【正文】 ，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、控 2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)就都會陷于癱瘓 [2]。進(jìn)入70年代以來，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)組成種類很多。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(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。在國內(nèi)水廠自動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)配置簡潔，很容易在網(wǎng)絡(luò)中增減PLC控制器，來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的目的。(4)編程方便，開發(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)場信號直接相連，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。當(dāng)前水廠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)稱為集散式系統(tǒng)。國外自70年代起開始了供水系統(tǒng)自動控制的研究與應(yīng)用工作。尤其是自80年代以來，微電子等現(xiàn)代科技高速發(fā)展，水工業(yè)專用檢測儀表與裝備不斷發(fā)展，水工業(yè)專用檢測儀表與裝備不斷發(fā)展與完善，相應(yīng)地推動供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控技術(shù)有了質(zhì)的飛躍。加之西方發(fā)達(dá)國家雄厚經(jīng)濟(jì)實(shí)力 3與技術(shù)基礎(chǔ)，供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控已得到普遍應(yīng)用。一些水廠己實(shí)現(xiàn)全自動運(yùn)行，能對生產(chǎn)工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)連續(xù)自動地監(jiān)測、調(diào)節(jié)、記錄、報(bào)警等等 [3]。我國自80年代中后期起，陸續(xù)有一些較大型的水廠利用外資建設(shè)，同時(shí)引進(jìn)了成套的水廠現(xiàn)代化監(jiān)控儀表與設(shè)備。我國在水廠關(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)了流動電流及透光率脈動兩種凝控制設(shè)備的國產(chǎn)化，并在水廠獲得推廣應(yīng)用，取得顯著效果，在此方面已居于國際領(lǐng)先水平。水工業(yè)的一些專用檢測儀表與設(shè)備，如在線檢測濁度儀、計(jì)量投加泵等，也有一些廠家開始生產(chǎn)，但是質(zhì)量水平與國外產(chǎn)品相比仍有距離，難以滿足國內(nèi)市場需要。我國大多數(shù)水廠的監(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(包括有些引進(jìn)設(shè)備的水廠)的自動監(jiān)控基本照搬西方的模式，雖然采用了龐大的自動化系統(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)我國相當(dāng)多的水廠原水水質(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。這些自動監(jiān)控系統(tǒng)并不完全符合提高水廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益這一根本目的 [4]。針對我國的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，不同規(guī)模水廠迫切需要解決的問題有所不同。近年來建設(shè)的較大型的、自動監(jiān)控水平較高的水廠需要認(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，為這類水廠自動監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)步提供借鑒與指導(dǎo)。對于眾多的中小水廠，經(jīng)濟(jì)條件有限，應(yīng)在堅(jiān)持國產(chǎn)化、實(shí)用化的原則下，著重發(fā)展那些對供水質(zhì)量、運(yùn)行費(fèi)用有重要影響的工藝環(huán)節(jié)（水廠濾池的過濾環(huán)節(jié)等）的自動監(jiān)控技術(shù)與設(shè)備，建立規(guī)模適宜、自動化水平相對較高、運(yùn)營成本較低的符合自身發(fā)展水平的自動監(jiān)控系統(tǒng)。 研究內(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) 4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)中的研究內(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)備簡單等特點(diǎn)，在我國得到了廣泛應(yīng)用。但實(shí)踐證明該技術(shù)是一種相對落后的反沖洗方式。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，也給過濾帶來許多弊端。由于傳統(tǒng)的水反沖洗技術(shù)存在一些問題，眾多學(xué)者通過不斷探索和研究，開發(fā)了氣、水反沖洗技術(shù)。