基于PLC饮用水源初处理控制系统设计

PAGE第1章绪论1.1课题研究的背景及意义在当前饮用水水源水屑恶化且在长期内仍难以根本改善的状况下，饮用水安全成为至今我国水处理研究者亟需解决的关键问题。膜技术及以艉单元为核心的组合处理工艺效果显著，为解决上述问題的提供了一条可行途径。超滤膜技术具有较好的综合处理污染的效果，例如水井和含水层都被化肥农药的残留后，由加药泵连续加入活性炭反应池，通过机械搅拌与原水进行充分的混合，在原水水质比较复杂的地区显得更为适用。在2011年的全国评估中包括北京、上海和广州的9个省、自治区和直有研究所表明，虽然超滤技术还存在着膜易污染、运行不稳定、粉末活性炭－超滤组合成本较高等问题，但随着新型超滤膜材料的出现更多人选择PVC超滤膜材料，其优点是膜丝有很好的强度和柔韧性、过滤精度高、价格低廉寿命长。根据《城市污水处理及污水防治技术政策》,2010年全国省市城市和建制镇的污水平均处理率不低于50%,省市城市的污水处理率不低于60％,重点城市的污水处理率不低于70％.新建污水厂仍是我国治理水资源的一个重要组成.水处理行业,由于各厂的水源不同，所包含的污染物不同，相应的处理工艺也不同。水处理工艺的多样性、复杂性也是水处理行业发展的一个必然趋势。净水处理、污水处理和中水处理的设备众多，设备也更加专业化。怎样实现对其便捷稳定的控制变得至关重要。其中PLC技术的运用至关重要，PLC设备能够稳定运行，是对自动系统的基本要求，也是最高的要求。PLC设备有较强的抗干扰能力，平均无故障时间长，即使在系统故障的情况下，也能够最低限度的减少故障损失，提高现场调试效率。本设计主要着重介绍各环节的控制和操作过程及原理，选用的控制设备也比传统的设备更为先进，目前可编程序控制器在整个电气控制领域已经占领主导地位，发展的也是非常迅速，它的控制方式采用可编程序控制器进行控制。PC或PLC，它是在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。由于它具有的功能强、可靠高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外以广泛应用于自动化控制的各个领域，并成为实现工业自动化的支柱产品。近年来，国内在PC技术与产品开发应用方面的发展也很快。除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多的采用PC控制系统取代的继电器、接触器控制系统。国产化的小型PC性能也基本达到同类国外产品的技术指标。目前PLC已广泛用于冶金、化工、轻工、电力、建筑、交通、运输等各个行业1.2国内外研究现状1.2.1国内发展现状 我国对于供水系统的自动化控制研究和发展的起步相对较晚，但是后续的发展非常迅猛。随着自动化控制技术以及自动化控制系统相关设备设施的不断发展完善，自来水厂在水处理的滤池、加药以及脱水等方面的自动化控制技术不断成熟[1]。尤其是在水处理的新工艺、新技术方面，不断加强AB法、CASS法、SBR法以及A/O法[2]等的应用。在工业控制计算机不断推广应用的基础之上，自来水厂的规模不断扩大，在自动化控制方面的程度也不断提升。部分自来水厂还积极采用iFix工控组态软件进行水处理自动化控制系统的设计[3]。在改革开放之后，我国的自来水厂不断引进国外在自动化控制方面的先进技术，不仅仅加强了SCADA系统[4]、GIS系统[5]等控制系统的发展建设，而且还进一步推进了自来水厂的基础建设和自动化控制。虽然我国各地区在自来水厂自动化控制方面都取得了较快的发展，但是由于自动化控制技术等方面的原因，我国仍然没有真正实现自来水厂的自动化控制。 在我国，水利部现已建成覆盖全国主要水体的水质监测网络体系，该体系是以分布在各个水质监测点的在线监测系统为基础，实现水环境监测的目的。但是目前我国还没有建立起一套完整的针对饮用水的水质在线监测体系。对于水质监测系统的研究，国内已有了较多的研究工作。卢文华等利用单片机主机和数据采集从机，并在检测中心设置一台PC机，以这种方式实现了对水质数据的在线监测，可以实现将收集的数据进一步处理以及以丰富的图表显示输出[6]。李欣等开发出基于Labview的水质监测虚拟仪器，通过系统设置了采样点数、采样频率等，可以同时对氟离子、氯离子、溶解氧、COD或BOD进行监测[7]。 