【正文】 研究的意義 采用可編程控制器進行水廠濾池的自動化控制，可以縮短設計周期，并便于安裝調試，對于水廠這樣的不便于停產的生產單位來講 ，這一點是尤其重要的。濾池最大的特點是控制運行參數(shù)多，閥門位置分散，環(huán)境惡劣。 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，飲用水的質受到越來 越多的關注，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卻每況愈下，如何保證水廠出廠水質達標，水處理過程的每一個環(huán)節(jié)都很重要。其次，根據所選擇的硬件設備，確定恒水位過濾過程中 PID 控制算法的實現(xiàn)和參數(shù)的整定。目前，國內外氣水反沖洗有 3 種運行方式：一是先氣洗，再用低流量水反沖洗；二是先氣、水同時反沖洗，再用低流量水反沖洗；三是先氣洗，再氣、水同時反沖洗，最后用水漂洗。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塊現(xiàn)象，也給過濾帶來許多弊端。單一水反沖洗技術己沿用多年，由于該方法具備操作單一和設備簡單等特點，在我國得到了廣泛應用。 研究內容 濾池自控技術是凈水處理的重要環(huán)節(jié)，如果控制不好，就不能達到預定的水質要求。近年來建設的較大型的、自動監(jiān)控水平較高的水廠需要認真總結應用經驗，并向優(yōu)化運行方面發(fā)展，為這類水廠自動監(jiān)控技術的進步提供借鑒與指導。這些自動監(jiān)控系統(tǒng)并不完全符合提高水廠技術經濟效益這一根本目的 []。我國大多數(shù)水廠的監(jiān)控技術仍是很落后的，基本以人工方式為主，很難適應現(xiàn)代化的要求，一些水廠 包括有些引進設備的水廠 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，然而在一些關鍵環(huán)節(jié)上的調節(jié)功能并不強。我國在水廠關鍵環(huán)節(jié)混凝投藥控制技術與設備方面實現(xiàn)了流動電流及透光率脈動兩種凝控制設備的國產化，并在水廠獲得推廣應用，取得顯著效果，在此方面已居于國際領先水平。一些水廠己實現(xiàn)全自動運行，能對生產工藝的各個環(huán)節(jié)連續(xù)自動地監(jiān)測、調節(jié)、記錄、報警等等 []。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，相應地推動供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控技術有了質的飛躍。該系統(tǒng)近年發(fā)展迅速，已經與 DCS 系統(tǒng)的功能相近，特別是同樣具有分級分布控制、實現(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)。 6 與工業(yè)現(xiàn)場信號直接相連，易于實現(xiàn)機電一體化。由于應用程序采用梯形圖或順序功能圖編輯，編程和維護方便。硬件系統(tǒng)配置簡潔，很容易在網絡中增減 PLC控制器，來實現(xiàn)擴展網絡的目的。 2 可以實現(xiàn)“集中管理、分散控制”的功能，將危險分散，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。在國內水廠自動化中得到最廣泛的應用。當前水廠采用的自動控制系統(tǒng)的結構形式，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)控制機構成的系統(tǒng)等。一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)就都會陷于癱瘓 []。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)。這屬于分散式控制。這些設施可以一次建成，也可以分別建設，相互之間沒有聯(lián)系。 課題研究內容 研究現(xiàn)狀 早期的水廠控制是單元式的。因此水廠濾池的自動化控制對于出廠水質優(yōu)劣尤為重要。在傳統(tǒng)的濾池生產中，一般依靠人工操作進行生產，濾池正常的過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)場操作人員的經驗進行調節(jié)。但在近二十年中，發(fā)展迅速，許多大城市的水廠也達到了較高的自動化程度 []。凈水廠的生產過程采用自動化技術，不是單純的為了節(jié)省人力，更主要的是加強各個生產環(huán)節(jié)的合理調度，保證水量、水壓，提高水質，節(jié)約動力和投藥量，消滅事故，積累運行資料，提高供水的可靠性和管理水平。不過，基本的工藝過程沒有根本性改變。消毒一般采用氯化法。利用凝聚原理去除原水中的懸浮顆粒。水廠的處理工藝一百年來已經比較成熟，基本上是混凝沉淀、過濾和消毒。日產百萬噸以上優(yōu)質自來水的超大型水廠也不罕見。而且，更加現(xiàn)代化的、大規(guī)模的新型水廠也在成批的建設中。在我國，水廠的大規(guī)模建設是從解放后開始的，時間較短，但取得了卓越的成就。