基于PLC飲用水源初處理控制系統(tǒng)設計

PAGE第1章緒論1.1課題研究的背景及意義在當前飲用水水源水屑惡化且在長期內(nèi)仍難以根本改善的狀況下，飲用水安全成為至今我國水處理研究者亟需解決的關(guān)鍵問題。膜技術(shù)及以艉單元為核心的組合處理工藝效果顯著，為解決上述問題的提供了一條可行途徑。超濾膜技術(shù)具有較好的綜合處理污染的效果，例如水井和含水層都被化肥農(nóng)藥的殘留后，由加藥泵連續(xù)加入活性炭反應池，通過機械攪拌與原水進行充分的混合，在原水水質(zhì)比較復雜的地區(qū)顯得更為適用。在2011年的全國評估中包括北京、上海和廣州的9個省、自治區(qū)和直有研究所表明，雖然超濾技術(shù)還存在著膜易污染、運行不穩(wěn)定、粉末活性炭－超濾組合成本較高等問題，但隨著新型超濾膜材料的出現(xiàn)更多人選擇PVC超濾膜材料，其優(yōu)點是膜絲有很好的強度和柔韌性、過濾精度高、價格低廉壽命長。根據(jù)《城市污水處理及污水防治技術(shù)政策》,2010年全國省市城市和建制鎮(zhèn)的污水平均處理率不低于50%,省市城市的污水處理率不低于60％,重點城市的污水處理率不低于70％.新建污水廠仍是我國治理水資源的一個重要組成.水處理行業(yè),由于各廠的水源不同，所包含的污染物不同，相應的處理工藝也不同。水處理工藝的多樣性、復雜性也是水處理行業(yè)發(fā)展的一個必然趨勢。凈水處理、污水處理和中水處理的設備眾多，設備也更加專業(yè)化。怎樣實現(xiàn)對其便捷穩(wěn)定的控制變得至關(guān)重要。其中PLC技術(shù)的運用至關(guān)重要，PLC設備能夠穩(wěn)定運行，是對自動系統(tǒng)的基本要求，也是最高的要求。PLC設備有較強的抗干擾能力，平均無故障時間長，即使在系統(tǒng)故障的情況下，也能夠最低限度的減少故障損失，提高現(xiàn)場調(diào)試效率。本設計主要著重介紹各環(huán)節(jié)的控制和操作過程及原理，選用的控制設備也比傳統(tǒng)的設備更為先進，目前可編程序控制器在整個電氣控制領域已經(jīng)占領主導地位，發(fā)展的也是非常迅速，它的控制方式采用可編程序控制器進行控制。PC或PLC，它是在集成電路、計算機技術(shù)基礎上發(fā)展起來的一種新型工業(yè)控制設備。由于它具有的功能強、可靠高、配置靈活、使用方便以及體積小、重量輕等優(yōu)點，國外以廣泛應用于自動化控制的各個領域，并成為實現(xiàn)工業(yè)自動化的支柱產(chǎn)品。近年來，國內(nèi)在PC技術(shù)與產(chǎn)品開發(fā)應用方面的發(fā)展也很快。除許多從國外引進的設備、自動化生產(chǎn)線外，國產(chǎn)的機床設備已越來越多的采用PC控制系統(tǒng)取代的繼電器、接觸器控制系統(tǒng)。國產(chǎn)化的小型PC性能也基本達到同類國外產(chǎn)品的技術(shù)指標。目前PLC已廣泛用于冶金、化工、輕工、電力、建筑、交通、運輸?shù)雀鱾€行業(yè)1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 我國對于供水系統(tǒng)的自動化控制研究和發(fā)展的起步相對較晚，但是后續(xù)的發(fā)展非常迅猛。隨著自動化控制技術(shù)以及自動化控制系統(tǒng)相關(guān)設備設施的不斷發(fā)展完善，自來水廠在水處理的濾池、加藥以及脫水等方面的自動化控制技術(shù)不斷成熟[1]。尤其是在水處理的新工藝、新技術(shù)方面，不斷加強AB法、CASS法、SBR法以及A/O法[2]等的應用。在工業(yè)控制計算機不斷推廣應用的基礎之上，自來水廠的規(guī)模不斷擴大，在自動化控制方面的程度也不斷提升。部分自來水廠還積極采用iFix工控組態(tài)軟件進行水處理自動化控制系統(tǒng)的設計[3]。在改革開放之后，我國的自來水廠不斷引進國外在自動化控制方面的先進技術(shù)，不僅僅加強了SCADA系統(tǒng)[4]、GIS系統(tǒng)[5]等控制系統(tǒng)的發(fā)展建設，而且還進一步推進了自來水廠的基礎建設和自動化控制。雖然我國各地區(qū)在自來水廠自動化控制方面都取得了較快的發(fā)展，但是由于自動化控制技術(shù)等方面的原因，我國仍然沒有真正實現(xiàn)自來水廠的自動化控制。 在我國，水利部現(xiàn)已建成覆蓋全國主要水體的水質(zhì)監(jiān)測網(wǎng)絡體系，該體系是以分布在各個水質(zhì)監(jiān)測點的在線監(jiān)測系統(tǒng)為基礎，實現(xiàn)水環(huán)境監(jiān)測的目的。但是目前我國還沒有建立起一套完整的針對飲用水的水質(zhì)在線監(jiān)測體系。對于水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的研究，國內(nèi)已有了較多的研究工作。盧文華等利用單片機主機和數(shù)據(jù)采集從機，并在檢測中心設置一臺PC機，以這種方式實現(xiàn)了對水質(zhì)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測，可以實現(xiàn)將收集的數(shù)據(jù)進一步處理以及以豐富的圖表顯示輸出[6]。