基于plc的自來水廠凈水處理控制系統(tǒng)設計

1、畢 業(yè) 論 文（設計）論文（設計）題目：基于plc的自來水廠凈水處理控制系統(tǒng)設計系 別： 物理與機電工程學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 學 號： 2010105602 姓 名： 陳政 指導教師： 陸正杰 時 間： 2014年06月 河 池 學 院畢 業(yè) 論 文（設 計） 開 題 報 告系別:物理與機電工程學院 專業(yè):機械設計制造及其自動化學 號2010105602姓 名陳政論文（設計）題目基于plc的自來水廠凈水處理控制系統(tǒng)設計命題來源教師命題 學生自主命題 教師課題選題意義(不少于300字):中國是一個干旱缺水嚴重的國家，淡水資源總量為28000億立方米，占全球水資源的6，僅次于巴西

2、、俄羅斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，僅為世界平均水平的14、美國的15，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。我國水資源短缺、水污染嚴重 、水土流失嚴重 、水價嚴重偏低、水資源浪費嚴重。而且南方水多，北方水少。西部水少，沿海水多。據(jù)統(tǒng)計，我國目前缺水總量估計為400億立方米，每年受旱面積200萬260萬平方千米，影響糧食產量150億200億千克，影響工業(yè)產值2000多億元，全國還有7000萬人飲水困難。缺水對環(huán)境和人的身心健康都有著嚴重的影響。隨著社會經濟的發(fā)展，水對人民的生活與生產的影響越來越重要，人們對供水的質量與安全保障的要求不斷提高。加強供水系統(tǒng)的監(jiān)控是一項重要

3、而有效的節(jié)水降耗措施，同時又能降低供水系統(tǒng)的能耗。因此加強水處理廠的各個工藝環(huán)節(jié)的自動監(jiān)測與控制具有重要意義。由于歷史現(xiàn)實的原因，我國水廠自動化的總體發(fā)展水平還不高，發(fā)展也不平衡。大中城市的水廠特別是發(fā)達地區(qū)的大型水廠，自動化程度較高，而小城市和城鎮(zhèn)的水廠特別是落后地區(qū)的小型水廠，自動化程度較低，有些甚至還是空白。并且，在一些已實現(xiàn)自動化的水廠中，雖然其自動化系統(tǒng)和設備與其它行業(yè)如化工、電力等相比不差甚至更先進，但是，其功能并未充分發(fā)揮出來。有的自控系統(tǒng)從未運行過，一直處于閑置狀態(tài)；有的運行一段時間后變?yōu)榱耸謩?，甚至處于癱瘓狀態(tài)，造成了自動化系統(tǒng)和設備的極大浪費。因此, 對水凈化處理控制技術的

4、研究具有極其重要的現(xiàn)實意義。plc 作為一種新型的工業(yè)控制器,以其通用性好、安裝靈活、擴展方便、可靠性高、性能價格比高等一系列優(yōu)點,在工業(yè)控制中得到越來越廣泛的應用,在自來水處理中也得到廣泛的推廣，近年來隨著科技的發(fā)展，工業(yè)控制的穩(wěn)定性、自動化程度不斷提高，使得其成為城市自來水處理自動化方面的首選。研究的目標和主要內容（不少于400字）（1）查閱各種資料，了解水廠凈水處理的基本工作原理；（2）研究基于plc控制的自動系統(tǒng)設計（3）研究該系統(tǒng)的實用性及經濟作用深入了解和分析被空控對象的工藝條件和控制要求。系統(tǒng)完成的動作，自動工作循環(huán)的組成，必要的保護和聯(lián)鎖等。擬采用的研究方法1、plc的選型。通

5、過操作，設計一個plc水凈化處理控制系統(tǒng)裝置。按控制要求選擇外部設備，確定系統(tǒng)所需的用戶輸入，輸出設備（常用的輸入設備有按紐、選擇開關、行程開關、傳感器等，常用的輸出設備有繼電器、接觸器、指示燈等等），設計plc外部電路的接線圖。根據(jù)已確定的擁護i/o設備,統(tǒng)計所需的輸入信號和輸出信號的點數(shù),選擇合適的plc類型。2、熟悉plc主機的結構，熟悉編程器的功能和編程語言。進一步熟悉編程器，掌握輸入輸出、定時器計數(shù)器、微分、保持繼電器等常用指令的功能和編程方法。設計應用系統(tǒng)梯形圖程序，編寫控制程序。將程序輸入plc，進行軟件測試。3、 本次畢業(yè)設計的研究內容主要是通過網(wǎng)絡、圖書館查閱各種相關資料。研

6、究工作的進度安排2014.2.20-3.10收集相關資料，與指導老師取得聯(lián)系，確定畢業(yè)設計題目，上交開題報告2014.3.12-3.20查詢課題資料，編寫控制程序并設計流程圖2014.3.21-3.30開始畢業(yè)設計作品制作2014.4.1-4.30畢業(yè)設計的撰寫2014.2-4月 根據(jù)導師意見，進一步修改論文2014.5月 答辯。參考文獻目錄（作者、書名或論文題目、出版社或刊號、出版年月日或出版期號）1 劉燦生.自動化是我國水廠的發(fā)展方向j .給水排水 1998，24（12）：12 丁亞蘭.國內外給水工程設計實例m. 北京：化學工業(yè)出版社.2000：61653丁桓如.工業(yè)用水處理工程m.北京：

