基于PLC設(shè)計(jì)出的水廠(chǎng)濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)畢業(yè)論文

山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 摘要摘 要供水是一個(gè)關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè)。供水不僅要滿(mǎn)足管網(wǎng)壓力的需要、保證充足供水，還要求水質(zhì)明顯提高。濾池是水廠(chǎng)常規(guī)處理凈水構(gòu)筑物的最后一道工序，濾池運(yùn)行的好壞直接影響到水廠(chǎng)的出水水質(zhì)。濾池反沖洗工藝復(fù)雜，如果仍然沿用人工方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，安全性難以保障，為此必須進(jìn)行濾池自動(dòng)化系統(tǒng)的改造。本文從水廠(chǎng)濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求和工藝特點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)出了一套基于 ControlLogix 硬件和軟件系統(tǒng)的水廠(chǎng)濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)。在濾池正常過(guò)濾時(shí)，為實(shí)現(xiàn)恒水位過(guò)濾，設(shè)計(jì)了以出水流量為控制參數(shù)的濾池液位 PID 控制系統(tǒng)。而在系統(tǒng)接收到反沖洗信號(hào)時(shí)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上就主控PLC 如何更好的與現(xiàn)場(chǎng) PLC 協(xié)調(diào)控制濾池的反沖洗方案進(jìn)行了對(duì)比并且做了優(yōu)化，增強(qiáng)了控制思路的清晰性，達(dá)到了預(yù)期的控制效果。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，進(jìn)行了硬件設(shè)備的選型，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)硬件配置圖、I/O 模塊接線(xiàn)圖，并編寫(xiě)了實(shí)現(xiàn)控制算法的程序。關(guān)鍵詞：水廠(chǎng)濾池，恒水位 PID 控制，自動(dòng)反沖洗，協(xié)調(diào)控制山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ABSTRACT ABSTRACTWater supply is an important industry for the peoples livelihood. Not only to meet the needs of the pipeline network pressure and to ensure adequate water supply, but also called for the improvement of water quality. As to conventional water treatment plant, filter is the last structures of water purification processes, filter run a direct impact on water quality. The process of filter backwash is complexity, if still used in manually, labor-intensive, low productivity, so it is difficult to ensure the safety of this system and it must be transformed to automatic systems.In this paper, as a view of the automatic control system for the water plant filter requirements and process characteristics, the automatic control system for the water plant design of a set of hardware and software based on the ControlLogix system has been accomplished. When in the normal filtrate period,in order to keep the constant level, designed the PID filter level control system which is based on the water flow parameters. When receives backwashing signals, the control system on how to enhance coordination between master PLCand on-site PLC, has been compared and optimized. According to requirements of the designed control system, the selection of hardware devices, hardware configuration, I/O module wiring diagram, procedures for the realization of control algorithm have been accomplished.Keywords: water plant filter, constant water level on PID control, automatic backwashing, coordinated control 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄目錄1 緒論 .111 課題研究背景 .11.2 課題研究?jī)?nèi)容 .21.3 研究的目的和意義 .52 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) .72.1 系統(tǒng)分析 .72.