李欣等開發(fā)出基于Labview的水質(zhì)監(jiān)測虛擬儀器，通過系統(tǒng)設置了采樣點數(shù)、采樣頻率等，可以同時對氟離子、氯離子、溶解氧、COD或BOD進行監(jiān)測[7]。 總體而言，我國在自來水廠水處理自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展建設方面主要存在控制方式以及自動化控制系統(tǒng)多樣化的發(fā)展特點。在自來水廠水處理的過程中，存在不同類型、不同等級的自動化控制系統(tǒng)和自動化控制方式[8]。為了有效的提升自來水廠在水處理方面的自動化控制水平，我國各地區(qū)的自來水廠都開始使用各種先進的檢測儀器[9]。目前國內(nèi)在水處理自動化儀器設備方面的質(zhì)量還需要進一步改進，很多水處理自動化儀器儀表都是選擇進口產(chǎn)品[10]。在水處理工藝方面，國內(nèi)實現(xiàn)了一定的發(fā)展和優(yōu)化，在單元控制系統(tǒng)方面逐漸采用自動化控制[11]，從而在自來水廠水處理實踐當中有效的應用了各種自動化控制理論[12]。為了保障自來水廠在水處理方面的高效運行，國內(nèi)在水處理自動化控制系統(tǒng)當中的通訊和監(jiān)控等軟硬件開發(fā)方面仍然需要改進和完善。在自來水廠水處理自動化控制系統(tǒng)的設計當中，主要通過在線儀表、可編程控制器以及通信網(wǎng)絡等技術(shù)的結(jié)合[13]，實現(xiàn)水處理工藝的自動化控制，保障城市供水的穩(wěn)定性。1.2.2國外發(fā)展現(xiàn)狀 國外最早在上世紀三四十年代就對水廠水處理自動化控制系統(tǒng)方面展開了研究[14]。尤其是在微電子技術(shù)不斷發(fā)展的基礎之上，凈水行業(yè)在檢測儀器、檢測儀表以及相關(guān)自動化控制設備方面的發(fā)展和完善，推動了凈水行業(yè)在水處理自動化控制系統(tǒng)方面的快速發(fā)展[15]。而且，西方國家在經(jīng)濟實力以及技術(shù)能力方面相對較強，使凈水行業(yè)當中的水處理自動化控制系統(tǒng)得到了非常普遍的實際運用[16]。 國外在自來水廠自動化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方面主要有三種形式，分別是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)）[17]、集散型控制系統(tǒng)（DCS）以及工業(yè)個人計算機同可編程邏輯控制器系統(tǒng)（IPC+PLC）[18]。 在西方國家尤其是歐美等發(fā)達國家當中，大部分的凈水廠在水處理過程當中基本上實現(xiàn)了自動化控制，能夠?qū)λ幚淼母鱾€環(huán)節(jié)、各個工序流程當中進行有效的監(jiān)測和管理等[19]。在很對西方發(fā)達國家當中，基于人口總數(shù)的不足，在人力資源方面相對較為緊缺，人力成本在整體成本當中的構(gòu)成比重很大，通過水處理自動化控制系統(tǒng)不僅能夠解決其在人力資源缺失方面的問題，而且還能夠?qū)崿F(xiàn)較高的經(jīng)濟效益[20]。另外，很多的凈水廠多采用了一種水處理自動化控制系統(tǒng)，在水處理的過程當中對于一些關(guān)鍵的工藝流程進行自動化的管理和控制，并對水處理各階段的主要工藝流程以及水處理的運行參數(shù)進行自動的監(jiān)測，實現(xiàn)高效的自動化控制[21]。在電子通信等技術(shù)不斷發(fā)展進步的基礎之上，西方國家不斷加強PLC技術(shù)同3C技術(shù)之間的結(jié)合應用，有效的提升了自來水廠水處理的智能化程度[22]。西方國家在凈水廠水處理的自動化控制方面采用的大多都是集散式自動化控制系統(tǒng)[23]。為了最大程度的降低水處理各環(huán)節(jié)之間的相互干擾，有效的提升水處理的工作效率，對水處理各個工藝流程進行了分散式的管理控制[24]。對于凈水廠水處理的整體監(jiān)控則能夠提升水處理自動化控制系統(tǒng)的靈活性。1.3本設計主要內(nèi)容現(xiàn)代本系統(tǒng)主要設計一個基于PLC飲用水源初處理控制系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括上位機、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、報警模塊、藍牙模塊、超濾膜。數(shù)據(jù)顯示功能：自動控制系統(tǒng)能夠?qū)υO備運行時的各類數(shù)據(jù)采集并進行實時性的、動態(tài)性的展示，顯示，并發(fā)送上位機。數(shù)據(jù)處理模塊能夠處理PLC接收的數(shù)據(jù)、顯示。數(shù)據(jù)管理儲存水處理過程中所產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)。系統(tǒng)出現(xiàn)故障報警模塊通過人機交互界面發(fā)出警報信息。第2章系統(tǒng)分析與方案選擇2.1水處理工藝簡介對于不一樣的生活污水處理對象和不一樣的生活污水環(huán)境，需要根據(jù)其采用不一樣的方式完成處理。在污水處理過程中，對于其污水處理的方式選擇，需要嚴格參考當前的污水情況進行選擇。生活污水處理的方法主要有物理、化學、物理化學，以及生物等幾種。這些方法根據(jù)實際情況，可以單一使用，也可以針對不同的生活污水混合使用。