【文章內(nèi)容簡介】 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)進行巡回檢測、數(shù)據(jù)處理、控制運算，然后發(fā)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 (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： 可實現(xiàn)分級控制； 可靠性高、組網(wǎng)方便； 編程方便、開發(fā)周期短、維護方便； 可靈活方便地實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部配置和調(diào)整； 能與現(xiàn)場信號直接相連接，易于實現(xiàn)機電一體化； 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，科技的進步，國際之間的交流，技術(shù)的引進，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，通過引進國外的先進技術(shù)，以及引進外資，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)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，再加上引進外國的先進設(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，各地的水質(zhì)李濤： 基于 PLC 的水廠濾池自動 控制系統(tǒng) 設(shè)計 4 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)。 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。 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) 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。 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 在北美和日本比較普遍。而 ProfibusDP 則在歐洲用的比較普遍，針對過程自動化， ProfibusPA 和 foundation Fieldbus 及 Interbuss 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)。 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)系能進一步加強。 CRT 操作臺在簡化操作、減少可能發(fā)生誤操作及提高操作臺自身可靠性方面進 一步取得了進展。 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)生的聲音安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5 已進入控制系統(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 很難完成的事情?？梢灶A(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。 李濤： 基于 PLC 的水廠濾池自動 控制系統(tǒng) 設(shè)計 6 第 2 章 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計系統(tǒng)的分析 V 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公司引進的技術(shù)。 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 表示濾池工藝過程簡圖 。 圖 21 濾池工藝過程簡化圖 工作過程 （ 1）過濾過程： 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)。 待濾水由進水總渠經(jīng)進水閥和方孔后，溢過堰口再經(jīng)側(cè)孔進入被待濾水淹沿的 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)閉進水閥，但有一部分進水仍從兩側(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。而后開啟排水閥將池面水從排水槽中排出直至濾池水面與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 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)長柄濾頭均勻進入濾池，濾料得到進一步?jīng)_洗，表掃仍繼續(xù)進行 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 的特點及設(shè)計參數(shù) 濾速可達(dá) 7～ 20m/h，一般為 ～ 。 采用單層加厚均粒濾料，粒徑一般為 ～ ，允許擴大到 ～ ，不均勻系數(shù) ～ 或 之間。 對于濾速在 7～ 20m/h 之間的濾池，其濾層高度 在 ～ 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 50～ 60m3/（ ）（ 13～ 16L/），清水沖洗強度為 13～15m3/（ ）（ ～ ），表面掃洗用原水，一般為 5～ 8m3/（ ）（ ～）。 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 ，反沖洗時水位下降到排水槽頂，水深只有 。 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。 現(xiàn)將濾池 的基本的工藝結(jié)構(gòu)簡圖繪制如下圖所示。 李濤： 基于 PLC 的水廠濾池自動 控制系統(tǒng) 設(shè)計 8 圖 22 濾池工藝結(jié)構(gòu)的簡圖 濾池控制系統(tǒng)的控制任務(wù)及其設(shè)計 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)備，以及濾池相關(guān)閥門的開、關(guān)。反沖洗與過濾是交替進行的，反沖過后進入過濾，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)進行的時間、水頭損失大小等。更先進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。 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： 濾后水出口的變化緩慢 持續(xù)地控制液位，沒有復(fù)雜的機械系統(tǒng)。 在水廠流量的各種變化中，限制人為的加入。 進水閥 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 安徽工程大學(xué)機電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 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)接到對某池進行反沖洗的指令后進入排水階段，先關(guān)閉進水閥，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，濾池進入氣沖洗階段，這時氣沖計時器開始計時，排氣閥打開