总体而言，我国在自来水厂水处理自动化控制系统的发展建设方面主要存在控制方式以及自动化控制系统多样化的发展特点。在自来水厂水处理的过程中，存在不同类型、不同等级的自动化控制系统和自动化控制方式[8]。为了有效的提升自来水厂在水处理方面的自动化控制水平，我国各地区的自来水厂都开始使用各种先进的检测仪器[9]。目前国内在水处理自动化仪器设备方面的质量还需要进一步改进，很多水处理自动化仪器仪表都是选择进口产品[10]。在水处理工艺方面，国内实现了一定的发展和优化，在单元控制系统方面逐渐采用自动化控制[11]，从而在自来水厂水处理实践当中有效的应用了各种自动化控制理论[12]。为了保障自来水厂在水处理方面的高效运行，国内在水处理自动化控制系统当中的通讯和监控等软硬件开发方面仍然需要改进和完善。在自来水厂水处理自动化控制系统的设计当中，主要通过在线仪表、可编程控制器以及通信网络等技术的结合[13]，实现水处理工艺的自动化控制，保障城市供水的稳定性。1.2.2国外发展现状 国外最早在上世纪三四十年代就对水厂水处理自动化控制系统方面展开了研究[14]。尤其是在微电子技术不断发展的基础之上，净水行业在检测仪器、检测仪表以及相关自动化控制设备方面的发展和完善，推动了净水行业在水处理自动化控制系统方面的快速发展[15]。而且，西方国家在经济实力以及技术能力方面相对较强，使净水行业当中的水处理自动化控制系统得到了非常普遍的实际运用[16]。 国外在自来水厂自动化控制系统的结构方面主要有三种形式，分别是数据采集与监视控制系统（SCADA系统）[17]、集散型控制系统（DCS）以及工业个人计算机同可编程逻辑控制器系统（IPC+PLC）[18]。 在西方国家尤其是欧美等发达国家当中，大部分的净水厂在水处理过程当中基本上实现了自动化控制，能够对水处理的各个环节、各个工序流程当中进行有效的监测和管理等[19]。在很对西方发达国家当中，基于人口总数的不足，在人力资源方面相对较为紧缺，人力成本在整体成本当中的构成比重很大，通过水处理自动化控制系统不仅能够解决其在人力资源缺失方面的问题，而且还能够实现较高的经济效益[20]。另外，很多的净水厂多采用了一种水处理自动化控制系统，在水处理的过程当中对于一些关键的工艺流程进行自动化的管理和控制，并对水处理各阶段的主要工艺流程以及水处理的运行参数进行自动的监测，实现高效的自动化控制[21]。在电子通信等技术不断发展进步的基础之上，西方国家不断加强PLC技术同3C技术之间的结合应用，有效的提升了自来水厂水处理的智能化程度[22]。西方国家在净水厂水处理的自动化控制方面采用的大多都是集散式自动化控制系统[23]。为了最大程度的降低水处理各环节之间的相互干扰，有效的提升水处理的工作效率，对水处理各个工艺流程进行了分散式的管理控制[24]。对于净水厂水处理的整体监控则能够提升水处理自动化控制系统的灵活性。1.3本设计主要内容现代本系统主要设计一个基于PLC饮用水源初处理控制系统，系统主要包括上位机、数据显示模块、数据处理模块、数据管理模块、报警模块、蓝牙模块、超滤膜。数据显示功能：自动控制系统能够对设备运行时的各类数据采集并进行实时性的、动态性的展示，显示，并发送上位机。数据处理模块能够处理PLC接收的数据、显示。数据管理储存水处理过程中所产生的原始数据。系统出现故障报警模块通过人机交互界面发出警报信息。第2章系统分析与方案选择2.1水处理工艺简介对于不一样的生活污水处理对象和不一样的生活污水环境，需要根据其采用不一样的方式完成处理。在污水处理过程中，对于其污水处理的方式选择，需要严格参考当前的污水情况进行选择。生活污水处理的方法主要有物理、化学、物理化学，以及生物等几种。这些方法根据实际情况，可以单一使用，也可以针对不同的生活污水混合使用。目前，生活污水处理的方法一般以生物处理法为主，辅以物理处理法和化学处理法。常用的生活污水处理工艺有以下几种。（1）传统活性污泥法。这种污水处理方法是比较传统的一种污水处理方法，是最古老的一种工艺，在污水处理装置中分为沉淀池与沼气池，主要处理部分关系框图如图2-1所示。曝气池曝气池（微生物吸附有机物氧化为无机物）沉淀池（活性泥下沉）回流活性泥原生活污水清水排出图2-1传统活性污泥法工艺流程图生活污水中的有机物在曝气池停留的过程中，曝气池中的微生物吸附生活污水中的大部分有机物，并且在曝气池中被氧化成无机物，然后在沉淀池中经过沉淀后的部分活性泥需要回流到曝气池中。