基于PLC的水厂滤池控制系统设计控制方案.docx
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基于PLC的水厂滤池控制系统设计控制方案
2操纵系统总体方案的设计
2.1系统分析
V型滤池工艺过程
V型滤池是一种粗滤料滤池的一种形式，因两侧〔或一侧也可〕进水槽设计成V字形而得名。
其主要特点是：
〔1〕可采纳较粗滤料较厚滤层以增加过滤周期。
〔2〕气、水反冲再加始终存在的横向外表扫洗，冲洗效果好，冲洗水量大大减少。
V型滤池由法国德意满公司在七十年代开展起来的，，70年代已在欧洲大陆广泛使用，80年代后期，我国南京、西安、重庆等地开始引进使用，90年代以来，我国新建的大、中型净水厂差不多都采纳了V型滤池这种滤水工艺，特别是广东省新建的净水厂几乎都采纳了V型滤池。
水厂生产的根本工艺可分为加药、反响、沉淀、过滤、消毒、储存、送水等几个相关过程。
其中过滤过程又可分为正常过滤和滤池反冲洗两个子过程，这两个子过程交替运行，相互之间间隔肯定时间〔24H〕。
工艺流程如图2.1所示
图2.1滤池工艺过程简图
型滤池的工艺结构及其操纵原理
滤池的工作状况包含正常恒水位过滤和反冲洗操纵两种。
所谓的滤池正常过滤过程就是通过滤料层将待滤水去除杂质颗粒、细菌的过程，其主要目的是使滤后水的浑浊度到达国家饮用水的卫生标准。
而滤池的反冲洗，就是先后运行气洗、水洗两种清洗方法去除滤料层中的杂质，是滤池自净的工艺措施。
现将滤池的根本工艺简图绘制如图2.2所示
图2.2滤池工艺结构简图
恒水位过滤操纵和自动反冲洗操纵工作原理：
（1）滤池正常过滤的工作程序
依据水池中水位的变化调节出水阀的开启度来完成等速的恒水位过滤。
系统接收到水位计的水位信号，当水位信号高于设定的恒水位时，开大出水阀，调节阀门的开启度；当水位信号低于设定的恒水位时，关小出水阀，调节阀门的开启度；当水位信号等于恒水位时，保持出水阀开启度。
图2.3
图2.3恒水位过滤操纵框图
滤池水位的操纵是一个典型的PID闭环操纵系统，操纵过程是:
具有参数可调的PID方程根据设定值和过程变量输入之间的误差，经运算后把输出信号传送给输出附加处理程序，再输出给操纵阀，对整个过程进行操纵。
即实际水位比设定水位的值大得越多，输出的开度就越大。
开度增加的数值是由肯定累积时间内水位上升的速度及实际水位和设定水位的差共同决定的。
反响为进水流速越快，清水出水阀开度越大，。
PID方程计算的目标是把受控的过程变量保持在设定值，附加值可作为补偿添加到输出操纵中。
输出附加处理程序是把PID方程的运算按肯定的规律输出给清水阀。
其操纵方框图如图
（2）滤池反冲洗操纵的工作程序
当系统接受到手动强制冲洗信号、水头损失信号、定时冲洗信号中的任一个指令时，进行单格滤池反冲洗。
首先关闭进水阀，滤池内部的存留水经出水阀继续过滤排解，当水位降至设定的反冲水位时〔0.35m〕，关闭出水阀并翻开排污阀，排污阀的信号到位后翻开反冲气阀，启动风机进行气冲6min，然后关闭鼓风机，关闭反冲气阀。
翻开反冲水阀，开启反冲水泵，水洗6min，完成后关闭反冲水阀、停水泵，关闭排污阀、开启进水阀接受待滤水。
当水位升到接近过滤恒水位时，滤池反冲洗正式结束，系统转入正常的过滤程序
滤池的操纵系统组成及操纵要求
V型滤池操纵系统一般由受控设备、电气执行机构、PLC操纵器组成。
其中受控设备可以分为两局部：
滤池阀门和反冲洗系统。
常见滤池都有六个阀门。
进水阀：
操纵水流入滤池集水渠的阀门。
清水阀：
操纵滤后水流出滤池进入清水管的阀门。
