联合站污水处理监测控制系统设计

摘 要污水处理是油田联合站生产过程的一项重要环节，因为含油污水不合理处理回注和排放，不仅使油田地面设施不能正常运行，而且会因地层堵塞而带来危害，同时也会造成环境污染，影响油田安全生产。因此必须合理的处理利用含油污水。本设计基于组态王工业控制软件，根据分析油田联合站的污水处理的工艺流程。从油田污水处理安全、高效的角度出发。最终设计出了基于PID控制、水罐液位控制、阀门开度控制的监测控制系统，同时为了更安全,在控制系统中加入了报警、报表、手动和自动的控制，以保证生产工作顺利的进行。经过实验验证，所设计的污水处理监测控制方案达到了预期的设想,满足控制要求。既保护了生态环境,又保证了油田污水处理生产过程的安全高效,降低了油田生产成本。关键词：污水处理；组态王；PID控制；液位AbstractWastewater treatment is oilfield production station is an important link of the process, because of oily wastewater unreasonable processing injection and emissions, which not only the normal operation of oil facilities, and will not harm caused by formation plug, also can cause environmental pollution, influencing oilfields safety production. Therefore must be reasonable utilization of oily wastewater treatment.The design is based on configuration Kingview ontrol software, according to the analysis of oil station of wastewater treatment process. From the sewage processing safe, efficient. The final design based on PID control, water level control valve control and monitoring control system, at the same time, in order to safer in the control system of alarm, statements, joined the manual and automatic control, in order to ensure production work smoothly.Through the experiment, the design of wastewater monitoring control scheme reached the expected, meet the needs of the control system. To protect the ecological environment, as well as the sewage processing manufacturing high quality, reduce the cost of oilfield production.Keywords: sewage treatment, Kingview, PID control, level37目 录第1章 概述11.1 课题研究背景与意义11.2 国内外技术现状21.3 课题的主要研究内容5第2章 总体设计分析及方案62.1 联合站污水处理工艺分析62.2 污水处理工艺62.3反冲洗工艺72.4 污水处理工艺流程图9第3章 PID基础知识及参数整定113.1 PID算法113.2 PID液位控制参数整定13第4章 监测控制系统设计164.1 总体的控制系统164.2 上位机和下位机的选择184.3 报警的设计214.4 历史记录的存储和查询设计234.5 报表的显示和打印设计254.6 仪表的选择264.7 检测控制运行结果274.8 系统实现的功能28结论29致 谢30参考文献31附 录132附 录233第1章 概述1.1 课题研究背景与意义一、污水处理利用的重要性如果含油污水不合理的处理回注和排放，不仅使油田地面设施不能正常运行，而且会因地层堵塞而带来危害，同时也会造成环境污染，影响油田安全生产。因此必须合理的处理和利用含油污水。随着油田注水开发生产的进行，到来了两大问题。一是注入水的水源问题，人们希望得到能量大而稳定的水源，油田注水开发初期注水水源是通过开采浅层地下水或地表水来解决的，过量开采清水会引起局部底层水位下降，影响生态环境；二是原油含水量不断上升，含油污水量越来越大，污水的排放和处理是个大问题，大量含油污水不合理排放会引起受纳水体的潜移性侵害，污染生态环境。