该工艺的优点有：有机物去除率高，污泥负荷高，池的容积小，耗电省，运行成本低。该工艺的缺点有：普通曝气池占地多，建设投资大，满足国家标准相关指标范围小、易产生污泥膨胀现象，磷和氮的去除率低。（2）A/O法。A/O法是在传统活性污泥法的基础上发展起来的一种生活污水处理工艺，其中A代表Anoxic（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）。A/O法是一种缺氧好氧生物生活污水处理工艺。该工艺通过增加好氧池与缺氧池所形成的硝化反硝化反应系统，很好的处理了生活污水中的氮含量，具有明显的脱氮效果。但是此硝化反硝化反应系统需要得到很好的控制，这样就对该工艺提出了更高的管理要求，这也成为了该工艺的一大缺点。其工艺流程图如下：图2-2A/O法工艺流程图（3）A2/O法。这种污水处理方法是通过在最传统的活性污泥处理基础中发展而来的，而AA中，一个A表示为Anoxic（缺氧的），另一个A表示为Anaerobic（厌氧的）；O表示为（好氧的）。在这种的污水处理方式中，其对于污水的除磷效果显著，所以因此可以使用在具有除磷要求的污水中。对于当前的污水厂选用污水处理方法，在其特殊要求下基本上选择A2/O工艺。其工艺流程图如图2-3所示。图2-3A2/O法工艺流程图（4）A/B法。这种污水处理方法是吸附性降解的，在设置的过程中没有设置沉淀池，主要是通过把曝气池进行区分为两段，其中还设有独立的污泥回流。在高负荷下的运行，其运行的时间为20~40min，这种主要是通过生物絮凝进行吸附，并且不会出现完全氧化，具有较高的除去效率。b部分熟悉正常的主动废料，负荷较小。a部分在av法中非常有效，具有较强的缓冲能力。b部分为水力破坏，响应较为稳定。在城市污水集中处理的情况下，av法具有较好的适应性和较高的能效。最明显的好处是使用废物处理和沼气方法。然而，av的废物产量要高得多，而Parta的废物含量非常高，因此应该增加废物处理的稳定性，从而增加一定的投资和支出。此外，由于a部分的去除，除了pod数量较多，导致碳源不足，难以满足脱氮技术的要求。B部分在城市污水浓度较低时也较为困难和困难。总体而言，AB法工艺较适合于生活污水浓度高，具有污泥消化等后续处理设施的大中规模的城市生活污水处理厂，且有明显的节能效果，而对于有脱氮要求的城市生活污水处理厂，一般不宜采用。（5）SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的简称，是一种按照一定的时间顺序间歇式操作的生活污水生物处理技术，也是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥生活污水处理技术，又称序批式活性污泥法。其反应机理及去除污染物的机理与传统的活性污泥法基本相同，只是运行操作方式不尽相同。SBR法与传统的水处理工艺的最大区别在于它是以时间顺序来分割流程各单元，以时间分割操作代替空间分割操作，非稳态生化反应代替生化反应，静置理想沉淀代替动态沉淀等。整个过程对于单个操作单元而言是间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上实现了有序和间歇操作相结合。2.2水系统的基本设计思想水质检测及自动加投药控制系统首先要有两台循环水泵实现水循环控制，这就涉及到循环水泵的启停和联锁。系统要按照标准实现水上乐园水质的浊度、酸碱度、余氯值的控制，要求浊度仪、PH仪、余氯仪检测到的水质模拟量信号输入到PLC的模拟量输入模块，如果在其控制的水质超过标准时，就需要通过稀盐酸、消毒剂完成对其控制，使得水质调整。另外，在循环泵的处理中要靠手动方法，除去在辅助自动中的正常运行外，还可以实现反冲洗。基于此，控制系统的基本设计思想如下图：图2-4控制系统简图为了实现水管理项目，西门子处理器必须访问模拟输入模块，至少需要五个模拟输入模块和一个模拟输出模块。在特定的实现中，如果处理器有数字输入和输出，那么如果输入量不够，它也可以访问数字输入和输出模块。设备的放置需要水位变换器、混变、碱性酸度、氯值过度测量、用于倾倒剂的精确测量泵和伺服控制器。