【正文】 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?，F(xiàn)將濾池的基本的工藝結(jié)構(gòu)簡圖繪制如下圖所示。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)。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)。反沖洗的啟動(dòng)有兩種方法:人為命令和控制器依條件判斷是否啟動(dòng)。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。后者既不會(huì)引起出水突變也不會(huì)波動(dòng)地工作，既不會(huì)引起擺動(dòng)也不會(huì)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(jī)械系統(tǒng)。安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jī)構(gòu)、控制器和上位機(jī)組成。常見濾池閥門有：反沖洗閥、氣閥、清水閥、排水閥。系統(tǒng)接到對某池進(jìn)行反沖洗的指令后進(jìn)入排水階段，先關(guān)閉進(jìn)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(jìn)入氣沖洗階段，這時(shí)氣沖計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，排氣閥打開，同時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、風(fēng)機(jī)出口打開，當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，打開氣沖閥，同時(shí)關(guān)閉排氣閥；氣沖洗時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，氣水混合洗計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，反沖水閥被打開，同時(shí)啟動(dòng)反沖水泵，打開水泵出口閥，濾池進(jìn)入氣水混合反沖洗狀態(tài)；汽水混合反沖洗時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，水洗計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，反沖氣閥被關(guān)閉，開放氣閥（放氣閥開 30s 后自動(dòng)關(guān)閉）排空風(fēng)管余氣，同時(shí)停風(fēng)機(jī)，關(guān)閉風(fēng)機(jī)出氣閥，濾池進(jìn)入水沖洗狀態(tài)；水沖洗時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，關(guān)閉反沖水閥，同時(shí)停止反沖水泵，關(guān)閉水泵出口閥，最后關(guān)閉排水閥，打開進(jìn)水閥，濾池進(jìn)入進(jìn)水狀態(tài)，當(dāng)水為上升到恒水位過濾位置時(shí)，自動(dòng)反沖洗完成，該池轉(zhuǎn)入正常的過濾程序。每一個(gè)濾池現(xiàn)場都設(shè)置一個(gè) PLC，主要功能是完成濾池的自動(dòng)反沖洗過程和濾池的恒水位控制，在正常的濾池過濾過程中，為了實(shí)現(xiàn)濾池的恒水位控制，本設(shè)計(jì)要求濾池的水位波動(dòng)限制在400177。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(dòng)按照先進(jìn)先出的原則排隊(duì)進(jìn)行。在中控室設(shè)置主控 PLC，其主要功能是負(fù)責(zé)各現(xiàn)場的 PLC 通信，數(shù)據(jù)的傳送，收集反沖洗水泵、鼓風(fēng)機(jī)等反沖洗設(shè)備的信號(hào)，協(xié)調(diào)各個(gè)濾池的反沖洗順序，確保濾池的反沖洗過程正常有序的。正因?yàn)楦鞴に噯卧鄬Κ?dú)立，因此通常將整個(gè)工藝按控制單元?jiǎng)澐??？刂泣c(diǎn)分布在水廠內(nèi)不同的位置，采用就近控制原則，在設(shè)備集中區(qū)分別設(shè)置不同的 PLC 站對該區(qū)域設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，再通過通訊網(wǎng)絡(luò)，各 PLC 站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水廠的自動(dòng)化控制。這樣的優(yōu)點(diǎn)是使控制系統(tǒng)更加可靠，當(dāng)某一控制單元發(fā)生故障時(shí)不會(huì)嚴(yán)重影響其它單元的自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)由于單元內(nèi)控制設(shè)備、檢測儀表就近相連，減少了布線成本。（1）中央控制室站點(diǎn)：對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度，同時(shí)留有四遙（遙測、遙信、遙調(diào)、遙控）系統(tǒng)接口，與上層管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊。 ）公共部分（反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)、干燥機(jī)及相關(guān)閥門）進(jìn)行監(jiān)控。用戶可以在PC 機(jī)上控制濾池的操作以及監(jiān)測濾池的運(yùn)行情況。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙?31 所示。模擬 PID 控制器的原理框圖如圖 32 所示：現(xiàn)場 PLC3現(xiàn)場 PLC1 現(xiàn)場 PLC2 現(xiàn)場PLC4現(xiàn)場 PLC51濾池 2濾池 3濾池 4濾池 5濾池PC主控 PLC安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 圖 32 模擬 PID 控制器原理框圖圖中 r(t)為系統(tǒng)的給定值， c(t)為實(shí)際輸出值，u(t)為控制量。調(diào)節(jié) PID 的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力，同時(shí)由于在PID 控制器中引入了積分項(xiàng)，系統(tǒng)增加了一個(gè)零極點(diǎn)，這樣系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。Ti 為積分時(shí)間常數(shù)；Td 為微分時(shí)間常數(shù)。）d231。Kd 為微分系數(shù)，K d=Kp/Td。（2）積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti, Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。計(jì)算機(jī)控制是一種離散的采樣控制，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中所使用的是數(shù)字 PID 控制器，而式 ()和式()均為模擬 PID 控制器的控制表達(dá)式，通過將模擬 PID 表達(dá)式中的積分、微分運(yùn)算用數(shù)值計(jì)算方法來逼近，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)字 PID 控制。將微分項(xiàng)用矩形和式代替，數(shù)字 PID 控制器的控制表達(dá)式如式（)：U(K)=KpE(K)+Ki +Kd[E(K)E(K1)] ()??KjE0)(其中：T 為采樣周期；Kp 為比例增益系數(shù)；Ki=KpT/ 稱為積分系數(shù)；iKd=Kp /T 稱為微分常數(shù)；U(K)是 U(KT)的簡寫；E(K)是 E(KT)的簡寫。使用位置式 PID數(shù)字控制器會(huì)造成 PID 運(yùn)算的積分積累，引起系統(tǒng)超調(diào)，這在生產(chǎn)過程中是不允許的。由()不難得到：U(K1)= KpE(K1)+Ki + Kd[E(K1)E(K2)] ()???10)(jE將式()與式 ()相減即可得到增量式算法：△ U(K)=U(K)一 U(K1)=(Kp+Ki+Kd)E(K)( Kp+2Kd)E(K1)+ KdE(K2) ()增量式 PID 控制算法是對偏差增量進(jìn)行處理，然后輸出控制量的增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量。所以，式() 已可以用作編程算法使用了。開關(guān)閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)有兩個(gè)開關(guān)量，開閥和關(guān)閥，只要持續(xù)為 ON，閥門就會(huì)持續(xù)動(dòng)作，直到全開或全關(guān)，不會(huì)始終保持在一個(gè)位置上；而調(diào)節(jié)閥是由一個(gè)模擬量的開度信號(hào)驅(qū)動(dòng)的，閥門隨著該信號(hào)的變化而動(dòng)作，若信號(hào)不變，閥門位置不變。通過 PLC 計(jì)算得出閥門位置的機(jī)制也就不再適用，需要重新設(shè)計(jì)。雙液位控制方法簡單以實(shí)現(xiàn)，但是其也存在著許多缺點(diǎn)：它的動(dòng)作頻率很頻繁，系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件，如閥桿、閥芯和閥座等會(huì)經(jīng)常摩擦，很容易損壞。所以，該方法不能直接使用。根據(jù)比例環(huán)節(jié)比例系數(shù)對過渡過程的影響，當(dāng)比例系數(shù)增大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生如下變化：(1)振蕩傾向加強(qiáng)，穩(wěn)定程度下降；(2)工作頻率增大，工作周期縮短。如果減小這個(gè)所謂的比例系數(shù)，就可以減小閥門動(dòng)作頻率，并增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。如果對這個(gè)動(dòng)作時(shí)間做出限制，就可以對閥門開度進(jìn)行控制。