在生产实践中，人们认识到油田污水回注是合理开发和利用水资源的正确途径。二、腐蚀防护与环境保护众所周知，水对金属设备和管道会产生严重的腐蚀，油田含油污水由于矿化度高，又溶解了不同程度的硫化氢、二氧化碳等酸性气体的溶解氧，这样的污水回收处理和回注地层会对处理设施、回注系统产生腐蚀。例如某油田一条钢质污水回注管线一年内腐蚀穿孔123次，注水泵一般运行6-15天即因腐蚀被迫停产，点蚀程度达到4毫米。由于油田污水水质十分复杂，污水中大量成垢盐类随着温度、压力变化，以及因与不同水体的混合，将出现结垢、堵塞现象。例如，某油田一口油井投产仅10天，集油管就因结垢而被堵死，先后更换6次管线，最后被迫关井。污水中含有大量的有机物，加上适宜的温度范围为有害细菌提供了良好的滋生环境。例如某南方油田注水泵，由于细菌生长，泵吸入口滤网出现了粘膜，使其发生了堵塞。又如，某油田污水中含有硫酸盐还原菌达7.5104个/ml；另一油田污水贴细菌含量则达到1.5 105个/ml。细菌增生严重制约了油田污水处理和注水系统的正常生产。针对我国目前污水处理现状，个陆上油田污水基本后进行处理回注，最大限度地减少污水直接外排，从而达到了保护环境的目的。另外，针对油田污水腐蚀、结垢和细菌增生造成的危害，应采取有力的缓蚀、阻垢和杀菌措施，不断提高和改进油田水处理技术，充分预防对金属设备、管道和注水系统设施产生较严重的腐蚀1。三、合理利用污水资源由于现代工业的迅速发展和城市人口的增加，生活用水和工业用水急剧增加，因此不少国家颇感水源不足。解决水源短缺的方法之一是提高水的循环利用率。石油行业注水开发油田，随着开采时间的延长采出污水量逐渐增加，将油田污水经处理后代替地下水进行回注是循环利用水的一种方式。如果污水处理回注率为100%，即不管原油含水率多高，从油层中采出的污水和地面处理、钻井、作业过程排出的污水全部处理回注，那么注水量中只需补充由于采油造成地层亏空的水量便可以了。这样，不仅可以节省大量清水资源和取水设施的建设费用，而且，使油田污水资源变废为宝，实施可持续发展，提高油田注水开发的总体技术经济效益。在石油开采过程中产生的工业污水未经任何处理或者仅经过非常简单的沉淀及油水分离后就排放在工业现场,对生态环境造成了极大的破坏,同时也造成了资源的浪费。大庆油田在近几年实施污水处理计划,开展污水处理生产项目,其中污水处理的自动化控制是污水处理项目中的重要组成部分。通过对生产污水的处理,进一步油水分离,沉淀分离水中悬浮物,将生产污水处理成酸碱度适宜,所含盐分较少的工业净化水。这样一方面可以减少工业污水对油田生态环境的破坏,具有长远的社会意义;另一方面可以充分利用油田污水的可再用资源,减少对普通油井回注水的需求,节约生产成本和资源消耗,具有很大的经济意义。1.2 国内外技术现状.1.2.1物理法物理处理法的重点是去除废水中的矿物质和大部分固体悬浮物、油类等。物理法主要包括重力分离、离心分离、过滤、粗粒化、膜分离和蒸发等方法。重力分离技术，依靠油水比重差进行重力分离是油田废水治理的关键。从油水分离的试验结果看，沉淀时间越长，从水中分离浮油的效果越好。自然沉降除油罐、重力沉降罐、隔油池作为含油废水治理的基本手段，已被各油田广泛使用。离心分离是使装有废水的容器高速旋转，形成离心力场，因颗粒和污水的质量不同，受到的离心力也不同。质量大的受到较大离心力作用被甩向外侧，质量小的则停留在内侧，各自通过不同的出口排出，达到分离污染物的目的。含油废水经离心分离后，油集中在中心部位，而废水则集中在靠外侧的器壁上。按照离心力产生的方式，离心分离可分为水力旋流分离器和离心机。其中水力旋流器，由于具有体积小、重量轻、分离性能好、运行安全可靠等优点，而备受重视。目前在世界各油田，如中东、非洲、西欧、美洲等地区的海上和陆地油田都有应用。我国引进的数套Vortoil水力旋流器，在油田污水处理上取得了良好的效果。粗粒化，是指含油废水通过一个装有粗粒化材料的设备时，油珠粒径由小变大的过程。目前常用的粗粒化材料有石英砂、无烟煤、蛇纹石、陶粒、树脂等材料。粗粒化除油罐用以去除经前期治理后的含油污水中的细小油珠和乳化油。过滤器有压力式和重力式两种，目前我国油田普遍采用的是压力式，有石英砂过滤器、核桃壳过滤器、双层滤料过滤器、多层滤料过滤器等。近年来，随着纤维材料的发展，以纤维材料为滤料发展起来的深床高精度纤维球过滤器，因其具有纤维细密、过滤时可形成上大下小的理想滤料空隙分布、纳污能力大、反洗滤料不流失等优点，发展迅速。膜分离技术被认为是“21世纪的水处理技术”，是一大类技术的总称。主要包括微滤、超滤、纳滤和反渗透等几类。这些膜分离产品均是利用特殊制造的多孔材料的拦截能力，以物理截留的方式去除水中一定颗粒大小的杂质。