基于PLC的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文

1、安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計I基于基于 PLCPLC 的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計摘摘 要要水是生命之源，供水自然關(guān)系到國計民生的重要地步，供水不僅要滿足工業(yè)用水，還要滿足生活用水,農(nóng)業(yè)用水等等，其中最為重要的是生活用水，各城市的大中小水廠是生活用水的直接來源，水廠濾池的好壞不僅影響出水的質(zhì)量，更關(guān)系到人民的生命安全，所以水廠濾池在供水中起到很重要的作用，以前的水廠濾池大都使用人工控制，不僅費力，而且勞動強度大，勞動效率低，出水的質(zhì)量也很難保證，因此，對水廠濾池提出自動化改造已經(jīng)是很有必要的事情了。在設(shè)計之初，從網(wǎng)絡(luò)上查閱了當(dāng)前水廠濾池普遍采用的過濾方法，以及存在的不足

2、，但是每一種方法都不是十全十美的，只有通過不斷的改進(jìn)，才能逐步達(dá)到最優(yōu)化設(shè)計。本設(shè)計從水廠濾池控制系統(tǒng)要求的最低控制要求和控制工藝出發(fā)，設(shè)計出了基于PLC 的水廠濾池控制系統(tǒng)，并且在濾池正常過濾的過程中，為了實現(xiàn)恒水位過濾，設(shè)計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)接收到反沖洗信號時，本系統(tǒng)在設(shè)計上就主控 PLC 如何更好的與現(xiàn)場 PLC 協(xié)調(diào)控制濾池的反沖洗方案進(jìn)行了對比并且做了優(yōu)化，增強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)計了控制系統(tǒng)硬件配置圖、I/O 模塊接線圖，并編寫了實現(xiàn)控制算法的程序。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：水廠濾池，P

3、LC，自動反沖洗，控制系統(tǒng)基于 PLC 的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計IIThe Application of PLC in Waterworks Control System ABSTRACT Water is the source of life, water supply natural relations to the peoples livelihood important point, water supply that not only meets industrial water, and also to meet the water for living, agricultura

4、l water and so on, of which the most important is the water for living, each city medium small waterworks is the direct source of the life in the water, water quality term of not only affects the quality of the water, the more relationship to peoples life safety, so the water in the water in term pl

5、ays very important role, most of the water before viewing using artificial control, not only arduous, and the intensity of labor, labor efficiency is low, the water quality also is very difficult to guarantee, therefore, viewing of water automation reconstruction has put forward is very be necessary

6、 things.At the beginning of design, network from the current term of waterworks is generally used to filter method, and the deficiency, but each kind of method is not perfect, and only through continuous improvement, to gradually achieve the optimization design.This design from viewing a water contr

7、ol system minimum control requirements and control technology of the design based on PLC control system of waterworks ponds, and in the process of viewing a normal filter, in order to realize constant water level filtering, designed for the flow of water out of the liquid level control parameters fo

8、r viewing the PID control system. And in the system to receive to reverse wash signal, this system in the design is how to better and PLC control the PLC coordinated control term of reverse wash scheme comparison and optimization, strengthening the control of the idea of clarity, achieve the expecte

9、d effect of control.According to the systems control requirements, the hardware equipment selection, design the hardware of control system configuration chart, I/O modules the wiring diagram, and write to realize the control algorithm procedures.Keywords：Viewing waterworks, PLC, automatic reverse wa

10、sh, the control system安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計III目錄目錄引引 言言.- 1 -第第 1 1 章章 緒論緒論.- 2 -1.1 課題研究內(nèi)容.- 2 -1.2 課題研究意義.- 2 -1.3 研究現(xiàn)狀.- 2 -1.4 發(fā)展趨勢.- 4 -第第 2 2 章章 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計系統(tǒng)的分析控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計系統(tǒng)的分析.- 6 -2.1 V 型濾池工藝過程.- 6 -2.2 工作過程.- 6 -2.3 濾池控制系統(tǒng)的控制任務(wù)及其設(shè)計.- 8 -第第 3 3 章章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計系統(tǒng)總體方案的設(shè)計.- 10 -3.1 濾池自控方案及總體結(jié)構(gòu)的實現(xiàn).- 10 -

11、3.2 PID 控制算法的基本原理.- 10 -3.4 現(xiàn)場控制器與反沖洗控制器的鏈接.- 15 -第第 4 4 章章 濾池自動控制所需的主要硬件設(shè)備濾池自動控制所需的主要硬件設(shè)備.- 18 -4.1 設(shè)備清單.- 18 -4.2 PLC 的概述.- 18 -4.3 I/O 模塊的基本參數(shù)配置.- 21 -4.4 傳感器和執(zhí)行器的選擇.- 22 -4.5 系統(tǒng)的硬件配置及 I/O 連接圖.- 26 -第第 5 5 章章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計系統(tǒng)的軟件設(shè)計.- 29 -5.1 軟件總體方案的設(shè)計.- 29 -5.2 控制參數(shù)整定.- 31 -5.3 控制方案程序.- 33 -第第 6 6 章章 組態(tài)監(jiān)

12、控的設(shè)計組態(tài)監(jiān)控的設(shè)計.- 36 -6.1 MCGS 組態(tài)軟件的簡介.- 36 -6.2 MCGS 組態(tài)軟件的系統(tǒng)構(gòu)成.- 36 -6.3 監(jiān)控界面的設(shè)計.- 37 -總結(jié)與展望總結(jié)與展望.- 46 -致致 謝謝.- 47 -參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).- 48 -附錄 A：外文文獻(xiàn).- 49 -附錄 B：參考文獻(xiàn)摘要.- 52 -基于 PLC 的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計IV插圖清單插圖清單圖 2-1 濾池工藝過程簡化圖.6圖 2-2 濾池工藝結(jié)構(gòu)的簡圖.8圖 3-1 濾池自控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D.10圖 3-2 模擬 PID 控制器原理框圖.11圖 3-3 濾池液位控制框圖.13圖 3-4 出水閥的液位控制流程

13、圖.14圖 3-5 調(diào)整前的反沖洗過程.15圖 3-6 調(diào)整后的反沖洗過程.16圖 4-1 可編程序控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖.19圖 4-2 系統(tǒng)硬件配置圖.27圖 4-3 輸入輸出模塊接線圖.28圖 5-1 濾池自控流程圖.29圖 5-2 自動反沖洗子程序.30圖 5-3 廣義過程方框圖. 31圖 5-4 PID 仿真運行后的波形圖.33圖 5-5 濾池恒水位過濾程序梯形圖.34圖 5-6 自動反沖洗子程序梯形圖 .35 安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計V表格清單表格清單表 4-1 設(shè)備清單列表.18表 4-2 模擬量模塊輸入輸出參數(shù)表.21表 4-3 I/O 地址分配表.27表 5-1 自平衡過程

