潘治宇--自来水厂水处理监控系统的设计与实现.doc

自来水厂水处理监控系统的设计与实现 摘要：本 设 计技 术，为自来水厂的水处理实时监控提供了一套完整通用的解决方案，该设计方案行之有效，已在河东水厂应用，并可应用于其它自来水厂。关键词：PLC，组态软件，监控系统,网络英文文摘：ABSTRACTTh is t h esism akesa n analysism ainly oft he basic mode oft he design and development of the top and bottom machines based on the programmable controller PLC and group software. Till now, this supervision system has been applied to supervise automatically the whole production in Hedong Waterworks of Maoming City for a period. It functions very well and achieves better social and economic results. In conclusion, the design of the system provides a set of feasible solution to the prompt supervision of the water treatment for waterworks.第一章绪论1.1课题来源和意义在 全球 水 资源馈乏的今天，水资源是否得到高效利用，影响着国计与民生，水处理特别是自来水处理自动控制技术发展的重要性日益凸现。自来水行业引入自动化控制技术是90年代水厂发展最显著的特点。随着自动化技术、控制设备和机电仪表设备的发展，水处理过程中的各个环节包括过滤自动化、投加药自动化、送水自动化、水质监测自动化技术的日益成熟，计算机技术应用的日益普及，使水行业的自动化发展成为可能。虽然国内供水行业的自动化技术发展有了长足的进步，但相对于其他行业是滞后的和落伍的。对我国中小城市自来水公司而言，采用现代电子信息技术及综合自动化技术来建设和改造各个生产部门和进行企业管理是极其重要的，这也是改变目前我国中小城市自来水企业被动局面的最有效办法之一。目前 ， 水 厂的自动化控制系统遵循着分散控制，集中监测和管理的控制思想，利用PLC十PC组成的控制系统是水厂自动化技术的一条较好的发展方向，利用该系统可实现集散控制，稳定性好，开发操作简便。选择国内外著名品牌的软硬件产品构成的系统，不但可以满足工程周期的要求，更可以确保系统的稳定性、可靠性、开发性和选进性。茂 名 河 东自来水厂是茂名市主力供水厂，日供水能力为20万吨，是为缓解茂名市的供水紧张状况，市政府加大对自来水公司的投资力度，引进外资(无息贷款)和德国THYSSEN公司的自控设备，建成的茂名市第二水厂。本论文目的是通过茂名河东自来水厂基于PLC工控网的水处理实时监控系统的工程项目的设计，找出一套通用的集成方案平台。自来 水 厂 水 处 理过程中混凝投药和过滤过程的自动控制是保证优质供水的关键所在，它关系到千家万户的用水卫生和身体健康。目前对自来水的水处理过程实行自动监控是国内外大中型水厂的迫切要求，也是自来水厂实现生产和管理一体化的必要途径。建设 水 处 理自动控制系统的目的有两个:一个是对水处理过程的设备工作情况、余氯、PH值、浓度、流量等工艺参数及漏氯、气瓶欠压等现场状况进行监视和自动调控，防止水处理过程设备运行在非正常的状态之下，提高管理人员的事故处理能力和应变速度，并且可通过各种报警手段和紧急处理程序把事故隐患消灭于萌芽之中。另一主要目的是实现水处理过程全方位自动控制，通过操作员工作站、参数调节PLC与投加设备进行互动，控制投加设备的自动运行、停止和自动进行，实现向生产现场和过程的无人值守管理制度过渡的目标。本设计就是利用先进的电子信息技术和综合自动化技术来设计自来水厂的水处理自动控制系统的计算机监控方案为自来水厂的生产过程提供一套通用的质量可靠、成本适宜。目前，茂名市河东自来水厂己投入运行，系统稳定可靠，满足系统的监控要求，取得良好的社会和经济效益。