一般的開關(guān)閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由連鎖的，只要?jiǎng)幼餍盘?hào)一給出，不管是否保持，閥門都要持續(xù)動(dòng)作到底(關(guān)死或開足) ，不會(huì)中途停止。所以，要控制動(dòng)作時(shí)間，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中就不能有連鎖。然而，僅僅縮短一次性動(dòng)作時(shí)間仍然不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。情況跟先前并沒什么不同，只是由一次動(dòng)作變?yōu)槎啻蝿?dòng)作了，頻繁性沒有得到根本的改變。參考常被應(yīng)用在較強(qiáng)的滯后系統(tǒng)中的采樣 PID，它通過延長反饋信號(hào)的采樣周期，延緩 PID 輸出的? 調(diào)節(jié)閥PLCA/D液位李濤：基于 PLC 的水廠濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 更新頻率，以適應(yīng)系統(tǒng)的滯后性。這樣，對雙位調(diào)節(jié)增加兩個(gè)時(shí)間控制，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)閥對液位的調(diào)節(jié)。首先估算濾速，平均的濾速 V 可通過下式求得：V = 濾 格 面 積生 產(chǎn) 時(shí) 間 （ 秒 ）濾 池 個(gè) 數(shù) 生 產(chǎn) 量 ?? 假設(shè)以日產(chǎn) 202200 噸為例計(jì)算：錯(cuò)誤！未找到引用源。由于事實(shí)上不斷地有水流入濾池，實(shí)際的液位下降速度要比 厘米/秒慢很多，所以采樣的間隔可以設(shè)的比較長，達(dá)到十幾秒鐘。在本例中，最終的取值是這樣的:采樣間隔 15 秒，一次動(dòng)作時(shí)間 1 秒(由全開至全關(guān)的動(dòng)作時(shí)間為 18 秒)。當(dāng)液位變化的趨勢(上升或下降)與控制預(yù)期相同時(shí)，閥門的動(dòng)作是非必要的，可以免除，當(dāng)趨勢與預(yù)期不同時(shí)，才需要閥門動(dòng)作進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體實(shí)現(xiàn)是一次采樣后，將該值備份，使其不會(huì)在下次采樣時(shí)被更新。之后再結(jié)合液位情況，確定閥門是否動(dòng)作。相應(yīng)的，液位低于設(shè)定而正在上升，閥門也不動(dòng)作。在反沖洗過程中，進(jìn)水閥和出水閥應(yīng)關(guān)閉，氣沖閥、水沖閥、排污閥打開。反沖洗過程一般包括兩個(gè)過程：氣沖、水沖。6 分鐘后，關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)、反沖氣閥。最后，打開進(jìn)水閥，等液位升到接近恒水位時(shí)，濾池反沖洗正式結(jié)束，打開清水閥，系統(tǒng)進(jìn)入正常的過濾程序。當(dāng)濾池或反沖洗系統(tǒng)處于某一狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的標(biāo)識(shí)置“1”，并向另外一控制器發(fā)送，當(dāng)這一狀態(tài)結(jié)束時(shí)，標(biāo)識(shí)被清零，再向另外一控制器發(fā)送。一般的通訊機(jī)制都要求接收方返回一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，用來表明正確收到被發(fā)送信號(hào)，以防止信號(hào)在傳送過程中丟失。通信機(jī)制方案確定了，下面討論如何實(shí)現(xiàn)，在濾池反沖洗過程中不能有兩個(gè)濾池同時(shí)進(jìn)行反沖洗，一旦有兩個(gè)濾池的氣沖或水沖閥同時(shí)打開，沖洗就不能順利進(jìn)行。接著，當(dāng)氣沖閥打開后，要有一個(gè)通信機(jī)制，用來傳遞給反沖洗系統(tǒng)主控制器通知它開鼓風(fēng)機(jī)。在鼓風(fēng)機(jī)和水泵停止后，又分別要有一個(gè)通信機(jī)制，通知濾池控制器關(guān)閉反沖氣閥和反沖水閥。但是這種方法如果不對反沖洗的過程做一些調(diào)整和變化的話，會(huì)顯得很繁瑣復(fù)雜，并且不易實(shí)現(xiàn)。這不但提高了工作過程的復(fù)雜程度，還很難保證遇到突發(fā)故障時(shí)的有效、及時(shí)處理，整個(gè)溝通過程將會(huì)加大設(shè)計(jì)的難度和復(fù)雜程度。為了減小編程的復(fù)雜程度，盡量減小設(shè)計(jì)的工作量和設(shè)計(jì)成本，必須減少通信機(jī)制的數(shù)量，我們可以從反沖洗過程介入，來減少表明濾池或反沖洗系統(tǒng)所處狀態(tài)的通信機(jī)制。新的通訊方案必須去掉使原來的通訊方案變得復(fù)雜的條件————閥門控制和反沖洗系統(tǒng)的控制穿插進(jìn)行，兩套控制器各自實(shí)施控制常要以對方的控制完成為條件。是設(shè)計(jì)的工作量縮小了很多。流程示意圖如圖 36 所示。