14、階躍響應(yīng)曲線及其傳遞函數(shù).31表 5-2 自平衡過程整定計算公式.32基于 PLC 的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計VI安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 1 -引引 言言水是生命之源，供水自然關(guān)系到國計民生的重要地步，其中最為重要的是生活用水，各城市的大中小水廠是生活用水的直接來源，水廠濾池的好壞不僅影響出水的質(zhì)量，更關(guān)系到人民的生命安全，所以水廠濾池在供水中起到很重要的作用，以前的水廠濾池大都使用人工控制，不僅費力，而且勞動強度大，勞動效率低，出水的質(zhì)量也很難保證，因此，對水廠濾池提出自動化改造已經(jīng)是很有必要的事情了。濾池是水廠常規(guī)處理凈水構(gòu)筑物的最后一道工序，濾池運行得好壞直接影響到水廠的出水水質(zhì)

15、。但是很多快濾池在運行一段時間后，就會出現(xiàn)過濾層含泥量增大，在反沖洗強度設(shè)計值范圍內(nèi)不能達(dá)到預(yù)期的反沖洗效果，并且沖洗歷時延長，產(chǎn)水量下降，嚴(yán)重阻礙了快濾池的正常運行。濾池反沖洗對濾池工作效果影響甚大，若采用較好的反沖洗技術(shù)，使濾料層經(jīng)常處于最優(yōu)條件下反沖洗，不僅可以節(jié)水節(jié)能，還能提高出水水質(zhì)，增大濾料層截污能力，提高濾速，延長過濾周期。如果對控制系統(tǒng)不做一些適量的調(diào)整，濾池控制系統(tǒng)也就失去了他本身存在的意義，再加上我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展不是很平衡，在我國的一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，水廠濾池基本上是靠人工操作，根本實現(xiàn)不了自動化，因此，設(shè)計一套適合我國國情的濾池控制系統(tǒng)已經(jīng)十分必要，從引進(jìn)外國的全套設(shè)備，到自己逐

16、步積累掌握部分的技術(shù)，我們已經(jīng)可以設(shè)計出一套及經(jīng)濟(jì)適用，又操作方便的濾池控制系統(tǒng)，并且能夠建立規(guī)模適宜、自動化水平相對較高、運營成本較低的符合自身發(fā)展水平的自動監(jiān)控系統(tǒng)?；?PLC 的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計- 2 -第第 1 章章 緒論緒論1.1 課題研究內(nèi)容課題研究內(nèi)容隨著人們生活水平的提高，人們越來越注重飲食的健康，水作為生命之源，自然而然的受到人們越來越多的重視，供水不僅要求要滿足人們的生活需要，供水質(zhì)量的好壞也受到人們的重視，水廠的濾池是供水系統(tǒng)的最后一道屏障，濾池功能的強弱，直接關(guān)系到供水的質(zhì)量，甚至和人們的生活健康息息相關(guān)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，濾池的自動化程度越來越高，為了跟上

17、時代科技的步伐，以及進(jìn)一步提高濾池的自動化功能，提高濾池出水的質(zhì)量，必須對濾池進(jìn)行現(xiàn)代化升級和改造。本文依據(jù)水廠濾池的現(xiàn)狀和要求，并根據(jù)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計出了基于 PLC 的濾池自動控制系統(tǒng)，當(dāng)濾池正常工作時，濾池的水位應(yīng)處于恒水位，本文設(shè)計出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)接收到反沖洗信號時，本系統(tǒng)在設(shè)計上就主控 PLC 如何更好的與現(xiàn)場 PLC 協(xié)調(diào)控制濾池的反沖洗方案進(jìn)行了對比并且做了優(yōu)化，增強了控制思路的清晰性，明確性，達(dá)到了預(yù)期的控制效果和要求。濾池是水廠常規(guī)處理凈水構(gòu)筑物的最后一道工序，濾池運行得好壞直接影響到水廠的出水水質(zhì)。但是很多快濾池在運行一段時

18、間后，就會出現(xiàn)過濾層含泥量增大，在反沖洗強度設(shè)計值范圍內(nèi)不能達(dá)到預(yù)期的反沖洗效果，并且沖洗歷時延長，產(chǎn)水量下降，嚴(yán)重阻礙了快濾池的正常運行。濾池反沖洗對濾池工作效果影響甚大，若采用較好的反沖洗技術(shù)，使濾料層經(jīng)常處于最優(yōu)條件下反沖洗，不僅可以節(jié)水節(jié)能，還能提高出水水質(zhì)，增大濾料層截污能力，提高濾速，延長過濾周期。目前，國內(nèi)外濾池反沖洗主要有三種：第一種是僅僅用水反沖洗，第二種是用水反沖洗然后再表面沖洗，第三種是氣水反沖洗。本次畢業(yè)設(shè)計主要是基于 PLC 的水廠濾池控制系統(tǒng)以及反沖洗過程，著眼于實際應(yīng)用中存在的問題和缺點，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，主要內(nèi)容就是根據(jù)實際的需要，分析系統(tǒng)的功能要求和技術(shù)參數(shù)，計

19、算出控制參數(shù)和 PID 參數(shù)，明確設(shè)計的出發(fā)點和落腳點，選用合適的硬件，編程合用的程序，制作滿足與實際需要的監(jiān)視畫面。1.2 課題研究意義課題研究意義在水廠濾池控制系統(tǒng)中應(yīng)用 PLC 具有很大的優(yōu)點： 1可編程控制器控制的時候編程簡單，直觀。 2控制系統(tǒng)易操作，容易檢修，本身具有的自診斷功能也對維修人員的維修技能的要求降低，使得維護(hù)方便。 3可靠性高于繼電器控制系統(tǒng)，體積卻小于繼電氣控制系統(tǒng)。 4數(shù)據(jù)可以通過輸入計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析，切通用性強，易于擴(kuò)展。 5有利于整個濾池控制系統(tǒng)的靈活運行，提高了濾池的效率。1.3 研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀我國的水廠濾池技術(shù)起步較晚，但是隨著我國的改革開放的深入

20、，引進(jìn)的國際技安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 3 -術(shù)，使得我國的濾池技術(shù)在短期內(nèi)得到了很大的發(fā)展。早期的水廠濾池控制各個單元是獨立的，每個濾池單元有獨自的控制系統(tǒng)，每個控制系統(tǒng)之間也沒有任何的聯(lián)系，這就使得其中的一個環(huán)節(jié)出錯都會影響出水的質(zhì)量，每個環(huán)節(jié)也是獨立的，沒有協(xié)調(diào)的能力，必要的時候還需要人工的干預(yù)操作，使得濾池的效率不高，并且還耗費人力物力財力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，分散式控制逐漸被集中式控制所取代，集中式控制應(yīng)用于濾池控制系統(tǒng)中使得濾池發(fā)生錯誤的幾率大大降低，也使得濾池的效率提高了很多，集中式控制就是由中心控制室的一臺計算機系統(tǒng)對各個環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行巡回檢測、數(shù)據(jù)處理、控制運算，然后發(fā)

