【正文】 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(gè)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(shí)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。增量式 PID 數(shù)字控制器不會(huì)出現(xiàn)飽和，而且當(dāng)計(jì)算機(jī)故障時(shí)能保持前一個(gè)采樣時(shí)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。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。 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?yàn)槲恢檬剿惴▽ζ钸M(jìn)行累加，然后給出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置控制量。只要采樣周期 T 取得足夠小，這種逼近就可以相當(dāng)精確。 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(gè)有效的早起修正信號，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 簡單來說， PID 控制器中各校正環(huán)節(jié)的作用如下： 比例環(huán)節(jié) 及時(shí)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。 式 也可寫成： U t Kpe t +Ki∫ to e ?） d?+Kd （ ） 式中， Kp 為比例系數(shù)； Ki 為積分系數(shù)， Ki Kp/Ti。 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 R t 與實(shí)際輸出值 C t 構(gòu)成控制偏差： e t r t － c t 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 + + ] 式中， e t 為系統(tǒng)偏差； Kp 為比例系數(shù) 。 PID 控制解決了自動(dòng)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。 圖 31 濾池自控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D PID 控制算法的基本原理 PID proportional Integral Differential 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。 整個(gè)濾池的運(yùn)行可在以下二種方式下工作： 1 半自動(dòng)控制； 2 PLC 自動(dòng)控制； 3 上位機(jī)遠(yuǎn)程控制。 （ 3）濾池控制站點(diǎn)：根據(jù)單格濾池?cái)?shù)量進(jìn)行配置，每格濾池一個(gè)，對單個(gè)濾池設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，使用一臺 PC 機(jī)作為上位機(jī)，配有專為用戶開發(fā)的監(jiān)控軟件。 （ 2）濾池公共部分控制站點(diǎn)：對反沖洗（每個(gè)濾池的反沖洗，均可在 2 種狀態(tài)下進(jìn)行：①自動(dòng)反沖洗：②半自動(dòng)反沖洗。 一般根據(jù)土建設(shè)計(jì)，將水廠自動(dòng)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(diǎn)。在控制單元內(nèi)， PLC 站實(shí)現(xiàn)對該單元內(nèi)設(shè)備的自動(dòng)控制。 采用 PLC+IPC 系統(tǒng)的水廠自動(dòng)化控 制設(shè)計(jì)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(dòng)化的監(jiān)控、保護(hù)要求。 第 3 章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 濾池自控方案及總體結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn) 自來水廠的工藝特點(diǎn)是各工藝單元既相對獨(dú)立，同時(shí)各單元之間又存在一定的聯(lián)系。 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)。 2CM 的范圍內(nèi)，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）時(shí)，需要進(jìn)行反沖洗，以去除濾料層的雜質(zhì)。 本設(shè)計(jì)水廠模擬濾池有六個(gè) V 型濾池組成，每個(gè)濾池的尺寸規(guī)格為5M*5M*5M，濾池的濾料采用單層 加厚均粒石英砂濾料。 自動(dòng)反沖洗系統(tǒng)的運(yùn)行可分為排水、氣沖洗、氣水混合沖洗、水沖洗和進(jìn)水五個(gè)階段，反沖洗各階段運(yùn)行時(shí)間根據(jù)濾池工況預(yù)置到 PLC。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)。 在水廠流量的各種變化中，限制人為的加入。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及其組成 濾池的設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)決定了濾后水的水質(zhì)。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。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(dòng)反沖洗。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。 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(jì) 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。 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(dòng)反沖洗控制，而本濾池的自動(dòng)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。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。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。 濾層以上的水深一 般大于 ，反沖洗時(shí)水位下降到排水槽頂，水深只有。氣沖強(qiáng)度為 50～ 60m3/（ ）（ 13～ 16L/），清水沖洗強(qiáng)度為 13～ 15m3/（ ）（ ～ ），表面掃洗用原水，一般為 5～8m3/（ ）（ ～ ）。濾頭采用網(wǎng)狀布置，約 55 個(gè) /m2。 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。 V 型濾池的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)參數(shù) 濾速可達(dá) 7～ 20m/h，一般為 ～ 。 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。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 V 型槽頂相平。 （ 2）反沖洗過程： 所謂 濾池的反沖洗過程，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。 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。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），圖 表示濾池工藝過程簡圖。 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。 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。 V 型濾池是快濾池的一種形式，因?yàn)槠溥M(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(gè)主要閥門）。 第 2 章 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)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。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。當(dāng)來自過程的電視運(yùn)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。 術(shù)將引入控制系統(tǒng) 包括圖像、聲音、觸覺和味覺。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(gè)方向，通訊功能和人及聯(lián)系能進(jìn)一步加強(qiáng)。 型系統(tǒng) 許多主流的 PLC 系統(tǒng)功能強(qiáng)、質(zhì)量好，但是價(jià)格也很高。而 ProfibusDP 則在歐洲用的比較普遍，針對過程自動(dòng)化， ProfibusPA 和 foundation Fieldbus 及 Interbuss 等。 過程控制處理的是實(shí)時(shí)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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（ DDE）和對象鏈接嵌入（ OLE）的實(shí)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(shí)時(shí)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(qiáng) 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(shí)際需求。 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(fèi)了大量的財(cái)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(yùn)行費(fèi)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)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，在我國的一些偏遠(yuǎn)地區(qū)，水廠濾池基本上是靠人工操作，根本實(shí)現(xiàn)不了自動(dòng)化，因此，設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。 IPC+PLC 組成的控制系統(tǒng)滿足了實(shí)踐的需要，但是隨著社會(huì)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(huì)有更好的控制系統(tǒng)來適應(yīng)濾池控制系統(tǒng)的需求。 目前國內(nèi)水廠產(chǎn)站的自動(dòng)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(jià)格比DCS 系統(tǒng)低，且開發(fā)方便。在國內(nèi)水廠自動(dòng)化中得到最廣泛的應(yīng)用。 十九世紀(jì)七十年代，單片機(jī)的問世使得控制系統(tǒng)的應(yīng)用更為靈活，功能也更為強(qiáng)大，處理信息的能力大幅增強(qiáng)，并且具有很強(qiáng)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(dòng) 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。在這種控制系統(tǒng)中，集中檢測、控制運(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。 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(cuò)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)對各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行巡回檢測、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算，然后發(fā)出控制信號，直接控制被控對象。 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，引進(jìn)的國際技術(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。 4．?dāng)?shù)據(jù)可以通過輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析，切通用性強(qiáng)，易于擴(kuò)展。 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。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用中存在的問題和缺點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要內(nèi)容就是根據(jù)實(shí)際的需要，分析系統(tǒng)的功能要求和技術(shù)參數(shù)，計(jì)算出控制參數(shù)和 PID 參數(shù)，明確設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)，選用合適的硬件，編程合用的程序，制作滿足與實(shí)際需要的監(jiān)視畫面。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。 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(yùn)行得好壞直接影響到水廠的出水水質(zhì)。 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(jì)出了基于PLC 的濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)，當(dāng)濾池正常工作時(shí)，濾池的水位應(yīng)處于恒水位，本文設(shè)計(jì)出了以出水流量為控制參數(shù)的濾池液位 PID 控制系統(tǒng)。 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(shí)現(xiàn)不了自動(dòng)化，因此，設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)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(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。但是很多快濾池在運(yùn)行一段時(shí)間后，就會(huì)出現(xiàn)過濾層含泥量增大，在反沖洗強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(shí)延長，產(chǎn)水量下降，嚴(yán)重阻礙了快濾池的正常運(yùn)行。s 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.