电气自动化 PLC在自来水供水滤池中的应用毕业论文终稿.docx

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电气自动化PLC在自来水供水滤池中的应用毕业论文终稿

毕业论文

题目：

PLC在自来水供水滤池中的应用

专业：

电气自动化技术

班级：

自动化097

学生：

指导教师：

成绩

黑龙江......学院

二零一二年六月

开题报告

姓名：

班级：

自动化专业：

电气自动化学号：

毕业论文题目：

PLC在自来水供水滤池的应用、

立题目的和意义：

滤池是水厂常规处理净水构筑物的最后一道工序，滤池运行得好坏直接影响到水厂的出水水质。

滤池反冲洗工艺复杂，如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，为此必须进行滤池自动化系统的改造。

PLC作为一种新型的工业控制器,以其通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点,在工业控制中得到越来越广泛的应用,在自来水处理中也得到一定程度的推广。

立题依据及技术条件：

1、中控室污水池净化2、有指导教师指导3、PLC控制系统

工作计划与时间安排：

1月4日——1月20日与指导教师交流，提出自己对毕业论文选题的初步意向，汇报顶岗实习情况，汇报相关资料收集整理情况，接受指导教师的指导；

1月21日------1月31日根据指导教师的指导意见，进一步收集整理相关资料，酝酿毕业论文选题及论文内容。

2月1日——3月5日与指导教师交流，确定毕业论文选题，提交论文开题报告，指导教师审阅开题报告，双方确认开题报告；

3月6日——4月20日在指导教师的指导下，根据开题报告的有关安排开展论文的撰写工作，论文撰写过程中要及时与指导教师联系，定期向指导教师汇报论文撰写进度；

4月25日——6月12日在指导教师的指导下，上交、打印论文终稿；准备答辩。

指导教师意见：

年月日

毕业论文评语

年月日

学生班级自动化097

专业电气自动化技术

毕业论文题目：

PLC在自来水供水滤池中的应用

指导教师评语：

指导教师（签字）

评阅人评语：

评阅人（签字）

答辩委员会评语：

答辩委员会根据毕业论文之材料及学生之答辩作出以下评语：

学生毕业论文答辩成绩评定为

根据所提交之材料及毕业论文答辩成绩，答辩委员会认为该学生已（未）完成黑龙江建筑职业技术学院的教学计划准予毕业（肄业）。

对毕业论文的特殊评语：

答辩委员会　主任（签字）                   

           委员（签字）

PLC在自来水供水滤池中的应用

摘要：

水是生命之源。

随着社会的发展和人民生活水平的提高，对城市供水提出了更高的要求，不仅要满足管网压力的需要、保证充足供水，还要求水质明显提高。

滤池是水厂常规处理净水构筑物的最后一道工序，滤池运行得好坏直接影响到水厂的出水水质。

滤池反冲洗工艺复杂，如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，为此必须进行滤池自动化系统的改造。

PLC作为一种新型的工业控制器,以其通用性好、可靠性高、安装灵活、扩展方便、性能价格比高等一系列优点,在工业控制中得到越来越广泛的应用,在自来水处理中也得到一定程度的推广，而且在其稳定性、高自动化程度的不断加强，使得其成为城市自来水处理自动化方面的首选。

本文主要简单介绍自来水公司的主要过程，及PLC在控制滤水池操作中的应用。

关键词：

PLC滤水池

Wateristhesourceofthelife.Withthedevelopmentofsocietyandtheimprovementofpeople'slivingstandard,tothecitywatersupplyputforwardhigherrequest,notonlytosatisfytheneedsofthepipepressure,assureenoughwatersupply,alsorequireswaterqualityimprovedobviously.Viewingawaterplantsprocessingwaterpurificationisthelastprocedureofthestructures,pondstorunadirectinfluenceonthewaterworkseffluentwater.Viewingareversewashprocesscomplex,ifcanstillusemanualmode,thelaborintensityandlowworkingefficiency,toguaranteethesafety,thereforemustbeviewingautomationsystemtransformation.