21、出控制信號，直接控制被控對象。一臺計算機往往同時控制多個回路，即多個水處理工藝環(huán)節(jié)。在這種控制系統(tǒng)中，集中檢測、控制運算工作量大，要求計算機功能強大，有很高的可靠性。一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)就都會陷于癱瘓。十九世紀(jì)七十年代，單片機的問世使得控制系統(tǒng)的應(yīng)用更為靈活，功能也更為強大，處理信息的能力大幅增強，并且具有很強的穩(wěn)定性和可靠性，處理器的發(fā)展促使了控制系統(tǒng)的進(jìn)步，各式各樣的控制系統(tǒng)也逐漸被應(yīng)用于各行各業(yè)中去，當(dāng)前水廠采用的自動控制系統(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)、總線式工業(yè)控制機構(gòu)成的系統(tǒng)等。IPC+PLC 系統(tǒng)是由工業(yè)計算機

22、(IPC)和可編程序控制器(PLC)組成。在國內(nèi)水廠自動化中得到最廣泛的應(yīng)用。IPC+PLC 系統(tǒng)的優(yōu)點主要有：1、可實現(xiàn)分級控制；2、可靠性高、組網(wǎng)方便；3、編程方便、開發(fā)周期短、維護(hù)方便；4、可靈活方便地實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部配置和調(diào)整；5、能與現(xiàn)場信號直接相連接，易于實現(xiàn)機電一體化；6、易于實現(xiàn)“集中管理、分散控制”的功能。目前國內(nèi)水廠產(chǎn)站的自動化控制系統(tǒng)主要采用 DCS 系統(tǒng)和 IPC+PLC 組成的分布式控制系統(tǒng)，以 IPC+PLC 組成的控制系統(tǒng)其性能已達(dá)到 DCS 的要求，價格比 DCS 系統(tǒng)低，且開發(fā)方便。且由于 DCS 系統(tǒng)是用于工業(yè)現(xiàn)場的測量控制，局限于有線通訊信組網(wǎng)場合，雖然近年來

23、各大 DCS 供應(yīng)商在其原有設(shè)備基礎(chǔ)上選配一些第三方設(shè)備增強了其通信組網(wǎng)能力，也得到一些應(yīng)用，但由于其無法從系統(tǒng)設(shè)計階段就考慮到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的合理性、可行性，因此對于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，多媒體的通信要求，惡劣的工作環(huán)境就顯得力不從心。 IPC+PLC 組成的控制系統(tǒng)滿足了實踐的需要，但是隨著社會的發(fā)展，科技的進(jìn)步，國際之間的交流，技術(shù)的引進(jìn)，會有更好的控制系統(tǒng)來適應(yīng)濾池控制系統(tǒng)的需求。我國的改革開放政策加速了我國濾池控制技術(shù)的發(fā)展，十九世紀(jì)八十年代，通過引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，以及引進(jìn)外資，建立的中外合資企業(yè)，我國的濾池控制技術(shù)取得了顯著的發(fā)展，控制系統(tǒng)也逐漸全面化，一些控制系統(tǒng)能對生產(chǎn)工藝的各個環(huán)節(jié)連續(xù)

24、自動地監(jiān)測、調(diào)節(jié)、記錄、報警等等。隨著改革開放的深入，我國的經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，以及與國際之間的技術(shù)交流，再加上引進(jìn)外國的先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)，跨國公司在我國投資設(shè)廠，中外公司合資企業(yè)的發(fā)展，這些都使得我國的濾池控制系統(tǒng)有了很大的發(fā)展，但是，一些小型水廠耗費了大量的財力和資源引來了一套套先進(jìn)的控制設(shè)備，但是由于缺乏相關(guān)的核心技術(shù)，使得先進(jìn)的設(shè)備不僅運行費用很高而且很難發(fā)揮出全部的功能，況且，由于地理因素的原因，基于 PLC 的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計- 4 -各地的水質(zhì)或多或少的有一些不同，如果對控制系統(tǒng)不做一些適量的調(diào)整，濾池控制系統(tǒng)也就失去了他本身存在的意義，再加上我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展不是很平衡，在我國的

25、一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，水廠濾池基本上是靠人工操作，根本實現(xiàn)不了自動化，因此，設(shè)計一套適合我國國情的濾池控制系統(tǒng)已經(jīng)十分必要，從引進(jìn)外國的全套設(shè)備，到自己逐步積累掌握部分的技術(shù)，我們已經(jīng)可以設(shè)計出一套及經(jīng)濟(jì)適用，又操作方便的濾池控制系統(tǒng)，并且能夠建立規(guī)模適宜、自動化水平相對較高、運營成本較低的符合自身發(fā)展水平的自動監(jiān)控系統(tǒng)。 1.4 發(fā)展趨勢發(fā)展趨勢近年來，隨著計算機技術(shù)、PLC 技術(shù)、新器件、新方法的促進(jìn)水廠濾池控制系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域也出現(xiàn)了許多新的發(fā)展。1.4.1 向大系統(tǒng)綜合化方向發(fā)展 近年來一些主要的生產(chǎn)廠家都在增強 PLC 系統(tǒng)的功能，向系統(tǒng)綜合化方向發(fā)展，使系統(tǒng)管理與過程控制相結(jié)合，能利用過程

26、信息較快的做出有利于控制過程的決策以適應(yīng)濾池水質(zhì)變化的實際需求。有的 PLC 系統(tǒng)采用光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI)局域網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸速度率達(dá) 100Mbps.可連多達(dá) 1024 個節(jié)點，這樣便于形成大型的管理與控制信息系統(tǒng)。 過程控制處理的是實時信息，為了適應(yīng)這方面的需要，近年來也出現(xiàn)了一些如動態(tài)數(shù)據(jù)交換（DDE）和對象鏈接嵌入（OLE）的實用程序，而在數(shù)據(jù)信息的應(yīng)用上，則可以用 SQL（結(jié)構(gòu)化查詢語言）在工廠實時數(shù)據(jù)庫與各關(guān)系式數(shù)據(jù)庫之間建立起所需的聯(lián)系。1.4.2 向開放式系統(tǒng)發(fā)展 PLC 系統(tǒng)是較早在過程領(lǐng)域發(fā)展起來的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，DeviceNet 在北美和日本比

