基于Netlinx给水厂控制系统设计.docx

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基于Netlinx给水厂控制系统设计

编号

毕业设计（论文）

基于Netlinx给水厂控制系统设计

DesignofWaterSupplyPlantControlSystemBasedonNetlinx

学院名称

专业名称

学生姓名

学号

指导教师

2016年6月26日

摘要

水是人类生存的命脉，人们对供水的质量与可靠性的要求不断提高。

但是水

资源的污染日益严重，越来越多的水厂面临更严峻的水质安全问题，国家对饮水安全的控制力度加大，对供水的深度处理要求越来越高。

水处理厂计算机自动化控制系统是保证安全、连续、优质供水的措施。

本文通过分析国内外已建水厂自动化控制系统的现状，结合工艺设备智能化的发展趋势，以及我国中小型水厂现状，结合当下比较先进的Netlinx系统，设计了一套以罗克韦尔PLC作为控制器的自来水自动控制系统，该系统通过取水流量，液位等的检测，通过罗克韦尔PLC计算，通过Netlinx的信息网和设备网的通讯，实现对多台电机的自动控制，完成整个系统的运行，该系统能实时监测水质、取水流量，自动控制投矾、加氯，还能自动存储历史数据。

此系统不仅能降低能耗、节约成本、减少维修维护工作强度、提高管理水平、确保供水质量，还能推进我国给水工艺的发展，对减小与先进水平的差距都具有现实意义。

通过运行情况表明，该系统功能齐全，性能稳定可靠，具有较强的实用性和推广价值。

关键词：

可编程序控制器；供水；自动化控制系统；Netlinx

Abstract

Wateristhelifelineofhumanexistence.Therequirementofpeopleonthequalityandreliabilityofwatersupplycontinuedtoimprove.Howeverthewaterpollutionisseriousdaybyday,moreandmorewaterplantisfacedwithaustereproblemofwaterqualitysecurity,TheChinesegovernmentondrinkingwatersafetycontrolstrengthtoincrease,fordeepprocessingofwaterprovidehigherrequirements.Thecomputerautomationcontrolsystemofthewaterworksisaneffectivemeasureforguaranteeingthehighqualityofthewatersupplyinsecurityandcontinuity.

Thisthesis,whichcombineswiththedevelopmenttendencyoftheprocessingequipmentintelligentandtherealityofsmallandmedium-sizedwatertreatmentplantinourcountry,CombinedwiththecurrentmoreadvancedNetLinxsystem,hasdesignedawatersupplyautomaticcontrolsystemofPLCRockwellcontrollerbyanalyzingtherealityofthewaterworksautomationcontrolsystembothathomeandabroad.Thesystemthroughthewaterflow,liquidlevel,etc,ThroughRockwellPLCcalculation,throughtheNetLinxinformationnetworkandequipmentnetworkcommunication,toachievetheautomaticcontrolofmultiplemotors,tocompletetheoperationoftheentiresystem.Thiswatersupplyautomaticcontrolsystemcaninrealtimemonitorthewaterquality,thewaterdrawrate,themonitorsiteareasecurity,etc.Besides,thesystemcanautomaticallyaddvitriolandthrowchlorine;also,thesystemcanautosavehistoricaldata.Inaddition,thesystem,inwhichthereisanoperationsignificanceforreducingthegapwithadvancedstandards,notonlycutsdowntheenergyconsumption,savescost,reducestheservicemaintenanceworkingstrength,enhancesthemanagementlevel,guaranteesthewatersupplyquality,butalsoimprovestheadvancementofthewatersupplytechnology.Therunningconditionsofthesystemrevealthatitssystemfunctioniscomplete;itsperformanceisstableandreliable;therearestrongpracticabilityandpromotionvalue.