PLCasanewtypeofindustrialcontroller,withitsuniversalperformance,highreliability,flexibleandconvenientinstallationextension,performancetopricehigheraseriesofadvantages,intheindustrialcontrolgetmoreandmoreextensiveapplicationinwatertreatmentinalsogetsomedegreeofpromotion,andinitsstability,highautomationdegreeofstrengthenceaselessly,makeitacitywatertreatmentautomationofchoice.

Thispapermainlyintroducesthemainwatercompanysimpleprocess,andPLCinthecontroloftheapplicationofthefilterpooloperation.

Antistop：

PLCWaterfilter

目录

摘要……………………………Ⅰ

第一章研究背景及PLC系统概述……………………………………

（1）

1.1研究背景及PLC定义……………………………………………

（1）

1.2PLC特点………………………………………………

（2）

第二章简述供水公司工艺流程及滤池作用………………………（3）

2.1供水公司工艺流程………………………………………………（4）

2.2滤池的主要作用…………………………………………………（4）

2.3滤池控制策略…………………………………………………（5）

2.4液位控制………………………………………………………（6）

第三章滤池反冲洗系统…………………………………………………（7）

3.1反冲洗介绍…………………………………………………………（8）

3.2反冲洗制……………………………………………………………（9）

3.3滤格操作台设计……………………………………………………（9）

3.4滤池过滤控制设计…………………………………………（10）

3.5滤格反冲洗判断功能设计……………………………………（13）

3.6反冲洗水泵一步化启停设计………………………………（15）

3.7滤池设备故障检测和保护设计……………………………（18）

结论………………………………………………………………………（18）

结束语………………………………………………………………（19）

致谢………………………………………………………………………（19）

参考文献………………………………………………………………（20）

第一章绪论

1.1PLC定义及供水背景

PLC（ProgrammablelogicController）,是指以计算机技术为基础的新型工业装置。

在1987年国际电工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC下定义：

“PLC是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。

它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

PLC及其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。

”水对人类而言有着非同寻常的意义，不论是日常生活，还是工农业生产都离不开水。

特别是在现代社会中，人们不仅对水的需求量与日俱增，对水质的要求也越来越高。

人类对饮用水进行处理的历史十分悠久，超过了两千年。

但这是小规模、家庭型的处理，范围仅针对某个人或某个家庭。

而面向社会兴建水厂，工业化的集中处理水的历史还不到200年，特别是以快滤池为标志的现代水厂更只有110多年历史。

在我国，水厂的大规模建设是从解放后开始的，时间较短，但取得了卓越的成就。

目前各个城市都已兴建了自己的净水厂，基本普及了自来水。

而且，更加现代化的、大规模的新型水厂也在成批的建设中。

水厂和其它行业的工厂一样，自出现以来不断革新，不断现代化，生产能力、净化效果都不断提高。

日产百万吨以上优质自来水的超大型水厂也不罕见。

维持如此大规模的水厂正常运行，且要保证出厂水质，对处理工艺和自动化水平都提出了很高的要求。

水厂的处理工艺一百年来已经比较成熟，基本上是混凝沉淀、过滤和消毒。

混凝剂一般采用铝盐、铁盐。

利用凝聚原理去除原水中的悬浮颗粒。

再进行沉淀，过滤。

消毒一般采用氯化法。

近几十年，随着净水理论的发展，工艺设计和处理构筑物的形式不断变化，各类反应药剂也出现许多新的替代品，比如:

以高分子化合物作为混凝剂，臭氧或二氧化氯作为消毒剂等等。

不过，基本的工艺过程没有根本性改变。

相比之下，水厂的现代化更主要的表现在自动化监控系统上。

净水厂的生产过程采用自动化技术，不是单纯的为了节省人力，更主要的是加强各个生产环节的合理调度，保证水量、水压，提高水质，节约动力和投药量，消灭事故，积累运行资料，提高供水的可靠性和管理水平。