1.2国内外自来水厂自动化控制技术的现状和发展趋势自来 水 生 产过程自动化控制系统的发展状态:水厂 自动 化控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的过程。从一开始仅有常规仪表检测，到加药、加氯的局部自动控制，直至九十年代，随着可编程控制器(PLC)的大量推广使用，水厂自动化控制系统才真正建立起来。PLC具有可靠性高、编程简单、使用方使、以及通讯联网功能强的特点。水厂以PLC为主控设备建立的控制系统一般模式为:由设在中控室的上位监控计算机及若干现场PLC联网组成集散型监控系统。开始建立的系统，各分站以功能划分，站内设有监控计算机，这是针对当时PLC的通讯能力不够强大，控制系统可靠性不高所采用的措施，即一旦其它分站出现故障或网络中断后，未出故障的分站还可以在局部区域内实现自动控制。近几年随着PLC网络通讯能力的增强和控制及电气执行机构可靠性的提高，这一模式逐渐被打破。取消了各分站内的监控计算机，各分站的控制区域由以功能划分改为以距离划分，了在中控室内监视水厂运行的全过程，应由分站1控制的远方设备工况或采集的检测仪表参数可送入附近的分站2通过网络可靠、及时地传输保证系统的正常、协调运行。目前大部分水厂都是采用的这种模式。在这 基 础 上，对水厂自动化又提出了新要求:即厂内仅配备少量管理、维修人员，生产过程实现自动化，由中央控控制室的工业计算机实现监控和管理的控制系统，也称无人值守控制系统。水处 理 工 业自动化领域的发展趋势是管理一一控制的一体化，而现场总线技术的飞速发展为管控一体化铺平道路。信息技术的不断发展，网络的普及，将会使管控一体化的重要性日益显露，可以预见，以PLC为基础的集散控制系统向以现场总线为基础的管控一体化分布式网络通信过渡是必然的发展趋势。1.3本论文研究的内容本 论文 主要 介 绍以可编程控制器PLC和组态软件为核心，采用上、下位机方式设计水处理计算机实时监控系统的基本思路和方法。本文 研 究 的主要内容包括:基于PLC的水处理计算机实时监控系统整体方案的设计、PLC控制系统原理、水处理工艺设备控制方法、监控系统下位机各PLC子站软、硬件的设计，监控系统PLC工业网络的设计，网络通信功能的实现，上位机监控系统组态软件的设计和应用。1.4本论文完成的工作本论 文的 工作在于提出了采用可编程控制器PLC与工业计算机PC机组成的两级集散控制系统，建立通用的自来水厂计算机远程实时监控系统。本论文作者在整个项目设计中主要参与了以下工作:(1 ) 通 过 分 析整个自来水处理的工艺流程，与水处理工艺设计专家紧密合作，建立完整和实用的水处理过程的监控要求。(2 ) 深 入 分 析国内外自来水自动控制技术的发展现状，深刻了解PLC,D CS的新技术，采用可编程控制器PLC与工业计算机PC相结合的方法，设计出适合水处理过程特点的计算机远程实时监控系统。(3 ) 参 与 系 统的调试和试运行。第二章水处理监控系统总体方案设计及其过程控制设计2.1 河东自来水厂工艺流程简介自来 水 厂 水处理基本过程如下图2-1所示: 图 2- 1 河 东 水 厂 工 艺 流程图河 东水 厂 的源水由高州长坡水库通过东干渠输送到山阁镇老虎岭调节水库，然后通过1.6米水泥管道进入河东水厂。源水进入厂区后，先进行前加氯、加矾，然后经混合槽混合，进入折板反应池充分混合反应后，流到平流沉淀池，进入恒速快滤池，经滤池过滤，再经过后加氯消毒，清水进入清水池，最后由清水泵房的泵机加压进入城市供水管网，则可以饮用。为了正常控制水质，河东水厂水质控制指标为:1. PH值:源水、待滤水、出厂水PH值为6.5-7.5;2.浊度3.余氯待滤水3NTU,滤后水0.5NTU，出厂水PAR3.5 )时，压力还不能达到设定要求，则先将变频电机的频率设为最小频率(70%a) +10%，然后启动累计时间最短且无故障的定速泵，再将变频电机的频率升到最大值100%，压力还不能达到要求的，继续以此方法启动下一台或更多台的定速泵，直到压力升到设定值为止。PC W .O U T =PM0419.AO +PCW.INPC W .OU T : P ID频率输出:PM 04 19 .A O :频率输出;PC W .IN : P ID输入;PA R3 .5 : 上 限死区;PA R3 .6 : 下 限死区;PM 04 19 .M A X:最大频率;PM 04 19 .M IN :最小频率;当运 行 过 程 中 ，压力超过了设定值时，变频电机慢慢降低频率，如果当变频电机 频率达到最小频率70%，且(PM0419.MINPCW.OUT) P AR3.6)时，压力还 超过设定值，则先将变频电机的频率设为最小频率(70%)+ 10%，然后停累计 运行时间最长的定速泵，如果压力还是超过设定值的，继续以此方法停止下一台或更多台的定速泵，直到压力降到设定值为止。