第3章PLC的选型及其他硬件的选择3.1可编程序控制器PLC的选择分析表明，过程主要包括水循环和过滤部分、水质监测和反冲洗过程和水位控制。需要控制的参数包括泵停止和闭塞、阴暗、PH值、过量氯、水压、水位和冲洗过程。该系统的重点是检测不透明的过载和自动添加药物，同时满足对剩余氯、PH、反冲洗过程等的要求，将PLC产品与所有制造商进行比较，最终选择了西门公司生产的SR30软件控制器。3.2西门子PLC的硬件结构及扩展模块的选择根据工艺要求，统计出开关量输入信号有19个点，模拟量输入信号有5个量，开关量输出信号有16个点，模拟量输出信号有1个。该系统由多个开关量、模拟量、多种自动检测仪、伺服控制器，控制要求自动化程度高、无人值守，对这样的控制系统，采用PLC控制可充分发挥其优势，能获得和好的控制效果。根据监管要求，SR30更为合适。它由24个入口/16个出口和40个数字入口和出口点组成。7个可扩展至248个数字化进出口点或35个典型进出口点。13g和存储空间。6个独立30KZ金属和2个独立20kz高速脉冲输出，pid控制器。pi和pi协议和通信自由可以通过RS485(RS485)软件走廊实现。输入/输出端口可以轻松拆卸。管理体系高，出入口多，扩展能力强，速度快，内部整合能力强。完全适应一些复杂的中小型控制系统。由于电流输入单元是直流输入单元，直接能量作为能量(供用户使用)来检测每个入口的状态。SummatMatM和L+提供24V口径(DC)/400M电压传感器能力，为传感器供电或检测源入口。对于继电器输出方式，既可带直流负载，也可带交流负载。负载的激励源由负载性质确定。输出端子排的右端N、L1端子是供电电源120/240V（AC）输入端。该电源电压允许范围为85~264V（AC）。2.I/O模块I/O模块是系统联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是开关量输入信号；另一类是模拟量输入信号。可编程控制装置，包括输出控制器、通讯设备、电磁、电磁、调节阀、调速装置等。另一种可以由程序控制设备控制的外部负载是灯、数字投影仪和报警器。CPU5v的电压通常是正常的，而高电压输入/输出信号控制(如直接流24V和220v)可以编程，外部参考资料的电压和干扰噪音可能会损坏可能无法正常运作的CPU设备或可编程控制装置，从而无法直接接触外部输入/输出单元。I/O单元处理传输信号以及能量分配和噪音隔离。3.编程器在编程器中，除去程序的编辑和输入等功能外，另外可以实现对其元件工作状态的编辑。另外可编程控制器内可以永久的运行，另外在其取下的情况下也可以实现运行，通常是在调试阶段采用其运行，并且一台编程器可以实现多个控制下的运行。4.EM231EM231的电压输入范围：单极性0~10V，0~5V；双极性±5V，±2.5V。电流输入范围：0~20mA；模拟量到数字量的最大转换时间：250μs；该模块模拟量的输入值为只读数据。模拟量输入模块（EM231）的输入信号经模数（A/D）转换后的数字量数据值是12位二进制数。数据值的12位在CPU中存放格式如图所示。最高有效位是符号位：0表示正值数据，1表示负值数据。每个通道占用存储器AI区域2个字节。3.3其它资源的配置要完成系统的控制功能除了需要PLC主机及其扩展模块外，还需要各种开关、接触器和变频器等设备。1.接触器在变频恒温供水系统中，其中所有的设备运行都不是连续的，而是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感器的反馈值直行动作的，因此需要PLC根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制所有设备的启停。2.变频器对于目前系统的变频器中，其MM430变频器设置为专用变频器，可以在多种情况下驱动其运行，特别适合在水泵和风机下运行。以下就介绍了变频器的工作原理，我们知道，交流电动机的同步转速表达式：（3-1）式中n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。如所知，旋转速度(3-1)与f频率成正比，如果频率在0-50之间发生变化，则可以通过发动机旋转速度的广泛调整来实现频率的。在变压器中，频率变化进行控制，这是一种更好的方法。主要优点如下(一)拿起重新启动功能，该功能使变压器在接触环形催化剂时不太容易产生影响。