特别是超滤，己经在除油的相关研究中取得了定的进展，逐渐从实验室走向实际应用阶段，Humphery等人采用Membralox陶瓷膜进行了陆上和海上采油平台的采出水处理研究，经过适当的预处理后取得了较好的效果，悬浮物含量由73290mg/L降低到1mg/L以下，油含量由8583mg/L降低到5mg/L以下。Simms等人采用高分子膜和Membralox陶瓷膜对加拿大西部的重油采出水进行了处理，悬浮物含量由1502290mg/L降低到1mg/L以下，油含量由1251640mg/L降低到20mg/L以下。美国在1991前后研究了一种陶瓷超滤膜处理采出水用于油田回注，在美国路易斯安那、墨西哥湾的海上和陆上油田进行了小规模生产实验。采出水先进行投加化学药剂和沉降分离常规处理后，出水含油为27583mg/L，经过超滤处理后降为10mg/L以下。美国加利福尼亚的德克萨斯砂道油田位于萨里纳斯谷，气候干旱，特别是近几年来地下水位降到临界点，因此研究决定向地下水注入高质量的水以补充水源的不足，实验以砂道油田采出水作为水源，用膜法处理使其满足饮用或灌溉要求。Chen等对0.20.8m陶瓷膜处理油田采出水进行了研究，发现经过Fe(OH)2预处理，可使油质量分数由27106583106降低到5106以下，悬浮固体由73106350106降低到1106以下，通过反冲和快速冲洗，膜通量能在较长时间内达到3000L/(m2h)。在国内，李永发等用超滤膜处理胜利油田东辛采油厂预处理过的废水，处理后油截留率为97.7%，能达到低渗透油田回注水标准。梁立军等用中空纤维超滤器对大庆油田的注水站的回注水进行了试验，开发的膜组件在通量上比常规的中空纤维组件大34倍，在0.08MPa的压差下，其通量最大。温建志等采用中空纤维超滤膜对油田含油废水进行了处理，研究表明，总悬浮固体质量浓度由6.69mg/L下降为0.56mg/L，油质量浓度由127.09mg/L下降为0.5mg/L，达到满意的效果。王怀林等采用南京化工大学膜科学技术研究所生产的0.2m和0.8m陶瓷微滤膜对江苏真武油田的采出水进行处理，效果很好。1.2.2 化学法化学法主要用于处理废水中不能单独用物理法或生物法去除的一部分胶体和溶解性物质，特别是含油废水中的乳化油。包括混凝沉淀、化学转化和中和法。混凝沉淀法是借助混凝剂对胶体粒子的静电中和、吸附、架桥等作用使胶体粒子脱稳，在絮凝剂的作用下，发生絮凝沉淀以去除污水中的悬浮物和可溶性污染物。目前采用的混凝剂主要有铝盐类、铁盐类、聚丙烯酰胺（PAM）类、接枝淀粉类等。化学氧化是转化废水中污染物的有效方法，能将废水中呈溶解状态的无机物和有机物转化为微毒、无毒物质或转化成容易与水分离的形态。该法分为化学氧化法，电解氧化法和光化学催化氧化法3类。化学氧化是指利用强氧化剂(如O2、O3、Cl2、H2O2、KMnO4、K2FeO4等)氧化分解废水中油和COD等污染物质以达到净化废水的一种方法。电解氧化法是指在废水中插上电极，通以一定的直流电废水中的油和COD等污染物在阳极发生电氧化作用或与电解产生的氧化性物质(如C12、C1O、Fe3等)发生化学氧化还原作用，以达到净化废水的一种方法。光化学催化氧化法是指以半导体材料(如TiO2、Fe2O3、WO3等)利用太阳光能或人造光能(如紫外灯、日光灯等)使废水中的油和COD等污染物质降解以达到净化废水的一种方法。目前常用的处理含油废水的方法包括超临界水氧化、湿式空气氧化、臭氧氧化、TiO2电极氧化、Fenton试剂氧化等2。1.2.3 物理化学法油田污水物化处理法通常包括气浮法和吸附法两种。气浮法是将空气以微小气泡形式注入水中，使微小气泡与在水中悬浮的油粒粘附，因其密度小于水而上浮，形成浮渣层从水中分离。常投加浮选剂提高浮选效果，浮选剂一方面具有破乳作用和起泡作用，另一方面还有吸附架桥作用，可以使胶体粒子聚集随气泡一起上浮。张登庆等把电气浮技术应用于油田采出水处理中，研究表明电气浮工艺用于油田采出水除油及杀菌是可行的。阳极用于除油，阴极用于杀菌，除油率为8090，电耗约为0.1kWh/m3。吸附法主要是利用固体吸附剂去除废水中多种污染物。根据固体表面吸附力的不同，吸附可分为表面吸附、离子交换吸附和专属吸附三种类型。油田污水处理中采用的吸附主要是利用亲油材料来吸附水中的油。常用的吸附材料是活性炭，由于其吸附容量有限，且成本高，再生困难，使用受到一定的限制，故一般只用于含油废水的深度处理。因此，近年来开展了寻求新的吸油剂方面的研究，研究主要集中在两点：一是把具有吸油性的无机填充剂与交联聚合物相结合，提高吸附容量：二是提高吸油材料的亲水性，改善其对油的吸附性能。20世纪70年代，美国学者Richard首次提出了超声波辐照的化学效应，随着超声波技术的不断发展，大功率超声波设备的问世，超声波的物理化学效应逐渐成为人们的研究热点。20世纪90年代以来，国内外学者纷纷致力于超声波降解有机物的研究，开始将超声波应用于控制水污染，尤其是治理废水中难以降解的有毒有机污染物，结果表明，超声波对污染水体的降解机理是声空化效应及由空化产生的增强化学反应的活性自由基的作用。