题研究背景及意义 1 1 2 国内外研究情况及发展 2 1 3 本设计的主要工作内容 4 2 控制方案设计控制方案设计 5 2 1 系统分析 5 2 2 系统总体方案设计 9 3 硬件设计硬件设计 22 3 1 滤池所需的设备 22 3 2 传感器和执行器的选择 26 3 3 系统硬件配置及 I O 接线图 33 3 4 系统参数整定 38 4 软件设计软件设计 41 4 1 软件总体方案设计 41 4 2 控制方案程序 46 5 监控系统设计监控系统设计 52 5 1 组态王 6 53 简介 52 5 2 监控界面的设计 53 总结总结 59 参考文献参考文献 60 山东科技大学学士学位论文 目录 致谢致谢 61 附录附录 62 附录 A 外文文献 62 附录 B 中文翻译 72 山东科技大学学士学位论文 绪论 1 1 绪论绪论 1 1 课题研究背景及意义课题研究背景及意义 水对我们的生命起着重要的作用 是人类赖以生存和发展的不可缺少 的最重要的物质资源之一 不论事日常生活 还是工农业生产都离不开水 特别是现代社会中 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 工业化的水处理越来越普及 人们对饮用水处理的历史非常悠久 近千年 但这仅仅是小规模 家 庭型的处理 面向社会兴建水厂 工业化水处理的历史还不到二年 特别 是以快滤池为标志的现代水厂历史更短 我国的水厂大规模建设是从解放 后开始的 取得了卓越成就 而且更加现代化 大规模的新型水厂也在成 批的建设中 一些水厂的自动化装备已步入世界水平 随着水污染的加剧 和人们对水质量日益增长的要求 水的净化处理过程越来越复杂 操作控 制要求越来越严格 手动操作难以达到 控制的自动化将成为水厂工作稳 定 可靠和水质优良的重要保证 同时也降低了电耗 药耗和工作成本 减轻了劳动强度 自动化是水厂的发展方向 我国水厂自动化起步很晚 但发展很快 随着自动控制技术 系统控 制设备和机电仪表设备的发展 滤池自动化 投加自动化 泵站自动化 水质检测自动化技术逐步成熟 工业计算机应用日益普及 我国水厂的自 动化程度和水厂规模都在稳步提高 尤其改革开放以来 通过引进国外的 先进技术 水厂的自动化建设突飞猛进 以 PLC 为基础的集散型控制系统 得到广泛应用 已成为当今工业自动化系统的主流 事实上 90 年代也是 国内水厂自动化产生实质性经济效益的时期 国内实现水厂自动化的方法 山东科技大学学士学位论文 绪论 2 主要依靠新建和扩建水厂 北方城市新建和扩建水厂主要依靠引进外资和 全套设备技术 水厂自动化工艺平均水平较高 南方城市由于小型水厂多 主要通过改造旧水厂实现自动化 南方的情况体现了水厂自动化在中小水 厂蓬勃发展的现状 其特点为 设计工作以本地技术力量为主 新建或改 造旧水厂的投资渠道多样化 在设备选型上实行土洋结合的办法 但由于 乡镇水厂技术力量相对薄弱 自动化在生产中的维护存在一定困难 供水关系国计民生 供水不仅满足管网压力的需要 保证充足供水 而且要提高水质 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 需要进行 滤池自动化系统的改造 滤池的最大的特点就是控制参数多 阀门位置分 散 环境恶劣 因此为了做到安全可靠地生产 应采用自动控制系统 本课题从水厂自动控制系统的控制要求和工艺特点出发 设计出了一 套基于西门子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 设计以出水流量为控制参数的滤池液位 PID 控制 系统 采用可编程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 这一点很重要 由于 PLC 自动控制的灵活性 可以在现场改变某些工艺参数和动作顺序 增加系统性能 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 1 2 国内外研究情况及发展国内外研究情况及发展 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 相互之间没大有联系 山东科技大学学士学位论文 绪论 3 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 环节之间的协调难以自动实现 需要人工干预 这属于分散式控制 以后 随着计算机控制技术的发展 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 在此控制系统中 集中检测 控制运算工作量大 对计算机要求高 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 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 计算机和可编程控制器组成 在国内水厂自动化中得到最广泛应用 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 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差距 难以满足国内市 场需要 目前 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 