排水阀：
在集水渠另一端，用于将反冲洗的污水排出的阀门。
气冲阀：
反冲洗时同意气流对滤层进行冲洗的阀门。
排气阀：
反冲后排出残留在气冲管道中的气体，预防其进入滤层影响过滤。
水冲阀：
反冲洗时同意清水对滤层进行冲洗的阀门。
反冲洗系统一般包含：
鼓风机：
用于产生强劲气流对滤层进行冲洗的阀门。
反冲水泵：
用于抽取清水对滤层进行反冲洗。
电气执行机构负责操纵的具体实施，它从操纵器接收操纵命令，然后相关的继电器接点闭合或断开，电路导通，设备获得动力接着进行动作。
如果操纵器故障，操作人员也可以通过电气执行机构的操纵面板，对设备进行手动操作。
PLC：
可编程操纵器是完成自动操纵的关键，全部自动操纵的内容都由操纵器编程完成，滤池的操纵与其它陈建略有不同，它的设备较多且重复，每个滤池的操纵内容都是相同的。
为了降低操纵器故障的风险性，可以采取集中、单独操纵器共同工作的方法，这是滤池操纵系统开展的一种趋势。
滤池操纵系统的操纵任务就是操纵过滤、反冲洗和两者交替，目的就是保证过滤后水的浓度符合要求。
过滤时要求维持肯定的滤速。
本设计水厂滤池局部由8个V型滤池组成，每个滤池尺寸为6m×6m×6m,滤料采纳单层1.4m加厚均粒石英砂滤料。
设计滤速为9m/h，气冲强度为15.3L/s·㎡，水冲强度3.8L/s·㎡。
每格滤池设置一个现场PLC，主要功能是完成滤池的自动反冲洗和恒水位过滤操纵。
在正常的过滤条件下，生产工艺要求将水位的波动限制在400±2㎝的范围内完成等速恒水位过滤。
当滤池的运行满足了反冲洗的条件〔运行周期到、水头信号或强冲信号〕，需要进行反冲洗，以去除滤料层的杂质。
按要求，每次只有一格滤池反冲洗，当多格滤池同时要求反冲洗时，系统自动按照先进先出的原则排队进行。
滤池正常过滤时，为完成恒水位过滤，设计以出水流量为操纵参数的滤池液位PID操纵系统。
在中控室设置主控PLC，其主要的功能是负责和现场的PLC通信，搜集反冲洗水泵、鼓风机等反冲洗设备信号，协调各格滤池的反冲洗。
2.2系统总体方案设计
滤池自控方案
根据本滤池的结构，考虑到自动操纵方法的先进性，稳定性，可靠性和连续不停运行的特点，提出如下自控方案：
（1）在每个滤池上，各配置一台PLC，分别操纵这个滤格在正常过滤状态下和反冲洗状态下的运行。
（2）给每个滤池的PLC编制运行程序
（3）整个滤池操纵系统配一台主控PLC，负责和各个现场PLC的通信，协调各格滤池的反冲洗，使每个滤池的反冲洗能按照反冲洗的时间，或水头损失的大小自动和稳定的运行
（4）每个滤池的反冲洗，均可在两种状态下进行：
①自动反冲洗②半自动反冲洗。
其中半自动反冲洗为强制反冲洗，即用户可以在任何时候进行反冲洗。
（5）各滤格的PLC运行均由一台主控PLC操纵。
主PLC和各局部PLC既联系又独立，在正常运行时，他们各司其职，统一运行。
如果一旦主PLC发生故障，并不会影响到各格滤池的正常运行。
同时，还能把滤池的各信号，如滤池后水流量、浊度以及滤池的各个工作状态，运行时间等，在联网后，传送到中央操纵室。
（6）滤池的操纵操作和数据显示：
使用一台PC机作为上位机，配有专为用户开发的监控软件。
（7）采纳西门子公司的PLC系列产品，以保证滤池运行的稳定和可靠。
滤池自控系统构成一个独立的PLC操纵系统，包含主控局部、现场分控局部。
主控局部由一台主控PLC，一台主控上位机组成，主控PLC负责和现场PLC的通信和气水反冲洗的协调操纵，上位机用于完成人机对话：
每个现场PLC负责治理每个滤池恒水位运行和自动反冲洗。
整个滤池的运行可以在以下三种方法下工作：