李书光等在超声波处理石油污水的实验中探讨了时间、功率、PH值和温度的影响。另外，徐有生等取得专利并大力推广的微波能水处理技术，也开始应用于油田污水。1.2.4 生物法生物法是利用微生物的生化作用，将复杂的有机物分解为简单的物质，将有毒的物质转化为无毒物质，从而使废水得以净化。根据氧气的供应与否，将生物法分成好氧生物处理和厌氧生物处理，好氧生物处理是在水中有充分的溶解氧的情况下，利用好氧微生物的活动，将废水中的有机物分解为CO2、H2O、NH3、NO3等；厌氧生物处理的特点是可以在厌氧反应器中稳定的保持足够的厌氧生物菌体，使废水中的有机物降解为CH4、CO2、H2O等。生物法较物理或化学方法成本低，投资少，效率高，无二次污染，广泛为各国所采用。油田废水可生化性较差，且含有难降解的有机物，因此，目前国内外普遍采用A/O法、接触氧化、曝气生物滤池（BAF）、SBR、UASB等处理油田污水3。1.3 课题的主要研究内容本设计主要是利用组态王这种工业控制对象人机接口的智能软件，来监测控制油田联合站污水处理的整个过程，以防止危险出现，防患于未然以保证油田联合站的污水处理过程安全、高效的运行。本设计主要是利用PID算法来控制整过水罐液位的变化，通过各参数的调整及工程经验来选出合理的参数。通过组态王软件显示报警、报表、历史曲线和实时曲线等我们需要了解的数据。我们通过这些数据来检测控制污水处理过程，保证其安全、有效的运行。主要的研究内容如下：1、 掌握组态王的基础知识及PID控制的各种原理公式；2、 然后分析、研究污水处理工艺，利用组态王设计污水处理的工艺流程图；3、 最后根据控制要求画出控制界面，在控制界面上实现检测控制；4、 结合组态王软件调试、修改程序，实现污水处理的自动控制。第2章 总体设计分析及方案2.1 联合站污水处理工艺分析油田污水是从生产单井和各计量站、原油联合站等各生产环节对原油进行简单的油、水、气三相分离后直接产生的。这种油田污水直接排放到地表会造成对环境的污染,直接回注到地层既容易腐蚀回注设备也容易造成对油层和地下水的破坏。油田的污水成分较为复杂,主要包括少量原油、固体杂质颗粒、硫化物等。目前,大庆油田主要采用向污水中添加化学药剂通过破乳、絮凝、中和等化学方法结合沉降、过滤等物理手段的净化方法对油田污水进行处理。由于污水中含有少量的原油,仅仅通过物理方法很难达到彻底除油的目的,因此需要在提升泵的入口处加入适量破乳剂将原油从水胞中剥离,再通过油水分离就能很好地起到除油的作用;油田的生产污水基本上是偏酸性的,酸性污水对管道设备的腐蚀很严重,因此就需要在反应罐中添加复合碱以提高PH值。污水中的固体杂质颗粒是监测水质否标的重要指标之一,这些杂质颗粒一般是悬浮在污水中使污水呈混浊状态,通过在反应罐中添加絮凝剂使这些杂质结成絮状物沉淀下来,能够大大改善污水的水质，通常为了平衡水中各种盐分比例进一步改善产出水质,还要投加一定量的离子调整剂。本控制系统其工艺流程为：来自联合站的污水，进入缓冲罐，通过缓冲罐的升压泵将污水打入过滤罐进行过滤，经过滤后的污水最后输出到站外，供联合站其它系统使用；需要对过滤罐进行反冲洗时，用反冲洗泵将反冲洗罐液体打入过滤罐进行反冲洗操作，最后把反冲洗产生的深度污水回收到回收池。根据工艺人员提供回收池水位来控制阀门的大小。使回收池的水位不能太高也不能太低，太高容易溢出，而太低更易发生危险。从工艺流程上可以看出,回收池的水位对整个控制系统的安全有着非常重要的作用,系统必须尽可能保证反应罐入口来水流量的稳定性,在反应罐前增加污水调储罐和在反应罐入口添加污水提升泵,并由系统进行联锁控制调节储罐的液位和提升泵的排量力求流量稳定,这样会大大增加控制系统的安全性4。2.2 污水处理工艺来自联合站的污水，进入缓冲罐，通过缓冲罐的升压泵将污水打入过滤罐进行过滤，经过滤后的污水最后输出到站外，供联合站其它系统使用。图2-1给出了油田联合站污水处理的工艺流程简图。虑罐的进水方式为上进下出方式。图2-2给出了虑罐的进水方式图5。含有污水缓冲水罐升压处理一次处理二次处理物理杀菌回收注入加药处理图2-1 污水处理工艺流程 图2-2 虑罐的进水方式图2.3反冲洗工艺油田联合站反冲洗过程是采油生产中的一项基础工作，它对油田污水过滤罐的过滤系统进行清洗操作，是提高油田污水过滤效果的一个重要措施，因为的污水成分较为复杂,主要包括少量原油,固体杂质颗粒、硫化物等。反应器经过一段时间后会沉积一些杂质、污垢，长期累计会影响反应器的使用寿命，并影响沉淀速度。这时就需要定期进行反冲洗。这样不仅延长了过滤罐的使用寿命，而且提高了石油生产的经济效益。目前的一些联合站反冲洗系统没有监控报警和自动控制系统，使岗位工人的工作量很大，同时由于人为疏忽导致生产事故，影响了正常工作生产。因此，研究反冲洗过程自动控制系统，推广应用反冲洗系统的自动监控报警技术对于提高反冲洗效率和联合站自动化水平具有十分重要的意义。