27、較普遍。而 Profibus-DP 則在歐洲用的比較普遍，針對過程自動化，Profibus-PA 和 foundation Fieldbus 及 Interbus-s 等。在實際標(biāo)準(zhǔn)化和開放型的過程中，逐漸趨向于采用 UNIX(OSE/1，HP UX,Solaris,AIX),Windows NT 這樣的開放式操作系統(tǒng)和視窗技術(shù)。1.4.3 發(fā)展小型系統(tǒng)許多主流的 PLC 系統(tǒng)功能強、質(zhì)量好，但是價格也很高。這就使得一些中小企業(yè)在選擇控制設(shè)備時往往感到為難。集散控制系統(tǒng)向小規(guī)模方向發(fā)展，特別是單回路控制器稱為集散系統(tǒng)發(fā)展的一個方向，通訊功能和人及聯(lián)系能進(jìn)一步加強。CRT 操作臺在簡化操作、減少

28、可能發(fā)生誤操作及提高操作臺自身可靠性方面進(jìn)一步取得了進(jìn)展。安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 5 - 1.4.4 媒體技術(shù)將引入控制系統(tǒng)包括圖像、聲音、觸覺和味覺。目前，照片、工業(yè)電視的圖像、過程中產(chǎn)生的聲音已進(jìn)入控制系統(tǒng)。當(dāng)來自過程的電視運行圖像給出了過程概貌的直接視覺反饋，可以監(jiān)視諸如高壓設(shè)別內(nèi)泄漏電流（電暈放電）等。過程的聲音也是相當(dāng)重要的，通過一定的轉(zhuǎn)換手段，可以將過程聲音引到操作臺的終端和話筒喇叭上，這樣操作員可以聽到故障機件的聲音，幫助辨別故障發(fā)生的位置。另外，采用了虛擬的圖像技術(shù)，栩栩如生的圖像畫面再配上逼真的過程聲音，可以使操作員如同身臨現(xiàn)場，觀察和操作各種設(shè)備，完成以前很難完成的

29、事情。可以預(yù)計，多媒體技術(shù)引入控制領(lǐng)域?qū)o該領(lǐng)域帶來一種全新的變化。基于 PLC 的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計- 6 -第第 2 章章 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計系統(tǒng)的分析控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計系統(tǒng)的分析2.1 V 型濾池工藝過程型濾池工藝過程濾池有多種型式，以石英砂作為濾料的普通濾池使用歷史悠久。在此基礎(chǔ)上，人們從不同的工藝角度發(fā)展了其它型式的濾池。V 型濾池是快濾池的一種形式，因為其進(jìn)水槽形狀呈 V 字形而得名，也叫均粒濾料濾池（其濾料采用均質(zhì)濾料，即均粒徑濾料） 、六閥濾池（各種管路上有六個主要閥門） 。它是我國于 20 世紀(jì) 80 年代末從法國Degremont 公司引進(jìn)的技術(shù)。V 型濾池

30、采用了較粗、較厚的均勻顆粒的石英砂濾層；采用了不使濾層膨脹的氣、水同時反沖洗兼有待濾水的表面掃洗；采用了氣墊分布空氣和專用的長柄濾頭進(jìn)行氣、水分配等工藝。它具有出水水質(zhì)好、濾速高、運行周期長、反沖洗效果好、節(jié)能和便于自動化管理等特點。90 年代以來，我國新建的大、中型凈水廠差不多都采用了 V 型濾池這種濾水工藝。水廠生產(chǎn)的基本工藝可分為加藥、反應(yīng)、沉淀、過濾、消毒、儲存、送水等幾個相關(guān)過程。其中過濾過程又可分為正常過濾和濾池反沖洗兩個子過程，這兩個子過程交替運行，相互之間間隔一定時間（24 H） ，圖 2.1 表示濾池工藝過程簡圖。圖 2-1 濾池工藝過程簡化圖2.2 工作過程工作過程（1）過

31、濾過程：所謂濾池的正常過濾過程就是通過濾料層將待濾水去除雜質(zhì)顆粒、細(xì)菌的過程，其主要目的是使濾后水的渾濁度達(dá)到國家飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。 待濾水由進(jìn)水總渠經(jīng)進(jìn)水閥和方孔后，溢過堰口再經(jīng)側(cè)孔進(jìn)入被待濾水淹沿的 V型槽，分別經(jīng)槽底均勻的配水孔和 V 型槽堰進(jìn)入濾池。被均質(zhì)濾料濾層過濾的濾后水經(jīng)長柄濾頭流入底部空間，由方孔匯入氣水分配管渠，在經(jīng)管廊中的水封井、出水堰、清水渠流入清水池。（2）反沖洗過程：所謂濾池的反沖洗過程，就是先后運行氣洗、水洗兩種清洗方式去除濾料層中的雜質(zhì)，是濾池自凈的工藝措施。關(guān)閉進(jìn)水閥，但有一部分進(jìn)水仍從兩側(cè)常開的方孔流入濾池，由 V 型槽一側(cè)流向排水渠一側(cè)，形成表面掃洗。而后開

32、啟排水閥將池面水從排水槽中排出直至濾池水面24 小時濾池的正常過濾濾池反沖洗過程實時處理模塊安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 7 -與 V 型槽頂相平。反沖洗過程常采用“氣沖氣水同時反沖水沖”三步。氣沖打開進(jìn)氣閥，開啟供氣設(shè)備，空氣經(jīng)氣水分配渠的上部小孔均勻進(jìn)入濾池底部，由長柄濾頭噴出，將濾料表面雜質(zhì)擦洗下來并懸浮于水中，被表面掃洗水沖入排水槽。氣水同時反沖洗 在氣沖的同時啟動沖洗水泵，打開沖洗水閥，反沖洗水也進(jìn)入氣水分配渠，氣、水分別經(jīng)小孔和方孔流入濾池底部配水區(qū)，經(jīng)長柄濾頭均勻進(jìn)入濾池，濾料得到進(jìn)一步?jīng)_洗，表掃仍繼續(xù)進(jìn)行停止氣沖，單獨水沖 表掃仍繼續(xù)，最后將水中雜質(zhì)全部沖入排水槽。V 型濾池

33、的特點及設(shè)計參數(shù)濾速可達(dá) 720m/h，一般為 12.515.0m/h。采用單層加厚均粒濾料，粒徑一般為 0.951.35mm，允許擴(kuò)大到 0.72.0mm，不均勻系數(shù) 1.21.6 或 1.8 之間。對于濾速在 720m/h 之間的濾池，其濾層高度在 0.951.5m 之間選用，對于更高的濾速還可相應(yīng)增加。底部采用帶長柄濾頭底板的排水系統(tǒng)，不設(shè)礫石承托層。濾頭采用網(wǎng)狀布置，約55 個/m2。反沖洗一般采用氣沖、氣水同時反沖和水沖三個過程，反沖洗效果好，大大節(jié)省反沖洗水量和電耗。氣沖強度為 5060m3/（h.m2） （1316L/s.m2） ，清水沖洗強度為1315m3/（h.m2） （3.