7、清華大學出版社，2005：188-2454 郭鳳文水工業(yè)自動化控制技術的發(fā)展趨勢j中國給水排水，2001，17(3)：32355 胡曉春.水廠自動化及設計j給水排水20006 宋保民，張涇周.上位機與plc組建分布式控制系統(tǒng)時串口通信的實現(xiàn)j機械與電子，2005，(1)：3133 7 常斗南可編程序控制器原理、應用及通信m北京：機械工業(yè)出版社，1997：68968 周萬珍，高鴻斌plc分析與設計應用m電子工業(yè)出版社2004,5：108132.9 袁任光可編程序控制器選用手冊m北京：機械業(yè)出版社，2002，381402 10 廖常初plc梯形圖程序的設計方法與技巧m電工技術1998，10：596

8、5.指導教師意見該同學畢設選題“基于plc的自來水廠凈水處理控制系統(tǒng)設計”在生活用水凈化領域中被廣泛應用。前景廣闊，選題具有一定的實用價值。選題研究目標明確，內容定位準確。前期準備充分，研究進度計劃合理，具有可行性。同意開題。 簽名： 年 月 日教研室主任意見同意開題。 簽名： 年 月 日目 錄摘 要1關鍵詞1引言11 凈水處理的總體介紹22 各控制環(huán)節(jié)的具體操作32.1 取水泵的選擇和控制32.2 絮凝劑的投放控制32.3 沉淀過濾淤泥的清理控制42.4 活性炭的定時更換42.5 加氯消毒控制52.5.1 系統(tǒng)結構52.5.2 控制特點53 系統(tǒng)硬件設計73.1 系統(tǒng)所需儀器設備73.2 電

9、氣控制系統(tǒng)73.3 凈水處理系統(tǒng)的工作原理73.3.1 控制系統(tǒng)總體框圖73.3.2 工作過程83.3.3 凈水處理系統(tǒng)主電路設計83.4 plc選型93.5 plc的i/o分配104 軟件系統(tǒng)設計124.1 總體流程設計124.2 手動模式124.3 自動模式134.6 pid控制165 調試和運行結果175.1 硬件系統(tǒng)的調試175.2 軟件系統(tǒng)的調試185.3 運行結果186 總結與展望19參考文獻20abstract21key words21附錄22致謝24河池學院2014屆畢業(yè)論文（設計）基于plc的自來水廠凈水處理控制系統(tǒng)設計機械設計制造及其自動化專業(yè) 陳政 指導教師：陸正杰摘 要

10、 水是關系到國民生計的一項重要資源，隨著人們生活水平的提高，人們對水的質量要求也越來越高，因此水廠的水凈化處理方法就顯得尤為重要。本課題通過了解對比國內外已建水廠自動化控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，器具設備越來越智能化的發(fā)展趨勢，以及現(xiàn)今我國欠發(fā)達城市水廠現(xiàn)狀，設計了一套以plc fx2n作為主控制器的自來水自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時監(jiān)控水處理的每一個環(huán)節(jié)，包括自動投明礬、加氯，檢測水的ph值，水的流速大小和水的渾濁度投放藥量等，并自動儲存數(shù)據(jù)。該系不僅統(tǒng)降低了能耗，提高了管理水平，而且和人力手動投放藥相比，其精確度更準，大大提高了供水質量和節(jié)約了人力成本。對推進我國中心型水廠給水工藝的發(fā)展和減小與先進水平

11、的差距都具有重要現(xiàn)實意義。通過運行的情況表明，該系統(tǒng)經濟實用，功能齊全，性能穩(wěn)定可靠，值得推廣。關鍵詞 中小型plc；自動控制系統(tǒng)；上位機監(jiān)控系統(tǒng)；自來水凈化；引言隨著社會經濟的發(fā)展，水對人民的生活與生產的重要性日益突出，人們對供水的質量與安全性的要求也越來越高。加強供水系統(tǒng)工作的監(jiān)測是一項重要而有效的節(jié)水降耗措施，因此加強水處理廠的各個工藝環(huán)節(jié)的自動監(jiān)測與控制具有重要意義。水廠自動化的主要目的不僅是節(jié)省勞動力，降低成本，減少維修危險性，更主要的是實現(xiàn)優(yōu)質、可靠、高效的供水保證。過程生產的自動檢測、調整、控制和事故報警可確保設備在設定狀態(tài)下運行，實現(xiàn)不間斷的可靠供水。過濾、投藥、消毒等過程實施

12、閉環(huán)控制，實現(xiàn)隨著水的流量、水的渾濁度變化及時調節(jié)工藝參數(shù)，確保出水水質的達標。憑著現(xiàn)代化技術手段對生產過程進行管理和控制，提高設備的可靠性和運行效率，是技術發(fā)展的必然趨勢。1現(xiàn)代水處理廠采用計算機控制技術已經非常普遍。歐美大部分國家凈水處理廠早就完全用計算機進行數(shù)據(jù)記錄和運行過程控制，像美國、英國、法國這些國家大部分已經實現(xiàn)全自動化無人值守控制模式。在廠區(qū)內設有相關數(shù)量的現(xiàn)場計算機，對整個水處理過程實現(xiàn)多環(huán)路控制，其中包括沉淀、過濾和反沖洗、化學藥劑投放等。設在中心控制室內的計算機主機從各個現(xiàn)場計算機中搜集數(shù)據(jù)，并入提供圖表顯示、曲線、各個設備動作記錄。2由于中國的實際國情，我國水廠自動化發(fā)

