【導(dǎo)讀】供水是一個關(guān)系國計民生的重要產(chǎn)業(yè)。不僅要滿足管網(wǎng)壓力的需要、保證充足供水，還要求。濾池是水廠常規(guī)處理凈水構(gòu)筑物的最后一道工序，濾池運行的好壞直接影響。濾池反沖洗工藝復(fù)雜，如果仍然沿用人工方式，勞動強度大，工作效率。低，安全性難以保障，為此必須進行濾池自動化系統(tǒng)的改造。在濾池正常過濾時，為實現(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?；鰪娏丝刂扑悸返那逦?，達到了預(yù)期的控制效果。圖，并編寫了實現(xiàn)控制算法的程序。水對人類而言有著非同尋常的意義，不論是日常生活，還是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都離不開水。人類對飲用水進行處理的歷史十分悠久，超過了兩千年。但這是小規(guī)模、家庭型的處理，范。圍僅針對某個人或某個家庭。目前各個城市都已興建了自己的凈水廠，水的可靠性和管理水平。產(chǎn)效率高低的關(guān)鍵因素。濾時間以及濾池反沖洗各環(huán)節(jié)的時間和強弱都要依靠現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗進行調(diào)節(jié)。

　　

【正文】 銹、且可減少電磁干擾。 系統(tǒng)的硬件配置及 I/O 連接圖 系統(tǒng)的硬件配置設(shè)計 根據(jù)以上的硬件的選型我們可以知道， PLC的電源模塊為其他各個模塊提供電源，上位機通過 PLC自帶的 RS232 串口與之通信，并可以對 PLC的工作狀況進行監(jiān)控。 PLC的 CPU 模塊負責(zé) PLC的數(shù)據(jù)處理和通信，模擬量輸入模塊將來自傳感器的檢測信號傳入 PLC，模擬量輸出模塊 負責(zé)對調(diào)節(jié)閥的開度進行控制。數(shù)字量輸出模塊主要時負責(zé)現(xiàn)場濾池上各個開關(guān)閥的開、關(guān)以及水泵、風(fēng)機的起?？刂?，而開關(guān)量的輸入模塊則是針對強制反沖洗信號的接受并且下達反沖洗動作命令的執(zhí)行。其硬件配置如圖 所示。 圖 硬件配置圖 系統(tǒng)的 I/O 配置設(shè)計 水廠濾池部分包括 8 個濾池，由于每個濾池的硬件和軟件的組成相同，以下就以 1 個濾池為例進行說明。 每個濾池的自控部分的實現(xiàn)需要數(shù)字量輸入點 1 個，數(shù)字量輸出點 6 個，模擬量輸入點 2個，模擬量輸出點 1 個?，F(xiàn)將 I/O 地址分配情況如表 所示。 表 I/O 地址分配表 各控制參數(shù)由檢測裝置測量后經(jīng)由變送裝置將各信號轉(zhuǎn)化為 420mA 電信號，送入 PLC的輸入輸出模塊。連接圖如圖 所示。 圖 輸入輸出模塊接線圖 控制參數(shù)整定 眾所周知，要使控制系統(tǒng)具有良好的控制性能，除了必須正確的選取、設(shè)計控制方案以外，還必須正確的選擇控制算法并進行參數(shù)整定。 在控制系統(tǒng)中，按照給定信號和反饋信號之間的偏差的比例（ P）、積分（ I）和微分（ D）進行控制的 PID 控制器是應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器 [8]。它具有原理簡單、易于實現(xiàn)、適用面廣、控制參數(shù)相互 獨立、參數(shù)的選定比較簡單等優(yōu)點；而且在理論上可以證明，對于過程控制的典型對象 — “一階慣性＋純滯后”與“二階慣性＋純滯后”的控制對象， PID 控制器是一種最優(yōu)控制。 PID 調(diào)節(jié)規(guī)律是連續(xù)系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)校正的一種有效方法，它的參數(shù)整定方式簡便，結(jié)構(gòu)改變靈活，可以方便的改變?yōu)?PI、 PD、 PID 等控制器。 本設(shè)計中對參數(shù)的整定采用工程整定方法中的動態(tài)特性參數(shù)法。所謂動態(tài)特性參數(shù)法，就是根據(jù)系統(tǒng)開環(huán)廣義過程（包括調(diào)節(jié)閥、被控對象和測量變送）階躍響應(yīng)特性進行近似計算的方法。如圖所示，在調(diào)節(jié)閥的輸入端加一階躍信號，記錄測量變送 器的輸出響應(yīng)曲線，根據(jù)該曲線求出代表廣義過程的動態(tài)特性參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)的值，分別應(yīng)用相應(yīng)的計算公式計算出調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。 