Keywords：

ProgrammableLogicalController；watersupply；positionmachineofmonitorandcontrolsystem；Netlinx

第1章绪论

1.1本课题的研究背景和意义

随着经济社会的发展，水对人民的生活与生产的影响日益突出，人们对供水的质量与安全可靠性的要求不断提高，同时也更加重视降低供水系统的能耗。

加强供水系统工况的监测是一项重要而有效的节水降耗措施，因此加强水处理厂的各个工艺环节的自动监测与控制具有重要意义。

我国城镇供水在改革开放的二十几年中得到了大发展与大提高。

卫生部公布的《第三次国家卫生服务调查主要结果》显示，我国城市自来水普及率达到96％，农村自来水普及率为34％。

因为我国总体上是一个水资源匮乏的国家，所以在发展供水事业的同时也要考虑节约用水，提高水资源利用率，特别是目前我国的城镇供水在水质处理、工艺设施和管网建设上，与发达国家相比还有一定差距，因此有必要提高城镇水厂的自动化程度。

水厂自动化的主要目的不仅是节省劳动力，更主要的是实现可靠、优质、高效的供水保证。

生产过程的自动检测、调整、控制和事故报警可保证设备在规定状态下运行，防范事故于未然，实现不间断的可靠供水；投药、过滤、消毒等工艺过程实施闭环控制，可以随着水量、水质的变化及时调整工艺参数，保证出水水质达标；出厂水压自动调整，能保证稳定的服务水压，减少爆管和漏失水量；生产过程的优化运行可以大大减少水、气、电和各种药剂的浪费，达到低耗高效。

县镇水厂不同于大中型水厂，其供水规模较小、占地面积较小、日变化系数和时变化系数均较大，水厂技术力量较薄弱、管理水平较低、财力较为紧张等，这就决定了设计思路有别于大中型水厂，但又因其覆盖面广、数量众多，所以中、小型自来水厂的自动化控制系统研究有着广泛的前景。

依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备的运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。

近年来我国中小城市发展迅速，集中用水量急剧增加。

据统计，从1990年到1998年，我国人均日生活用水量由175.7升增加到241.1升，增长了37.2%，与此同时我国城市家庭人均日生活用水量也在逐年提高。

在用水量高峰期时供水量普遍不足，造成城市公用管网水压浮动较大。

由于每天不同时段用水对供水的水位要求变化较大，仅仅靠供水厂值班人员依据经验进行人工手动调节很难及时有效的达到目的。

这种情况造成用水高峰期时水位达不到要求,供水压力不足，用水低峰期时供水水位超标,压力过高，不仅十分浪费能源而且存在事故隐患。

采用PLC控制不仅可减少人的工作量，还可以降低能源消耗和资源浪费，提高设备的可维护性和运行的可靠性，以达到降低自来水的生产成本和提高生产管理水平的目的。

依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、电资源，是技术发展的必然趋势。

由于中小型自来水厂的自动化技术改造在我国有着广泛的前景，本控制系统具有较大的发展潜力和使用价值。

1.2国内外水厂自动控制的现状及发展趋势

我国水厂自动化控制系统经历了从无到有、从简单到复杂的过程。

从一开始仅有常规仪表检测，到加药、加氯的局部自动控制，直至九十年代，随着可编程控制器（PLC）的大量推广使用，水厂自动化控制系统才真正建立起来。

PLC具有可靠性高、编程简单、使用方使、以及通讯联网功能强的特点。

水厂以PLC为主控设备建立的控制系统一般模式为:

由设在中控室的上位监控计算机及若干现场PLC联网组成集散型监控系统。

开始建立的系统，各分站以功能划分，站内设有监控计算机，这是针对当时PLC的通讯能力不够强大，控制系统可靠性不高所采用的措施，即一旦其它分站出现故障或网络中断后，未出故障的分站还可以在局部区域内实现自动控制。

近几年随着PLC网络通讯能力的增强和控制及电气执行机构可靠性的提高，这一模式逐渐被打破。

取消了各分站内的监控计算机，各分站的控制区域由以功能划分改为以距离划分，在中控室内监视水厂运行的全过程，应由分站1控制的远方设备工况或采集的检测仪表参数可送入附近的分站2通过网络可靠、及时地传输保证系统的正常、协调运行。