13、展的總體水平相對落后，發(fā)展也不平衡。大城市的供水廠特別是發(fā)達地區(qū)的大型水廠，自動化程度早較高，而小城市和縣級的水廠，自動化程度就低了很多，甚至有些還是空白。并且，在一些已經實現(xiàn)自動化的水廠中，雖然其設備和自動化控制系統(tǒng)與其它行業(yè)如電力、化工等相比不差甚至更先進，但是，其功能并未充分發(fā)揮出來。有的自控系統(tǒng)為了應付上級檢查只是安裝在那里，一直處于閑置狀態(tài)；有的運行一段時間后，又變?yōu)榱耸謩?，甚至處于癱瘓狀態(tài)，造成了資源的極大浪費。因此設計一套以plc為主的控制系統(tǒng)來控制凈水的各個主要環(huán)節(jié)，不僅降低運行成本，提高了效率，且用科學的方法保證了水的質量，具有很高的研究價值。41 凈水處理的總體介紹圖中主要

14、分為以下幾個工藝過程：（1） 取水：用多臺抽水泵將河流、水庫、地表等處的水抽入凈水廠儲水池。圖 1 凈水系統(tǒng)流程圖（2）加絮凝劑：剛取的水有很多雜志，漂浮物等，這時就需要加絮凝劑混合后進行反應，并清理反應后沉淀的污泥。（3）平流池沉淀：和混凝劑反應后的水從柵格低速流過平流沉淀池，讓懸浮顆粒等雜質沉淀，并排出沉淀的污泥。（4）過濾沉淀：平流池的沉淀后水還有顆粒雜質在里面，這時就要通過顆粒介質（活性炭）來去除其中懸浮雜質使水澄清，并定時更換活性炭。（5）藥劑的投加：經過活性炭吸附后，按工藝要求投入氯氣，達到消毒的目的。（6）送水：多臺水泵將自來水以一定的流量和壓力送入供水管網(wǎng)。過去的自來水廠凈水過

15、程簡單且操作麻煩，精度又不是很高，不能很好地確保水的質量。為此，我根據(jù)上述的凈水流程圖，在相關環(huán)節(jié)設置了一套以plc為主的自動控制系統(tǒng)。32 各控制環(huán)節(jié)的具體操作2.1 取水泵的選擇和控制水泵是給水系統(tǒng)中的主要升壓設備。較多采用離心式水泵。水泵的吸水方式分水泵直接從室外管網(wǎng)抽水和水泵從貯水池抽水兩種。水泵的選擇原則，應是既滿足給水系統(tǒng)所需的總水壓與水量的要求，又能在最佳工況點（水泵特性曲線效率最高段）工作，同時還能滿足輸送介質的特性、溫度等要求。生活給水系統(tǒng)的水泵，宜設一臺備用機組。生產給水系統(tǒng)的水泵備用機組，應按工藝要求確定。每組消防水泵應有一臺不小于主要消防泵的備用機組。不允許斷水的給水系

16、統(tǒng)的水泵，應有不間斷的動力供應。當采用設水泵、水箱的給水試時，通常水泵直接向水箱輸水，水泵的出水量與揚程幾乎不變，選用離心式恒速水泵即保持高效運行。對于無水量調節(jié)設備的給水系統(tǒng)，在電源可靠的條件下，可選用裝有自動調速裝置（變頻調速器）的離心式水泵，其工作原理是在水泵出水口或管網(wǎng)末端安裝壓力傳感器，將測定的壓力值，轉換成電信號輸入壓力控制器，再與控制器內根據(jù)用戶需要設定的壓力值比較。2.2 絮凝劑的投放控制投藥混凝劑是水質凈化最重要的環(huán)節(jié)，準確投加所需要的混凝劑量是獲得較好混凝效果及經濟效益的最關鍵問題。本系統(tǒng)由“液位儀”、“計量泵”組成,可手動或自動控制。“液位儀”自動檢測當前加藥箱中的藥液高

17、度，當液位低于設定值時，液位儀的報警鈴啟動，提示工人組織藥液向加藥箱中加藥，當液位到達設定值時，報警鈴停止報警?！坝嬃勘谩碑斣此脝訒r，加藥控制部分控制空壓機啟動攪拌混凝劑。計量泵根據(jù)源水流量計或源水變頻器的信號調節(jié)加藥量，向源水管道或源水泵中加藥，并在儀表上顯示。絮凝劑從藥粉倉中輸出后，經過一個射流混合器在溶解箱中混合。運行時，射流混合器頂端的噴嘴噴出的水流形成了一層轉動的水膜，干粉物質從上端落到水膜上，并隨著水膜旋轉下落。在此過程中粉狀絮凝劑粉末被潤濕。由底端噴嘴噴水形成的一個強力沖擊的橫斷水流層使絮凝劑進一步被溶解，而部分從中間落下的干態(tài)物質也被溶解。在加藥箱里有三個液位檢測開關，分別