(二)脉冲开关的频率更高，发出的噪音较少。(三)配备良好的发动机和变压器保护装置。(四)更高的扭矩。(五)它有一个循环功能，能够直接将发动机转换为安全的能源。(六)能效最高，能效最高。(七)如果泵启动，可以检测到任何不可移动的真空。(八)综合候选人员可有效减少安装需求。(九)复合制动器的功能可以导致快速制动。3.余氯仪在线余氯分析高智能化在线连续监测仪，由传感器和二次表两部分组成。可同时测量余氯、pH值、温度。可广泛应用于电力、自来水厂、医院等行业中各种水质的余氯和pH值连续监测。余氯可分为化合性余氯（指水中氯与氨的化合物，有NH2Cl、NHCl2及NHCl3三种，以NHCl2较稳定，杀菌效果好），又叫结合性余氯；游离性余氯（指水中的OCl-、HOCl、Cl2等，杀菌速度快，杀菌力强，但消失快），又叫自由性余氯；总余氯即化合性余氯与游离性余氯之和。余氯仪测量原理：在渗透膜和电解液下实现对其电池的分开，对于渗透膜作用下，可以实现ClO选择性的穿过；在其电极的中间依靠固定电位差，实现对余氯浓度的测算。在阴极上：ClO+2H+2e→Cl+H2O；(3-2)在阳极上：Cl+Ag→AgCl+e（3-3）由于在一定温度或ph值下的氯与氯氯之间存在固定的转换关系，剩余的氯数量可以通过这种方法进行测量。该系统使用cl8130a测量计。88系列工业中使用的在线氯度计是一个网式水质监测器，配有小微处理器。这些设备广泛用于各种行业，如饮用水处理厂、饮用水分配系统、水厂、冷水厂和水处理工程。。4.PH仪PH计是当前一种常用测量仪器，主要用于准确测量液体介质的ph值，采用相应的离子选择电极测量值离子电极广泛应用于工业、农业、科学、环境等领域。它实际上是溶液中碱度的表达式。我们通常习惯用局部浓度来确定水溶液中的碱度水平，比如1%的硫酸溶液或1%的碱性溶液，但如果水溶液中的碱度比例很小，如果再次使用全浓度，可以用ph来表示。ph值为0-14,ph值为7;当ph值小于7时，表示ph值为ph。ph值越低，表示水的ph值越高。当ph大于7碱度时，ph越高，水的体积越大。系统使用Internet上的ph-110。P-110互联网酸度计用于测量ph值或ph值，以测量氧化和还原水平，广泛应用于水上游乐园、游泳、饮用水和污水处理等广泛领域。5.浊度仪又称浊度计。水泵检查可以在水厂、发电厂、采矿公司、实验室和现场进行。本设备通常用于安装饮用水工厂验证qs体系所需的检验设备。扰动是光悬浮在水中的强度。水可能被悬浮物和微有机物腐蚀，如土壤、灰尘、微有机物、浮游动物和其他微生物。裂度计采用散射原理。来自光源的平行光线被吸收扩散，另一部分穿过溶液。与入射光成900方向的散射光强度符合雷莱公式：（3-4）其中：I0——入射光强度Is——散射光强度N——单位溶液微粒数V——微粒体积λ——入射光波长K——系数在入射光恒定条件下，在一定浊度范围内，散射光强度与溶液的混浊度成正比。上式可表示为：（A为常数）(3-5)根据这一公式，可以通过测量水样中微粒的散射光强度来测量水样的浊度。本系统采用的是GDS－3P散射光浊度仪。

第4章硬件设计4.1水循环及过滤部分考虑到水循环运行基本无人值守，循环水泵的自动过程由两台泵互为备用，8h自动切换和非正常停泵(热继电器动作等)自动投入备泵。循环水泵的手动过程，只是配合自动过程的辅助手段。水循环主程序流程图，这部分以非正常停泵自动切换部分为重点和难点，可用内部继电器做一个与循环水泵“同起/选停”的“监控器”，来判断是停泵信号还是故障信号以及8h切换信号，再经计时器延时切换和完成切换工作等。下图为各硬件连接图：图4-1循环水泵自动控制图图4-2泵接线图图4-3变频器接线图4.2水质检测控制系统水质检测都是通过各检测项目的检测仪器送来的模拟量检测信息，输入到模拟量扩展模块0或l模块进行处理，处理后根据水质标准确定的控制量，控制精确计量加投泵加投药剂。各模拟量输入的处理及控制都基本相同，这里仅以浊度—絮凝剂为例说明模拟量输入及控制的基本方法。图4-4浊度控制曲线及刻度值换算比例从图4.4所示浊度控制曲线看出，要求浊度控制值在2~4NTU，5NTU为浊度的限幅值和报警值，即当浊度值≧4NTU时开计量泵加投絮凝剂，当≤2NTU时关闭计量泵，通过是否加投絮凝剂，凝结或不凝结池水中的杂质，循环水流过过滤缸时产生不同的滤除作用，使池水的浊度保持在规定的范围内。