当需要对过滤罐进行反冲洗时，用反冲洗泵将反冲洗罐液体打入过滤罐进行反冲洗操作，最后把反冲洗产生的深度污水回收到回收池。图2-3反冲洗处理工艺流程。反冲洗时虑罐的进水方式为上进下出方式。图2-4给出了反冲洗时虑罐的进水方式图6。反冲洗水罐反 冲洗回 收水 池下 一流 程加压处理图2-3 反冲洗处理工艺流程 图2-4冲洗时虑罐的进水方式图 2.4 污水处理工艺流程图来自联合站的污水，进入缓冲罐，通过缓冲罐的升压泵将污水打入过滤罐进行过滤，经过滤后的污水最后输出到站外，供联合站其它系统使用。当需要对过滤罐进行反冲洗时，用反冲洗泵将反冲洗罐液体打入过滤罐进行反冲洗操作，最后把反冲洗产生的深度污水回收到回收池。根据以上的工艺设计我用组态王这种工控软件来设计整个工艺流程，组态王6.5是亚控科技在组态王6.0x系列版本成功应用后，广泛征询数千家用户的需求和使用经验，采取先进软件开发模式和流程，由十多位资深软件开发工程师历时一年多的开发，及四十多位试用户一年多的实际现场考验。使用更方便，功能更强大，性能更优异，软件更稳定，质量更可靠。组态王是亚控科技设计的在PC机上建立工业控制对象人机接口的一种智能软件包，它以Windows 98/Windows 2000/ Windows NT4.0中文操作系统作为其操作平台，具有图形功能完备，界面一致友好，易学易用的特点。该软件包由工程管理器（ProjManager）、工程浏览器 （TouchExplorer）、画面运行系统（TouchVew）三部分组成。ProjManager用于新建工程、工程管理，并能对已有工程进行搜索、备份及有效恢复，实现数据字典的导入和导出。TouchExplorer是“组态王”软件的核心部分和管理开发系统，是应用工程的开发环境，内嵌画面开发系统，可完成对画面的设计、动画的连接等工作。TouchVew是“组态王”软件的实时运行环境，用于显示画面开发系统中建立的动画图形画面，并负责数据库与I/O服务程序的数据交换，通过实时数据库管理从一组工业控制对象采集到的各种数据，并把数据的变化用动画的方式形象地表示出来，同时完成报警、历史记录、趋势曲线等监视功能，并可生成历史数据文件。在TouchExplorer的画面开发系统中设计开发的画面应用程序必须在TouchVew运行环境中才能运行7。我们应用PID控制程序来控制油田联合站污水处理过程中的水罐液位，为了保证其安全高效的运行。我们在主界面上加入了报警、报表同时还有对每一个罐的温度、液位和压力实时的对其进行监控，对各个变量我们都要做到实时的控制，以保证每一个变量出现问题我们都能够第一时间去对其进行处理，保证油田联合站顺利、安全的生产。避免任何危险的发生。总的工艺流程图如图2-5所示。在各个按钮分别在弹起时加入程序：showpicture(“画面名称”),一边直接进入到控制画面，方便控制。图2-5 污水处理的工艺流程图第3章 PID基础知识及参数整定3.1 PID算法在过程控制中，按偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）进行控制的PID控制器（亦称PID调节器）是应用最为广泛的一种自动控制器。它具有原理简单，易于实现，适用面广，控制参数相互独立，参数的选定比较简单等优点；而且在理论上可以证明，对于过程控制的典型对象“一阶滞后纯滞后”与“二阶滞后纯滞后”的控制对象，PID控制器是一种最优控制。PID调节规律是连续系统动态品质校正的一种有效方法，它的参数整定方式简便，结构改变灵活有PI、PD等。 控制点目前包含三种比较简单的PID控制算法，分别是：增量式算法，位置式算法，微分先行。 这三种PID算法虽然简单，但各有特点，基本上能满足一般控制的大多数要求。3.1.1 PID增量式算法离散化公式：注：各符号含义如下u(t)：控制器的输出值。e(k)：控制器输入与设定值之间的误差。Kp：比例系数。Ki：积分系数。Kd：微分系数。(1) 滤波的选择可以对输入加一个前置滤波器，使得进入控制算法的给定值不突变，而是有一定惯性延迟的缓变量。 (2) 系统的动态过程加速在增量式算法中，比例项与积分项的符号有以下关系：如果被控量继续偏离给定值，则这两项符号相同，而当被控量向给定值方向变化时，则这两项的符号相反。 由于这一性质，当被控量接近给定值的时候，反号的比例作用阻碍了积分作用，因而避免了积分超调以及随之带来的振荡，这显然是有利于控制的。但如果被控量远未接近给定值，仅刚开始向给定值变化时，由于比例和积分反向，将会减慢控制过程。 为了加快开始的动态过程，我们可以设定一个偏差范围v，当偏差|e(t)|=时，则不管比例作用为正或为负，都使它向有利于接近给定值的方向调整，即取其值为|e(t)-e(t-1)|，其符号与积分项一致。利用这样的算法，可以加快控制的动态过程。 (3) PID增量算法的饱和作用及其抑制在PID增量算法中，由于执行元件本身是机械或物理的积分储存单元，如果给定值发生突变时，由算法的比例部分和微分部分计算出的控制增量可能比较大，如果该值超过了执行元件所允许的最大限度，那么实际上执行的控制增量将时受到限制时的值，多余的部分将丢失，将使系统的动态过程变长，因此，需要采取一定的措施改善这种情况。 