18、為高液位、低液位和極低液位。正常工作狀態(tài)在高、低液位之間，到低液位時系統(tǒng)自動開啟進水電磁閥，同時開啟干粉喂料電機。喂料電機的運行由plc程序發(fā)出的時序脈沖信號來控制，這種運行方式可以很好的保證配制藥液的濃度。當出現(xiàn)異常情況時，系統(tǒng)將自動停止運行并發(fā)出報警信號。當溢流信號出現(xiàn)時系統(tǒng)將報警并顯示故障原因；當極低液位動作時，系統(tǒng)將自動停機并報警，這一設計是為了在斷水的情況下保護加藥泵，防止加藥泵干抽。2.3 沉淀過濾淤泥的清理控制當河水等經過沉淀過濾后會產生一些淤泥之類的沉淀物，這時就要求及時清理干凈，保證水的清潔度。因此，我選擇淤泥泵來清理。淤泥泵為干式下泵型，電機采用油室密封方式，內部設計有機械

19、密封裝置，能有效防止雜質和高壓水進入電機內腔。該機除了主葉輪外，還有攪拌葉輪，能將沉淀于水底的淤泥攪拌成湍流后抽取出來。電機放入水下，吸渣率高，不受吸程限制，清淤更徹底。整體設備簡單，不需配備輔助攪拌裝置或噴射裝置，操作也簡便，機組總投資降低，是最佳選擇。2.4 活性炭的定時更換活性炭可采用濕式投加和干式兩種方法。經過綜合考慮，本設計采用干式投加法。干法工藝采用直接由給料設備將炭粉投入到水射器中，通過水射器將炭粉投加到投加點中，粉炭的計量是通過給料設備來完成的。干式投加采用的主要設備是干粉投加機，通過料倉給料、投加機螺桿輸送，并利用水射器將粉末炭投入水中。干式投加運轉可靠、給料均勻、驅動功率和

20、占地面積小、操作管理又方便、容易實現(xiàn)自動控制，水射器設備簡單、工作可靠，使用起來也方便。因此，本設計經過權衡對比決定采用干式投加方式并組成自動投加成套設備。其自動投加原理如下：圖22.5 加氯消毒控制2.5.1 系統(tǒng)結構雙回路加氯、獨立后備設備、自動稱重、漏氯報警、自動壓力保護。plc與加氯機通過智能口通訊連接，相互聯(lián)系。水質參數(shù)均測入plc，通過plc傳輸至加氯機；plc有完整的控制方案，當加氯機控制器故障或有其它缺陷時，plc能夠自動控制，精確加氯。2.5.2 控制特點氯氣輸送管道配備了隔膜壓力儀表，plc與壓力表相連接，監(jiān)控中心實時監(jiān)控氯瓶壓力。雙供氣系統(tǒng)自動切換控制，plc與自動切換控

21、制器相連接，監(jiān)控中心實時監(jiān)測供氣狀況，確保連續(xù)不斷的向加氯機供氣。plc對前加氯機加氯量進行自動比例控制。其控制比率值可以預設定（根據(jù)經驗和季節(jié)的不同）；通過監(jiān)控中心的計算機隨機更改和設定。進行流量配比控制，根據(jù)源水濁度調節(jié)比例系數(shù)，進行智能控制。plc對后加氯機采用復合環(huán)加氯控制方式，根據(jù)濾后水流量及余氯分析儀的反饋值對加氯量進行復合環(huán)控制。采用智能pid算法，對余氯值進行高精度控制，使出廠水始終達到標準。前后加氯機共備用一臺加氯機，plc將據(jù)其工作方式施加控制方案實現(xiàn)計算機遠程自動控制、就地手動控制和加氯機本身自動控制多功能。加氯機本身和plc對加氯量均能進行閉環(huán)控制，根據(jù)現(xiàn)場特點通過加氯

22、機能夠進行經典的閉環(huán)控制，通過plc更能進行模糊智能控制，提高制水質量，降低耗氯量。plc對投加量、故障、設備運行情況及重要參數(shù)自動記錄、存檔、分析，并定期給出報表；計算機自動記錄切換時間及每一氯瓶的供氣時間與供氣量，以備生產管理和成本分析。5加氯機閥門關5s加氯機閥門關3s出水加氯機閥門開5s加氯機閥門開3s濾后水余氯是否小于下限值相關機構和復位信號濾后水余氯是否小于下限值濾后水余氯是否大于上限值濾后水余氯是否大于上限值兩次加氯間隔隔時間出水廠余氯報警信號初始化圖 3 漏氯報警和保護系統(tǒng)3 系統(tǒng)硬件設計3.1 系統(tǒng)所需儀器設備本系統(tǒng)包括中控室、取水井、加礬加氯間、反應池、過濾池、清水池、送水

23、泵房、管網(wǎng)等各環(huán)節(jié)組成，各子系統(tǒng)由plc站控制，中控室有2臺分別用于生產管理與監(jiān)控的算機，中控計算機可實時顯示各plc單元控制的儀表、機電、加礬、加氯設備和濾池在內的工作情況，可對系統(tǒng)的所有設備進行遠程操作和控制。plc接收流量、濁度、壓力無線遠傳信號，控制加氯、加礬量；管理計算機用于顯示、存儲視頻信號，以便于管理。儀器儀表的分布主要設置在三個地段：取水口處檢測水源各項指標，保證最快地決策投礬量，避免由于延遲帶來的投礬量誤差；濾池后檢測的各項指標起到反饋調節(jié)的作用，自動微調投礬加氯量，使整個系統(tǒng)成為一個閉環(huán)調節(jié)系統(tǒng)，保證實現(xiàn)最佳控制；在自來水出廠之前再對所有指標做一次檢測，一方面這個數(shù)據(jù)上報管