圖 廣義過程方框圖 由于濾池液位系統(tǒng)為自平衡系統(tǒng)，故其階躍響應(yīng)曲線及其傳遞函數(shù)可以用下表來表示。 表 自平衡過程階躍響應(yīng)曲線及其傳遞函數(shù) 控制對象的階躍響應(yīng)曲線 控制對象的近似傳遞函數(shù) 或有明顯滯后（包括） 給定的被控過程傳遞函數(shù)為：，由于 ，故采用衰減度等于 時的自衡過程整定計算公式便可以整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。 表 自平衡過程整定計算公式 調(diào)節(jié)器參數(shù) 控制規(guī)律 K P PI PID 由自平衡過程整定計算公式可以算出：， PID 調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù) 用 matlab 軟件仿真，編程如下： s1 tf 1,[30,1],39。Td39。,5 。 s2 tf [25,10,1],[10,1] 。 sk s1*s2。 spk pade sk,20 s feedback spk,1 。 step s 運行后得到的仿真波形圖如圖 所示。 圖 系統(tǒng)的仿真波形 由于 feedback 命令不能用于帶延時環(huán)節(jié)的系統(tǒng)，為解決這個問題，必 須把延時環(huán)節(jié)近似為多項式，本程序中用 pade 命令以 20 階多項式來代替延時環(huán)節(jié)，能得到比較好的仿真效果。 4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 軟件總體方案的設(shè)計 控制方案流程圖 本設(shè)計中采用 RSLogix?5000 對羅克韋爾 PLC編寫梯形圖程序進行實現(xiàn)。 RSLogix?5000 是功能十分強大的編程軟件，它除了為順序控制提供梯形圖編程外，還可以為運動控制提供完整的編程及調(diào)試支持。 RSLogix?5000 可同時完成順序控制與運動控制。使用 RSLogix?5000?軟件可以完全實現(xiàn)對模塊的設(shè)置和監(jiān)視。通過 I/O?實現(xiàn) ControlLogix?背板連接，將所有模塊相關(guān)數(shù)據(jù)都包含在一個處理器數(shù)據(jù)對象中，以便于配置，監(jiān)視和連接模塊參數(shù)。 本設(shè)計將整個控制過程分為兩部分：正常恒水位過濾和滿足條件后的氣水反沖洗過程。將正常的恒水位過濾過程采用梯形圖的主程序來實現(xiàn)，根據(jù)主程序的邏輯判斷來調(diào)用氣水反沖洗過程的子程序。由于 PLC采用循環(huán)掃描的方式執(zhí)行程序，這樣便能實現(xiàn)整個控制過程的順利執(zhí)行。 正常濾水工作期間，每個濾池在現(xiàn)場 PLC的控制下，依據(jù)液位傳感器檢測到得液位值得變化情況，及時調(diào)整出水閥的開度，保證濾池恒水位運行；當達到 反沖洗條件或人為強制反沖洗時，每個濾池現(xiàn)場 PLC向主控 PLC發(fā)出反沖洗請求，主控 PLC對需要反沖洗的濾池進行排序，采用先進先出的堆棧式管理，在滿足反沖洗條件后，調(diào)用反沖洗子程序依次對各個濾池進行反沖洗，所有的反沖洗結(jié)束以后，系統(tǒng)進入正常的恒水位濾水工作周期。濾池自控流程如 所示。 圖 濾池自控流程圖 自動反沖洗子程序流程圖 在本控制系統(tǒng)中，濾池在水廠正常的生產(chǎn)過程中主要工作在恒水位過濾狀態(tài)下，但是隨著生產(chǎn)時間的累加，聚集在濾池濾板上的雜質(zhì)便會不斷的增加，對濾后水濁度的穩(wěn)定有不利的影響 ，從而需要進行反沖洗。由于在 小節(jié)現(xiàn)場控制器的與反沖洗控制器的協(xié)調(diào)中已經(jīng)對反沖洗的原始過程進行了分析并對其方案進行了優(yōu)化與調(diào)整，現(xiàn)將優(yōu)化后的反沖洗過程的控制流程圖繪制如 所示。 圖 自動反沖洗子程序 控制方案程序 RSLogix5000 是為 Logix5000 系列 PLC開發(fā)的組態(tài)軟件。在這個軟件的環(huán)境下可以根據(jù)實際情況建立標簽，避免了對 PLC直接按照地址尋址造成的麻煩和錯誤；而且可以照實際情況完成控制器組態(tài)、 I/O 組態(tài)、通訊組態(tài)等；從而方便的完成 Logix5000 系列 PLC梯形圖程 序設(shè)計。 控制器組態(tài) （ 1）控制器的組態(tài) 運行 Logix5000，創(chuàng)建一個新的控制器文件，輸入相應(yīng)的值，如圖 所示。 圖 控制器組態(tài)對話框 （ 2） I/O 組態(tài) 從 Controller Organizer 右擊 I/O Configuration 圖標，選擇 New Module,彈出模塊選擇對話框，在下拉列表中找到所需的模塊并雙擊所選中的模塊，如圖 所示。 