目前，生活污水處理的方法一般以生物處理法為主，輔以物理處理法和化學處理法。常用的生活污水處理工藝有以下幾種。（1）傳統(tǒng)活性污泥法。這種污水處理方法是比較傳統(tǒng)的一種污水處理方法，是最古老的一種工藝，在污水處理裝置中分為沉淀池與沼氣池，主要處理部分關(guān)系框圖如圖2-1所示。曝氣池曝氣池（微生物吸附有機物氧化為無機物）沉淀池（活性泥下沉）回流活性泥原生活污水清水排出圖2-1傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程圖生活污水中的有機物在曝氣池停留的過程中，曝氣池中的微生物吸附生活污水中的大部分有機物，并且在曝氣池中被氧化成無機物，然后在沉淀池中經(jīng)過沉淀后的部分活性泥需要回流到曝氣池中。該工藝的優(yōu)點有：有機物去除率高，污泥負荷高，池的容積小，耗電省，運行成本低。該工藝的缺點有：普通曝氣池占地多，建設投資大，滿足國家標準相關(guān)指標范圍小、易產(chǎn)生污泥膨脹現(xiàn)象，磷和氮的去除率低。（2）A/O法。A/O法是在傳統(tǒng)活性污泥法的基礎上發(fā)展起來的一種生活污水處理工藝，其中A代表Anoxic（缺氧的），O代表Oxic（好氧的）。A/O法是一種缺氧好氧生物生活污水處理工藝。該工藝通過增加好氧池與缺氧池所形成的硝化反硝化反應系統(tǒng)，很好的處理了生活污水中的氮含量，具有明顯的脫氮效果。但是此硝化反硝化反應系統(tǒng)需要得到很好的控制，這樣就對該工藝提出了更高的管理要求，這也成為了該工藝的一大缺點。其工藝流程圖如下：圖2-2A/O法工藝流程圖（3）A2/O法。這種污水處理方法是通過在最傳統(tǒng)的活性污泥處理基礎中發(fā)展而來的，而AA中，一個A表示為Anoxic（缺氧的），另一個A表示為Anaerobic（厭氧的）；O表示為（好氧的）。在這種的污水處理方式中，其對于污水的除磷效果顯著，所以因此可以使用在具有除磷要求的污水中。對于當前的污水廠選用污水處理方法，在其特殊要求下基本上選擇A2/O工藝。其工藝流程圖如圖2-3所示。圖2-3A2/O法工藝流程圖（4）A/B法。這種污水處理方法是吸附性降解的，在設置的過程中沒有設置沉淀池，主要是通過把曝氣池進行區(qū)分為兩段，其中還設有獨立的污泥回流。在高負荷下的運行，其運行的時間為20~40min，這種主要是通過生物絮凝進行吸附，并且不會出現(xiàn)完全氧化，具有較高的除去效率。b部分熟悉正常的主動廢料，負荷較小。a部分在av法中非常有效，具有較強的緩沖能力。b部分為水力破壞，響應較為穩(wěn)定。在城市污水集中處理的情況下，av法具有較好的適應性和較高的能效。最明顯的好處是使用廢物處理和沼氣方法。然而，av的廢物產(chǎn)量要高得多，而Parta的廢物含量非常高，因此應該增加廢物處理的穩(wěn)定性，從而增加一定的投資和支出。此外，由于a部分的去除，除了pod數(shù)量較多，導致碳源不足，難以滿足脫氮技術(shù)的要求。B部分在城市污水濃度較低時也較為困難和困難?？傮w而言，AB法工藝較適合于生活污水濃度高，具有污泥消化等后續(xù)處理設施的大中規(guī)模的城市生活污水處理廠，且有明顯的節(jié)能效果，而對于有脫氮要求的城市生活污水處理廠，一般不宜采用。（5）SBR法。SBR法是歇式活性污泥法的簡稱，是一種按照一定的時間順序間歇式操作的生活污水生物處理技術(shù)，也是一種按間歇曝氣方式來運行的活性污泥生活污水處理技術(shù)，又稱序批式活性污泥法。其反應機理及去除污染物的機理與傳統(tǒng)的活性污泥法基本相同，只是運行操作方式不盡相同。SBR法與傳統(tǒng)的水處理工藝的最大區(qū)別在于它是以時間順序來分割流程各單元，以時間分割操作代替空間分割操作，非穩(wěn)態(tài)生化反應代替生化反應，靜置理想沉淀代替動態(tài)沉淀等。整個過程對于單個操作單元而言是間歇進行的，但是通過多個單元組合調(diào)度后又是連續(xù)的，在運行上實現(xiàn)了有序和間歇操作相結(jié)合。2.2水系統(tǒng)的基本設計思想水質(zhì)檢測及自動加投藥控制系統(tǒng)首先要有兩臺循環(huán)水泵實現(xiàn)水循環(huán)控制，這就涉及到循環(huán)水泵的啟停和聯(lián)鎖。系統(tǒng)要按照標準實現(xiàn)水上樂園水質(zhì)的濁度、酸堿度、余氯值的控制，要求濁度儀、PH儀、余氯儀檢測到的水質(zhì)模擬量信號輸入到PLC的模擬量輸入模塊，如果在其控制的水質(zhì)超過標準時，就需要通過稀鹽酸、消毒劑完成對其控制，使得水質(zhì)調(diào)整。另外，在循環(huán)泵的處理中要靠手動方法，除去在輔助自動中的正常運行外，還可以實現(xiàn)反沖洗?；诖?，控制系統(tǒng)的基本設計思想如下圖：圖2-4控制系統(tǒng)簡圖為了實現(xiàn)水管理項目，西門子處理器必須訪問模擬輸入模塊，至少需要五個模擬輸入模塊和一個模擬輸出模塊。在特定的實現(xiàn)中，如果處理器有數(shù)字輸入和輸出，那么如果輸入量不夠，它也可以訪問數(shù)字輸入和輸出模塊。設備的放置需要水位變換器、混變、堿性酸度、氯值過度測量、用于傾倒劑的精確測量泵和伺服控制器。第3章PLC的選型及其他硬件的選擇3.1可編程序控制器PLC的選擇分析表明，過程主要包括水循環(huán)和過濾部分、水質(zhì)監(jiān)測和反沖洗過程和水位控制。需要控制的參數(shù)包括泵停止和閉塞、陰暗、PH值、過量氯、水壓、水位和沖洗過程。