34、64.1L/s.m2） ，表面掃洗用原水，一般為 58m3/（h.m2）（1.42.2L/s.m2） 。整個濾料層在深度方向的粒徑分布基本均勻，在反沖洗過程中濾料層不膨脹，不發(fā)生水力分級現(xiàn)象，保證深層截污，濾層含污能力高。濾層以上的水深一般大于 1.2m，反沖洗時水位下降到排水槽頂，水深只有0.5m。綜上所述，氣、水反沖洗時，由于氣泡的激烈運動作用，大大加強了污物剝落能力及截污能力。在濾池實際反沖洗時，我們觀察到：當(dāng)反沖時間約 5 分鐘時的濾層污物剝落高達(dá) 95%以上，因此 V 型濾池的反沖洗效果是肯定的。此外反沖洗時，原水通過與反沖洗排水槽相對的兩個 V 型槽底部的小孔進(jìn)入濾池，它掃洗濾層的

35、表面，并把濾層反沖上來的污物、雜質(zhì)推向排水槽，同時掃洗了水平速度等于零的一些地方，在這些地方漂起來的砂又重新沉淀下來。此外濾池的表面掃洗，還加快了反沖水的漂洗速度，用原水養(yǎng)活了反沖洗濾后水用量及電能，也節(jié)約了沖洗水量。養(yǎng)活沖洗水量是原水表面清掃的一個特別優(yōu)點，事實上，它還起到了在一個濾池反沖洗時防止其它濾池在最大輸出負(fù)荷下運行的作用。由于本水廠濾池控制部分系統(tǒng)設(shè)計包含恒水位過濾控制和自動反沖洗控制，而本濾池的自動反沖洗控制只需設(shè)計出氣、水的反沖洗過程便能夠達(dá)到控制要求，故本系統(tǒng)并未對濾池的表面掃洗技術(shù)進(jìn)行深入的研究與技術(shù)上的實現(xiàn)，從而在滿足系統(tǒng)功能的前提下避免了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性?，F(xiàn)將濾池的基本

36、的工藝結(jié)構(gòu)簡圖繪制如下圖所示?；?PLC 的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計- 8 -進(jìn)水閥排污閥清水閥濾料層超聲波液位計水平面水泵反沖洗氣閥反沖洗水閥鼓風(fēng)機圖 2-2 濾池工藝結(jié)構(gòu)的簡圖2.3 濾池控制系統(tǒng)的控制任務(wù)及其設(shè)計濾池控制系統(tǒng)的控制任務(wù)及其設(shè)計2.3.1 控制任務(wù)濾池控制系統(tǒng)的控制任務(wù)就是控制過濾、反沖洗和兩者的交替，目的就是保證濾后水的濁度符合要求。過濾時要求維持一定的濾速，這通過控制濾池的液位實現(xiàn)，即過濾時要把液位控制在一定范圍之內(nèi)。當(dāng)過濾進(jìn)行一段時間后，濾料吸收的懸濁物積累到一定數(shù)量，對濾后水濁度的穩(wěn)定有不利影響，需要進(jìn)行反沖洗。反沖洗就是對濾層的清洗，需要控制鼓風(fēng)機、水泵等沖洗設(shè)

37、備，以及濾池相關(guān)閥門的開、關(guān)。反沖洗與過濾是交替進(jìn)行的，反沖過后進(jìn)入過濾，過濾一段時間后也需要啟動反沖洗。反沖洗的啟動有兩種方法:人為命令和控制器依條件判斷是否啟動。判斷的條件可以有很多，比如:是否到達(dá)設(shè)定時間、過濾己經(jīng)進(jìn)行的時間、水頭損失大小等。更先進(jìn)一些的還可以直接根據(jù)濾池濾后出水的濁度決定是否反沖洗。2.3.2 控制系統(tǒng)設(shè)計要求及其組成濾池的設(shè)計及其控制系統(tǒng)決定了濾后水的水質(zhì)。后者既不會引起出水突變也不會波動地工作，既不會引起擺動也不會太敏感，這些因素可導(dǎo)致清水水質(zhì)惡化及濾池過早穿透，此外，控制系統(tǒng)必須滿足以下要求：1、濾后水出口的變化緩慢2、持續(xù)地控制液位，沒有復(fù)雜的機械系統(tǒng)。3、在水

38、廠流量的各種變化中，限制人為的加入。安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 9 -2.3.3 控制系統(tǒng)的組成濾池控制系統(tǒng)一般由受控設(shè)備、電氣執(zhí)行機構(gòu)、控制器和上位機組成。其中受控設(shè)備可以分為兩部分：濾池閥門和反沖洗系統(tǒng)。常見濾池閥門有：反沖洗閥、氣閥、清水閥、排水閥。自動反沖洗系統(tǒng)的運行可分為排水、氣沖洗、氣水混合沖洗、水沖洗和進(jìn)水五個階段，反沖洗各階段運行時間根據(jù)濾池工況預(yù)置到 PLC。系統(tǒng)接到對某池進(jìn)行反沖洗的指令后進(jìn)入排水階段，先關(guān)閉進(jìn)水閥，把濾池的水位降至預(yù)置水位，然后關(guān)閉出水閥，打開排水閥；排水閥打開以后，濾池進(jìn)入氣沖洗階段，這時氣沖計時器開始計時，排氣閥打開，同時風(fēng)機啟動、風(fēng)機出口打開，當(dāng)

39、風(fēng)機進(jìn)入運行狀態(tài)后，打開氣沖閥，同時關(guān)閉排氣閥；氣沖洗時間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，氣水混合洗計時器開始計時，反沖水閥被打開，同時啟動反沖水泵，打開水泵出口閥，濾池進(jìn)入氣水混合反沖洗狀態(tài)；汽水混合反沖洗時間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，水洗計時器開始計時，反沖氣閥被關(guān)閉，開放氣閥（放氣閥開 30s 后自動關(guān)閉）排空風(fēng)管余氣，同時停風(fēng)機，關(guān)閉風(fēng)機出氣閥，濾池進(jìn)入水沖洗狀態(tài)；水沖洗時間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，關(guān)閉反沖水閥，同時停止反沖水泵，關(guān)閉水泵出口閥，最后關(guān)閉排水閥，打開進(jìn)水閥，濾池進(jìn)入進(jìn)水狀態(tài)，當(dāng)水為上升到恒水位過濾位置時，自動反沖洗完成，該池轉(zhuǎn)入正常的過濾程序。本設(shè)計水廠模擬濾池有六個 V 型濾池組成，每個濾池的尺寸規(guī)格為5M