（1）半自动操纵
（2）PLC自动操纵（3）上位机远程操纵。
其拓扑网络如2.4所示
图2.4滤池自控网络拓扑图
2.2.2PID操纵算法的根本原理
PID（ProportionalIntegralDifferential）操纵算法就是经典的闭环操纵，它是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的调节方法。
PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出操纵。
在模拟系统中，操纵器最常用的操纵规律就是PID操纵，在工业生产操纵过程中，模拟量的PID〔比例、积分、微分〕调节是常见的一种操纵方法，这是由于PID调节不需要求出操纵系统的数学模型，对于这一类系统，使用PID操纵可以取得比拟令人中意的效果，同时PID调节器又具有典型的结构，可以根据被控对象的具体情况，采纳各种PID的变种，又具有较强的灵敏性和适用性。
PLC作为一种新型的工业操纵装置，在科研、生产、社会生活的诸多领域得到了越来越广泛的应用。
大型的可编程操纵器配置过程操纵模块可同时对几十路模拟量进行闭环操纵，单造价昂贵。
一般中小型PLC操纵系统只对一路或几路模拟量进行闭环操纵。
硬件上只需配备A/D及D/A转换模块，软件可购置厂家提供的PID编程功能模块。
常规PID操纵系统原理框图如图2.5所示，系统由模拟PID和被控对象组成。
图2.5模拟PID系统原理框图
滤池恒水位操纵技术的开展非常迅速，从模拟PID、数字PID到最优操纵、自适应操纵、再开展到智能操纵，每一步都使操纵的性能得到改善。
在现有的滤池操纵系统方案中，PID操纵应用最多，也最具有代表性。
在PID操纵算法中，存在着比例、积分、微分三种操纵作用。
（1）比例操纵作用：
比例操纵即成比例地反响操纵系统的偏差信号E（t）,系统误差一旦产生，操纵器马上就有操纵作用，便被PID操纵的对象朝着减小误差的方向变化，操纵作用的强弱取决于比例系数Kp。
缺点是对于具有自平衡能力的被控对象存在静差。
加大Kp可减少静差，但Kp过大，会导致系统超调增大，使系统的动态性变坏。
（2）积分操纵作用
能对误差进行记忆并积分，有利于排除系统的静差。
缺乏之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统的不稳定。
（3）微分操纵作用
通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势。
增大微分操纵在作用可加快系统响应，使超调减小。
缺点是对干扰同样敏感，是系统对干扰的抑制能力降低。
根据被控对象的不同，适当地调整PID参数可以获得比拟中意的操纵效果。
因为其算法简单，参数调整方便，并且有肯定的操纵精度，因此它成为当前最为普遍采纳的操纵算法。
PID操纵器是一种线性操纵器，它根据给定值R（t）与实际输出值C（t）构成操纵偏差：
E（t）=R（t）﹣C（t）〔2.1〕
将偏差的比例、积分、微分通过组合构成操纵量对被控对象进行操纵，其操纵规律为：
〔2.2〕
上式中：
Kp是操纵器的比例系数
是操纵器积分时间常数
Td是操纵微分时间常数
E（t）是系统设定值和被控量之差
U（t）是操纵器输出
上式为模拟量表达式，而PLC程序只能处理离散数字量，因此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。
令
〔2.3〕
由此可得位置式数字PID算法：
〔2.4〕
式中：