自动恒压供水控制系统图见图2-7a内置PID给定网压图2-7自动恒压供水控制系统图Fig2-7 Controlsy stem ofw aterp ressure(2 )压 力 泵 的 自动控制顺序启动 定速 泵:累计运行时间最短的泵先启动，依此类推;若该台泵不满足启动条件，则自动跳过，启动下一台泵。停 定 速 泵:累计运行时间最长的泵先停，依此类推。(3 )压 力 泵 的 启动条件为电压 正 常 ;吸水井的液位要大于4米(干保护停机3米);电动阀正常;直流屏正常工作;每台电机的启动时间间隔大于巧分钟。(4 )清 水 电机 阀门自动控制清水 泵 房 6台定速泵均配有一个阀门PID调节器，泵口千保护设为4bar，阀门PID调节器能根据用户设定的压力进行自动调节。2污 水 回 收自动控制在河 东水 厂清水泵房、流量计井、风机房及反冲洗泵机房均安装了自动排污控制系统。可实现现场自动控制，亦可进行PLC远程控制。当现场自动控制时，液位达到一定液位后，自动起动四台污水泵;当PLC远程控制时，液位达到0.7米时，先启动3台污水泵，液位达到1.5米后，再启动第四台污水泵，液位降到0.2米时，污水泵全部停止运行。3清 水 泵 子站监控和信息传送要求(1 )监 视 所 有 高压柜有关工作状态。(2 )监 视 进 线 高压柜的电流、电压、有功、无功、累计电量。(3 )监 视 每 台 泵的电流、功率、压力、累计运行时间。(4 ) 监视 出厂 水的压力、浊度、余氯、PH值、流量、累计流量。(5 )监 控 变 频 电机的频率。(6 ) 控 制 回 收池的每一台泵及出口蝶阀。(7 )将 以 上 信 息送回中控，从而实现在中控室对清泵站、污水回收池的监控。第三章水处理远程监控系统模型设计3. 1用于过程控制的户比3. 1. 1 PLC原理及特点可编 程 控 制器(ProgrammableL ogicController)是60年代末在继电器控制系统的基础上开发出来的。随着超大规模集成电路的出现，使PLC向大规模，高性能方向发展，形成了多种系列化的产品。PLC不仅能实现继电器控制所具有的逻辑判断，计数、计时等顺序控制，同时还具有执行算术运算，对模拟量进行控制等功能。随着PLC软硬件功能的进一步加强，PLC己经发展规律成为一种可提供诸多功能的成熟的控制系统，它能与其他设备通信，生成报表，调度产出，可诊断自身故障及机器故障。这些改进使PLC符合今天对高质量产出的要求。尽管PLC功能越来越强，但还是保留了向前简单与易于使用的特点。无疑，PLC将在今后的工业自动化领域扮演重要的角色。在未来的工业生产中，PLC技术和机器人、CAD/CAM将成为实现工业生产自动化的三大支柱。PL C可 以简单的视为具有特殊体系的工业计算机，只不过它比一般的计算机具有更强的的与工业过程相连的接口，具有更加适用于控制要求的编程语言。由于有特殊的接口器件及监控软件，因此其外形不象计算机，编程语言甚至工作原理与一般的计算机也有一定的差别。PLC的特点表现为以下几个方面:1. 硬件 的 可靠性高PL C 专 为 在 工业环境的恶劣条件下应用而设计。一个设计良好的PLC能置于有很强的电噪声、电磁干扰、机械振动、极端文档和湿度很大的环境中。为了及时诊断故障，有的公司研制了智能可编程I/O系统或故障检测程序，供用户了解I/O组件状态和监测系统的故障，近来还发展规律了公共回路远距离诊断和网络诊断技术。2. 编 程 简 单和 使用方便PL C 采 用面向过程、面向问题的”自然语言”编程，容易掌握.。目前大多数PL C均采用梯形图语言的编程方式，既继承了传统控制线路的清晰直观感，又顾及 大多数电气人员的读图习惯及应用位机的水平，很容易被电气人员所接受，易于编 程.，序改变时也容易修改，很灵活方便。3. 接 线 简 单 和通用性好PL C 的 接 线 只需要将输入信号的设备与PLC输入的端子连接.将接受输入信号执 行控制任务的执行元件与PLC输出端子连接.PLC的编程逻辑提供了能随要求而改变的”接线连接”这样生产线的自动化过程就能随意改变，这种性能使PLC有很高的经济效益.4 强 大 的控制网络功能PL C 可 连成功能很强的网络系统。