40、*5M*5M，濾池的濾料采用單層 1.4M 加厚均粒石英砂濾料。每一個濾池現(xiàn)場都設(shè)置一個 PLC，主要功能是完成濾池的自動反沖洗過程和濾池的恒水位控制，在正常的濾池過濾過程中，為了實現(xiàn)濾池的恒水位控制，本設(shè)計要求濾池的水位波動限制在4002CM 的范圍內(nèi)，當(dāng)濾池的運行滿足了反沖洗的條件（運行周期到、水頭信號或強沖信號）時，需要進(jìn)行反沖洗，以去除濾料層的雜質(zhì)。按要求，每次只有一格濾池進(jìn)行反沖洗，當(dāng)多格濾池同時要求進(jìn)行反沖洗時，系統(tǒng)自動按照先進(jìn)先出的原則排隊進(jìn)行。濾池正常過濾時，為實現(xiàn)恒水位過濾，設(shè)計以水流量為控制參數(shù)的濾池液位 PID控制系統(tǒng)。在中控室設(shè)置主控 PLC，其主要功能是負(fù)責(zé)各現(xiàn)場的

41、PLC 通信，數(shù)據(jù)的傳送，收集反沖洗水泵、鼓風(fēng)機等反沖洗設(shè)備的信號，協(xié)調(diào)各個濾池的反沖洗順序，確保濾池的反沖洗過程正常有序的?；?PLC 的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計- 10 -第第 3 章章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計系統(tǒng)總體方案的設(shè)計3.1 濾池自控方案及總體結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)濾池自控方案及總體結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)自來水廠的工藝特點是各工藝單元既相對獨立，同時各單元之間又存在一定的聯(lián)系。正因為各工藝單元相對獨立，因此通常將整個工藝按控制單元劃分。采用 PLC+IPC 系統(tǒng)的水廠自動化控制設(shè)計一般采用多主站加多從站結(jié)構(gòu)，能夠較好的滿足國內(nèi)水廠自動化的監(jiān)控、保護(hù)要求?？刂泣c分布在水廠內(nèi)不同的位置，采用就近控制原則，在設(shè)

42、備集中區(qū)分別設(shè)置不同的 PLC 站對該區(qū)域設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，再通過通訊網(wǎng)絡(luò)，各 PLC 站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)整個水廠的自動化控制。在控制單元內(nèi)，PLC 站實現(xiàn)對該單元內(nèi)設(shè)備的自動控制。這樣的優(yōu)點是使控制系統(tǒng)更加可靠，當(dāng)某一控制單元發(fā)生故障時不會嚴(yán)重影響其它單元的自動運行，同時由于單元內(nèi)控制設(shè)備、檢測儀表就近相連，減少了布線成本。一般根據(jù)土建設(shè)計，將水廠自動化控制系統(tǒng)按設(shè)備位置情況及功能進(jìn)行組織，分為如下一些控制站點。（1）中央控制室站點：對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度，同時留有四遙（遙測、遙信、遙調(diào)、遙控）系統(tǒng)接口，與上層管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊。（2）濾池公共部分控制站點：對反沖洗（每個濾池的反沖洗，均可

43、在 2 種狀態(tài)下進(jìn)行：自動反沖洗：半自動反沖洗。 ）公共部分（反沖洗泵、鼓風(fēng)機、干燥機及相關(guān)閥門）進(jìn)行監(jiān)控。（3）濾池控制站點：根據(jù)單格濾池數(shù)量進(jìn)行配置，每格濾池一個，對單個濾池設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，使用一臺 PC 機作為上位機，配有專為用戶開發(fā)的監(jiān)控軟件。用戶可以在PC 機上控制濾池的操作以及監(jiān)測濾池的運行情況。整個濾池的運行可在以下二種方式下工作：(1)半自動控制；(2)PLC 自動控制；(3)上位機遠(yuǎn)程控制。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙?3-1 所示。 圖 3-1 濾池自控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D3.2 PID 控制算法的基本原理控制算法的基本原理PID(proportional Integral Differential)

44、控制算法就是經(jīng)典的閉環(huán)控制，按比例、積分、微分進(jìn)行控制的控制器稱為 PID 控制器。模擬 PID 控制器的原理框圖如圖 3-2 所示：現(xiàn)場 PLC3現(xiàn)場 PLC1現(xiàn)場 PLC2現(xiàn)場PLC4現(xiàn)場 PLC51#濾池2#濾池3#濾池4#濾池5#濾池PC主控 PLC安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 11 - 圖 3-2 模擬 PID 控制器原理框圖圖中 r(t)為系統(tǒng)的給定值，c(t)為實際輸出值，u(t)為控制量。PID 控制解決了自動控制理論所要解決的最為基本的問題，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。調(diào)節(jié) PID 的參數(shù)，可以實現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力，同時由于在PID 控制

45、器中引入了積分項，系統(tǒng)增加了一個零極點，這樣系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 R(t)與實際輸出值 C(t)構(gòu)成控制偏差： e(t)=r(t)c(t) (3.1)將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過組合構(gòu)成控制量對被控對象 進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器，其控制規(guī)律為： U(t)=Kp E(t)+ + (3.2)1TitdttE0)( )dE tTddt式中，e(t)為系統(tǒng)偏差；Kp為比例系數(shù);Ti為積分時間常數(shù)；Td為微分時間常數(shù)。式 (3.2) 也可寫成：U(t)=Kpe(t)+Kito e(）d+Kd （3.3）de(t)dt式中，Kp

46、為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)，Ki=Kp/Ti;Kd為微分系數(shù)，Kd=Kp/Td;簡單來說，PID 控制器中各校正環(huán)節(jié)的作用如下：（1）比例環(huán)節(jié) 及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e(t),偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，以減少偏差。（2）積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù) Ti, Ti越大，積分作用越弱，反之則越強。e(t)r(t)u (t)c(t)+比例微分積分被控對象基于 PLC 的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計- 12 -（3）微分環(huán)節(jié) 能夠反映偏差信號的變化趨勢，即偏差信號的變化速率，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早起修

47、正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。計算機控制是一種離散的采樣控制，在計算機控制系統(tǒng)中所使用的是數(shù)字 PID 控制器，而式 (3.2)和式(3.3)均為模擬 PID 控制器的控制表達(dá)式，通過將模擬 PID 表達(dá)式中的積分、微分運算用數(shù)值計算方法來逼近，便可實現(xiàn)數(shù)字 PID 控制。只要采樣周期T 取得足夠小，這種逼近就可以相當(dāng)精確。將微分項用矩形和式代替，數(shù)字 PID 控制器的控制表達(dá)式如式（3.4)：U(K)=KpE(K)+Ki+KdE(K)-E(K-1) (3.4)KjjE0)(其中：T 為采樣周期；Kp為比例增益系數(shù)；Ki=KpT/稱為積分系數(shù)；TiKd=Kp/T 稱為微分常數(shù)；