與原來不同的是，此處現(xiàn)場 PLC 僅僅只涉及到這些閥門的動(dòng)作，沒有任何涉及反沖洗系統(tǒng)的控制。這一階段沒有任何涉及閥門的控制，全部是關(guān)于鼓風(fēng)機(jī)、水泵的操作，由反沖洗系統(tǒng)控制器獨(dú)立完成。濾池控制器關(guān)閉反沖氣閥、反沖水閥、排污閥，再打開進(jìn)水閥，液位接近過濾恒水位時(shí)，開出水閥，進(jìn)入正常的過濾工序。簡化后的控制器協(xié)調(diào)機(jī)制是只有兩套控制器的最簡情況，當(dāng)濾池控制器有多個(gè)時(shí)，情況要比簡化后的復(fù)雜一些，但基本上是大同小異。因?yàn)橥粫r(shí)刻只允許一個(gè)濾格進(jìn)行反沖洗，其他的濾格只能列隊(duì)等候，所以，一次只有一個(gè)濾池控制器與反沖洗控制器進(jìn)行溝通，這樣不僅使設(shè)計(jì)的工作量減小，而且保證了其它濾池與反沖洗系統(tǒng)進(jìn)行非法的通訊，以及通訊協(xié)調(diào)的正常秩序，避免混亂的發(fā)生。目前，在我國許多城市規(guī)模擴(kuò)大、人口增加，對自來水需求量迅速增長的情況下，這種濾池控制系統(tǒng)具有很大的應(yīng)用前景。 PLC 的概述 PLC 的定義可編程序控制器(Programmable Logic Controller)簡稱 PLC，國際電工委員會(huì)對PLC 的規(guī)定是：一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。完成上述三個(gè)階段稱作一個(gè)掃描周期。在整個(gè)運(yùn)行期間，PLC 的 CPU 以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個(gè)階段。（2）控制系統(tǒng)構(gòu)成簡單，通用性強(qiáng)。（4）體積小、耗電少、價(jià)格便宜、維護(hù)方便。（6）編程和接線可同步進(jìn)行。（8）定時(shí)準(zhǔn)確、定時(shí)范圍寬。（10）采用模塊結(jié)構(gòu)、組態(tài)靈活、性價(jià)比高。 PLC 的編程語言PLC 是專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制裝置，其主要使用對象是廣大電氣技術(shù)人員及操作維護(hù)人員。本次設(shè)計(jì)采用梯形圖編程，梯形圖是一種圖形語言，它在形式上類似于傳統(tǒng)的繼電器控制電路，但它比繼電器控制電路增加了許多功能強(qiáng)而又靈活的指令符號(hào)。梯形圖中通常有若干邏輯行，形似階梯，梯形圖由此而得名。梯形圖形象直觀、容易掌握，是 PLC 中用的比較多的一種編程語言。除此之外，為提高工作的可靠性和及時(shí)的接收外來的控制命令，每個(gè)掃描周期都要進(jìn)行故障自診斷和處理與編程器、計(jì)算機(jī)的通信請求。(2)與外設(shè)通信自診斷正常后 PLC 即掃描編程器、上位機(jī)等通信接口，如有通信請求便響應(yīng)處理。在與上位機(jī)通信過程中 PLC 將接收上位機(jī)發(fā)出的指令進(jìn)行相應(yīng)的操作，把現(xiàn)場工作狀態(tài)、PLC 的內(nèi)部工作狀態(tài)、各種數(shù)值參數(shù)發(fā)送給上位機(jī)以及執(zhí)行啟動(dòng)、停機(jī)、修改參數(shù)等命令。這一過程也稱為輸入采樣或輸出刷新，在一個(gè)掃描周期內(nèi)內(nèi)存映象的內(nèi)容不變，即使外部實(shí)際開關(guān)狀態(tài)己經(jīng)發(fā)生了變化也只能在下一個(gè)掃描過程中的輸入采樣時(shí)刷新，解算用戶邏輯所用的輸入值是該輸入值的內(nèi)存映象值而不是當(dāng)時(shí)現(xiàn)場的實(shí)際值。一般是從用戶出現(xiàn)存儲(chǔ)器的最低地址存放的第一條程序開始，在無跳轉(zhuǎn)的情況下按存儲(chǔ)器地址的遞增方向順序的掃描用戶程序，按用戶程序進(jìn)行邏輯判斷和算術(shù)運(yùn)算，因此稱之為解算用戶邏輯。在一個(gè)掃描周期內(nèi)，某個(gè)輸入信號(hào)的狀態(tài)不管外部實(shí)際情況是否己經(jīng)變化，對整個(gè)用戶程序是一致的，不會(huì)造成結(jié)果混亂。解算用戶邏輯到用戶程序?yàn)橹?，每一步所得到的輸出信?hào)被存入輸出信號(hào)寄存表并未發(fā)送到輸出模塊，相當(dāng)于輸出信號(hào)被輸出門阻隔，待全部解算完成后安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 打開輸出門一并輸出，所用輸出信號(hào)由輸出狀態(tài)表送到輸出模塊，其相應(yīng)開關(guān)動(dòng)作。在依次完成上述五個(gè)步驟操作后 PLC 又開始進(jìn)行下一次掃描。 I/O 模塊的基本參數(shù)配置濾池控制系統(tǒng)輸入輸出模塊的基本參數(shù)配置如下表所示：表 42 模擬量模塊輸入輸出參數(shù)表.Number of InputsNumber of OutputsResoloutionSensorsSupported1756R40118 singleded,4 differential,2 highspeed differential— 16 bits177