T为采样周期，Kp为比例增益系数，Ki=KpT/Ti称为积分系数，Kd=KpTd/T称为微分系数，U（K）是E（KT）的简写。
位置式算法对偏差进行累加，然后给出执行机构的位置操纵量。
使用位置式PID数字操纵器会造成PID运算的积分积存，引起系统超调，这在生产过程中是不同意的。
不难得到：
〔2.5〕
将式〔〕与式〔〕相减即可得到增量操纵算法：
〔2.6〕
增量式PID操纵算法是对偏差增量进行处理，然后输出操纵量的增量，即执行机构位置的增量，增量式PID数字操纵器不会出现饱和，而且当计算机故障时能保持前一个采样时刻的输出值，保持系统稳定，因此增量式算法比位置式算法得到更广泛的应用。
2..2.3现场滤池操纵器
滤池操纵器首先操纵滤池的液位，把液位大致稳定在一个范围内，到达维持相对稳定的滤速的目的。
一般的液位操纵是由调节阀来完成的，以来自液位计的液位信号作为反响信息，PLC作为操纵器，调节阀作为执行器形成一个典型的闭环操纵系统，如图2.6所示。
一般PLC都可以完成PID功能。
液位操纵时，把液位计测定值与设定值比拟，使用比例或比例积分环节进行计算，结果作为阀位给定值送至调节阀的比例执行器，由其完成阀门的动作。
这种操纵完成简单，效果很好，可以十分精确的操纵液位。
图2.6滤池液位操纵图
但是在净水厂滤池中，对液位的精度要求不高，无需将液位稳定在一指定高度，只要保持在一个较宽松的范围内即可。
此时，可以用开关阀替代调节阀来调节液位，降低投资本钱。
开关阀的液位操纵仍旧适用闭环反响的根本原理，但具体情况与调节阀的有很大不同。
开关阀的驱动信号有两个，一个开阀，一个关阀，两者都是开关量，只要延续为ON，阀门就会延续动作，直到全开或全关，不会始终保持在一个位置上；而调节阀是由一个模拟量的开度信号驱动的，阀门随着该信号的变化而动作，假设信号不变，阀门位置不变。
所以，可以对调节阀进行操纵的PID计算结果，对开关阀无效。
通过PLC计算得出阀门位置的机制也就不再适用，需要重新设计。
最简单的方法是采纳双位调节，即液位高于设定时，关闭阀门:
低于设定时，翻开阀门。
此方法非常简单完成，但缺点也非常突出:
它的动作非常一再。
系统中的运动部件，如阀杆、阀芯和阀座等会经常摩擦，很简单损坏。
这一点在实际工程中非常重要，许多场合都必须刻意预防阀门一再动作。
所以，该方法不能直接使用。
双位调节可以看作是一个极端的比例系数很大的比例操纵，对任何一个偏差，不管大小，都会产生饱和满载的输出。
根据比例环节比例系数对过渡过程的影响（图2.7所示），当比例系数增大时，会产生如下变化:
（1）振荡倾向强化，稳定程度下降;
（2）工作频率提高，工作周期缩短。
这就是双位调节导致阀门一再开关的原因。
如果减小这个所谓的比例系数，就可以减小阀门动作频率，并增强系统稳定性。
下面谈谈如何完成。
实际上开关阀的开与关不是瞬时完成的，而是有一个动作时间。
如果对这个动作时间作出限制，就可以对阀门开度进行操纵。
这首先要求电气执行机构的改变。
一般的开关阀，执行机构是由连锁的，只要动作信号一给出，不管是否保持，阀门都要延续动作到底（关死或开足），不会中途停止。
也就是说，阀门每次的动作时间都是相同的，不可更改。
所以，要操纵动作时间，在执行机构中就不能有连锁。
这样一来，PLC就可以通过操纵动作信号的延续时间，操纵阀门的动作时间了。
然而，仅仅缩短一次性动作时间仍旧不能完成稳定操纵。
液位的滞后性较强，PLC在检测到其改变（由低于设定变为高于设定，或反之）前，会不断发出阀门动作信号，直至动作到底。
情况跟先前并没什么不同，只是由一次动作变为屡次动作了，一再性没有得到根本的改变。