也谈不上保证水处理系统运行的优化 结果水质的保证率低 而运行费用却相对较高 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 山东科技大学学士学位论文 绪论 4 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他型式的滤池 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 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大多采用V型滤池 这种滤水工艺 水厂生产的基本工艺可分为加药 反应 沉淀 过滤 消毒 储存 送水等几个相关的过程 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 两个子过程交替运行 相互之间间隔一定时间 1 3 本设计的主要工作内容本设计的主要工作内容 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 主要设计流程如下 1 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 熟悉 生产工艺过程 根据控制要求进行总体控制方案设计 2 相关硬件设计 进行系统的硬件设备选型和PLC选型 绘制系统的 硬件连接图 包括系统硬件配置图和I O连接图 3 根据所选硬件设备 确定恒水位过滤过程中PID控制算法的实现和 参数的整定 4 相关软件设计 利用相关软件设计梯形图控制程序 对程序进行调 试和修改 5 根据所设计的控制系统设计监控系统并进行仿真 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 5 2 控制方案设计控制方案设计 2 1 系统分析系统分析 2 1 1 V 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 6 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 2 滤池的控制系统组成滤池的控制系统组成 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 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 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 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 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 7 趋势 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 2 1 3 V 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 水泵 鼓风机 排污阀 反冲洗水阀 反冲洗气阀 滤料层 清水阀 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 8 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 滤池 恒水位过滤工作框图如图 2 3 所示 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 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 9 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 4 滤池的控制要求滤池的控制要求 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 10 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 11 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 主主控控西西门门子子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 PC 图 2 4 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 1 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 12 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 C t E t U 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 13 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 2 1 tCtRtE 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 2 2 1 0 t dt tTddE dttE Ti tEKptU 