48、TdU(K)是 U(KT)的簡寫；E(K)是 E(KT)的簡寫。數(shù)字 PID 控制器的算法通?？梢苑譃槲恢檬?PID 控制算法和增量式 PID 控制算法，因為位置式算法對偏差進(jìn)行累加，然后給出執(zhí)行機構(gòu)的位置控制量。使用位置式 PID數(shù)字控制器會造成 PID 運算的積分積累，引起系統(tǒng)超調(diào)，這在生產(chǎn)過程中是不允許的。故本系統(tǒng)使用的是增量式 PID 控制算法，因此下面將討論如何建立增量式 PID 控制算法的數(shù)學(xué)模型。由(3.4)不難得到：U(K-1)= KpE(K-1)+Ki+ KdE(K-1)-E(K-2) (3.5)10)(KjjE將式(3.4)與式(3.5)相減即可得到增量式算法： U(K)=

49、U(K)一 U(K-1)=(Kp+Ki+Kd)E(K)-( Kp+2Kd)E(K-1)+ KdE(K-2) (3.6)增量式 PID 控制算法是對偏差增量進(jìn)行處理，然后輸出控制量的增量，即執(zhí)行機構(gòu)位置的增量。增量式 PID 數(shù)字控制器不會出現(xiàn)飽和，而且當(dāng)計算機故障時能保持前一個采樣時刻的輸出值，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，因此增量式算法比位置式算法得到更廣泛的應(yīng)用。所以，式(2.5)已可以用作編程算法使用了。3.3 現(xiàn)場濾池控制器由于本設(shè)計采用的是恒水位設(shè)計，因此保持濾池水位的大致不變是濾池控制器最主要的任務(wù)之一，大多數(shù)的水廠濾池的液位都是通過濾池調(diào)節(jié)閥來控制的，典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場反饋的信息來及

50、時的進(jìn)行調(diào)整處理，從而實現(xiàn)濾池水位的大致不變，以來自液位計的液位信號作為反饋信息，PLC 作為控制器，調(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器形成一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其模型可以簡化成下圖： 安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 13 -圖 3-3 濾池液位控制框圖但是在水廠濾池中，濾池的水位不用控制的那么精確不變，只要穩(wěn)定在一個大致的范圍就好了，如果用以上的控制方法，不僅加大了設(shè)備的成本，而且安裝起來特別繁瑣，所以實際應(yīng)用中，只要用開關(guān)閥來代替調(diào)節(jié)閥就可以了，開關(guān)閥的液位控制仍然適用閉環(huán)反饋的基本原理，但具體情況與調(diào)節(jié)閥的有很大的不同。開關(guān)閥的驅(qū)動信號有兩個開關(guān)量，開閥和關(guān)閥，只要持續(xù)為 ON，閥門就會持續(xù)動作，直到全

51、開或全關(guān)，不會始終保持在一個位置上；而調(diào)節(jié)閥是由一個模擬量的開度信號驅(qū)動的，閥門隨著該信號的變化而動作，若信號不變，閥門位置不變。所以，可以對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制的PID 計算結(jié)果，對開關(guān)閥無效。通過 PLC 計算得出閥門位置的機制也就不再適用，需要重新設(shè)計。根據(jù)實際情況和普遍的應(yīng)用，采用雙液位控制是最簡單的，所謂雙液位控制就是當(dāng)濾池液位高于設(shè)定時，閥門打開，液位低于設(shè)定時，閥門關(guān)閉。雙液位控制方法簡單以實現(xiàn)，但是其也存在著許多缺點：它的動作頻率很頻繁，系統(tǒng)中的運動部件，如閥桿、閥芯和閥座等會經(jīng)常摩擦，很容易損壞。這一點在實際工程中非常重要，許多場合都必須刻意避免閥門頻繁動作。所以，該方法不能直接使

52、用。雙位調(diào)節(jié)可以看作是一個極端的比例系數(shù)很大的比例控制，對任何一個偏差，不論大小，都會產(chǎn)生飽和滿載的輸出。根據(jù)比例環(huán)節(jié)比例系數(shù)對過渡過程的影響，當(dāng)比例系數(shù)增大時，會產(chǎn)生如下變化：(1)振蕩傾向加強，穩(wěn)定程度下降；(2)工作頻率增大，工作周期縮短。這就是雙位調(diào)節(jié)導(dǎo)致閥門頻繁開關(guān)的原因。如果減小這個所謂的比例系數(shù)，就可以減小閥門動作頻率，并增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。實際上開關(guān)閥的開與關(guān)不是瞬時完成的，而是有一個動作時間。如果對這個動作時間做出限制，就可以對閥門開度進(jìn)行控制。這首先要求電氣執(zhí)行機構(gòu)的改變。一般的開關(guān)閥，執(zhí)行機構(gòu)是由連鎖的，只要動作信號一給出，不管是否保持，閥門都要持續(xù)動作到底(關(guān)死或開足)，不

53、會中途停止。也就是說，閥門每次的動作時間都是相同的，不可更改。所以，要控制動作時間，在執(zhí)行機構(gòu)中就不能有連鎖。這樣一來，PLC 就可以通過控制動作信號的持續(xù)時間，控制閥門的動作時間了。然而，僅僅縮短一次性動作時間仍然不能實現(xiàn)穩(wěn)定控制。液位的滯后性較強，PLC 在檢測到其改變(由低于設(shè)定變?yōu)楦哂谠O(shè)定，或反之)前，會不斷發(fā)出閥門動作信號，直至動作到底。情況跟先前并沒什么不同，只是由一次動作變?yōu)槎啻蝿幼髁耍l繁性沒有得到根本的改變。單純的比例控制在對付滯后系統(tǒng)時確實很困難。參考常被應(yīng)用在較強的滯后系統(tǒng)中的采樣 PID，它通過延長反饋信號的采樣周期，延緩 PID 輸出的調(diào)節(jié)閥PLCA/D液位基于 PL

54、C 的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計- 14 -更新頻率，以適應(yīng)系統(tǒng)的滯后性。采樣周期和動作時間的結(jié)合，極大的降低了閥門的動作頻率，系統(tǒng)也更加穩(wěn)定了。這樣，對雙位調(diào)節(jié)增加兩個時間控制，實現(xiàn)了開關(guān)閥對液位的調(diào)節(jié)。具體兩個時間如何確定，可以先估算，再具體調(diào)試。首先估算濾速，平均的濾速 V 可通過下式求得：V =濾格面積生產(chǎn)時間（秒）濾池個數(shù)生產(chǎn)量 假設(shè)以日產(chǎn) 200000 噸為例計算：錯誤！未找到引用源。錯誤！未找到引用源。f 假設(shè)這個速度是在閥門 90%開啟度的時候達(dá)到的，那么閥門每改變百分之一的開度，對濾速的影響為 0.006 厘米/秒。由于事實上不斷地有水流入濾池，實際的液位下降速度要比 0.01