PLC可组成的网络的传输距离可达几千米，传输速率可达1M-IOMbps，网络节点可达上千个。网络之间可以级连，网上可以兼容不同类型的可编程控制器和计算机，从而组成控制范围很大的局部网络，并且可通过INTERNET和外部网络连接。从 以上 各 点可见，在工业应用中使用PLC的好处很多，用户可获得高性能、高可靠性带来的高质量和低成本。3.1. 2 P LC的模块化结构分析世界 上 各 个公司的可编程控制器都采用的是模块化的设计思想，模块化可编程控制器采用搭积木的方式组成系统。即把CPU、信号的采集和输出都做成一个一个相对独立的模块，模块之间需要用机架(主机架，扩展机架)将各模块联成整体;有多块机架，由于PLC的主机架所能装纳的I/O模块数量有限，故常用I/O扩展机架来装纳控制系统所需要的I/O模块。在一个机架上插上CPU、电源、I/O模块及特殊功能模块，就构成一个总I/O点数很多的大规模综合控制系统。在某个特定的工程项目中，用到什么模块，就使用什么模块。这种结构形式的好处是:(1 )可根据工程的实际需求，选用不同档次的CPU及各种I/O模块，灵活组织一个PLC，为工程节省不必要的开支。(2)其模块尺寸统一，安装整齐，对于I/O点数很多的系统造型，安装调试，扩展，维修等都非常方便。在这个设计之中我们所使用的thyseen公司的可编程控制器也是属于这个类型。模板可根据不同的功能分为电源、CPU, CP通信模板、IM扩展模板、信号处理模板等等;同一类型模板中，还根据处理信号的能力，处理信号的种类不同，分成不同种类的模板。一个 PL C系统可包括以下几种模板类型:I， 电 源 模板现代 PL C一般都配有开关式稳定电源，可供内部电路使用，也有一部分电源还可以向外提供24V的直流电源，给开关量输入单元连接的现场无源开关使用，或给外部传感器供电，应当说明的是，要用多大功率的电源是根据内部电路和外部供电的电流数之和来决定的。即先确定模板的个数和种类，也就确定它们所消耗的电流之和，从而才能确定使用什么样的电源。2. 中 央处 理器模板(CPU)CP U 板 是整个PLC的中央处理单元，是PLC的运算控制中心。CPU板由微处理器、存储器、系统控制电路、I/O控制接口电路、编程器接口电路及通信借口电路组成，其中存储器包括系统存储器和用户存储器。系统存储器用于存放PLC_的系统程序和系统工作参数。用户存储器用于存放用户编制的程序和工作数据，一般来说，系统存储器的内容是随PLC产品的制造要求，有PLC制造厂在产品出厂前设定，用户不能访问或更改。用户存储器一般分为两类，一类用于存放用户编制的控制程序，一般不变动，除非生产工艺变动使得用户重新编写控制程序;另一类是PLC控制程序的工作数据存储器，它在PLC工作过程中，不断存放计算结果和状态数据。通常，CPU按照系统程序所赋予的功能完成以下任务:(1) 接 收 并 存 储以编程器输入的用户程序和数。(2 )诊 断 电源 .PLC内部的工作状态和编程的语法错误。(3 )用 扫 描 方 式接收输入信号，送入PLC的数据寄存器保存起来。(4 )P L C 进 入运行状态后，根据存放的先后顺序逐条读取用户程序，进行解释。(5 )将 用 户 程 序的执行结果送至输出。3. 通 讯 处 理 器(CP)模板当今 较 为 先 进 的PLC的结构基本都是属于总线形结构。即无论是上位机还是下位机都被看作总线上一个一个处理单元。他们都是通过通信处理器(CP)串联在总线上的。总线上的大量的数据都是通过通信处理器来进行通信。4. 信 号 模板和输 出 控 制 量 的转换接口，输入单元接收操作指令和现场的状态信息，如控制按钮，操作开关和限位开关，光电管，继电器触点，行程开关，接近开关等信号，并通过输入电路的滤波，光电隔离和电平转换等将这些信号通过输出电路的光电隔离和功率放大等转换成现场需要的强电信号输出，以驱动接触器、电磁阀、执 行元件。实际 生 产 中 的 信号电平多种多样。外部执行机构所需的电平也是多种多样的，而可 编程控制器的CPU所处理的只能是标准电平，正式通过I/O接口实现了这种信 号电平的转换。为了适应各种各样的过程信号，有许多种I/O接口模块与之对应 ，其中主要包括的模块有:(1) 数 字 量 输 入1输出模块数 字 量 输 入 /输出采用光点祸合器或隔离脉冲变