我国的净水厂自动化技术起步较晚，一度比较落后。

但在近二十年中，发展迅速，许多大城市的水厂也达到了较高的自动化程度[1]。

在各中小型水厂水质生产过程中，滤池处理过程的有效控制是保证水厂出厂水水质优劣及生产效率高低的关键因素。

在传统的滤池生产中，一般依靠人工操作进行生产，滤池正常的过滤时间以及滤池反冲洗各环节的时间和强弱都要依靠现场操作人员的经验进行调节。

由于受到人员素质及经验、环境温度、源水水质变化等各种复杂因素的影响，很难使出厂水水质长期稳定。

因此水厂滤池的自动化控制对于出厂水质优劣尤为重要。

为了更好地安全生产，实现水厂自动化控制，本课题希望通过研究PLC在水厂滤池控制系统中的实际应用，使通过PLC设计出的水厂滤池控制系统比传统水厂滤池控制系统具有更好的维护性和扩展性，提高水厂滤池控制系统的自动化水平，确保水厂供水更安全更可靠。

1.2PLC特点

第一、可靠性强，稳定性强

第二、功能完善，实用性强

第三、易学易用，深受欢迎

第四、系统的设计、建造工作量小，维护方便，改造容易

第五、体积小、重量轻、能耗低

第二章供水公司工艺流程及滤池作用

2.1工艺流程

进水泵-蓄水池-澄清池-过滤池-加药池-过滤池-澄清池-出水泵

（如图2-1）

图2-1工艺流程图

2.2滤池作用

水厂生产的基本工艺可分为加药、反应、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，相互之间间隔一定时间（24h），表示滤池工艺过程简图（如图2-2-1）

图2-2-1滤池工艺图

所谓滤池的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达到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、水洗两种清洗方式去除滤料层中的杂质，是滤池自净的工艺措施。

（如图2-2-2）

（如图2-2-2）滤池基本工艺结构简图

滤池的进水利用虹吸原理完成。

真空泵对进水虹吸管抽真空，当真空形成（虹吸管中空气全部排除）后，真空引水器及时准确地发出真空形成信号，进水成功。

从沉淀池来的经初步处理的原水进入滤池，经滤层过滤，从清水管经清水阀门去清水库。

水头损失仪由传感器和数显仪组成，传感器中压力接口与滤前水引管相接，差压接口与滤后清水管相接，不同水位差值得到相应的差压信号，经放大处理后由显示仪显示，即反应滤池实际水头损失值。

过滤层混浊时，相应水位压差增大，当水头损失到一定数值时，关闭清水阀门，滤层即用反冲水箱中的储水反冲。

滤池对反冲时产生的污水排水也是利用虹吸原理完成的，真空泵对排水回路抽真空，真空形成后排出。

　　根据工艺，滤池PLC控制要求为：

距上一次反冲结束6小时（该时间段可根据工艺要求修改）之间不进行反冲：

距上一次反冲结束6小时之外到24小时（该时间段亦可修改）之内，如水头损失值达到设定上限值时，启动该滤池反冲；距上次反冲结束24小时，则启动该滤池反冲。

多个滤池轮流反冲，反冲间隔时间控制反冲水箱自动上水至设定高水位在滤池正常下作时间内，系统自动调节清水阀门开启度，以保持滤池液位在一定高度。

2.3滤池控制策略

当滤池正常过滤的时候，其工艺要求就是要保持滤池水位的恒定以保证滤池有一个稳定的生化环境。

由于进水阀全开，瞬时进水量上下波动比较大，所以就需要通过控制滤后水阀的开启度，以达到滤池水位的恒定。

在如何确定滤后水阀开启度的方法上，传统控制和控制存在相当大的不同。

在传统的控制中，往往依靠操作人员的目测估计水位的高低，进而手动调整滤后水阀的开启度，达到水位的相对平稳，显然这种操作方式受各种因数的影响不能满足自动化和精度的要求；而在自动控制系统中，超声波水位计实时监测水位的变化，并传送回模拟数据，利用专门的回路控制闭环控制指令，通过算法确定出滤后水阀的开启度，再以此控制滤后水阀使滤池水位保持相对恒定。