单纯的比例操纵在应付滞后系统时实在很困难。
参考常被应用在较强的滞后系统中的采样PID，它通过延长反响信号的采样周期，延缓PID输出的更新频率，以适应系统的滞后性。
这个方法应用在本例中，也得到了很好的效果。
采样周期和动作时间的结合，极大降低了阀门的动作频率，系统也更加稳定了。
这样，对双位调节增加两个时间操纵，完成了开关阀对液位的调节。
具体两个时间如何确定，可以先估算，再具体调试。
首先估算滤速，平均的滤速v可通过2.7式求得:
（2.7）
以某日产量为14.4万吨为例：
假设这个速度是在阀门90%开启度的时候到达的，那么阀门每改变百分之一的开度，对滤速的影响为0.006厘米/秒。
由于事实上不断地有水流入滤池，实际的液位下降速度要比0.58厘米/秒慢很多，所以采样的间隔可以设的比拟长，到达十几秒钟。
阀门的动作时间也不必很长，有整个开启（或关闭）时间的5%即可。
在本例中，最终的取值是这样的:
采样间隔15秒，一次动作时间1秒（由全开至全关的动作时间为18秒）。
至此，液位操纵己经可以完成，但仍旧可以进一步优化该操纵，继续减低阀门的动作频率。
当液位变化的趋势（上升或下降）与操纵预期相同时，阀门的动作是非必要的，可以免除，当趋势与预期不同时，才需要阀门动作进行调节。
所以，如果能够推断液位的变化趋势，就可以进一步减少阀门动作。
具体完成是一次采样后，将该值备份，使其不会在下次采样时备更新。
这样就可以对连续两次采样的值作一个比拟，推断液位的升降。
之后再结合液位情况，确定阀门是否动作。
比方:
液位高于设定值，而正处于下降状态，则阀门不动作。
相应的，液位低于设定而正在上升，阀门也不动作。
现场操纵器与反冲洗操纵器的协调
先从反冲洗的一般过程说起。
在一般滤池系统的六个阀门中，进水阀、清水阀和排气阀在过滤时应翻开，而气冲阀、水冲阀和排水阀则应关闭。
在反冲洗时，进水、清水、排气阀关闭，气冲、水冲、排水阀翻开。
所以，反冲洗过程会伴随着一系列的开阀关阀动作。
具体过程是这样的:
得到信号开始反冲洗后，首先关闭进水阀，并将清水阀开至最大，液位加速下降，滤池马上真正退出过滤。
液位足够低时，关闭排气阀，翻开排水阀，打算开始冲洗。
一般的冲洗包含气冲、气水冲和水冲，先开气冲阀，开至一半时，开鼓风机，气冲开始。
肯定时间后，开水冲阀，半开时启动第一台水冲泵，进行气水冲。
再过肯定时间，关鼓风机，关气冲阀，开第二台水冲泵，仅作水冲。
到时间后，停掉两台水冲泵，关闭水冲阀，关闭排水阀，冲洗结束。
最后，翻开排气阀、进水阀，等液位升到肯定高度，翻开清水阀，进入过滤。
整个过程，如图2.7所示。
这样一个繁琐的过程，要由两套操纵器共同完成，一套（滤池操纵器）操纵阀门，另一套（反冲洗系统操纵器）操纵鼓风机和水泵，它们之间的协调与沟通至关重要，需要约定一个可靠的沟通机制。
根本上，这个机制就是一系列的标识，用来向其它操纵器说明自己当前的状态。
这些标识作为信号在通讯网络上发送，以“0〞、“1〞表示。
当滤池或反冲系统处于某一状态时，相应标识置门置“1〞，向另一操纵器发送，当这一状态结束时，标识清零，再向另一操纵器发送。
标识的值随着状态的变化而变化。
一般的通讯沟通都
图2.7调整前的反冲洗过程
要求接收方返回一个确认信号，说明正确收到被发送信号，以备信号在传送过程中丧失。
但这里无须考虑此问题，因为连接操纵器的网络自身的通讯协议己能够确保信号传送的可靠性。
下面再商量一下标识的设立。
首先，不能有两个滤池同时进入反冲洗，一旦有两个滤池的气冲或水冲阀同时翻开，冲洗就不能顺利进行。