目前，國內(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)的是基于PLC控制的濾池恒水位過濾和自動反沖洗過程，主要內(nèi)容是首先在分析系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上確定系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制參數(shù)，明確系統(tǒng)的總體控制方案，制定整體的工藝控制流程圖，進(jìn)而確定系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備。其次，根據(jù)所選擇的硬件設(shè)備，確定恒水位過濾過程中PID控制算法的實(shí)現(xiàn)和參數(shù)的整定。最后，完成恒水位過濾和自動反沖洗過程功能的軟件的編程實(shí)現(xiàn)，根據(jù)所設(shè)計(jì)的自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控畫面。 研究的目的和意義 研究的目的改革開放以來，我國人民的生活水平逐步提高，飲用水的質(zhì)受到越來越多的關(guān)注，自來水廠的處理工藝要求也不斷提高，與之相反的是水源水質(zhì)卻每況愈下，如何保證水廠出廠水質(zhì)達(dá)標(biāo)，水處理過程的每一個(gè)環(huán)節(jié)都很重要。濾池是自來水廠處理工序中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，它運(yùn)行質(zhì)量的好壞可決定一個(gè)水廠生產(chǎn)質(zhì)量的好與壞，并對全水廠的生產(chǎn)成本、效能產(chǎn)生重大影響。濾池最大的特點(diǎn)是控制運(yùn)行參數(shù)多，閥門位置分散，環(huán)境惡劣。因此為了做到安全可靠的生產(chǎn)，應(yīng)采用自動控制系統(tǒng)。 5 研究的意義采用可編程控制器進(jìn)行水廠濾池的自動化控制，可以縮短設(shè)計(jì)周期，并便于安裝調(diào)試，對于水廠這樣的不便于停產(chǎn)的生產(chǎn)單位來講，這一點(diǎn)是尤其重要的。 由于 PLC 自動控制的靈活性，可在現(xiàn)場改變某些工藝參數(shù)和動作順序，增加系統(tǒng)的功能，并取代傳統(tǒng)的繼電器控制，使設(shè)備運(yùn)行更加平穩(wěn)、可靠，提高了經(jīng)濟(jì)效益。 計(jì)02 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)分析 V 型濾池工藝應(yīng)用及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 型濾池就是在此基礎(chǔ)上由法國德利滿公司在 70 年代發(fā)展起來的。V 型濾池采用了較粗、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(shí)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(yùn)行周期長、反沖洗效果好、節(jié)能和便于自動化管理等特點(diǎn)。因此 70 年代已在歐洲大陸廣泛使用。80 年代后期，我國南京、西安、重慶等地開始引進(jìn)使用。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，特別是廣東省新建的凈水廠幾乎都采用了 V 型濾池 [5]。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(gè)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(gè)子過程，這兩個(gè)子過程交替運(yùn)行，相互之間間隔一定時(shí)間（24 H ），表示濾池工藝過程簡圖。 計(jì)1 濾池正常過濾工藝過程濾池反沖洗工藝過程2 4 小時(shí)實(shí)時(shí)處理模塊 濾池工藝過程簡圖 V 型濾池的結(jié)構(gòu)、工作原理、工藝特點(diǎn)濾池是水廠凈水工藝中的重要環(huán)節(jié)，而濾池過濾能力的再生，是濾池穩(wěn)定高效運(yùn)行的關(guān)鍵。若采用較好的反沖洗技術(shù)，使濾池經(jīng)常處于最優(yōu)條件下工作，不僅可以節(jié)水、節(jié)能，還能提高水質(zhì)，增大濾層的截污能力，延長工作周期，提高產(chǎn)水量。而 V 型濾池過濾能力的再生，就采用了先進(jìn)的氣、水反沖洗兼表面掃洗這一技術(shù)。因此濾池的過濾周期比單純水沖洗的濾池延長了 75%左右，截污水量可提高 118%，而反沖洗水的耗量比單純水沖洗的濾池可減少 40%以上。濾池在氣沖洗時(shí)，由于用鼓風(fēng)機(jī)將空氣壓入濾層，因而從以下幾方面改善了濾池的過濾性能： (1)壓縮空氣的加入增大了濾料表面的剪力，從而使得通常水沖洗時(shí)不易剝落的污物在氣泡急劇上升的高剪力下得以剝落，從而提高了反沖洗效果。 (2)氣泡在濾層中運(yùn)動產(chǎn)生混合后，可使濾料的顆粒不斷渦旋擴(kuò)散，促進(jìn)了濾層顆粒循環(huán)混合，由此得到一個(gè)級配較均勻的混合濾層，其孔隙率高于級配濾料的分級濾層，改善了過濾性能，從而提高了濾層的截污能力。 (3)壓縮空氣的加入，氣泡在顆粒濾料中爆破，使得濾料顆粒間的碰撞磨擦加劇，在水沖洗時(shí)，對濾料顆粒表面的剪切作用也得以充分發(fā)揮，加強(qiáng)了水沖清污的效能。(4)氣泡在濾層中的運(yùn)動，減少了水沖洗時(shí)濾料顆粒間的相互接觸的阻力， 計(jì)2使水沖洗強(qiáng)度大大降低，從而節(jié)省沖洗的能耗 [5]。 綜上所述，氣、水反沖洗時(shí)，由于氣泡的激烈運(yùn)動作用，大大加強(qiáng)了污物剝落能力及截污能力。