該系統(tǒng)的重點是檢測不透明的過載和自動添加藥物，同時滿足對剩余氯、PH、反沖洗過程等的要求，將PLC產(chǎn)品與所有制造商進行比較，最終選擇了西門公司生產(chǎn)的SR30軟件控制器。3.2西門子PLC的硬件結(jié)構(gòu)及擴展模塊的選擇根據(jù)工藝要求，統(tǒng)計出開關(guān)量輸入信號有19個點，模擬量輸入信號有5個量，開關(guān)量輸出信號有16個點，模擬量輸出信號有1個。該系統(tǒng)由多個開關(guān)量、模擬量、多種自動檢測儀、伺服控制器，控制要求自動化程度高、無人值守，對這樣的控制系統(tǒng)，采用PLC控制可充分發(fā)揮其優(yōu)勢，能獲得和好的控制效果。根據(jù)監(jiān)管要求，SR30更為合適。它由24個入口/16個出口和40個數(shù)字入口和出口點組成。7個可擴展至248個數(shù)字化進出口點或35個典型進出口點。13g和存儲空間。6個獨立30KZ金屬和2個獨立20kz高速脈沖輸出，pid控制器。pi和pi協(xié)議和通信自由可以通過RS485(RS485)軟件走廊實現(xiàn)。輸入/輸出端口可以輕松拆卸。管理體系高，出入口多，擴展能力強，速度快，內(nèi)部整合能力強。完全適應一些復雜的中小型控制系統(tǒng)。由于電流輸入單元是直流輸入單元，直接能量作為能量(供用戶使用)來檢測每個入口的狀態(tài)。SummatMatM和L+提供24V口徑(DC)/400M電壓傳感器能力，為傳感器供電或檢測源入口。對于繼電器輸出方式，既可帶直流負載，也可帶交流負載。負載的激勵源由負載性質(zhì)確定。輸出端子排的右端N、L1端子是供電電源120/240V（AC）輸入端。該電源電壓允許范圍為85~264V（AC）。2.I/O模塊I/O模塊是系統(tǒng)聯(lián)系外部現(xiàn)場和CPU模塊的橋梁。輸入模塊用來接收和采集輸入信號。輸入信號有兩類：一類是開關(guān)量輸入信號；另一類是模擬量輸入信號?？删幊炭刂蒲b置，包括輸出控制器、通訊設備、電磁、電磁、調(diào)節(jié)閥、調(diào)速裝置等。另一種可以由程序控制設備控制的外部負載是燈、數(shù)字投影儀和報警器。CPU5v的電壓通常是正常的，而高電壓輸入/輸出信號控制(如直接流24V和220v)可以編程，外部參考資料的電壓和干擾噪音可能會損壞可能無法正常運作的CPU設備或可編程控制裝置，從而無法直接接觸外部輸入/輸出單元。I/O單元處理傳輸信號以及能量分配和噪音隔離。3.編程器在編程器中，除去程序的編輯和輸入等功能外，另外可以實現(xiàn)對其元件工作狀態(tài)的編輯。另外可編程控制器內(nèi)可以永久的運行，另外在其取下的情況下也可以實現(xiàn)運行，通常是在調(diào)試階段采用其運行，并且一臺編程器可以實現(xiàn)多個控制下的運行。4.EM231EM231的電壓輸入范圍：單極性0~10V，0~5V；雙極性±5V，±2.5V。電流輸入范圍：0~20mA；模擬量到數(shù)字量的最大轉(zhuǎn)換時間：250μs；該模塊模擬量的輸入值為只讀數(shù)據(jù)。模擬量輸入模塊（EM231）的輸入信號經(jīng)模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量數(shù)據(jù)值是12位二進制數(shù)。數(shù)據(jù)值的12位在CPU中存放格式如圖所示。最高有效位是符號位：0表示正值數(shù)據(jù)，1表示負值數(shù)據(jù)。每個通道占用存儲器AI區(qū)域2個字節(jié)。3.3其它資源的配置要完成系統(tǒng)的控制功能除了需要PLC主機及其擴展模塊外，還需要各種開關(guān)、接觸器和變頻器等設備。1.接觸器在變頻恒溫供水系統(tǒng)中，其中所有的設備運行都不是連續(xù)的，而是根據(jù)控制面板上的按鈕情況或者根據(jù)傳感器的反饋值直行動作的，因此需要PLC根據(jù)當前的工作情況，以及按鈕的情況來控制所有設備的啟停。2.變頻器對于目前系統(tǒng)的變頻器中，其MM430變頻器設置為專用變頻器，可以在多種情況下驅(qū)動其運行，特別適合在水泵和風機下運行。以下就介紹了變頻器的工作原理，我們知道，交流電動機的同步轉(zhuǎn)速表達式：（3-1）式中n———異步電動機的轉(zhuǎn)速；f———異步電動機的頻率；s———電動機轉(zhuǎn)差率；p———電動機極對數(shù)。如所知，旋轉(zhuǎn)速度(3-1)與f頻率成正比，如果頻率在0-50之間發(fā)生變化，則可以通過發(fā)動機旋轉(zhuǎn)速度的廣泛調(diào)整來實現(xiàn)頻率的。在變壓器中，頻率變化進行控制，這是一種更好的方法。主要優(yōu)點如下(一)拿起重新啟動功能，該功能使變壓器在接觸環(huán)形催化劑時不太容易產(chǎn)生影響。(二)脈沖開關(guān)的頻率更高，發(fā)出的噪音較少。(三)配備良好的發(fā)動機和變壓器保護裝置。(四)更高的扭矩。(五)它有一個循環(huán)功能，能夠直接將發(fā)動機轉(zhuǎn)換為安全的能源。(六)能效最高，能效最高。(七)如果泵啟動，可以檢測到任何不可移動的真空。(八)綜合候選人員可有效減少安裝需求。(九)復合制動器的功能可以導致快速制動。3.余氯儀在線余氯分析高智能化在線連續(xù)監(jiān)測儀，由傳感器和二次表兩部分組成?？赏瑫r測量余氯、pH值、溫度?？