圖 模塊選擇對話框 在顯示出的模塊屬性對話框，輸入合適的參數(shù)，點擊“ OK”即可，如圖 所示。 圖 模塊屬性配置對話框 I/O 參數(shù)配置對話框，如圖 所示。 圖 I/O 參數(shù)配置對話框 參數(shù)設(shè)置 在利用 RSLogix5000 軟件進行編程時，需要先根據(jù)被控系統(tǒng)的特點建立相應(yīng)的 I/O 模塊，將各輸入輸出量地址存入；并建立多個標簽，設(shè)為中間變量，以方便控制編程實現(xiàn)。 表 輸入輸出地址分配表 對輸入輸出量的地址及其中間變量的地址存儲如圖 所示。 圖 輸入輸出、中間變量地址設(shè)置 恒水位過濾主程序 根據(jù)所畫的程序流程圖，編寫恒水位過濾控制梯形圖如 所示。 圖 恒水位過濾主程序 自動反沖洗子程序 根據(jù)所畫的自動反沖洗的程序流程圖，可以編寫控制的子程序梯形圖如 所示。 圖 自動反沖洗子程序 5 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計 組態(tài)王 簡介 組態(tài)軟件是指在軟件領(lǐng)域內(nèi)，操作人員根據(jù)應(yīng)用對象及控制任務(wù)的要求，配置 包括對象的定義、制作和編輯，對象狀態(tài)特征屬性參數(shù)的設(shè)定等 用戶應(yīng)用軟件的過程。從應(yīng)用角度講組態(tài)軟件是完成系統(tǒng)硬件與軟件溝通、建立現(xiàn)場與監(jiān)控層溝通的人機界面的軟件平臺。 組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動控制系統(tǒng)正以標準的工業(yè)計算機軟、硬件平臺構(gòu)成的集成系統(tǒng)取 代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，它具有適應(yīng)性強、開放性好、易于擴展、經(jīng)濟、開發(fā)周期短等優(yōu)點。通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對下連接控制層，對上連接管理層，它不但實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)測與控制，且在自動控制系統(tǒng)中完成上傳下達、組態(tài)開發(fā)的重要作用。尤其考慮三方面問題：畫面、數(shù)據(jù)、動畫。通過對監(jiān)控系統(tǒng)要求及實現(xiàn)功能的分析，采用組態(tài)王對監(jiān)控系統(tǒng)進行設(shè)計。組態(tài)軟件也為試驗者提供了可視化監(jiān)控畫面，有利于試驗者實時現(xiàn)場監(jiān)控。而且，它能充分利用 Windows的圖形編輯功能，方便地構(gòu)成監(jiān)控畫面，并以 動畫方式顯示控制設(shè)備的狀態(tài)，具有報警窗口、實時趨勢曲線等，可便利的生成各種報表。它還具有豐富的設(shè)備驅(qū)動程序和靈活的組態(tài)方式、數(shù)據(jù)鏈接功能。 監(jiān)控界面的設(shè)計 在用組態(tài)王設(shè)計系統(tǒng)的監(jiān)控界面之前，應(yīng)該首先應(yīng)用 RSLinx 軟件對系統(tǒng)進行 DDE/OPC configuration 配置的設(shè)計。建立基于 OPC服務(wù)器的數(shù)據(jù)源節(jié)點等，這之后，組態(tài)王才能作為第三方工控應(yīng)用軟件和已經(jīng)配置好的硬件進行通信和數(shù)據(jù)的交互。 雙擊桌面上的 RSLinx 軟件快捷方式，然后點擊“文件”下拉菜單中的“ Open DDE Project”，點擊界面上的“ New”，新建一個 OPC工程文件如圖所示。 圖 新建一個 OPC工程 點擊 RSLinx 上面的“ munication”下拉的“ RSWho”，在對已經(jīng)和上位機配置好的通信控制器進行“ configuration driver”的設(shè)置，其界面如下。 圖 通信配置界面 點擊“ DDE/OPC”下拉菜單中的“ topic configuration”進行設(shè)置。如下圖所示。 圖 topic configuration 配置 對于用戶來說，一個系統(tǒng)開發(fā)人員可能保存有很多個組態(tài)王工程，對于這些工 程的集中管理以及新開發(fā)工程中的工程備份等都是比較繁瑣的事情。工程管理器實現(xiàn)了對組態(tài)王工程的集中管理，更使用戶在進行工程開發(fā)和工程的備份、數(shù)據(jù)詞典的管理上方便了許多。主要作用就是為用戶集中管理本機上的所有組態(tài)王工程。