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) .123 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) .273.1 濾池實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需的設(shè)備 .273.2 傳感器和執(zhí)行器的選擇 .333.3 系統(tǒng)的硬件配置及 I/O 連接圖 .393.4 控制參數(shù)整定 .434 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .474.1 軟件總體方案的設(shè)計(jì) .474.2 控制方案程序 .495 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .615.1 組態(tài)王 6.52 簡(jiǎn)介 .615.2 監(jiān)控界面的設(shè)計(jì) .61結(jié)束語(yǔ) .72山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄參考文 獻(xiàn) .73致 謝 .74附錄 .75山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論11 緒論11 課題研究背景水對(duì)人類(lèi)而言有著非同尋常的意義，不論是日常生活，還是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都離不開(kāi)水。特別是在現(xiàn)代社會(huì)中，人們不僅對(duì)水的需求量與日俱增，對(duì)水質(zhì)的要求也越來(lái)越高。人類(lèi)對(duì)飲用水進(jìn)行處理的歷史十分悠久，超過(guò)了兩千年。但這是小規(guī)模、家庭型的處理，范圍僅針對(duì)某個(gè)人或某個(gè)家庭。而面向社會(huì)興建水廠(chǎng)，工業(yè)化的集中處理水的歷史還不到 200 年，特別是以快濾池為標(biāo)志的現(xiàn)代水廠(chǎng)更只有 110 多年歷史。在我國(guó)，水廠(chǎng)的大規(guī)模建設(shè)是從解放后開(kāi)始的，時(shí)間較短，但取得了卓越的成就。目前各個(gè)城市都已興建了自己的凈水廠(chǎng)，基本普及了自來(lái)水。而且，更加現(xiàn)代化的、大規(guī)模的新型水廠(chǎng)也在成批的建設(shè)中。水廠(chǎng)和其它行業(yè)的工廠(chǎng)一樣，自出現(xiàn)以來(lái)不斷革新，不斷現(xiàn)代化，生產(chǎn)能力、凈化效果都不斷提高。日產(chǎn)百萬(wàn)噸以上優(yōu)質(zhì)自來(lái)水的超大型水廠(chǎng)也不罕見(jiàn)。維持如此大規(guī)模的水廠(chǎng)正常運(yùn)行，且要保證出廠(chǎng)水質(zhì)，對(duì)處理工藝和自動(dòng)化水平都提出了很高的要求。水廠(chǎng)的處理工藝一百年來(lái)已經(jīng)比較成熟，基本上是混凝沉淀、過(guò)濾和消毒。混凝劑一般采用鋁鹽、鐵鹽。利用凝聚原理去除原水中的懸浮顆粒。再進(jìn)行沉淀，過(guò)濾。消毒一般采用氯化法。近幾十年，隨著凈水理論的發(fā)展，工藝設(shè)計(jì)和處理構(gòu)筑物的形式不斷變化，各類(lèi)反應(yīng)藥劑也出現(xiàn)許多新的替代品，比如:以高分子化合物作為混凝劑，臭氧或二氧化氯作為消毒劑等等。不過(guò)，基本的工藝過(guò)程沒(méi)有根本性改變。相比之下，水廠(chǎng)的現(xiàn)代化更主要的表現(xiàn)在自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)上。凈水廠(chǎng)的生產(chǎn)過(guò)程采用自動(dòng)化技術(shù)，不是單純的為了節(jié)省人力，更主要的山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論2是加強(qiáng)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的合理調(diào)度，保證水量、水壓，提高水質(zhì)，節(jié)約動(dòng)力和投藥量，消滅事故，積累運(yùn)行資料，提高供水的可靠性和管理水平。我國(guó)的凈水廠(chǎng)自動(dòng)化技術(shù)起步較晚，一度比較落后。但在近二十年中，發(fā)展迅速，許多大城市的水廠(chǎng)也達(dá)到了較高的自動(dòng)化程度 1。在各中小型水廠(chǎng)水質(zhì)生產(chǎn)過(guò)程中，濾池處理過(guò)程的有效控制是保證水廠(chǎng)出廠(chǎng)水水質(zhì)優(yōu)劣及生產(chǎn)效率高低的關(guān)鍵因素。在傳統(tǒng)的濾池生產(chǎn)中，一般依靠人工操作進(jìn)行生產(chǎn)，濾池正常的過(guò)濾時(shí)間以及濾池反沖洗各環(huán)節(jié)的時(shí)間和強(qiáng)弱都要依靠現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于受到人員素質(zhì)及經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境溫度、源水水質(zhì)變化等各種復(fù)雜因素的影響，很難使出廠(chǎng)水水質(zhì)長(zhǎng)期穩(wěn)定。