蓮V泛應用于電力、自來水廠、醫(yī)院等行業(yè)中各種水質(zhì)的余氯和pH值連續(xù)監(jiān)測。余氯可分為化合性余氯（指水中氯與氨的化合物，有NH2Cl、NHCl2及NHCl3三種，以NHCl2較穩(wěn)定，殺菌效果好），又叫結(jié)合性余氯；游離性余氯（指水中的OCl-、HOCl、Cl2等，殺菌速度快，殺菌力強，但消失快），又叫自由性余氯；總余氯即化合性余氯與游離性余氯之和。余氯儀測量原理：在滲透膜和電解液下實現(xiàn)對其電池的分開，對于滲透膜作用下，可以實現(xiàn)ClO選擇性的穿過；在其電極的中間依靠固定電位差，實現(xiàn)對余氯濃度的測算。在陰極上：ClO+2H+2e→Cl+H2O；(3-2)在陽極上：Cl+Ag→AgCl+e（3-3）由于在一定溫度或ph值下的氯與氯氯之間存在固定的轉(zhuǎn)換關(guān)系，剩余的氯數(shù)量可以通過這種方法進行測量。該系統(tǒng)使用cl8130a測量計。88系列工業(yè)中使用的在線氯度計是一個網(wǎng)式水質(zhì)監(jiān)測器，配有小微處理器。這些設備廣泛用于各種行業(yè)，如飲用水處理廠、飲用水分配系統(tǒng)、水廠、冷水廠和水處理工程。。4.PH儀PH計是當前一種常用測量儀器，主要用于準確測量液體介質(zhì)的ph值，采用相應的離子選擇電極測量值離子電極廣泛應用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、科學、環(huán)境等領域。它實際上是溶液中堿度的表達式。我們通常習慣用局部濃度來確定水溶液中的堿度水平，比如1%的硫酸溶液或1%的堿性溶液，但如果水溶液中的堿度比例很小，如果再次使用全濃度，可以用ph來表示。ph值為0-14,ph值為7;當ph值小于7時，表示ph值為ph。ph值越低，表示水的ph值越高。當ph大于7堿度時，ph越高，水的體積越大。系統(tǒng)使用Internet上的ph-110。P-110互聯(lián)網(wǎng)酸度計用于測量ph值或ph值，以測量氧化和還原水平，廣泛應用于水上游樂園、游泳、飲用水和污水處理等廣泛領域。5.濁度儀又稱濁度計。水泵檢查可以在水廠、發(fā)電廠、采礦公司、實驗室和現(xiàn)場進行。本設備通常用于安裝飲用水工廠驗證qs體系所需的檢驗設備。擾動是光懸浮在水中的強度。水可能被懸浮物和微有機物腐蝕，如土壤、灰塵、微有機物、浮游動物和其他微生物。裂度計采用散射原理。來自光源的平行光線被吸收擴散，另一部分穿過溶液。與入射光成900方向的散射光強度符合雷萊公式：（3-4）其中：I0——入射光強度Is——散射光強度N——單位溶液微粒數(shù)V——微粒體積λ——入射光波長K——系數(shù)在入射光恒定條件下，在一定濁度范圍內(nèi)，散射光強度與溶液的混濁度成正比。上式可表示為：（A為常數(shù)）(3-5)根據(jù)這一公式，可以通過測量水樣中微粒的散射光強度來測量水樣的濁度。本系統(tǒng)采用的是GDS－3P散射光濁度儀。

第4章硬件設計4.1水循環(huán)及過濾部分考慮到水循環(huán)運行基本無人值守，循環(huán)水泵的自動過程由兩臺泵互為備用，8h自動切換和非正常停泵(熱繼電器動作等)自動投入備泵。循環(huán)水泵的手動過程，只是配合自動過程的輔助手段。水循環(huán)主程序流程圖，這部分以非正常停泵自動切換部分為重點和難點，可用內(nèi)部繼電器做一個與循環(huán)水泵“同起/選?！钡摹氨O(jiān)控器”，來判斷是停泵信號還是故障信號以及8h切換信號，再經(jīng)計時器延時切換和完成切換工作等。下圖為各硬件連接圖：圖4-1循環(huán)水泵自動控制圖圖4-2泵接線圖圖4-3變頻器接線圖4.2水質(zhì)檢測控制系統(tǒng)水質(zhì)檢測都是通過各檢測項目的檢測儀器送來的模擬量檢測信息，輸入到模擬量擴展模塊0或l模塊進行處理，處理后根據(jù)水質(zhì)標準確定的控制量，控制精確計量加投泵加投藥劑。各模擬量輸入的處理及控制都基本相同，這里僅以濁度—絮凝劑為例說明模擬量輸入及控制的基本方法。圖4-4濁度控制曲線及刻度值換算比例從圖4.4所示濁度控制曲線看出，要求濁度控制值在2~4NTU，5NTU為濁度的限幅值和報警值，即當濁度值≧4NTU時開計量泵加投絮凝劑，當≤2NTU時關(guān)閉計量泵，通過是否加投絮凝劑，凝結(jié)或不凝結(jié)池水中的雜質(zhì)，循環(huán)水流過過濾缸時產(chǎn)生不同的濾除作用，使池水的濁度保持在規(guī)定的范圍內(nèi)。主程序的主要功能是通過比較變化控制極限和偏轉(zhuǎn)泵將Q0.4輸出到血糖測量儀表上;在出口q.4，混合發(fā)生器必須在添加中和劑之前啟動;第二，其他次級方案必須包括分散的條件。子程序主要控制和處理故障模擬。5個模擬控制變頻器的電流范圍從4到20mA，而PLC模擬變頻器的電流范圍從0到20mA。因此，輸家的流動必須改變。將輸入流轉(zhuǎn)換為PLC內(nèi)部尺度的一個例子表明，圖4.5中的坐標可以解釋為信號x1,x2和極限值x3，并可以通過計算得到相應的值。圖中4mA對應的刻度值并不是0，而是6400，即相當于坐標原點移至(4，6400)，由此原點的新坐標按比例計算出對應的y1、y2及y3刻度值。其計算式如下:(4-1)(4-2)（4-3）（4-4）(4-5)(4-6)價值層面的轉(zhuǎn)換,亦可模擬信號輸入輸人/模擬輸出模塊本身,比如西門子EM231模塊第15位、第12位,數(shù)據(jù)分級,即那些確實已經(jīng)失去了對弱信號三位數(shù)的“遙感”、使數(shù)據(jù)相對比較穩(wěn)定的信號首先可以低,3位信號的重復使用提供了一個相對“穩(wěn)定”的信號。