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 14 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 2 4 1 0 KEKEKjEKKEKKU d k J ip 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 1 0 2 1 1 1 K j dip KEKEKjEKKEKKU 2 5 将式 2 4 与式 2 5 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 15 算法比位置式算法得到更广泛的应用 2 2 3 滤池控制器滤池控制器 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 16 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 振 荡倾向加强 稳定程度下降 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 17 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 15 万吨为例 秒米 600 0 362436008 005001 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 0067 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 0 006 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 18 2 2 4 滤池控制系统间的协调滤池控制系统间的协调 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 19 正常过滤 关进水阀 关出水阀 开排污阀 开反气冲阀 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 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 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 20 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 流程示意图见图 2 8 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 液位够低后关闭清水阀 和排气阀 再打开排水阀 水冲阀和气冲阀 与原来不同的是 没有在气 冲或水冲阀半开时启动鼓风机或水冲泵 仅仅只有这些阀门的动作 没有 任何涉及反冲洗系统的控制 所有阀门到位后 滤池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 水冲泵的操作 由反冲洗系统控制器独立完成 冲洗 完毕 反冲洗系统控制器会给滤池控制器一个标识 进入第三阶段 滤池 控制器关闭气冲阀 水冲阀 排水阀 再打开进水阀 排气阀 液位够高 后 开清水阀 进入正常过滤阶段 关闭进水阀 清水阀 打开 排水阀 气冲阀和水冲阀 关闭水冲阀 气冲阀 排水阀 打开进水阀 清水阀 气冲 水冲 开 关阀阶段完成后 产生反冲洗标识 冲洗完后给出 冲洗结束标识 图 2 8 调整后的反冲洗过程 这个方案中 两个控制器的控制作用阶段分得很清晰 便于控制器集 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 21 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 例如 在开水冲阀时遇到故障 原先的处理要发出报警 阻止水冲泵 的启动 停止鼓风机的运转 还要关闭气冲阀 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 每个滤池控制器都能以 此机制与反冲洗控制器沟通 由于同一时刻只允许有一个滤池处于反冲洗 状态 其它滤池只能进入等待队列 所以一次反冲洗只会有一个滤池控制 器与反冲洗控制器进行沟通 由此可见 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 的需要 也可以用于老旧中小型水厂的扩建 改造 在我国具有很大的发 展空间 3 硬件设计硬件设计 3 1 PLC 选型选型 3 1 1 PLC 型号选择型号选择 S7 200PLC 是德国西门子公司生产德一种小型 PLC 其许多功能达到 大 中型 PLC 的水平 而价格却和小型 PLC 一样 因此 它一经推出 山东科技大学学士学位论文 控制方案设计 22 即受到了广泛的关注 特别是 S7 200CUP22 系列 PLC 由于它具有多种功 能模块和人机界面 HMI 可供选择 所以系统的集成非常方便 并且可 以很容易的组成 PLC 网络 S7 200CN 系列的强大功能使其无论独立运行中 或相连成网络皆能 实现复杂控制功能 其在集散自动化系统中充分发挥其强大功能 适用范 围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制 