55、29 厘米/秒慢很多，所以采樣的間隔可以設(shè)的比較長，達(dá)到十幾秒鐘。閥門的動作時間也不必很長，有整個開啟(或關(guān)閉)時間的 5%即可。在本例中，最終的取值是這樣的:采樣間隔 15 秒，一次動作時間 1 秒(由全開至全關(guān)的動作時間為 18 秒)。至此，液位控制己經(jīng)可以實現(xiàn)，但仍然可以進(jìn)一步優(yōu)化該控制，繼續(xù)減低閥門的動作頻率。當(dāng)液位變化的趨勢(上升或下降)與控制預(yù)期相同時，閥門的動作是非必要的，可以免除，當(dāng)趨勢與預(yù)期不同時，才需要閥門動作進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以，如果能夠判斷液位的變化趨勢，就可以進(jìn)一步減少閥門動作。具體實現(xiàn)是一次采樣后，將該值備份，使其不會在下次采樣時被更新。這樣就可以對連續(xù)兩次采樣的值作一個

56、比較，判斷液位的升降。之后再結(jié)合液位情況，確定閥門是否動作。比如：液位高于設(shè)定值，而正處于下降狀態(tài)，則閥門不動作。相應(yīng)的，液位低于設(shè)定而正在上升，閥門也不動作。故出水閥的液位控制流程圖可以簡化成下圖：否是否是是是否開出水閥 T2 秒關(guān)出水閥 T2 秒液位低于低限？液位正在上升？開始采樣（周期為T1）液位正在下降？液位高于高限？安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計- 15 -圖 3-4 出水閥的液位控制流程圖3.4 現(xiàn)場控制器與反沖洗控制器的鏈接現(xiàn)場控制器與反沖洗控制器的鏈接在濾池的反沖洗過程中，需要開關(guān)一系列的閥門，這就需要控制濾池的現(xiàn)場控制器與反沖洗控制器之間有很好的鏈接協(xié)調(diào)的關(guān)系，具體閥門的開關(guān)過

57、程為：在正常過濾的過程中，進(jìn)水閥和出水閥應(yīng)該打開，反沖氣閥、反沖水閥和排污閥則應(yīng)關(guān)閉。在反沖洗過程中，進(jìn)水閥和出水閥應(yīng)關(guān)閉，氣沖閥、水沖閥、排污閥打開。具體的閥門開關(guān)順序應(yīng)為：在濾池控制器得到反沖洗信號后，首先關(guān)閉進(jìn)水閥，并將清水閥開至最大，當(dāng)液位下降至最低限制液位時，濾池退出正常的過濾過程，進(jìn)入反沖洗過程，此時，出水閥關(guān)閉，排污閥打開，待排污閥信號到位后準(zhǔn)備開始反沖洗。反沖洗過程一般包括兩個過程：氣沖、水沖。先開反沖氣閥、鼓風(fēng)機，氣沖開始。6 分鐘后，關(guān)閉鼓風(fēng)機、反沖氣閥。打開反沖水閥，開啟反沖水泵，水洗 6 分鐘，完成后關(guān)閉反沖水閥，停水泵，關(guān)閉排污閥。最后，打開進(jìn)水閥，等液位升到接近恒水

58、位時，濾池反沖洗正式結(jié)束，打開清水閥，系統(tǒng)進(jìn)入正常的過濾程序。整個過程用簡化圖表示，如圖3-5 所示圖 3-5 調(diào)整前的反沖洗過程 正常過濾關(guān)進(jìn)水閥關(guān)出水閥 開排污閥開反沖水閥 開反沖水泵 關(guān)反沖氣閥開反沖氣閥 開鼓風(fēng)機關(guān)排污閥 開進(jìn)水泵關(guān)鼓風(fēng)機 關(guān)反沖氣閥 關(guān)沖水閥 停水泵 關(guān)反沖氣閥基于 PLC 的水廠濾池自動控制系統(tǒng)設(shè)計- 16 -在這樣一個看似很簡單其實很繁瑣的過程中，需要濾池控制器和反沖洗控制器之間有很好的協(xié)調(diào)關(guān)系，保證有些時候相關(guān)的閥門能及時的開啟和關(guān)閉，以確保正常的濾池過濾和反沖洗過程的順利進(jìn)行，因此他們之間可以設(shè)定一個可靠的通信機制，通過這個機制來向其他的控制器傳遞自己當(dāng)前的狀

59、態(tài)和正在執(zhí)行的操作，這些通信機制可以用“O”、 “1”來表示。當(dāng)濾池或反沖洗系統(tǒng)處于某一狀態(tài)時，相應(yīng)的標(biāo)識置“1”，并向另外一控制器發(fā)送，當(dāng)這一狀態(tài)結(jié)束時，標(biāo)識被清零，再向另外一控制器發(fā)送。標(biāo)識的值隨著狀態(tài)的變化而變化。一般的通訊機制都要求接收方返回一個確認(rèn)信號，用來表明正確收到被發(fā)送信號，以防止信號在傳送過程中丟失。但這里無須考慮此問題，因為連接控制器的網(wǎng)絡(luò)自身的通訊協(xié)議己能夠確保信號傳送的可靠性。通信機制方案確定了，下面討論如何實現(xiàn)，在濾池反沖洗過程中不能有兩個濾池同時進(jìn)行反沖洗，一旦有兩個濾池的氣沖或水沖閥同時打開，沖洗就不能順利進(jìn)行。故在此也要建立一個通信機制，用來實現(xiàn)當(dāng)有一個濾池正在

60、進(jìn)行反沖洗時，其它濾池不能進(jìn)行反沖洗，以阻止濾池控制器控制濾池進(jìn)入反沖洗狀態(tài)。接著，當(dāng)氣沖閥打開后，要有一個通信機制，用來傳遞給反沖洗系統(tǒng)主控制器通知它開鼓風(fēng)機。同樣，還要有一個通信機制，通知反沖洗系統(tǒng)主控制器開反沖水泵。在鼓風(fēng)機和水泵停止后，又分別要有一個通信機制，通知濾池控制器關(guān)閉反沖氣閥和反沖水閥。這一系列的通信機制，就是兩套控制器（濾池控制器、反沖洗控制器）之間實現(xiàn)通信協(xié)調(diào)的方法。但是這種方法如果不對反沖洗的過程做一些調(diào)整和變化的話，會顯得很繁瑣復(fù)雜，并且不易實現(xiàn)。原因是因為上述的通信機制只是一部分，實際的工程中還涉及了故障報警，故障處理等問題，需要添加大量通信機制。這不但提高了工作過