在濾池實(shí)際反沖洗時(shí)，我們觀察到：當(dāng)反沖時(shí)間約 5 分鐘時(shí)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(shí)，原水通過與反沖洗排水槽相對的兩個(gè) V 型槽底部的小孔進(jìn)入濾池，它掃洗濾層的表面，并把濾層反沖上來的污物、雜質(zhì)推向排水槽，同時(shí)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(gè)特別優(yōu)點(diǎn)，事實(shí)上，它還起到了在一個(gè)濾池反沖洗時(shí)防止其它濾池在最大輸出負(fù)荷下運(yùn)行的作用。由于本水廠濾池控制部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)的復(fù)雜性。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)。 而濾池的反沖洗，就是先后運(yùn)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?，F(xiàn)將濾池的基本的工藝結(jié)構(gòu)簡圖繪制如圖。 計(jì)3鼓風(fēng)機(jī)超聲波液位計(jì)反沖洗水閥反沖洗氣閥水泵濾料層水平面進(jìn)水閥排污閥清水閥 濾池工藝結(jié)構(gòu)簡圖 濾池控制系統(tǒng)的組成及其控制任務(wù)濾池控制系統(tǒng)一般由受控設(shè)備、電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器和上位機(jī)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)。常見濾池都有 5 個(gè)閥門：進(jìn)水閥：控制水流入濾池集水渠的閥門。清水閥：控制濾后水流出濾池進(jìn)入清水管的閥門。氣沖閥：反沖洗時(shí)允許氣流對濾層進(jìn)行沖洗的閥門。水沖閥：反沖洗時(shí)允許清水對濾層進(jìn)行沖洗的閥門。反沖洗系統(tǒng)一般包括：鼓風(fēng)機(jī)：用于產(chǎn)生強(qiáng)勁氣流對濾層進(jìn)行沖洗。反沖水泵：用于抽取清水對濾層進(jìn)行反沖洗。電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)控制的具體實(shí)施， 它從控制器接收控制命令，然后相 計(jì)4關(guān)的繼電器接點(diǎn)閉合或斷開，電路導(dǎo)通，設(shè)備獲得動力繼而進(jìn)行動作。如果控制器故障，操作人員也可以通過電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制面板，對設(shè)備進(jìn)行手動操作?？刂破魇菍?shí)現(xiàn)自動控制的關(guān)鍵，所有自動控制的內(nèi)容都由控制器編程實(shí)現(xiàn)。濾池的控制與其它車間略有不同，它的設(shè)備較多且重復(fù)，每個(gè)濾池的控制內(nèi)容都是相同的。為了降低控制器故障的風(fēng)險(xiǎn)性，可以采取主、從多個(gè)控制器共同工作的方式，這是濾池控制系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢。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(shí)要求維持一定的濾速，這通過控制濾池的液位實(shí)現(xiàn)，即過濾時(shí)要把液位控制在一定范圍之內(nèi)。當(dāng)過濾進(jìn)行一段時(shí)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(jī)、水泵等沖洗設(shè)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(shí)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(shí)間、過濾己經(jīng)進(jìn)行的時(shí)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。本設(shè)計(jì)水廠濾池部分由 8 個(gè) V 型濾池組成，每個(gè)濾池的尺寸為6M6M6M，濾池的濾料采用單層 加厚均粒石英砂濾料。每格濾池設(shè)置一個(gè)現(xiàn)場 PLC，主要功能是完成濾池的自動反沖洗和恒水位過濾控制。在正常的過濾條件下，生產(chǎn)工藝要求將水位的波動限制在 400177。2CM 的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)等速恒水位過濾。當(dāng)濾池的運(yùn)行滿足了反沖洗的條件（運(yùn)行周期到、水頭信號或強(qiáng)沖信號） ，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(shí)要求進(jìn)行反沖洗時(shí)，系統(tǒng)自動按照先進(jìn)先出的原則排隊(duì)進(jìn)行。 計(jì)5濾池正常過濾時(shí)，為實(shí)現(xiàn)恒水位過濾，設(shè)計(jì)以水流量為控制參數(shù)的濾池液位 PID 控制系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)接收到手動的強(qiáng)制沖洗信號、水頭損失信號、定時(shí)沖洗信號中的任何一個(gè)指令時(shí)，進(jìn)行單格濾池反沖洗。首先關(guān)閉進(jìn)水閥，濾池內(nèi)部的存留水經(jīng)出水閥繼續(xù)過濾排除，當(dāng)水位降至設(shè)定的反沖洗水位時(shí)（） ，關(guān)閉出水閥并打開排污閥，排污閥的信號到位后打開反沖氣閥，啟動風(fēng)機(jī)進(jìn)行氣沖 6MIN，然后