S7 200CN 系 列可编程控制器可以分为 4 个不同的基本型号 8 种 CPU 如表 3 1 所示 表 3 1 S7 200 系列机型配置一览表 型号I O 点数扩展功能 CPU2216 输入 4 输出 共 10 个无 I O 扩展能力 CPU222CN8 输入 6 输出 共 14 个可连接 2 个扩展模块 CPU224CN14 输入 10 输出 共 24 个可连接 7 个扩展模块 CPU224XPCN14 输入 10 输出 共 24 个可连接 7 个扩展模块 CPU226CN24 输入 16 输出 共 40 个可连接 7 个扩展模块大 本文根据 I O 点数和性价比综合考虑可选择 CPU224CN 本机集成 14 输入 10 输出共 24 个数字量 I O 点 可连接 7 个扩展模块 最大扩展至 168 路数字量 I O 点或 35 路模拟量 I O 点 3 1 2 PLC 的工作原理的工作原理 可编程控制器 简称 PLC 是随着现代社会生产的发展和技术进步 现代工业生产自动化水平的日益提高及微电子技术的飞速发展 在继电器 控制的基础上产生的一种新型的工业控制装置 是将微型计算机技术 自 动化技术及通信技术融为一体 应用到工业控制领域的一种高可靠性控制 器 是当代工业生产自动化的支柱 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 23 它的结构与微型计算机相似 皆由硬件系统和软件系统两部分组成 只不过它具有比微型计算机更强的与工业工程之间的接口 使用更适合控 制要求的开发工具和编程语言 如梯形图 顺序功能图 SFC 结构文本 等现代工业控制领域 PLC 的应用得到了快速的发展 出了工业自动化的 客观要求以外 还在于它的独特优点 1 能使用工业现场恶劣的工作环境 能抗电磁干扰和电压冲击 2 简单 易于使用 不必要求微机硬件方面的知识 编程不需要高级 语言 3 可靠性高 平均故障间隔时间 MTBF 超过 20000 小时 4 编程或修改程序容易 程序可以保存和固化 5 体积小 价格低 6 可直接将数据送入处理器中 可直接连接到现场 7 可在基本系统上扩展 系统容易配置 与负载最远距离可达 10000 英尺 内存可以扩展 8 有很强的通讯功能 可与多种支持设备连接 9 系统化 有标准外围接口模块 10 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 因此它更适合工业生产控制和工程技术人员使用 PLC 主要由 CPU 模块 输入模块 输出模块和编程器组成 PLC 控 制系统 2 示意图如图 3 1 所示 外 部 设 备 输 入 模 块 CPU 模块 输 出 模 块 外 部 设 备 编程设备 图 3 1 PLC 控制系统示意图 PLC 通电后 需要对硬件和软件做一些初始化工作 为了使 PLC 的输 出及时地响应各种输入信号 初始化后 PLC 要反复不停地分阶段处理各种 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 24 不同的任务 这种周而复始的循环工作方式称为扫描工作方式 2 1 读取输入 在读取输入阶段 PLC 把所有外部数字量输入电路的 1 0 状态读入输 入过程映像寄存器 外接的输入电路闭合时 对应的输入过程映像寄存器 为 1 状态 梯形图中对应的输入点的常开触点接通 常闭触点断开 2 执行用户程序 PLC 的用户程序由若干条指令组成 指令在存储器中按顺序排列 在 RUN 模式下程序执行阶段 如果没有跳转指令 CPU 从第一条指令开始 逐条顺序地执行用户程序 在执行指令时 从 I O 映像寄存器或别的位原件的映像寄存器读出其 0 1 状态 并根据指令的要求执行相应的逻辑运算 运算的结果写入相应 的映像寄存器中 因此 各映像寄存器的内容随着程序的执行而变化 在程序执行阶段 即使外部输入信号的状态发生了变化 输入过程映 像寄存器的状态也不会随之改变 输入信号变化了的状态只能在下一个扫 描周期的读取输入阶段被读入 执行程序时 对输入 输出的存取通常是通 过映像寄存器 而不是实际的 I O 点 3 通信处理 在处理通信请求阶段 CPU 处理从通信接口和智能模块接收到的信息 在适当的时候将信息传送给通信请求方 4 CPU 自诊断测试 自诊断测试包括定期检查 CPU 模块操作的状态是否正常 将监控定时 器复位 以及完成一些别的内部工作 5 改写输出 CPU 执行用户程序后 将输出过程映像寄存器的状态传送到输出模块 并锁存起来 当 CPU 的操作模式变为停止时 数字量输出被置为系统块 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 25 中的输出表定义的状态 或保持当时的状态 默认的设置是将所有的数字 量输出清零 3 1 3 模拟量扩展模块选择模拟量扩展模块选择 本文中系统有 2 个模拟量输入 1 个模拟量输出 而所选 S7 200 PLC 的 CPU 只能处理数字量 因此需配合使用模拟量扩展模块 模拟量扩展 模块提供了模拟量输入 输出的功能 模拟量 I O 模块的主要任务是实现 A D 转换 模拟量输入 和 D A 转换 模拟量输出 模拟量输入模块可 选用西门子 S7 200CN 配套使用模拟量输入 输出组合模块 EM231CN EM231 CN 模拟量输入模块有 5 