24、理機構存檔，可以直接打印報表，另一方面是為防止特殊環(huán)境下清水池污染等突發(fā)事件發(fā)生時可以及時報警。3.2 電氣控制系統(tǒng)電氣控制系統(tǒng)主要包括操作面板，電氣控制柜等單元。由于在該系統(tǒng)中需要檢測較多的數(shù)字輸入量，根據(jù)設定的程序進行數(shù)據(jù)處理后，輸出控制信號，因此系統(tǒng)的控制邏輯與時序就需要嚴格按照檢測信號的輸入進行控制。6(1)操作面板：操作面板主要包括手動、自動、各類設備的啟動按鈕等。(2)顯示面板：顯示面板由于要顯示較多的數(shù)據(jù)，因此一般采用觸摸屏或者人機界面(3)電氣控制柜：電氣控制柜是電氣控制的核心設備，主要包括各類傳感器的輸入信號、plc及其擴展模塊等。3.3 凈水處理系統(tǒng)的工作原理3.3.1 控

25、制系統(tǒng)總體框圖凈水處理系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)總框圖如圖4所示，plc為核心控制器，通過檢測操作面板按鈕的輸入、各類傳感器的輸入，以及相關信號的輸入，完成相關設備的運行、停止和調速控制。3.3.2 工作過程 在手動狀態(tài)下，各類設備的控制使根據(jù)操作面板上的按鈕輸入來控制，沒有邏輯控制，可以不根據(jù)傳感器狀態(tài)進行控制，在自動方式下進行控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測到外部傳感器的狀態(tài)對設備進行啟動、停止控制，其工作過程如下：操作面板液位差傳感器輸入信號可編輯控制器plc（fx2n-36mr）顯示面板液位高度傳感器輸入水渾濁度檢測變頻器加氯機各類電磁閥運行泵類設備運行電機圖4 電氣控制系統(tǒng)框圖接通電源，自動控制方式啟動。

26、運行粗格柵，進行間歇運行，即運行一段時間然后停止一段時間，循環(huán)進行；(1)根據(jù)反饋回來的液位差狀態(tài)控制清水機運行與停止；(2)進行泵房中的潛水泵根據(jù)液面高低進行運行和停止；(3)投藥機根據(jù)水的渾濁度和流速反饋的模擬量經plc運算后進行控制。(4)在凈水系統(tǒng)中，投藥機的啟動采用順序控制方式，依次啟動設備。73.3.3 凈水處理系統(tǒng)主電路設計主電路是由各個電機、泵與電網(wǎng)的連接。如圖5所示，為主電路連線圖。三臺電機分別為排淤機（m1）、投放電機(m2)、水泵電機(m3)，接觸器mk3、km2、km6分別控制m1、m2、m3、的工頻運行；接觸器km5、km9分別控制m1、m3變頻運行；qf1為主電路的

27、開關；fu1為主電路熔斷器；fr1、fr2、fr3 排淤電機 投放電機 水泵電機圖5 主電路接線圖分別為三臺電機過載保護的熱繼電器；選mm430變頻器是用來控制電機m1、m3變頻運行的。3.4 plc選型plc是可編程控制器的簡稱，在本系統(tǒng)中plc代替了原先的硬接線的控制邏輯電路，實現(xiàn)了生產的自動控制；plc比先前的繼電器控制具有如下優(yōu)點：（1）可改變控制程序：在水廠生產流程或工藝改變的情況下，不必改變plc的硬件設備，只要改變相應的程序就可滿足用戶要求。（2）適用于工業(yè)環(huán)境，可靠性高：plc產品的平均無故障時間達5年以上，因此它是一種高可靠性產品，大大提高了生產設備的工作效率。3）plc功能

28、齊全：一般plc具有開關量和模擬量輸入/輸出、計數(shù)、定時、邏輯和算術運算、順序控制、pid調節(jié)、通訊等功能。除了應用于開關量控制系（統(tǒng)外，也可用于連續(xù)的流程控制系統(tǒng)，從而使凈水處理設備的控制水平大大提高；（4）易掌握，便于維護：使用人員只要掌握工程上通用的梯形圖語言就可進行用戶程序的編程和調試，又由于plc具有自診斷功能，因而較容易進行維護，查出故障原因。本文采用日本三菱公司的fx2n系列中的fx2n-32mr型號系列plc，其型號位32x，本文使用一個8位的i/o擴展模塊。plc通過各種模塊接口采樣電信號；控制信號由plc輸出后以4-20ma電流形式送到執(zhí)行機構，控制執(zhí)行機構的動作。83.5