工程管理器的主要功能包括：新建工程、刪除工程，搜索指定路徑下的所有組態(tài)王工程，修改工程屬性，工程的備份、恢復(fù)，數(shù)據(jù)詞典的導(dǎo)入導(dǎo)出，切換到組態(tài)王開發(fā)或運行環(huán)境等。 雙擊桌面上的組態(tài)王軟件圖標，單擊工具欄上面得新建圖標，在隨后出現(xiàn)的新建工程界面中輸入自己要組態(tài)的工程的名字并選擇好保存的路徑，點擊確定。 如圖 所示。 圖 工程管理器界面 由于組態(tài)王軟件的設(shè)備配置向?qū)е袝簳r不支持組態(tài)王直接和本設(shè)計所選用的型號的 PLC 進行通信，故本設(shè)計將組態(tài)王作為 OPC的客戶端來使用。組態(tài)王支持多 OPC 服務(wù)器設(shè)備，在使用 OPC服務(wù)器設(shè)備之前，需要先在組態(tài)王中建立 OPC服務(wù)器設(shè)備。 如圖下所示，在組態(tài)王工程瀏覽器的“設(shè)備”項目中選中“ OPC 服務(wù)器”，工程瀏覽器的右側(cè)內(nèi)容區(qū)顯示當前工程中定義的 OPC設(shè)備和“新建 OPC”圖標。 圖 OPC 設(shè)備 雙擊“新建”圖標，組態(tài)王開始自動搜索當前的計算機系統(tǒng)中已經(jīng)安裝的所有 OPC服務(wù)器，然后彈出“查看 OPC服務(wù)器”對話框，如圖所示。 圖 OPC 設(shè)備定義 用戶可以在列表中選擇所需的 OPC服務(wù)器。單擊“確定”按鈕?！安榭?OPC服務(wù)器”對話框自動關(guān)閉， OPC設(shè)備建立成功。如選擇圖中的“ ”，建立的 OPC設(shè)備如圖 所示。 圖 OPC 服務(wù)器的建立 數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”最核心的部分。在組態(tài)王運行時，工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況要以動畫的形式反映在屏幕上，同時工程人員在計算機前發(fā)布的指令也要迅速送達生產(chǎn)現(xiàn)場，所有這一切都是以實時數(shù)據(jù)庫為中介環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)庫是聯(lián)系上位機 和下位機的橋梁。在數(shù)據(jù)庫中存放的是變量的當前值，變量包括系統(tǒng)變量和用戶定義的變量。變量的集合形象地稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細信息。監(jiān)控過程中所用到的各個輸入輸出變量都應(yīng)該在“數(shù)據(jù)詞典”中進行定義。 OPC服務(wù)器與組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典的連接如同 PLC和板卡等外圍設(shè)備與數(shù)據(jù)詞典的連接一樣。本設(shè)計中所用到的變量定義如 圖所示。 圖 輸入輸出變量的定義 完成所有的設(shè)定后，點擊工程瀏覽器左列的“文件”菜單，出現(xiàn)下拉子菜單“畫面”，在畫面對話框中點擊“新建”，在彈出的對話框 中給畫面取個名字，選擇畫面風(fēng)格等等。如 圖所示。 圖 新建畫面對話框 運用工具欄上面的繪制工具和菜單工具欄上面的工具，導(dǎo)入一幅圖片作為進入監(jiān)控系統(tǒng)的界面，并且在上面添加“登陸”和“退出”控制按鈕。 圖 監(jiān)控系統(tǒng)主畫面 雙擊“登陸”按鈕，彈出按鈕的“動畫連接”界面，配置按鈕的動作方式并對其動作的命令語言進行設(shè)置，使按鈕能夠達到預(yù)定的功能。如圖 所示。 圖 按鈕功能設(shè)置界面 最后，根據(jù)上述所做的配置和設(shè)置，綜合運用組態(tài)王的各種繪制工具，調(diào)用已有的圖庫文件中的圖形，設(shè)計濾池的監(jiān)控系 統(tǒng)的畫面如 圖所示。 圖 水廠濾池監(jiān)控界面效果圖 結(jié)束語 本論文設(shè)計的是水廠過程自動控制系統(tǒng)中的濾池過濾控制環(huán)節(jié)，系統(tǒng)的設(shè)計主要是針對濾池恒水位過濾和自動反沖洗環(huán)節(jié)的控制方案的解決。當濾池沒有接收到強制反沖洗信號、長時間過濾導(dǎo)致的水頭壓力損失信號以及濾池的反沖洗周期信號時，濾池工作在恒水位的過濾階段，從而保證水廠出水的品質(zhì)。本系統(tǒng)要求濾池水位保持在 400CM 高度范圍以內(nèi)進行正常的過濾，為了達到系統(tǒng)的要求，本控制系統(tǒng)采用的是 PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)。 但是當濾池滿足了反沖洗的條件