目前大部分水厂都是采用的这种模式。

在这基础上，对水厂自动化又提出了新要求:

即厂内仅配备少量管理、维修人员，生产过程实现自动化，由中央控控制室的工业计算机实现监控和管理的控制系统，也称无人值守控制系统。

在早期，由于国外生产的变频器的功能主要限定在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、起制动控制、压频比控制及各种保护功能。

应用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足供水量大小需求不同时，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力传感器，对压力进行闭环控制。

从查阅的资料的情况来看，国外的恒压供水工程在设计时都采用一台变频器只带一台水泵机组的方式，几乎没有用一台变频器拖动多台水泵机组运行的情况，因而投资成本高。

随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samco公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式"、“变频泵循环方式一两种模式，它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机（泵）的供水系统。

这类设备虽微化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性不高，与别的监控系统（如BA系统）和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，因此在实际使用时其范围将会受到限制。

随着技术的不断发展，国际上逐渐对区域的供水系统采用模块化的方式，将设备进行标准化集成，并实现整个生产流程的整体控制，即提高了饮用水生产设备的操作效率和降低了维修成本，又确保了饮用水的生产质量。

由于模块化供水系统的先进性，目前国内有多个单位对此类设备进行开发。

但国内开发的模块化供水系统由于大多数为单机版控制设备，系统采用PLC构成自动控制系统，在控制水平上与国际上先进的控制水平相比仍存在差距，主要表现在：

（1）由于各个生产工艺阶段的比较独立的控制，不能完全实现整体模块化水厂的全自动化运行。

（2）由于无上位机监控系统，无法直观的了解系统的运行状况；无法获取采集到的相关数据，因此缺少高级优化控制，或控制程度不高。

（3）由于系统采用系统机，与不同厂家自控设备无法通讯，无法进行远程通讯及操作。

（4）系统的互连和集成比较差，如SCADA系统、DCS系统、GIS系统之间不能实现数据共享。

（5）系统的可靠性、可用性比较差。

目前国内有不少公司在做变频恒压供水的工程，大多采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器（PLC）及相应的软件予以实现：

有的采用单片机及相应的软件予以实现。

但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能以及开放性等多方面的综合技术指标来说，还远远没能达到所有用户的要求。

原深圳华为（现己更名为艾默生）电气公司和成都希望集团（森兰变频器）也推出了厦压供水专用变频器（5.5kw、22kw），无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。

该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。

随着电子信息技术、计算机技术以及光电技术等相关学科的飞速发展，近10年来工业自动化在各个方面都发生了许多变化，包括自动化感应部件、各种检测传感器、变送器、各种间接测量设备、各种执行机构等等底层设备，以及自动回路调节器、自动控制单元、各种大中小型装置控制系统乃至综合优化调度与协调系统和企业综合管理信息系统等。

有关控制系统的研究与应用也一直是现代工业生产中的重点工作之一，并且在控制理论和自动控制系统水平方面都发生了极大的变化。

现代水处理厂采用计算机控制技术日益普遍。

欧美国家一些地方水处理厂已经用计算机进行数据记录和运行过程控制，甚至实现全自动化无人值守控制模式。

如美国爱荷华水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药剂，1975年应用直接数字式计算机控制自动加矾，运转一年就降低矾耗20%，并且提高了管理水平和稳定了水质。

此外，俄罗斯的莫斯科水厂、日本东京朝霞水厂等也先后采用计算机自动控制系统进行控制。

在厂区范围内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实现多环路控制，其中包括沉淀、过滤和反冲洗、化学药剂投放等。