主程序的主要功能是通过比较变化控制极限和偏转泵将Q0.4输出到血糖测量仪表上;在出口q.4，混合发生器必须在添加中和剂之前启动;第二，其他次级方案必须包括分散的条件。子程序主要控制和处理故障模拟。5个模拟控制变频器的电流范围从4到20mA，而PLC模拟变频器的电流范围从0到20mA。因此，输家的流动必须改变。将输入流转换为PLC内部尺度的一个例子表明，图4.5中的坐标可以解释为信号x1,x2和极限值x3，并可以通过计算得到相应的值。图中4mA对应的刻度值并不是0，而是6400，即相当于坐标原点移至(4，6400)，由此原点的新坐标按比例计算出对应的y1、y2及y3刻度值。其计算式如下:(4-1)(4-2)（4-3）（4-4）(4-5)(4-6)价值层面的转换,亦可模拟信号输入输人/模拟输出模块本身,比如西门子EM231模块第15位、第12位,数据分级,即那些确实已经失去了对弱信号三位数的“遥感”、使数据相对比较稳定的信号首先可以低,3位信号的重复使用提供了一个相对“稳定”的信号。图4.5中比例的最大值为(4000)，最小比例为(800)。实际值保持不变，如式(4-1)至(4-6)。只需计算y1,y2和y3刻度的新值。从流程图可看出程序有信号取平均值部分，浊度信号本身是易波动的信号，因此信号必须采若于次后取平均值才能使用。在触摸屏和显示屏上面的所显示的所有模拟量值都应使用取平均后的值。图4-5系统硬件框图以上各硬件I/O端口信息如表4-1所示：表4-1控制系统I/O分配表输入注释输出注释I0.0手动进水1开Q0.0进水1开I0.1手动进水1关Q0.1进水1关I0.2进水1故障Q0.2出水1开I0.3手动出水1开Q0.3出水1关I0.4手动出水1关Q0.4反进水1开I0.5出水1故障Q0.5反进水1关I0.6手动反进水1开Q0.6反出水1开I0.7手动反进水1关Q0.7反出水1关I1.0反进水1故障Q1.0进水2开I1.1手动反出水1开Q1.1进水2关I1.2手动反出水1关Q1.2出水2开I1.3反出水1故障Q1.3出水2关I1.4手动进水2开Q1.4反进水2开I1.5手动进水2关Q1.5反进水2关I1.6进水2故障Q1.6反出水2开I1.7手动出水2开Q1.7反出水2关I2.0手动出水2关Q2.0总进水开I2.1出水2故障Q2.1总进水关I2.2手动反进水2开Q2.2总出水开I2.3手动反进水2关Q2.3总出水关I2.4反进水2故障I2.5手动反出水2开I2.6手动反出水2关I2.7反出水2故障I3.0总进开I3.1总进关I3.2总出开I3.3总出关I3.4手自动I3.5启动I3.6停止I3.7复位4.3PID水位控制在工程实践中，最常用的控制规则被称为比例控制、积分控制、差分控制、降阶PID控制或PID控制。近70年来，PID控制器一直是工业控制的主要方法之一。结构简单、稳定、可靠、调节方便。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。4.3.1PID调节（1）比例调节（P调节）在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即：（4-7）式中称为比例增益。比例调节的显著特点就是有差调节。采用比例调节，则在符合扰动下的调节过程结束后，被调节量不可能与设定值准确相等，他们之间一定有偏差。比例调节的偏差随着比例带的加大而加大。（2）积分调节（I调节）在I调节中，调节器的输出信号的变化速度偏差信号e成正比，即（4-8）式中称为积分速度，可视情况取正值或负值。调节器的输出与偏差信号的积分成正比。积分调节器的特点是无差调节与P调节的有差调节形成鲜明对比，只有当被调节量偏差e为零时I调节器的输出才会保持不变。然而与此同时调节器的输出却可以停留在任何数值上。这意味着被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有残差，而调节阀则可以停止在新的负荷所要求的开度上。I调节的另一特点是它的稳定作用比P调节差。采用I调节时口制系统的开环增益与积分速度成正比。增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。