纠正这种缺陷的方法是采用积累补偿法，当超出执行机构的执行能力时，将其多余部分积累起来，而一旦可能时，再补充执行。3.1.2 PID位置算法离散公式： (1) 遇限削弱积分法一旦控制变量进入饱和区，将只执行削弱积分项的运算而停止进行增大积分项的运算。具体地说，在计算Ui时，将判断上一个时刻的控制量Ui-1是否已经超出限制范围，如果已经超出，那么将根据偏差的符号，判断系统是否在超调区域，由此决定是否将相应偏差计入积分项。(2) 积分分离法 在基本PID控制中，当有较大幅度的扰动或大幅度改变给定值时，由于此时有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，故在积分项的作用下，往往会产生较大的超调量和长时间的波动。特别是对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象将更严重。为此可以采用积分分离措施，即偏差较大的时，取消积分作用；当偏差较小时才将积分作用投入。 另外积分分离的阈值应视具体对象和要求而定。若阈值太大，达不到积分分离的目的，若太小又有可能因被控量无法跳出积分分离区，只进行PD控制，将会出现残差。 (3) 有效偏差法当根据PID位置算法算出的控制量超出限制范围时，控制量实际上只能取边际值U=Umax,或U=Umin,有效偏差法是将相应的这一控制量的偏差值作为有效偏差值计入积分累计而不是将实际的偏差计入积分累计。因为按实际偏差计算出的控制量并没有执行。 3.1.3 微分先行PID算法当控制系统的给定值发生阶跃时，微分作用将导致输出值大幅度变化，这样不利于生产的稳定操作。因此在微分项中不考虑给定值，只对被控量（控制器输入值）进行微分。微分先行PID算法又叫测量值微分PID算法。离散化公式：参数说明同上。对于纯滞后对象的补偿控制点采用了Smith预测器，使控制对象与补偿环节一起构成一个简单的惯性环节8。3.2 PID液位控制参数整定(1) 比例系数Kc对系统性能的影响比例系数加大，使系统的动作灵敏，速度加快，稳态误差减小。Kc偏大，振荡次数加多，调节时间加长。Kc太大时，系统会趋于不稳定。Kc太小，又会使系统的动作缓慢。Kc可以选负数，这主要是由执行机构、传感器以控制对象的特性决定的。如果Kc的符号选择不当对象状态(pv值)就会离控制目标的状态(sv值)越来越远，如果出现这样的情况Kc的符号就一定要取反。 (2) 积分控制Ti对系统性能的影响积分作用使系统的稳定性下降，Ti小（积分作用强）会使系统不稳定，但能消除稳态误差，提高系统的控制精度。 (3) 微分控制Td对系统性能的影响微分作用可以改善动态特性，Td偏大时，超调量较大，调节时间较短。Td偏小时，超调量也较大，调节时间也较长。只有Td合适，才能使超调量较小，减短调节时间9。PID控制图如图3-3所示：图3-3 PID控制图PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法，现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行PID控制器参数的整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。 PID参数的设定：是靠经验及工艺的熟悉，参考测量值跟踪与设定值曲线，从而调整PID的大小10。常用口诀：参数整定找最佳，从小到大顺序查先是比例后积分，最后再把微分加。曲线振荡很频繁，比例度盘要放大。曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳。曲线偏离回复慢，积分时间往下降。曲线波动周期长，积分时间再加长。曲线振荡频率快，先把微分降下来。动差大来波动慢。微分时间应加长。理想曲线两个波，前高后低4比1。一看二调多分析，调节质量不会低。本设计是由PID增量式来设计PID控制系统的程序的，详细的程序请见附录，对于PID参数的整定我们按照以上的方法和原则来对液位控制进行参数整定然后我们在用Matlab进行一下系统的仿真，看一下曲线的是什么样的符不符合我们的要求。我们以串联双容水箱系统作为模型来模拟仿真，串联双容水箱系统如图3-4所示，Matlab仿真程序见附录，仿真结果如图3-5所示，应用Matlab仿真选出的PID参数在我们工程实际应用中是不符合要求的，所以在这里我们还可以利用经验法选出的PID参数，它在工程应用中符合要求，能达到监测控制的要求。低位水箱电动调节阀水 泵高 位水 箱水槽手动阀手动阀图3-4 串联双容水箱系统的流程图图3-5 Matlab仿真结果图第4章 监测控制系统设计4.1 监测控制系统由于我们要对水罐的液位进行控制，所以我们单独将水罐拿出来进行单独的控制，只需对其液位进行检测和控制以保证处理过程安全有序的进行。