29、 plc的i/o分配表 3-1 輸入地址分配輸入地址輸入設備輸入地址輸入設備x0啟動開關sb1x8手動格柵池進水泵sb3x1格柵井低位液位計b1x9手動調節(jié)池進水泵sb4x2格柵井高液位計b2x10手動反應池進水泵sb5x3調節(jié)池低位液位計b3x11手動絮凝投放機sb6x4調節(jié)池高位液位計b4x12手動活性炭變換機sb7x5反應池低液位計b5x13手動反應池排水泵x6反應池高液位計b6x7停止開關sb2表 3-2 輸出地址分配輸入地址輸入設備輸入地址輸入設備y0格柵池進水泵km1y9活性炭機km7y1格柵池高液位報警燈hl1y10手動格柵池進水泵km8y2調節(jié)池高液位計報警燈hl2y11手動調

30、節(jié)池進水泵km9y3調節(jié)池進水閥km2 y12手動反應池進水泵km10y4水渾濁度檢測器km3y13投氯機km11y5反應池高液位報警燈hl3y14手動排泥機km12y6絮凝劑投放機km4y15手動反應池排水電機km13y7排污機km5y8沖洗機km6根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求，設計污水處理控制系統(tǒng)外部連線圖，如圖6所示。4 軟件系統(tǒng)設計采用三菱公司為fx2n系列plc開發(fā)的swopc-fxgp作為編程軟件，上面介紹了工業(yè)污水處理控制系統(tǒng)的工作原理、結構和電氣控制部分。硬件結構的總體設計基本完成后，就要開始軟件部分的設計，根據(jù)控制系統(tǒng)的硬件部分和控制要求的設計情況及plc控制系統(tǒng)i/o的分配情況，

31、進行軟件編程設計。在軟件的設計過程中，首先按照需要實現(xiàn)的功能要求做出流程圖，其次按照不同的功能編寫不同的功能模塊，這樣寫出的程序條例清晰，便于調試。94.1 總體流程設計根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，控制過程可以分為自動運行和手動控制功能。在手動控制模式下，每個設備可單獨運行，以測試設備的性能，如圖4-1所示。手動控制開始自動控制自動圖4-1 模式選擇流程圖4.2 手動模式在手動模式下，可以單獨調試每個設備的運行，如圖4-2所示。在此模式下，可以過按鈕對格柵機、電動閥門、加氯機以及各類泵進行控制；對于曝氣機的控制，可以通過按鈕增大或減小變頻器的頻率來改變其速度，以檢測調試性能。4.3 自動模式處于自動方

32、式時，系統(tǒng)上電后，按下自動啟動確認按鈕后系統(tǒng)運行，系統(tǒng)開始工作，其工作過程包跨一下幾個方面：系統(tǒng)上電后，按下自動啟動確認按鈕，啟動抽水泵；圖 6 污水處理控制系統(tǒng)外部連線圖反應池進水電機啟停調節(jié)池進水電機啟停排污泥電機啟停格柵池進電機啟動手動控制抽水機啟停加氯機圖4-2 手動操作模式流程圖啟動粗格柵系統(tǒng)；啟動調節(jié)池系統(tǒng)；啟動混凝池系統(tǒng)；啟動污泥脫水系統(tǒng)；以上工作方式并不是順序控制方式，而是按照plc檢測到傳感器狀態(tài)進行啟動，如圖4-3所示：自動控制啟動消毒系統(tǒng)啟動抽水泵啟動排污系統(tǒng)啟動調節(jié)系統(tǒng)啟動反應系統(tǒng)啟動格柵圖4-3 自動操作模式流程圖在自動控制模式流程圖中，調用了各個控制系統(tǒng)程序，主要包

33、括格柵系統(tǒng)程序、調節(jié)系統(tǒng)、反應系統(tǒng)及雜質污泥脫水系統(tǒng)程序，以下分別介紹各個子程序的工作過程。格柵系統(tǒng)程序主要控制格柵機和清雜質機的運行，其工作過程包括以下幾個方面：（1)自動過程開始啟動格柵機，定時20min；(2)定時到，停止運行格柵機2h;(3)2h定時到，運行格柵機20min，循環(huán)進行；(4)同時檢查液位差，若超過設定值則啟動清雜質機；(5)液位差值低于設定值，停止清雜質機運行。格柵系統(tǒng)工作流程圖如圖4-4所示。檢查液面差轉手動控制啟動格柵排水機超過設定值低于設定值停止格柵排水機停止格柵排水機格柵機啟動格柵進水機停止停止時間到運行時間到？格柵控制自動過程開始 n y n n y y n

34、y n y圖 4-4 格柵系統(tǒng)工作流程圖調節(jié)反應系統(tǒng)主要控制絮狀物沉淀情況，其工作過程包括以下幾個方面：（1）自動過程開始啟動絮凝機；(2)檢測液位高度和水的渾濁度，當氯的濃度和水渾濁度低于最低位傳感器時，開始定時防止誤判；(3)定時到后，若仍低于最低位傳感器，則投絮機繼續(xù)運行，否則停止；(4)監(jiān)測渾濁度處于中位和高位傳感器之間時，開始定時防止誤判；定時到后，若濃度和渾濁度仍持續(xù)處于高位傳感器，則輸出報警信號。關排水閥開絮凝池排水閥絮凝池低液位沉淀時間到關投絮機沉淀時間到關絮凝投放閥水濃度是否達標轉手動控制絮凝啟動自動過程?絮凝池控制 y y n y y n y y n y y 圖 4-5 水