设在中心控制室内的计算机主机从各个现场计算机中搜集数据，并入提供图表显示、曲线、各个设备动作记录。

我国水处理行业采用自动控制系统起步较晚，七十年代才开始采用集中巡检，在检测设备与监视设备方面与国外有较大的差距。

随着计算机技术，信息技术和自动控制技术的飞速发展，近年来我国从国外引进了一些先进设备和先进的处理工艺，国内的水处理自动控制水平有了较快发展。

由于历史现实的原因，我国水厂自动化的总体发展水平还不高，发展也不平衡。

大中城市的水厂特别是发达地区的大型水厂，自动化程度较高，而小城市和城镇的水厂特别是落后地区的小型水厂，自动化程度较低，甚至还是空白。

而且，在一些已实现自动化的水厂中，虽然其自动化系统和设备与其它行业如化工、电力等相比不差甚至更先进，但是，其功能并未充分发挥出来。

有的自控系统从未运行过，一直处于闲置状态；有的运行一段时间后变为了手动，甚至处于瘫痪状态，造成了自动化系统和设备的极大浪费。

水厂工业自动化领域的发展趋势是管理控制的一体化，而现场总线技术的飞速发展为管理控制一体化铺平道路。

信息技术的不断发展，网络的普及，将会使管理控制一体化的重要性日益显露，可以预见，以PLC为基础的集散控制系统向以现场总线为基础的管理控制一体化分布式网络通信过渡是必然的发展趋势。

1.3本课题的主要研究的内容

这次毕业设计的设计原则是：

以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标，充分考虑给水控制的工作环境和工艺流程的具体要求。

在满足工艺要求的基础上，尽可能的使结构简练，尽可能采用标准化、模块化的通用元配件，以降低成本，同时提高可靠性。

本着科学经济和满足生产要求的设计原则，同时也考虑本次设计是毕业设计的特点，将大学期间所学的知识，如电器设计、电路原理、电机拖动、阀门控制、传感器、可编程控制器（PLC）、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中，使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化，同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际，充分发挥个人能动性，脚踏实地，实事求是的做好本次设计。

自来水厂自动化系统的总体要求是可靠地实现对各水处理设备和生产过程的自动监控，达到“现场无人值守、控制中心少人值班”的自动化程度。

针对以上要求，本系统设计遵循的原则如下：

先进性：

系统的总体设计结构、软硬件选型、通信手段、开发方式，均应采用已被广泛长期应用和考验、实践证明属先进性的产品和方法，保证系统在建设投运以后在较长时间内具有“技术先进”的生命力。

开放性：

选用符合国际标准的硬件设备和软件平台，便于二次开发和系统扩展升级。

应用软件设计开发要组态方便，相关系统中留有相应的软件接口，使各类型数据得到很好的共享，便于进一步扩展。

做到总体规划、统一标准，系统开放、信息共享，保证前期投资的有效性和后续投资的连续性。

经济实用性：

系统建设要满足工艺要求，切合生产管理的实际情况，并为用户今后的使用、维护及扩展升级考虑，具有高性价比。

应根据工艺设备的控制条件、控制频率和控制重要性等因素框定控制范围，避免过分追求控制范围的扩大化，提高系统的实用性和经济性。

可靠性：

考虑系统的抗干扰和防雷问题；采用冗余热备份技术，提高系统可靠性；考虑系统的网络安全性，使系统具有一定的抗入侵能力。

根据以上原则，本设计的控制过程主要完成加矾、加氯量的调节，通过可编程逻辑控制器PLC来实现。

具体如下：

收集传感器对压力、流量、浊度、余氯数据的采集，具体包括取水口流量、出水口流量、取水口浊度、沉淀池浊度、出水口浊度、沉淀池余氯、出水口余氯传送给PLC，PLC根据数字显示，通过控制加氯仪和投矾仪的开关来实现自来水的消毒与净化。