其控制画面我们用组态王软件来画。应用组态王软件是因为其具有以下优点：一、工程管理对于系统集成商和用户来说，一个系统开发人员可能保存有很多个组态王工程，对于这些工程的集中管理以及新开发工程中的工程备份等都是比较烦琐的事情。组态王工程管理器的主要作用就是为用户集中管理本机上的所有组态王工程。工程管理器的主要功能包括：新建、删除工程，对工程重命名，搜索指定路径下的所有组态王工程，修改工程属性，工程的备份、恢复，数据词典的导入导出，切换到组态王开发或运行环境等。另外，组态王6.0开发系统提供工程加密，画面和命令语言导入、导出功能。二、画面制作系统（1）支持无限色和过渡色组态王6.0调色板支持无限色，支持二十四种过渡色效果，组态王的任一种绘图工具都可以使用无限色，大部分图形都支持过渡色效果，巧妙地利用无限色和过渡色效果，可以使您轻松构造面无限逼真、美观的画面。（2）图库 使用图库具有很多好处：降低了工程人员设计界面的难度，缩短开发周期；用图库开发的软件将具有统一的外观，方便工程人员学习和掌握；利用图库的开放性，工程人员可以生成自己的图库元素，“一次构造，随处使用”，节省了工程人员投资。6.0图库全新改版，提供具有属性定义向导的图库精灵，用户只需稍做调整即能制作具有个性化的图形。（3）按钮和图形组态王6.0支持按钮的多种形状和多种效果，并且支持位图按钮，用户可以构造无限漂亮的按钮。另外，组态王6.0支持多种图形格式，如Gif 、Jpg、Bmp等，用户可以充分利用已有的资源，轻松构造自己功能强大且美观的应用系统。（4）可视化动画连接向导 通过可视化图形操作，直接完成移动、旋转的动画连接定义。三、报警和事件系统组态王6.0报警系统全新改版，具有方便、灵活、可靠、易于扩展的特点。组态王分 布式报警管理提供多种报警管理功能。包括：基于事件的报警、报警分组管理、报警优先级、报警过滤、新增死区和延时概念等功能，以及通过网络的远程报警管理。组态王还可以记录应用程序事件和操作员操作信息。报警和事件具有多种输出方式：文件、数据库、打印机和报警窗，并且可以利用控件等工具轻松浏览和打印报警数据库的内容。四、报表系统组态王6.0提供一套全新的、集成的内嵌式报表系统，内部提供丰富的报表函数，用户可创建多样的报表。提供报表工具条，操作简单明了，比如：日报表的组态只需用户选择需要的变量和每个变量的收集间隔时间；提供报表模板，方便用户调入其它的表格。报表能够进行组态，例如有日报表、月报表、年报表、实时报表的组态，另外，报表打印时可以进行预览和页面设置。五、控件组态王6.0支持Windows标准的Active X控件（主要为可视控件），包括Microsoft提 供的标准Active X控件和用户自制的Active X控件。Active X控件的引入在很大程度上方便了用户，用户可以灵活地编制一个符合自身需要的控件，或调用一个已有的标准控件，来完成一项复杂的任务，而无须在组态王中做大量的复杂的工作。一般的 Active X控件都具有属性、方法、事件，用户通过控件的这些属性、事件、方法来 完成工作。组态王6.0版本中新增三个功能强大的控件，即数据表格控件（可将ODBC数据源里的大量数据在组态王中进行显示和打印）；历史曲线控件（可动态增删曲线，进行曲线比较，并且数据来源可以是ODBC数据源）；PID调节控件（对过程量进行闭环控制，可实现三种pid控制算法：标准型，归一参数型，和近似微分型）。六、OPC全面支持OPC标准（组态王6.0既可以作为OPC服务器，也可以作为OPC客户端）开发人员可以从任何一个OPC服务器直接获取动态数据，并集成到组态王中；同时组态王作为OPC服务器，可向其他符合OPC规范的厂商的控制系统提供数据。OPC节省了不同厂商的控制系统相连的工作量和费用。并且组态王提供SDK开发包，用户可以自己利用VC，VB编制程序，利用组态王的OPC接口来访问组态王的变量和变量的域。 七、通讯系统（1）支持远程拨号组态王6.0支持与远程设备间通过拨号方式进行通讯。组态王的远程拨号与组态王原有驱动程序无缝连接，硬件设备端无需更改程序。利用远程拨号能实时显示现场设备运行状况，随时打印，报警和历史数据自动上传等功能。 （2）开发中进行硬件测试 开发系统中有硬件测试界面，在不启动运行系统的情况 下，能测试对硬件设备的读写操作，并且IO变量支持时间戳和质量戳，能随时判断数据采集的时间和检查通讯质量的好坏。（3）支持网络DDE，组态王6.0版本支持win2000操作系统下的DDEshare方式，实现组态王与excel和vb程序间通过网络进行数据交换。 八、安全系统 组态王6.0采用分级和分区保护的双重保护策略。新增用户组和安全区管理，999个不同级别的权限和64个安全区形成双重保护，另外组态王能记录程序运行中操作员的所有操作。 