因此水廠(chǎng)濾池的自動(dòng)化控制對(duì)于出廠(chǎng)水質(zhì)優(yōu)劣尤為重要。為了更好地安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)水廠(chǎng)自動(dòng)化控制，本課題希望通過(guò)研究PLC 在水廠(chǎng)濾池控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，使通過(guò) PLC 設(shè)計(jì)出的水廠(chǎng)濾池控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)水廠(chǎng)濾池控制系統(tǒng)具有更好的維護(hù)性和擴(kuò)展性，提高水廠(chǎng)濾池控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，確保水廠(chǎng)供水更安全更可靠。1.2 課題研究?jī)?nèi)容1.2.1 研究現(xiàn)狀早期的水廠(chǎng)控制是單元式的。根據(jù)需要，各個(gè)工藝環(huán)節(jié)建立獨(dú)立的控制設(shè)施。這些設(shè)施可以一次建成，也可以分別建設(shè)，相互之間沒(méi)有聯(lián)系。每個(gè)環(huán)節(jié)根據(jù)自身的情況進(jìn)行工作，只能解決該環(huán)節(jié)局部的控制調(diào)節(jié)問(wèn)題，環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)是難以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，需要人工加以干預(yù)。這屬于分散式控制。以后隨著計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集中式控制形式，由中心控制室的一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行巡回檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算，然后發(fā)出控制信號(hào)，直接控制被控對(duì)象。一臺(tái)計(jì)算機(jī)往往同時(shí)控制多個(gè)回路，即多個(gè)水處理工藝環(huán)節(jié)。在這種控制系統(tǒng)中，集中檢測(cè)、控山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論3制運(yùn)算工作量大，要求計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大，有很高的可靠性。一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就都會(huì)陷于癱瘓 2。進(jìn)入70年代以來(lái)，以微處理器為核心的各種控制設(shè)備發(fā)展迅速，使得控制系統(tǒng)的形式也發(fā)生了相應(yīng)的變化，結(jié)構(gòu)組成種類(lèi)很多。當(dāng)前水廠(chǎng)采用的自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，從自控的角度可以劃分為SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、IPC+PLC 系統(tǒng)、總線(xiàn)式工業(yè)控制機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)等。IPC+PLC系統(tǒng)是由工業(yè)計(jì)算機(jī)(IPC)和可編程序控制器(PLC)組成。在國(guó)內(nèi)水廠(chǎng)自動(dòng)化中得到最廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：(1)可以實(shí)現(xiàn)分級(jí)分布控制。(2)可以實(shí)現(xiàn)“集中管理、分散控制”的功能，將危險(xiǎn)分散，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。(3)組網(wǎng)方便。硬件系統(tǒng)配置簡(jiǎn)潔，很容易在網(wǎng)絡(luò)中增減PLC控制器，來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的目的。(4)編程方便，開(kāi)發(fā)周期短，維護(hù)方便。由于應(yīng)用程序采用梯形圖或順序功能圖編輯，編程和維護(hù)方便。(5)系統(tǒng)內(nèi)的配置和調(diào)整非常靈活。(6)與工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)直接相連，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。當(dāng)前水廠(chǎng)采用最多的控制系統(tǒng)是IPC+PLC系統(tǒng)。該系統(tǒng)近年發(fā)展迅速，已經(jīng)與DCS系統(tǒng)的功能相近，特別是同樣具有分級(jí)分布控制、實(shí)現(xiàn)集中管理，分散控制的功能，往往從水處理工藝控制的角度也將此系統(tǒng)稱(chēng)為集散式系統(tǒng)。國(guó)外自70年代起開(kāi)始了供水系統(tǒng)自動(dòng)控制的研究與應(yīng)用工作。尤其是自80年代以來(lái)，微電子等現(xiàn)代科技高速發(fā)展，水工業(yè)專(zhuān)用檢測(cè)儀表與裝備不斷發(fā)展，水工業(yè)專(zhuān)用檢測(cè)儀表與裝備不斷發(fā)展與完善，相應(yīng)地推動(dòng)供水系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)有了質(zhì)的飛躍。