用于生产管理的计算机根据PLC上传的各仪表所检测到的数据，结合相关标准，经过分析后，将结果下传给PLC，最终控制加矾、加氯。

本论文主要介绍以可编程控制器PLC为核心，提出具体给水厂控制系统设计的基本思路和方法。

（1）总体方案设计：

根据系统概况和系统控制要求，对系统进行总体方案设计，进而确定系统的组成。

（2）下位机系统的硬件设计：

根据系统工艺和控制要求，设计一个以PLC为核心的控制系统，系统由电气元件、PLC、传感器、现场机构组成。

（3）系统的软件设计：

利用罗克韦尔PLC的编程软件RSLogix5000编制梯形图，实现供水过程的自动控制。

第2章

基于Netlinx给水厂控制系统控制方案设计

2.1设计内容

本次毕业设计是基于Netlinx的供水厂的自动控制系统的设计，现阶段我国供水系统处于高速发展阶段，在PLC被广泛应用于供水系统以来，我国供水控制系统取得了实质性的发展，从一开始完全根据值班人员的经验来控制供水，到现在的PLC自动供水控制系统的发展，我国供水行业取得了巨大的进步，但是，现阶段我国的供水控制系统还存在一些问题，需要进一步的改进，所以本次毕业设计的目的就是为了发展我国自动供水系统，更好的提升我国供水系统的先进性。

控制系统工艺流程图如图2.1所示。

图2.1控制系统工艺流程图

本次设计选择罗克韦尔公司的PLC。

根据系统信号输入输出的点数，主机模块选择了ControlLogix5561，系统由EtherNet通信，通过罗克韦尔系统三层网络进行信息传递，通过对输入输出点的分配，选择输入模块为1756-IB32/A，输出模块为1756-OB32。

电气元器件方面，水泵选择沈阳节能潜水泵制造有限公司的QJ系列潜水泵，流量计选择MGG/C15151231EAA型电磁流量计以及沈阳电机集团实业电机有限公司的Y系列电动机，通过硬件的作用完成系统的运行，通过RSLogix5000编制软件编写梯形图，实现整个系统的控制。

本次设计采用了罗克韦尔PLC，具体的硬件设计以及软件编程是在我国原有的供水系统上加以改进，本次设计的目的是提高我国供水系统的先进性以及可靠性，期望可以提高我国供水的水平。

2.2控制系统方案的论证

目前在我国自动控制领域，应用的控制核心主要分为两大类，即基于单片机的自动控制系统以及基于PLC的自动控制系统。

方案一：

基于单片机的控制系统

设计采用AT89C518位单片机实现。

单片机软件编程的自由度大，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制。

信息量采集采用一般的模拟量传感器采集，需要设计信号调理电路、A/D转换及相应的接口电路，才能把传感器输出的模拟信号转换成数字信号送到微处理器处理，经过处理的数据经显示电路显示在屏幕上。

软件设计则采用模块化编程方法，使得程序易于调试和维护，实现数据处理、实时显示、报警等功能。

整个硬件系统分为以下几个模块：

传感器模拟信号采集处理模块，A/D转换模块，显示模块、报警模块和单片机系统模块及EPROM和RAN扩展。

系统框图如图2.2所示。

图2.2单片机控制框图

方案二：

基于PLC的控制系统

可编程控制器（ProgrammableLogicalController）简称PLC。

国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了如下定义：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令。

并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”PLC的工作原理图如图2.3所示。

图2.3PLC工作原理图

将方案一、方案二对比，利用PLC对生产过程进行生产控制，灵活性高且控制器的体积较小，选用方案二作为系统的设计方案，即PLC为系统的控制器。

本次设计水源地取水和水处理过后的储存由14台300KW的水泵完成，加药过程由电机控制完成，电机和水泵的控制由罗克韦尔自动化的NetLinx三层网络系统实现控制，此次设计采用的是罗克韦尔自动化ControlLogix系统。

根据控制系统要求，PLC控制器主要是对两个取水泵站的14台水泵和两个液位传感器、加药站的加药泵、加压站的四台加压泵进行控制及向上位监控机传送各种信息。

由此，PLC控制系统的基本结构框图，如图2.4所示。

图2.4系统结构框图

本次设计包含二个系统，分别是：

（1）电动阀门控制系统

它控制16台加压泵电动阀门的打开与关闭，可以实现自动控制。

（2）PLC电气控制系统

利用PLC实现实现14台抽水泵和16台加压泵控制，并向上位机的传