（3）微分调节（D调节）调节器能够根据被调节量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调节量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节效果将会更好，等于赋予调节器以某种程度的预见性这种调节称为微分调节。此时调节器的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比。即（4-9）根据上述模式运行的系统无法运作。其原因是，实际监管者有一些功能失灵的地区，当需要的人员的流入和流出流量差别很小，频率变化速度缓慢，无法探测。然而，在很长一段时间之后，有组织的偏离量大量积累而不加以纠正，这是不可接受的。4.3.2PLC中的PID控制实现方法典型的基于数字PID的闭环控制系统。PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的PID控制方程，再跟据离散方程进行控制程序设计。在连续系统中，典型的PID控制器的输入输出关系如下：（4-10）式中:为控制器的输出量，为输出的初始值，为给定值与被控变量的误差信号，为比例系数；为积分时间常数；为微分时间常数。将上式离散化，第n次采样时控制器的输出为：（4-11）标准PID控制允许将闭环控制器、脉冲控制器以及步骤控制器集成到用户程序中。带集成控制器设置的参数分配工具允许设置控制器，可在极短时间内优化使用。如果简单PID控制器不足以解决自动化任务，可使用模块化PID控制。可以互连所包含的标准功能块，创建几乎任何一种控制器结构。

第5章软件设计5.1水循环及过滤部分图5.1显示了主要水循环和过滤程序的流程图。手动过程的循环水泵，只有自动过程的辅助手段，手动状态除了启动/停止两个泵的运行外，还操作过滤缸的冲洗过程。手动过程是直接和简单的，本文不讨论。循环泵自动过程由两个互泵作为备用泵泵(1#、2#)、自动切换8h和泵异常停止泵自动启动救济动作(如日继电器、加热等)组成。启动过程由两个泵旋转启动，即在程序中设置启动泵数N(N=1,2)。当您第一次进入主水循环程序时，首先读取泵数N(使N+1)。决定先打开哪个泵1。如果后期，如果能够平稳运行，并且在一个周期内，则需要制定泵主方案，当进入新的水循环泵时，再启动电流N(N=2，即N=1).因此，为了减少泵连续工作造成的一定损失。实际证明此方法可行且有效。当某一台泵出现故障需停机时,需等待该泵完全停止后,方可开启另一台泵,否则会出现局部回流现象,极易损坏水泵,因此,在起动另一台水泵时,有一个10s的延时，以此来保护水泵。水循环主程序水循环主程序启动准备自动手动NY启动1号泵故障N计时8h?启动2号泵故障N计时8h?停泵延时10秒停泵延时10秒YY停泵N停泵N总停水循环主程序结束YNYNY图5-1主程序流程图5.2水质检测及加投部分水质检测都是通过各种检测仪器送来的模拟量检测信息,输入到模拟量扩展模块进行处理,处理后根据水质标准确定控制量,分别控制各药剂精确计量泵,加投水处理药剂。在水质检测及加投药程序中，首先检查扩展模块0是否有错和用户电源是否有错。浊度仪检测浊度值信号存在波动，要取平均值后才能进行使用，浊度平均值的计算包括初始化程序和设置每批信号的采样次数。浊度程序中刻度值是0~32000，但基于扩展模块EM231分辨率的原因，要通过移位指令将程序刻度值变成0~4000。程序用移位实现除法，可节省直接除法处理的时间。当达到加投要求时，先启动絮凝剂搅拌器，再启动絮凝剂计量泵，将药剂加投到循环水泵前。Sm0.1调用子程序7初始化Sm0.1调用子程序7初始化浊度—絮凝剂主程序扩展模块错误？调用子程序1检查模块Sm0.0调用子程序8计算平均值循环水泵开vw420>=16640启动絮凝剂搅拌器3秒后启动絮凝剂计量泵vw420<=10240关泵及搅拌器浊度—絮凝剂主程序结束NYYYYNN图5-2浊度—絮凝剂流程图(A)