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。特別是在現(xiàn)代社會中，人們不僅對水的需求量與日俱增，對水質的要求也越來越高。 關鍵詞：水廠濾池恒水位 PID 控制自動反沖洗協(xié)調控制 ABSTRACT Water supply is an important industry for the people39。而在系統(tǒng)接收到反沖洗信號時，本系統(tǒng)在設計上就主控 PLC如何更好的與現(xiàn)場 PLC協(xié)調控制濾池的反沖洗方案進行了對比并且做了優(yōu)化，增強了控制思路的清晰性，達到了預期的控制效果。 本文從水廠濾池自動控制系統(tǒng)的控制要求和工藝特點出發(fā)，設計出了一套基于 ControlLogix硬件和軟件系統(tǒng)的水廠濾池自動控制系統(tǒng)。濾池是水廠常規(guī)處理凈水構筑物的最后一道工序，濾池運行的好壞直接影響到水廠的出水水質。 摘要 供水是一個關系國計民生的重要產業(yè)。不僅要滿足管網壓力的需要、保證充足供水，還要求水質明顯提高。濾池反沖洗工藝復雜，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，設計了以出水流量為控制參數(shù)的濾池液位 PID 控制系統(tǒng)。 根據系統(tǒng)的控制要求，進行了硬件設備的選型，設計了控制系統(tǒng)硬件配置圖、 I/O 模塊接線圖，并編寫了實現(xiàn)控制算法的程序。s livelihood. ot only to meet the needs of the pipeline work pressure and to ensure adequate water supply, but also called for the improvement of water quality. As to conventional water treatment plant, filter is the last structures of water purification processes, filter run a direct impact on water quality. The process of filter backwash is plexity, if still used in manually, laborintensive, low productivity, so it is difficult to ensure the safety of this system and it must be transformed to automatic systems. In this paper, as a view of the automatic control system for the water plant filter requirements and process characteristics, the automatic control system for the water plant design of a set of hardware and software based on the ControlLogix system has been acplished. When in the normal filtrate period, in order to keep the constant level, designed the PID filter level control system which is based on the water flow parameters. When receives backwashing signals, the control system on how to enhance coordination between master PLC and onsite PLC, has been pared and optimized. According to requirements of the designed control system, the selection of hardware devices, hardware configuration, I/O module wiring diagram, procedures for the realization of control algorithm have been acplished. Keywords: water plant filter, constant water level on PID control, automatic backwashing, coordinated control 目錄 1 緒論 1 1． 