加之西方發(fā)達(dá)國(guó)家雄厚經(jīng)濟(jì)實(shí)力山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論4與技術(shù)基礎(chǔ)，供水系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控已得到普遍應(yīng)用。一些水廠(chǎng)己實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，能對(duì)生產(chǎn)工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)連續(xù)自動(dòng)地監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)、記錄、報(bào)警等等 3。我國(guó)自80年代中后期起，陸續(xù)有一些較大型的水廠(chǎng)利用外資建設(shè)，同時(shí)引進(jìn)了成套的水廠(chǎng)現(xiàn)代化監(jiān)控儀表與設(shè)備。我國(guó)在水廠(chǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)混凝投藥控制技術(shù)與設(shè)備方面實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)電流及透光率脈動(dòng)兩種凝控制設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化，并在水廠(chǎng)獲得推廣應(yīng)用，取得顯著效果，在此方面已居于國(guó)際領(lǐng)先水平。水工業(yè)的一些專(zhuān)用檢測(cè)儀表與設(shè)備，如在線(xiàn)檢測(cè)濁度儀、計(jì)量投加泵等，也有一些廠(chǎng)家開(kāi)始生產(chǎn)，但是質(zhì)量水平與國(guó)外產(chǎn)品相比仍有距離，難以滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需要。我國(guó)大多數(shù)水廠(chǎng)的監(jiān)控技術(shù)仍是很落后的，基本以人工方式為主，很難適應(yīng)現(xiàn)代化的要求，一些水廠(chǎng)(包括有些引進(jìn)設(shè)備的水廠(chǎng))的自動(dòng)監(jiān)控基本照搬西方的模式，雖然采用了龐大的自動(dòng)化系統(tǒng)、投資很大，然而在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)上的調(diào)節(jié)功能并不強(qiáng)。這種模式并不適應(yīng)我國(guó)相當(dāng)多的水廠(chǎng)原水水質(zhì)變化大而快的情況，而談不上保證水處理系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，結(jié)果水質(zhì)保證率低，而運(yùn)行費(fèi)用高。這些自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)并不完全符合提高水廠(chǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益這一根本目的 4。針對(duì)我國(guó)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，不同規(guī)模水廠(chǎng)迫切需要解決的問(wèn)題有所不同。近年來(lái)建設(shè)的較大型的、自動(dòng)監(jiān)控水平較高的水廠(chǎng)需要認(rèn)真總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并向優(yōu)化運(yùn)行方面發(fā)展，為這類(lèi)水廠(chǎng)自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)步提供借鑒與指導(dǎo)。對(duì)于眾多的中小水廠(chǎng)，經(jīng)濟(jì)條件有限，應(yīng)在堅(jiān)持國(guó)產(chǎn)化、實(shí)用化的原則下，著重發(fā)展那些對(duì)供水質(zhì)量、運(yùn)行費(fèi)用有重要影響的工藝環(huán)節(jié)（水廠(chǎng)濾池的過(guò)濾環(huán)節(jié)等）的自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)與設(shè)備，建立規(guī)模適宜、自動(dòng)化水平相對(duì)較高、運(yùn)營(yíng)成本較低的符合自身發(fā)展水平的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。1.2.2 研究?jī)?nèi)容濾池自控技術(shù)是凈水處理的重要環(huán)節(jié)，如果控制不好，就不能達(dá)到預(yù)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論5定的水質(zhì)要求。采用哪一種濾池反沖技術(shù)是濾池自控技術(shù)中的研究?jī)?nèi)容。單一水反沖洗技術(shù)己沿用多年，由于該方法具備操作單一和設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。但實(shí)踐證明該技術(shù)是一種相對(duì)落后的反沖洗方式。該法耗水量較大，剪切、碰撞及摩擦作用較弱，難以完全消除濾料上的泥球及結(jié)塊現(xiàn)象，也給過(guò)濾帶來(lái)許多弊端。由于傳統(tǒng)的水反沖洗技術(shù)存在一些問(wèn)題，眾多學(xué)者通過(guò)不斷探索和研究，開(kāi)發(fā)了氣、水反沖洗技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外氣水反沖洗有3種運(yùn)行方式：一是先氣洗，再用低流量水反沖洗；二是先氣、水同時(shí)反沖洗，再用低流量水反沖洗；三是先氣洗，再氣、水同時(shí)反沖洗，最后用水漂洗。本課題主要設(shè)計(jì)的