35、泵工作流程圖雜質污泥脫水系統(tǒng)程序主要控制離心式脫水機，啟動定時；(1)自動過程開始首先啟動離心式脫水機，啟動定時；(2)定時到，啟動聚合物泵，啟動定時；(3)定時到，啟動雜質污泥泵和切割機；雜質污泥脫水機系統(tǒng)工作流程圖如圖4-6所示雜質污泥脫水控制定時開始自動離心式脫水機轉手動控制 n延時到自動污泥泵自動聚合物泵延時到延時到？自動控制開始 n y n y n y 圖 4-6 雜質污泥脫水機系統(tǒng)工作流程圖4.6 pid控制pid是將經過反饋后得到的誤差信號分別進行比例、積分和微分運算后再疊加得到控制器輸出信號，對于工業(yè)控制過程，常規(guī)pid控制器有原理簡單、使用方便、穩(wěn)定可靠、無靜差等優(yōu)點，因此在

36、控制理論和技術發(fā)展的今天，在工業(yè)控制領域有廣泛應用。常規(guī)的pid控制器的描述如式（1-1）所示：un=kpen+kien+kdeoncn 式（4-1）式中各參數(shù)代表的意義是：en: 控制器偏差輸入eon: 系統(tǒng)誤差變化率kp: 比例增益ki: 積分增益kd： 微分增益微分作用kd的作用使之能夠根據(jù)偏差變化的趨勢做出反應，它加快了對偏差變化的反應速度，能夠有效的減小超調，縮小到最大動態(tài)偏差。但是，同時又會使系統(tǒng)收到高頻干擾的影響。積分的作用ki是為了消除靜態(tài)而引入的。但是，ki值的引入使得系統(tǒng)響應的快速性下降，穩(wěn)定性變差。最明顯的是在系統(tǒng)出現(xiàn)大偏差階段時，積分往往使得系統(tǒng)的響應出現(xiàn)過大超調，從而

37、使得調節(jié)時間變長。比例增益kp使控制器的輸入輸出成一一對應關系，只要輸入輸出有偏差，比例作用立即產生控制作用，比例控制是用來調節(jié)系統(tǒng)的靜態(tài)增益的，它基于偏差進行調節(jié)，是有差調節(jié)。要減小偏差，同時也為了加快系統(tǒng)響應速度，縮短系統(tǒng)的調節(jié)時間，就需要增大kp值。但是因為kp值又受到系統(tǒng)穩(wěn)定性的限制，所以kp值不能任意增大。在實際的系統(tǒng)設計中只有合理的整定上述三個參數(shù)，才能獲得比較滿意的控制性能。在污水自動控制中，氯氣投加、絮凝劑投加和曝氣環(huán)節(jié)由于過程的多變性、復雜性、非線性、和大滯后的特點，采用pid控制算法難以實現(xiàn)準確和高效的控制。為此在常規(guī)的pid控制基礎上，采用模糊推理的方法，對pid控制參數(shù)

38、進行在線整定，從而完善pid控制器的性能。105 調試和運行結果工廠水凈化自動控制系統(tǒng)設計、安裝完成后，進行系統(tǒng)的調試和試運行，確定符合實際進水水量和水質的各項控制參數(shù)，發(fā)現(xiàn)并解決設備、儀表、程序、工藝等方面出現(xiàn)的問題，檢驗系統(tǒng)是否實現(xiàn)工藝設計目標，即出水各項指標達到設計要求。5.1 硬件系統(tǒng)的調試調試過程首先檢查總供電及各設備供電是否正常，然后檢查設備的電氣控制是否正常，能否正常開機，檢查儀表及控制系統(tǒng)是否正常，各種閘閥能否正常開啟和關閉。在對系統(tǒng)進行必要檢查后，開始進行具體的調試。硬件功能調試主要是測試硬件的功能是否正常，這部分的調試內容包括：(1) 供電線路的設置和檢測，主要是用萬用表檢

39、測電路的連通是否實現(xiàn)，以及保證接線的正確性，防止220v與24v線路的錯位接線發(fā)生。(2) 變頻器進行單獨調試，檢測能否正常進行參數(shù)設置；(3) 電機直接加三相電源調試，檢測電機的工作狀態(tài)；(4) plc單獨檢測，檢測能否正常進行變頻調速，在外部控制模式下，控制端子是否能正?？刂齐姍C啟動，調節(jié)電機轉速等；(5) 變頻器加電機進行調試，檢測能否正常進行變頻調速，在外部控制模式下，控制端子是否能正常控制電機自動，調節(jié)電機轉速等；(6) plc加變頻器聯(lián)機調試，檢查plc、變頻器是否能實現(xiàn)對此系統(tǒng)控制。5.2 軟件系統(tǒng)的調試在三菱swopc-fxgp_win-c編程軟件中，通過編程，將編好的程序下載