圖4.5中比例的最大值為(4000)，最小比例為(800)。實際值保持不變，如式(4-1)至(4-6)。只需計算y1,y2和y3刻度的新值。從流程圖可看出程序有信號取平均值部分，濁度信號本身是易波動的信號，因此信號必須采若于次后取平均值才能使用。在觸摸屏和顯示屏上面的所顯示的所有模擬量值都應使用取平均后的值。圖4-5系統(tǒng)硬件框圖以上各硬件I/O端口信息如表4-1所示：表4-1控制系統(tǒng)I/O分配表輸入注釋輸出注釋I0.0手動進水1開Q0.0進水1開I0.1手動進水1關(guān)Q0.1進水1關(guān)I0.2進水1故障Q0.2出水1開I0.3手動出水1開Q0.3出水1關(guān)I0.4手動出水1關(guān)Q0.4反進水1開I0.5出水1故障Q0.5反進水1關(guān)I0.6手動反進水1開Q0.6反出水1開I0.7手動反進水1關(guān)Q0.7反出水1關(guān)I1.0反進水1故障Q1.0進水2開I1.1手動反出水1開Q1.1進水2關(guān)I1.2手動反出水1關(guān)Q1.2出水2開I1.3反出水1故障Q1.3出水2關(guān)I1.4手動進水2開Q1.4反進水2開I1.5手動進水2關(guān)Q1.5反進水2關(guān)I1.6進水2故障Q1.6反出水2開I1.7手動出水2開Q1.7反出水2關(guān)I2.0手動出水2關(guān)Q2.0總進水開I2.1出水2故障Q2.1總進水關(guān)I2.2手動反進水2開Q2.2總出水開I2.3手動反進水2關(guān)Q2.3總出水關(guān)I2.4反進水2故障I2.5手動反出水2開I2.6手動反出水2關(guān)I2.7反出水2故障I3.0總進開I3.1總進關(guān)I3.2總出開I3.3總出關(guān)I3.4手自動I3.5啟動I3.6停止I3.7復位4.3PID水位控制在工程實踐中，最常用的控制規(guī)則被稱為比例控制、積分控制、差分控制、降階PID控制或PID控制。近70年來，PID控制器一直是工業(yè)控制的主要方法之一。結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定、可靠、調(diào)節(jié)方便。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，控制理論的其它技術(shù)難以采用時，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定，這時應用PID控制技術(shù)最為方便。即當我們不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，最適合用PID控制技術(shù)。PID控制，實際中也有PI和PD控制。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。4.3.1PID調(diào)節(jié)（1）比例調(diào)節(jié)（P調(diào)節(jié)）在P調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號u與偏差信號e成比例，即：（4-7）式中稱為比例增益。比例調(diào)節(jié)的顯著特點就是有差調(diào)節(jié)。采用比例調(diào)節(jié)，則在符合擾動下的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)節(jié)量不可能與設定值準確相等，他們之間一定有偏差。比例調(diào)節(jié)的偏差隨著比例帶的加大而加大。（2）積分調(diào)節(jié)（I調(diào)節(jié)）在I調(diào)節(jié)中，調(diào)節(jié)器的輸出信號的變化速度偏差信號e成正比，即（4-8）式中稱為積分速度，可視情況取正值或負值。調(diào)節(jié)器的輸出與偏差信號的積分成正比。積分調(diào)節(jié)器的特點是無差調(diào)節(jié)與P調(diào)節(jié)的有差調(diào)節(jié)形成鮮明對比，只有當被調(diào)節(jié)量偏差e為零時I調(diào)節(jié)器的輸出才會保持不變。然而與此同時調(diào)節(jié)器的輸出卻可以停留在任何數(shù)值上。這意味著被控對象在負荷擾動下的調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，被調(diào)量沒有殘差，而調(diào)節(jié)閥則可以停止在新的負荷所要求的開度上。I調(diào)節(jié)的另一特點是它的穩(wěn)定作用比P調(diào)節(jié)差。采用I調(diào)節(jié)時口制系統(tǒng)的開環(huán)增益與積分速度成正比。增大積分速度將會降低控制系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，直到最后出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。