九、网络功能组态王6.0完全基于网络的概念，是一种真正的客户-服务器模式，支持分布式历史数据库和分布式报警系统，组态王的网络结构是一种柔性结构，可以将整个应用程序分配给多个服务器，如指定报警服务器和历史数据记录服务器，这样可以提高项目的整体容量结构并改善系统的性能。十、冗余系统组态王6.0提供全面的冗余功能，能够有效地减少数据丢失的可能，增加了系统的可靠性，方便了系统维护。组态王提供三重意义上的冗余功能，即双设备冗余、双机冗余和双网络冗余。对于这三种冗余方式，设计者可综合运用，可以同时采取或采取其中的任意一种或两种。采用冗余后，系统运行时将更加稳定、可靠，对各种情况都能应付自如。其控制界面如图4.1所示，PID控制程序见附录所示。图4-1 液位检测控制图4.2 上位机和下位机的选择由于组态王在近几年做了如下的改进：1.支持大画面、导航图：用户可以制作任意大小的画面，利用滚动条和导航图控制画面显示内容；绘制、移动、选择图素时，画面自动跟踪滚动。2.方便的变量替换：可以单独替换某个画面中的变量，也可以在画面中任意选中的图素范围内进行变量替换。3.自定义菜单：支持二级子菜单。4.丰富的提示文本：系统提供丰富的图素提示条文本，包括简单图素和组合图素。5.任意选择画面中的图素：在画面中使用键盘和鼠标结合可以任意选择多个图素进行组合、排列等操作变量1. 定义结构成员时可以定义基本属性，例如变量属性、报警属性和记录属性等。2. 定义结构变量时自动继承结构成员的属性。3. 结构变量可整体赋值。4.结构变量可作为自定义函数的参数。5.在数据词典中可以任意选择多个变量集中修改变量共有属性。非线性表非线性表新增导入导出功能，能导出为逗号分隔文件(*.csv)，可在文本状态编辑或传送，编辑完成后还可导入，据此可实现不同工程中的非线性表重复利用。 网络状态的控制和显示 通过引用网络上计算机的“$网络状态”变量得到网络通讯的状态。同时，能够对网络的通讯状态进行控制。对于定义“网络节点”的网络通讯方式，是在网络设备上建立commerr寄存器来完成网络状态的显示和控制。 所以我认为对于污水处理的控制主要是控制水罐的液位，应用PID来控制水罐的液位使其在安全的范围内以保证污水处理过程的顺利安全的进行。目前在自动控制领域内PLC应用的非常广泛所以我们的下位机选用PLC。为保证系统的稳定系和可靠性，采用两级控制方案对整套污水处理流程进行监控。上位机选用工业控制计算机（IPC）,下位机选用PLC，系统构成图如图4-2所示。图4-2 系统构成图上位机的作用主要是提供一个人机交互界面，使操作人员可以直观的了解现场各工艺参数，根据生产需要发出相应的控制指令。另外还可以使用大容量存储器记录历史数据，管理人员据此了解一段时间内的生产状况，为提高生产效率制定新的生产方案提供可靠的依据。为实现以上的功能，组态软件是最优的选择。这里使用的是目前国内组态市场占有量第一的“组态王”作为开发平台，它集控制技术、数据库技术、网络技术、人机界面技术于一身，包含动态显示、报警、控件、趋势、网络通信等组件，提供了一个友好的用户界面，只需编写少量的代码即可生成高质量的控制系统。PLC以其体积小、功能多、可靠性高等优点，在自控行业的倒了广泛的使用。整套污水处理流程共有120多个监控点，包括压力、流量、液位、温度、频率、泵运行状态等。各物理量参数通过相应的变送器得到420mA的标准信号，通过屏蔽电缆接至PLC的AI或DI模块。由于采用电流方式传输，因此传输距离远，而且具有较好的抗干扰能力。信号通过PLC的AO或DO模块发出，控制现场的执行机构动作。由于现场有大量的油、气，因此所有设备均采用防爆产品。由于现场监控点多，为降低成本，减轻维护工作量，在模块选择上应注意以下几点：（1）模块种类要尽量少以减少备件，便于更换；（2）单一模块采用点数要多，如选取的AI模块最多可采集8点，DO模块可输出32点；(3)采样的精度要高，尤其是对流量的计量，关系到全站的日处理能力综合评价。操作人员通过上位机向PLC发出相应的控制指令后，由PLC对现场进行直接控制，这种方案有效的降低了风险。例如操作人员可在上位机修改定时排气时间，发给PLC后，由PLC进行控制，此时即便上位机出现故障（如死机、掉电等），也不会影响系统的正常运行。PLC及所有的接线端子放在一个机柜内，与上位机采用RS485的通讯方式，这种方式传输距离远，可将上位机放置在另外一个房间内，大大改善了工人的操作环境11。软件设计由于上位机监控软件采用组态王作为开发平台，因此大大缩短的开发周期。在设计中，首先要把实时数据库建好，它是整套监控系统的核心，然后把各功能模块进行恰当的组合。监控系统的大部分功能都可以由组态王直接完成，但是由于学校的实验室设备为智能仪表而不是PLC，所以在试验中我们连接的设备为智能仪表而不是PLC。所以外部设备连接图如图4-3、4-4所示。图4-3 外部设备连接图a图4-4 外部设备连接图b4.3 报警的设计组态王提供了报警组件，测量参数不在正常值范围内是，报警窗口显示超限时间、变量名（对应的温度或液位）、当前值及界限值等。当新报警出现时，报警窗