40、到plc中進行運行調試，檢查程序是否錯誤，是否能夠實現(xiàn)相應的功能控制。調試時，根據(jù)功能模塊分類分別調試，最后進行總體調試。在該控制程序中，需要根據(jù)外界輸入的狀態(tài)來控制格柵機，抽水泵，以及污泥回流泵的啟停，因此需要按照液位傳感器反饋來的信息進行判斷處理，然后再進行輸出控制。5.3 運行結果通過系統(tǒng)調試，能夠實現(xiàn)plc在系統(tǒng)控制中的手動、自動模式的控制。啟動電源后按下自動或手動模式選擇按鈕。擋在手動模式時，可通過通過各個控制按鈕實現(xiàn)對河水凈化處理系統(tǒng)中各電機的控制運行。當在自動模式時，在自動方式下進行閉環(huán)控制，系統(tǒng)根據(jù)檢測到外部傳感器的狀態(tài)對各設備進行啟動和停止控制。自動控制系統(tǒng)過程包括：粗格柵系

41、統(tǒng)、調節(jié)系統(tǒng)、投放系統(tǒng)和污泥脫水系統(tǒng)。啟動自動運行按鈕后，自動過程開始，啟動格柵電機和調節(jié)池電機進行間歇運行，即運行一段時間然后停止一段時間，循環(huán)進行。（1）當閉合開關，輔助繼電器接通，檢測液位格柵池低液位接通，格柵進水電機運行，當格柵液位到達高液位時，高液位檢測計接通，高液位報警燈接通，然而格柵池停止進水（2）當調節(jié)池處于低位時，調節(jié)池進水閥接通，調節(jié)池進水。當調節(jié)池到達高液位時，高液位檢測計接通，高液位報警燈接通，調節(jié)池停止進水。（3）輔助繼電器m0接通富足繼電器m1也接通，反應池定時器t1開始計時，當液面沒有超過高液位警戒時，反應池進水電磁閥進水。當t1計時結束時，反應池停止進水，（4）

42、當t1計時結束時，投放機定時器t2開始計時，在t2計時的時間段中，投放機運行，向反應池中進行投放。（5）當t2計時結束后，投放機停止投放，反應池排水機定時器t3開始計時，在t3這段時間中排水機運行，排出清液（6）當t3計時結束時，排水機停止，同時排泥泵t4開始計時這段時間中，排泥泵開始運行（7）當t4計時結束時，進行重置定時器，反應池重新運行（8）當反應池中液位到達高液位時，反應池高液位報警接通，反應池停止進水。（9）當反應池的液位到達低液位時，排水電磁閥關斷，反應池停止排水（10）當濃縮次液位到達高位時，濃縮次高液位報警燈接通，反應池停止排水，脫水機開始運行，當濃縮池液位處于低液位時，反應池

43、排泥泵運行，在手動控制模式下，分別手動按下控制柜上格柵池電機、調節(jié)池進水電機、反應池進水電機、投放機、反應池排水機、反應池排泥泵以及濃縮池脫水機按鈕時，相應每個自動程序的電機關斷，然后啟動手動各個電機進水、排污、投放等程序。6 總結與展望本文通過分析國內外凈水廠及其計算機自動控制系統(tǒng)現(xiàn)狀的比較，針對水廠的控制要求設計了一套自動化控制系統(tǒng)。經試驗室調試和現(xiàn)場運行試驗，系統(tǒng)能很好地完成調節(jié)任務，不論取水濁度在哪個范圍系統(tǒng)都能在較短時間自動將加礬量調節(jié)到合適位置，保證成品水質濁度在25的技術要求。其它通訊、顯示、操作、報警及歷史曲線等各項功能工作正常，達到了客戶提出的系統(tǒng)要求。水廠生產實現(xiàn)自動化控制

44、，改變了傳統(tǒng)的生產運行管理方式，促進了凈水處理技術水平的提高。采用plc來實現(xiàn)自來水自動加藥控制的過程，可使控制方案簡潔化，設計和施工周期縮短，整個系統(tǒng)可靠性較高，維護又方便。同時將落后的手工操作方式改成全自動控制，不僅有利于操作人員的身體健康，而且大大提高了生產效率和制水質量，這套控制系統(tǒng)可廣泛適用于各種工藝流程和不同的水質，實用價值較高。在應用方面，中小型自來水廠的自動化系統(tǒng)有著廣泛的前景。依靠現(xiàn)代化技術手段對生產過程進行控制和管理，提高設備運行效率和可靠性，節(jié)省寶貴的水、電資源，是技術發(fā)展的必然趨勢，也是適合我國國情的較好做法。在今后的發(fā)展中，我們可以擴展更高端的功能，比如在線視頻控制，

45、遠程質量監(jiān)測等，采用該技術后，可將全區(qū)、市各自來水廠的數(shù)據(jù)實時入網(wǎng)，方便各監(jiān)測部門實時監(jiān)督，并自動生成報表，有很大的發(fā)展前景和空間。在設計中預留接口，可以方便以后將電機等主要設備的運行、報警數(shù)據(jù)如過流、過壓、缺相等納入本監(jiān)控系統(tǒng)，集中顯示記錄，進一步提高整體運行的可靠性，數(shù)據(jù)記錄的自動化以及完備性。在程序中還可以用到比例/積分/微分（pid）回路控制指令，通過pid調節(jié)，可以更精確的控制加礬量。但是在本系統(tǒng)中程序里面設置的延時時間較長，運用pid調節(jié)，容易形成振蕩，并且在本系統(tǒng)中pid調節(jié)的參數(shù)整定很難，需要花費很多的時間和經歷，因此本程序設計中沒有采用這個控制方法。參考文獻1 劉燦生.自動化

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