（3）微分調(diào)節(jié)（D調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)器能夠根據(jù)被調(diào)節(jié)量的變化速度來移動調(diào)節(jié)閥，而不要等到被調(diào)節(jié)量已經(jīng)出現(xiàn)較大偏差后才開始動作，那么調(diào)節(jié)效果將會更好，等于賦予調(diào)節(jié)器以某種程度的預見性這種調(diào)節(jié)稱為微分調(diào)節(jié)。此時調(diào)節(jié)器的輸出與被調(diào)量或其偏差對于時間的導數(shù)成正比。即（4-9）根據(jù)上述模式運行的系統(tǒng)無法運作。其原因是，實際監(jiān)管者有一些功能失靈的地區(qū)，當需要的人員的流入和流出流量差別很小，頻率變化速度緩慢，無法探測。然而，在很長一段時間之后，有組織的偏離量大量積累而不加以糾正，這是不可接受的。4.3.2PLC中的PID控制實現(xiàn)方法典型的基于數(shù)字PID的閉環(huán)控制系統(tǒng)。PLC的PID控制器的設計是以連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律為基礎，將其數(shù)字化寫成離散形式的PID控制方程，再跟據(jù)離散方程進行控制程序設計。在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的PID控制器的輸入輸出關(guān)系如下：（4-10）式中:為控制器的輸出量，為輸出的初始值，為給定值與被控變量的誤差信號，為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。將上式離散化，第n次采樣時控制器的輸出為：（4-11）標準PID控制允許將閉環(huán)控制器、脈沖控制器以及步驟控制器集成到用戶程序中。帶集成控制器設置的參數(shù)分配工具允許設置控制器，可在極短時間內(nèi)優(yōu)化使用。如果簡單PID控制器不足以解決自動化任務，可使用模塊化PID控制。可以互連所包含的標準功能塊，創(chuàng)建幾乎任何一種控制器結(jié)構(gòu)。

第5章軟件設計5.1水循環(huán)及過濾部分圖5.1顯示了主要水循環(huán)和過濾程序的流程圖。手動過程的循環(huán)水泵，只有自動過程的輔助手段，手動狀態(tài)除了啟動/停止兩個泵的運行外，還操作過濾缸的沖洗過程。手動過程是直接和簡單的，本文不討論。循環(huán)泵自動過程由兩個互泵作為備用泵泵(1#、2#)、自動切換8h和泵異常停止泵自動啟動救濟動作(如日繼電器、加熱等)組成。啟動過程由兩個泵旋轉(zhuǎn)啟動，即在程序中設置啟動泵數(shù)N(N=1,2)。當您第一次進入主水循環(huán)程序時，首先讀取泵數(shù)N(使N+1)。決定先打開哪個泵1。如果后期，如果能夠平穩(wěn)運行，并且在一個周期內(nèi)，則需要制定泵主方案，當進入新的水循環(huán)泵時，再啟動電流N(N=2，即N=1).因此，為了減少泵連續(xù)工作造成的一定損失。實際證明此方法可行且有效。當某一臺泵出現(xiàn)故障需停機時,需等待該泵完全停止后,方可開啟另一臺泵,否則會出現(xiàn)局部回流現(xiàn)象,極易損壞水泵,因此,在起動另一臺水泵時,有一個10s的延時，以此來保護水泵。水循環(huán)主程序水循環(huán)主程序啟動準備自動手動NY啟動1號泵故障N計時8h?啟動2號泵故障N計時8h?停泵延時10秒停泵延時10秒YY停泵N停泵N總停水循環(huán)主程序結(jié)束YNYNY圖5-1主程序流程圖5.2水質(zhì)檢測及加投部分水質(zhì)檢測都是通過各種檢測儀器送來的模擬量檢測信息,輸入到模擬量擴展模塊進行處理,處理后根據(jù)水質(zhì)標準確定控制量,分別控制各藥劑精確計量泵,加投水處理藥劑。在水質(zhì)檢測及加投藥程序中，首先檢查擴展模塊0是否有錯和用戶電源是否有錯。濁度儀檢測濁度值信號存在波動，要取平均值后才能進行使用，濁度平均值的計算包括初始化程序和設置每批信號的采樣次數(shù)。濁度程序中刻度值是0~32000，但基于擴展模塊EM231分辨率的原因，要通過移位指令將程序刻度值變成0~4000。程序用移位實現(xiàn)除法，可節(jié)省直接除法處理的時間。當達到加投要求時，先啟動絮凝劑攪拌器，再啟動絮凝劑計量泵，將藥劑加投到循環(huán)水泵前。Sm0.1調(diào)用子程序7初始化Sm0.1調(diào)用子程序7初始化濁度—絮凝劑主程序擴展模塊錯誤？調(diào)用子程序1檢查模塊Sm0.0調(diào)用子程序8計算平均值循環(huán)水泵開vw420>=16640啟動絮凝劑攪拌器3秒后啟動絮凝劑計量泵vw420<=10240關(guān)泵及攪拌器濁度—絮凝劑主程序結(jié)束NYYYYNN圖5-2濁度—絮凝劑流程圖(A)