1 課題研究背景 1 課題研究內容 2 研究的目的和意義 5 2 控制系統(tǒng)總體方案的設計 7 系統(tǒng)分析 7 系統(tǒng)總體方案的設計 12 3 控制系統(tǒng)的硬件設計 27 濾池實現(xiàn)自動控制所需的設備 27 傳感器和執(zhí)行器的選擇 33 系統(tǒng)的硬件配置及 I/O 連接圖 39 控制參數(shù)整定 43 4 系統(tǒng)的軟件設計 47 軟件總體方案的設計 47 控制方案程序 49 5 監(jiān)控系統(tǒng)的設計 61 組態(tài)王 簡介 61 監(jiān)控界面的設計 61 結束語 72 參考文獻 73 致謝 74 附錄 75 1 緒論 1． 1 課題研究背景 水對人類而言有著非同尋常的意義，不論是日常生活，還是工農業(yè)生產都離不開水。 人類對飲用水進行處理的歷史十分悠久，超過了兩千年。而面向社會興建水廠，工業(yè)化的集中處理水的歷史還不到 200年，特別是以快濾池為標志的現(xiàn)代水廠更只有 110 多年歷史。目前各個城市都已興建了自己的凈水廠，基本普及了自來水。水廠和其它行業(yè)的工廠一樣，自出現(xiàn)以來不斷革新，不斷現(xiàn)代化，生產能力、凈化效果都不斷提高。維持如此大規(guī)模的水廠正常運行，且要保證出廠水質，對處理工藝和自動化水平都提出了很高的要求。混凝劑一般采用鋁鹽、鐵鹽。再進行沉 淀，過濾。近幾十年，隨著凈水理論的發(fā)展，工藝設計和處理構筑物的形式不斷變化，各類反應藥劑也出現(xiàn)許多新的替代品，比如 :以高分子化合物作為混凝劑，臭氧或二氧化氯作為消毒劑等等。相比之下，水廠的現(xiàn)代化更主要的表現(xiàn)在自動化監(jiān)控系統(tǒng)上。我國的凈水廠自動化技術起步較晚，一度比較 落后。 在各中小型水廠水質生產過程中，濾池處理過程的有效控制是保證水廠出廠水水質優(yōu)劣及生產效率高低的關鍵因素。由于受到人員素質及經驗、環(huán)境溫度、源水水質變化等各種復雜因素的影響，很難使出廠水水質長期穩(wěn)定。 為了更好地安全生產，實現(xiàn)水廠自動化控制，本課題希望通 過研究 PLC在水廠濾池控制系統(tǒng)中的實際應用，使通過 PLC設計出的水廠濾池控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)水廠濾池控制系統(tǒng)具有更好的維護性和擴展性，提高水廠濾池控制系統(tǒng)的自動化水平，確保水廠供水更安全更可靠。根據需要，各個工藝環(huán)節(jié)建立獨立的控制設施。每個環(huán)節(jié)根據自身的情況進行工作，只能解決該環(huán)節(jié)局部的控制調節(jié)問題，環(huán)節(jié)之間的協(xié)調是難以自動實現(xiàn)的，需要人工加以干預。以后隨著計算機及控制 技術的發(fā)展，出現(xiàn)了集中式控制形式，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)據處理、控制運算，然后發(fā)出控制信號，直接控制被控對象。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。 進入 70 年代以來，以微處理器為核心的各種控制設備發(fā)展迅速，使得控制系統(tǒng)的形式也發(fā)生了相應的變化，結構組成種類很多。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。 該系統(tǒng)的優(yōu)點是： 1 可以實現(xiàn)分級分布控制。 3 組網方便。 4 編程方便，開發(fā)周期短，維護方便。 5 系 統(tǒng)內的配置和調整非常靈活。 當前水廠采用最多的控制系統(tǒng)是 IPC+PLC 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用工作。加 之西方發(fā)達國家雄厚經濟實力與技術基礎，供水系統(tǒng)的自動監(jiān)控已得到普遍應用。 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，同時引進了成套的水廠現(xiàn)代化監(jiān)控儀表與設備。水工業(yè)的一些專用檢測儀表與設備，如在線檢測濁度儀、計量投加泵等，也有一些廠家開始生產，但 是質量水平與國外產品相比仍有距離，難以滿足國內市場需要。這種模式并不適應我國相當多的水廠原水水質變化大而快的情況，而談不上保證水處理系統(tǒng)運行優(yōu)化，結果水質保證率低，而運行費用高。 針對我國的技術經濟條件，不同規(guī)模水廠迫切需要解 決的問題有所不同。對于眾多的中小水廠，經濟條件有限，應在堅持國產化、實用化的原則下，著重發(fā)展那些對供水質量、運行費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)控技術與設備，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)。采用哪一種濾池反沖技 術是濾池自控技術中的研究內容。但實踐證明該技術是一種相對落后的反沖洗方式。由于傳統(tǒng)的水反沖洗技術存在一些問題，眾多學者通過不斷探索和研究，開發(fā)了氣、水反沖洗技術。 本課題主要設計的是基于 PLC控制的濾池恒水位過濾和自動反沖洗過程，主要內容是首先在分析系統(tǒng)功能的基礎上確定系統(tǒng)的被控參數(shù)和控制參數(shù)，明確系統(tǒng)的總體控