因此，要建立一个标识，说明有滤池在反冲洗时，其它滤池不能进行反冲洗，以阻挡滤池操纵器操纵滤池进入反冲洗状态。
接着，当气冲阀翻开后，要有一个标识，传递给反冲洗系统操纵器通知它开鼓风机。
同样，还要有一个标识，通知反冲洗系统操纵器开水冲泵。
在鼓风机和水冲泵停止后，又分别要有一个标识，通知滤池操纵器关闭气冲阀和水冲阀。
这一系列的标识，就是两套操纵器之间完成沟通协调的方法。
然而，假设不对反冲洗的过程作一些调整，这种方法会十分复杂，不易完成。
原因如下:
上述的标识只是一局部，实际的工程中还涉及了故障报警，故障处理等问题，需要添加大量标识。
这不但很大的提高了工作的复杂程度，还很难保证遇到突发故障时的有效处理，整个沟通过程将会设计的很庞大、复杂。
而且当系统中不只有两台操纵器时，标识个数又会成倍增加，尤其在大系统中应用时，如此数量庞大的标识使沟通的编程完成十分困难。
要减少说明滤池或反冲洗系统所处状态的标识，须从反冲洗过程入手，减少需要向其他操纵器传达的中间状态。
经过与老师和同学的商量，可以对原先的反冲洗过程作一些修改，以得到一套简化许多的通讯方案。
原先沟通机制过于复杂的原因在于阀门操纵和反冲洗系统的操纵穿插进行，两套操纵器各自实施操纵常要以对方的操纵完成为条件。
新的方案则可以减少这种条件，使通讯大为简化。
调整后的反冲洗过程可分为三个阶段:
反冲洗前的开、关阀阶段，反冲洗阶段，反冲洗后的关、开阀阶段。
流程示意图见图2.8。
第一阶段由滤池操纵器操纵，也是先关闭进水阀，开足清水阀，液位够低后关闭清水阀和排气阀，再翻开排水阀，水冲阀和气冲阀。
与原来不同的是，没有在气冲或水冲阀半开时启动鼓风机或水冲泵。
仅仅只有这些阀门的动作，没有任何涉及反冲洗系统的操纵。
全部阀门到位后，滤池操纵器向反冲洗系统操纵器传递一个标识，进入第二阶段。
这一阶段没有任何涉及阀门的操纵，全部是关于鼓风机、水冲泵的操作，由反冲洗系统操纵器独立完成。
冲洗完毕，反冲洗系统操纵器会给滤池操纵器一个标识，进入第三阶段。
滤池操纵器关闭气冲阀、水冲阀、排水阀，再翻开进水阀、排气阀，液位够高后，开清水阀，进入正常过滤阶段。
图2.8调整后的反冲洗过程
这个方案中，两个操纵器的操纵作用阶段分得很清楚，便于操纵器集中完成操纵任务，不仅简化了协调过程，对于简化突发故障的处理也很有意义。
例如:
在开水冲阀时遇到故障，原先的处理要发出报警，阻挡水冲泵的启动，停止鼓风机的运转，还要关闭气冲阀，两套操纵器都要参与处理。
而新方案中，阀门没有到位，就不会送出标识，故障的处理仅由滤池操纵器单独进行。
上述的操纵器协调机制是只有两套操纵器的最简情况，当滤池操纵器有多个时，情况要复杂一些，但并没有太多不同。
每个滤池操纵器都能以此机制与反冲洗操纵器沟通。
由于同一时刻只同意有一个滤池处于反冲洗状态，其它滤池只能进入等待队列，所以一次反冲洗只会有一个滤池操纵器与反冲洗操纵器进行沟通。
由此可见，在多滤池系统中，正在反冲洗的状态标识是最重要的一个，它类似于交通信号灯中的红灯，禁止其它滤池与反冲洗系统进行非法通讯，保证通讯协调的正常秩序，预防混乱的发生。
以两台操纵器组成的滤池操纵系统，在净水厂滤池自动化中有较强的实际意义，既可以在它的根底上，扩展成为多操纵器滤池系统，适应大型水厂的需要，也可以用于老旧中小型水厂的扩建、改造。
在我国目前许多城市规模扩大、人口增加，对自来水需求量迅速增长的情况下，有很大的应用前景。
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