子程序7開始子程序7開始預置采樣計數(shù)器和清零子程序7結(jié)束子程序1開始子程序1結(jié)束檢查SMB8模擬量模塊是否連城擴展模塊0檢查SMB9擴展模塊是否電源有錯？設置錯誤標志NYYN子程序8開始從模擬量輸入AIW4中取個值加到采樣和中，采樣計數(shù)器加一，直到最大采樣數(shù)用移位發(fā)求采樣平均值子程序8結(jié)束圖5-3濁度—絮凝劑流程圖(B)5.3水位控制部分本節(jié)介紹自動控制。當水位很低時，還必須向池中加水，出水運行控制，主要是用PID輸出調(diào)節(jié)，輸出控制信號由AQW0伺服控制器控制調(diào)節(jié)水泵的閥門開啟，定量供水管和混水器使用，使池水位按要求保持穩(wěn)定?；顒铀h(huán)過程中，水資源調(diào)節(jié)控制按鈕、SB9按鈕、PLC，通過建立內(nèi)部程序來完成水位的控制和顯示，當水位過高或過低時，可以通過SB10的一個旋鈕自動控制系統(tǒng)溫度，這些系統(tǒng)達標時，兩個旋鈕，可以使系統(tǒng)很快就會非常穩(wěn)定的將水位調(diào)節(jié)到規(guī)定的范圍內(nèi)。由于連續(xù)監(jiān)控，快速設置。SB10按鈕由PLC內(nèi)部的繼電器控制伺服蒸汽閥，省去了手動調(diào)節(jié)過程，避免了人為的高溢流。其中，SB9和SB10必須在水循環(huán)系統(tǒng)啟動后設置。5.3.1系統(tǒng)的工作原理根據(jù)水位系統(tǒng)的主程序的開始，啟動PID調(diào)節(jié)水位，由于水池容積較大,滯后現(xiàn)象嚴重,故在PID中加入前饋控制算法,但試驗調(diào)試時,發(fā)現(xiàn)控制效果依然很遲緩。因此,去掉前饋控制,給系統(tǒng)增加一個補償,嘗試采用Smith補償。表5-1恒水位控制輸入輸出點符號地址注釋運行M0.00運行1停止輸出歸一VD9000~1手自動M0.30手動1自動手動輸出VD7000~1實際水位VD550M設定水位VD650M模擬輸出AQW016000~0PID輸出VW800VW800主程序開始主程序開始包內(nèi)一組數(shù)即命令頭+溫度值SM0.1調(diào)用子程序7初始化擴展模塊有錯誤？調(diào)用子程序1檢查模塊I2.3=1？SM0.0調(diào)用子程序8計算平均值調(diào)用子程序4起動PID調(diào)節(jié)水位由AQW0輸出主程序結(jié)束結(jié)束SM0.0給PID算法回路表設初值YYYYYNN子程序3開始子程序3結(jié)束Y轉(zhuǎn)換為0～32000之間的整數(shù)送至AQW0中斷1開始子程序4結(jié)束子程序4開始由I1.3或觸摸屏按鈕起動伺服電動閥驅(qū)動電源SM0.0設置自由端口0控制寄存器發(fā)送數(shù)據(jù)“包”包內(nèi)一組數(shù)即命令頭+水位值每隔200ms設置中斷0，發(fā)送出池口水位值傳至大廳顯示屏SM0.0設置限幅值及中斷1將處理過的出池口水位值轉(zhuǎn)換成0～1之間的實數(shù)M0.1調(diào)用PID運算指令中斷1結(jié)束圖5-4水位控制系統(tǒng)流程圖(A)中斷0開始SM0.1調(diào)用子程序3設置發(fā)送中斷0開始SM0.1調(diào)用子程序3設置發(fā)送SM0.7調(diào)用特殊功能標志位SM130.0SM0.5觸發(fā)發(fā)送XMT指令中斷0結(jié)束圖5-5水位系統(tǒng)流程圖(B)5.4系統(tǒng)仿真主程序仿真（1)首先，確定“文件”是一個對話對話的方案，稱為“確認、對話文件、查找生成”?！發(fā)水循環(huán)”，在建議中插入“不得直接或具體地打開或讀取文件或塊”，從而加載該過程。（2)按綠三角形按鈕(運行按鈕)，此時系統(tǒng)提示“確實要切換到運行狀態(tài)嗎”，選擇“確定”，則此時系統(tǒng)電源紅色指示燈滅。運行綠色指示燈亮。按下系統(tǒng)圖中輸入開關(guān)的左邊第二個按鈕，該按鈕為I0.1，則輸入指示燈I0.1綠燈亮，并且輸出指示燈沒有顯示，按下系統(tǒng)圖中輸入開關(guān)的左邊第四個按鈕，該按鈕為I0.3，則輸入指示燈I0.3綠燈亮，并且輸出指示燈Q0.2亮，表示循環(huán)水泵1開始運行。仿真結(jié)果如圖：圖5-6組態(tài)王仿真圖（A）按左邊的第五個按鈕(i0.4)，并關(guān)閉輸出Q0.2(表示圓形泵停止的燈。然后按輸入開關(guān)左側(cè)的第七個按鈕，即I-0.6、I-0.6綠燈、輸出燈q-3和環(huán)形泵2。。仿真結(jié)果如圖：圖5-7組態(tài)王仿真圖（B）輸出指示燈按程序運行，按下總接觸器控制開關(guān)I0.1，程序就會停止。第6章結(jié)論本文介紹了飲用水處理PLC控制系統(tǒng)三大組成部分的硬件軟件設計方法，著重介紹了模擬量控制所要注意的問題，即模擬量輸入信號的轉(zhuǎn)換和調(diào)整方法，模擬量輸出信號的處理方法等。該系統(tǒng)自動化程度高，控制穩(wěn)定、可靠、直觀、方便，本文總結(jié)出的該控制系統(tǒng)的一般規(guī)律，可為其他水處理控制提供借鑒。PLC技術(shù)的應用使水處理的全自動化可視化控制成為可能，使水處理系統(tǒng)的自動化、可視化水平及控制成為可能，使水處理系統(tǒng)的可靠性、智能性和安全性都得到提高，很好地滿足了人們的需要。同時也降低了能耗，減輕了工人的勞動強度，提高了管理效率。取得了明顯的經(jīng)濟效益和社會效益，具有非常好的推廣價值和應用前景。通過脫離設計，該系統(tǒng)滿足了該系統(tǒng)的控制要求，并成功完成了實施c的設計。隨著系統(tǒng)的調(diào)試，實現(xiàn)了抽水、再循環(huán)、自動裝水和自動交換等功能，從而提高了系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)了設計目標。這種設計強調(diào)了強大、簡單、可靠和靈活的SR-30RPLC控制特點。美國的不足之處是，由于缺乏專門知識和設計時間、條件有限以及某些