子程序7开始子程序7开始预置采样计数器和清零子程序7结束子程序1开始子程序1结束检查SMB8模拟量模块是否连城扩展模块0检查SMB9扩展模块是否电源有错？设置错误标志NYYN子程序8开始从模拟量输入AIW4中取个值加到采样和中，采样计数器加一，直到最大采样数用移位发求采样平均值子程序8结束图5-3浊度—絮凝剂流程图(B)5.3水位控制部分本节介绍自动控制。当水位很低时，还必须向池中加水，出水运行控制，主要是用PID输出调节，输出控制信号由AQW0伺服控制器控制调节水泵的阀门开启，定量供水管和混水器使用，使池水位按要求保持稳定。活动水循环过程中，水资源调节控制按钮、SB9按钮、PLC，通过建立内部程序来完成水位的控制和显示，当水位过高或过低时，可以通过SB10的一个旋钮自动控制系统温度，这些系统达标时，两个旋钮，可以使系统很快就会非常稳定的将水位调节到规定的范围内。由于连续监控，快速设置。SB10按钮由PLC内部的继电器控制伺服蒸汽阀，省去了手动调节过程，避免了人为的高溢流。其中，SB9和SB10必须在水循环系统启动后设置。5.3.1系统的工作原理根据水位系统的主程序的开始，启动PID调节水位，由于水池容积较大,滞后现象严重,故在PID中加入前馈控制算法,但试验调试时,发现控制效果依然很迟缓。因此,去掉前馈控制,给系统增加一个补偿,尝试采用Smith补偿。表5-1恒水位控制输入输出点符号地址注释运行M0.00运行1停止输出归一VD9000~1手自动M0.30手动1自动手动输出VD7000~1实际水位VD550M设定水位VD650M模拟输出AQW016000~0PID输出VW800VW800主程序开始主程序开始包内一组数即命令头+温度值SM0.1调用子程序7初始化扩展模块有错误？调用子程序1检查模块I2.3=1？SM0.0调用子程序8计算平均值调用子程序4起动PID调节水位由AQW0输出主程序结束结束SM0.0给PID算法回路表设初值YYYYYNN子程序3开始子程序3结束Y转换为0～32000之间的整数送至AQW0中断1开始子程序4结束子程序4开始由I1.3或触摸屏按钮起动伺服电动阀驱动电源SM0.0设置自由端口0控制寄存器发送数据“包”包内一组数即命令头+水位值每隔200ms设置中断0，发送出池口水位值传至大厅显示屏SM0.0设置限幅值及中断1将处理过的出池口水位值转换成0～1之间的实数M0.1调用PID运算指令中断1结束图5-4水位控制系统流程图(A)中断0开始SM0.1调用子程序3设置发送中断0开始SM0.1调用子程序3设置发送SM0.7调用特殊功能标志位SM130.0SM0.5触发发送XMT指令中断0结束图5-5水位系统流程图(B)5.4系统仿真主程序仿真（1)首先，确定“文件”是一个对话对话的方案，称为“确认、对话文件、查找生成”。“l水循环”，在建议中插入“不得直接或具体地打开或读取文件或块”，从而加载该过程。（2)按绿三角形按钮(运行按钮)，此时系统提示“确实要切换到运行状态吗”，选择“确定”，则此时系统电源红色指示灯灭。运行绿色指示灯亮。按下系统图中输入开关的左边第二个按钮，该按钮为I0.1，则输入指示灯I0.1绿灯亮，并且输出指示灯没有显示，按下系统图中输入开关的左边第四个按钮，该按钮为I0.3，则输入指示灯I0.3绿灯亮，并且输出指示灯Q0.2亮，表示循环水泵1开始运行。仿真结果如图：图5-6组态王仿真图（A）按左边的第五个按钮(i0.4)，并关闭输出Q0.2(表示圆形泵停止的灯。然后按输入开关左侧的第七个按钮，即I-0.6、I-0.6绿灯、输出灯q-3和环形泵2。。仿真结果如图：图5-7组态王仿真图（B）输出指示灯按程序运行，按下总接触器控制开关I0.1，程序就会停止。第6章结论本文介绍了饮用水处理PLC控制系统三大组成部分的硬件软件设计方法，着重介绍了模拟量控制所要注意的问题，即模拟量输入信号的转换和调整方法，模拟量输出信号的处理方法等。该系统自动化程度高，控制稳定、可靠、直观、方便，本文总结出的该控制系统的一般规律，可为其他水处理控制提供借鉴。PLC技术的应用使水处理的全自动化可视化控制成为可能，使水处理系统的自动化、可视化水平及控制成为可能，使水处理系统的可靠性、智能性和安全性都得到提高，很好地满足了人们的需要。同时也降低了能耗，减轻了工人的劳动强度，提高了管理效率。取得了明显的经济效益和社会效益，具有非常好的推广价值和应用前景。通过脱离设计，该系统满足了该系统的控制要求，并成功完成了实施c的设计。随着系统的调试，实现了抽水、再循环、自动装水和自动交换等功能，从而提高了系统的可靠性，实现了设计目标。这种设计强调了强大、简单、可靠和灵活的SR-30RPLC控制特点。美国的不足之处是，由于缺乏专门知识和设计时间、条件有限以及某些