档量程 DC 0 10V 0 5V 0 20mA 2 5V 和 5V 并且可以提供 4 路模拟量输入 模拟量输出模块可 选用 EM232 CN 型号 它只能提供 2 路模拟量输出点数 因此选用 1 个 EM232 CN 模拟量输出模块 3 2 传感器和执行器的选择传感器和执行器的选择 3 2 1 液位传感器的选择液位传感器的选择 液位传感器 静压液位计 液位变送器 液位传感器 水位传感器 是一 种测量液位的压力传感器 静压投入式液位变送器 液位计 是基于所测 液体静压与该液体的高度成比例的原理 采用国外先进的隔离型扩散硅敏 感元件或陶瓷电容压力敏感变送器 将静压转换成电信号 再经液位补偿 和线性修正 转化成标准电信号 一般为 4 20mA 1 5VDC 液位传感器分为两类触式 一类为接 包括单法兰静压 双法兰差压液 位变送器 浮球式液位变送器 磁性液位变送器 投入式液位变送器 电 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 26 动内浮球液位变送器 电动浮筒液位变送器 电容式液位变送器 磁致伸 缩液位变送器 侍服液位变送器等 第二类为非接触式 分为超声波液位 变送器 雷达液位变送器等 滤池仪表的设置通常是单格滤池设置液位传感器 因为维持滤池正常 的运转时恒水位 所以液位计的选型很重要 超声波液位传感器是近年来 普遍使用的一种工控液位传感器 该液位计安装简单方便 信号漂移较小 故障率较低 运行稳定 故近年来受到广大工程设计人员的青睐 超声波测量液位的基本原理是 由超声探头发出的超声脉冲信号 在 气体中传播 遇到空气与液体的界面后被反射 接收到回波信号后计算其 超声波往返的传播时间 即可换算出距离或液位高度 超声波测量方法有 很多其它方法不可比拟的优点 1 无任何机械传动部件 也不接触被 测液体 属于非接触式测量 不怕电磁干扰 不怕酸碱等强腐蚀性液体等 因此性能稳定 可靠性高 寿命长 2 其响应时间短可以方便的实现 无滞后的实时测量 系统采用的超声波传感器 3 的工作频率为 40kHz 左右 由发射传感器 发出超声波脉冲 传到液面经反射后返回接收传感器 测出超声波脉冲从 发射到接收到所需的时间 根据媒质中的声速 就能得到从传感器到液面 之间的距离 从而确定液面 考虑到环境温度对超声波传播速度的影响 通过温度补偿的方法对传播速度予以校正 以提高测量精度 计算公式为 V 331 5 0 607T 式中 V 为超声波在空气中传播速度 T 为环境温度 S V t 2 V t1 t0 2 式中 S 为被测距离 t 为发射超声脉冲与接收其回波的时间差 t1 为 超声回波接收时刻 t0 为超声脉冲发射时刻 利用 MCU 的捕获功能可以 很方便地测量 t0 时刻和 t1 时刻 根据以上公式 用软件编程即可得到被 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 27 测距离 S 由于本系统的 MCU 选用了具有 SOC 特点的混合信号处理器 其内部集成了温度传感器 因此可利用软件很方便的实现对传感器的温度 补偿 在本次设计中选择大连中海仪表有限公司的 CFCIC sonic 一体式超声 波液位仪 产品具有自动功率调整 增益控制 温度补偿 采用先进的检 测和计算技术 对干扰信号有抑制功能 从而在根本上提高了仪表的测量 精度 保证测量结果的真实 产品可广泛用于各种液体的液位和固体的料 位高度测量 也可用于距离的测量 特点 1 非接触式连续测量液体 物料 固体的物位 2 适用于户外 安装简便 极易维护 3 液晶显示 蓝色背光灯适合 24 小时不间断监测 4 自动温度补偿 多种输出方式可选 5 可配套进行容积计算 明渠流量 液位差测量 液位计有关参数如下 型号 CFCIC sonic 量程 3m 5m 8m 10m 12m 15m 20m 25m 30m 精度等级 0 25 0 5 盲区 25cm 60cm 显示 液晶显示 温度范围 45 85 电流输出 4 20mA 继电器输出 一体 上下限位报警 分体 四路继电器报警 电源 DC24V AC220V 波束角 8 度或者 12 度 山东科技大学学士学位论文 硬件设计 28 防护等级 传感器 IP68 转换器 IP65 功率 1 5VA 尺寸 125mm 125mm 75mm 防腐材料 聚四氟乙烯 连接方式 螺纹或者法兰 3 2 2 压力变送器的选择压力变送器的选择 一般意义上的压力变送器 3 主要由测压元件传感器 也称作压力传感 器 测量电路和过程连接件三部分组成 它能将测压元件传感器感受到 的气体 液体等物理压力参数转变成标准的电信号 如 4 20mADC 等 以供给指示报警仪 记录仪 调节器等二次仪表进行测量 指示和过程 调节 压力变送器根据测量范围可分成一般压力变送器 0 001MPa 35MPa 微差压变送器 0 1 5kPa 和负压变送器三种 压力变送器的被测介质的 两种压力通入高 低两压力室 低压室压力采用大气压或真空 作用在 元 即敏感元件 的两侧隔离膜片上 通过隔离片和元件内的填充液传送到 测量膜片两侧 压力变送器是由测量膜片与两侧绝缘片上的电极各组成一 个电容器 当两侧压力不一致时 致使测量膜片产生位移 其位移量和 压力差成正比 故两侧电容量就不等 通过振荡和解调环节 转换成与压 力成正比的信号 扩散硅变送器选用进口扩散硅压力芯片制成 当外界液位发生变化时 压力作用在不锈钢隔离膜片上 通