当滤池正常生产一段时间之后，就需要对滤池进行反冲洗，以去除滤料层的杂质。

其步骤如下：

首先关闭进水阀，全开滤后水阀，将滤池水排空→当滤池水位降为的时候，关闭滤后水阀，打开排污阀，打开气洗阀，启动鼓风机进行气洗。

维关闭鼓风机，关闭气洗阀，打开水洗阀，对滤池进行水洗。

维持关闭水洗阀，并维持系统静止关闭排污阀，打开进水阀。

当滤池水位到时，打开滤后水阀，并根据滤池水位利用算法调节滤后水阀开启度。

2.4滤池液位控制

　　一般的液位控制，是对调节阀采用功能块进行控制，比较方便。

但自来水厂的情况有所不同，其对液位的要求不十分严格，允许存在相对较大的偏差。

因而从节约成本的角度出发，可以不使用调节阀，而采用开关阀作为清水阀来调节液位。

这意味着无法再使用功能块的输出来控制阀位，必须人工编写闭环控制程序，程序中通过控制开、关阀门的动作时间来控制阀门位置。

相应的电气要求是阀门开、关无连锁，开、关动作能随开、关命令的中断而中断。

据此设计的控制回路见图2-4。

图2-4控制回路图

来自液位计的AI采样信号作为反馈值与设定值比较，判断是否超出预定范围，若不在预定范围内，再进行液位升降判断，决定阀门是否动作。

当液位低于设定下限且仍在下降时，给出关阀命令，当液位高于设定上限且仍在上升时，给出开阀命令。

其它情况下，阀门不动作。

本框图在具体实现中有两个问题必须解决。

第一，清水阀由全开到全关的动作时间大约为18s，这对于液位升降的速度来说很短。

如果没有任何措施，则一旦给出开（关）阀命令，该阀会一直开（关）到底；第二，液位信号始终是波动的（尽管很小），这会影响对液位升降的判断，而当其在上、下限设定值附近波动时，更会造成PLC频繁给出开、关阀命令。

实际工程中，是通过两个定时器来解决的。

第一个定时器加在采样前，使采样从每扫描周期一次，变为每定时器周期一次。

只要定时时间设定足够长，便可消除波动影响。

第二个定时器加在开、关阀命令中，将每次开、关阀动作限制在较短的时间里。

另外，液位升降的判断是通过最新采样值与上一周期采样值相减得出的，因此编制程序时有必要将旧采样值保存

第三章滤池的反冲洗

3.1反冲洗介绍

滤池是水处理工艺中的重要环节，而滤池过滤能力的再生，是滤池稳定高效运行的关键。

若采用较好的反冲洗技术，使滤池经常处于最优条件下工作，不仅可以节水、节能、还能提高水质，增大滤层的截污能力，延长工作周期，提高产水量。

根据技术文件，本水厂采用气水反冲洗工艺，而气水反冲洗滤池采用了先进的气、水反冲洗这一技术。

因此其过滤周期比单纯水冲洗的过滤周期长，截污量要高，同时反冲洗水的耗量比单纯水冲洗的耗量少。

同时滤池在气冲洗时，由于用鼓风机将空气压入滤层，从而改善了滤池的过滤性能。

滤池包括冲洗泵房、8格均质滤料滤池，采用恒水位过滤，气水联合冲洗；均质滤料滤池反冲洗包括气冲、气水混冲和水冲。

冲洗水泵为3台，两用一备。

鼓风机为罗茨风机，数量2台，一用一备。

滤池阀门采用气动控制。

另外滤池系统还配置有液位计等测量仪表。

全套滤池系统组成

1.梅格滤池需要6只阀门，分别为进水闸板阀、排水闸板阀、出水调节蝶阀、水冲蝶阀、气冲蝶阀、排气阀各一个。

为了保证滤池过滤效果，使滤后水质达到国家标准，工艺上要求恒水位等速度过滤，4~20mA控制的连续调节阀门满足上述要求。

2.滤池的冲洗包括气冲、气水混冲、水冲，气冲的作用是打开沙泥结块，然后通过气水混冲及水漂洗将滤砂洗净，与普通快滤池相比较，气水反冲洗滤池的洗砂效果更好，同时，它的阀门也较多，正因为阀门多，阀门开闭的积累时间相应较长，为了缩短滤池的冲洗时间，动作灵敏的气动阀门是好的选择。

选用高质量的阀门时滤池运行的可靠保证。

3.鼓风机采用一用一备，反冲洗泵是两用一备。

气冲的时候是两台鼓风机运行，气水混冲的时候是一台鼓风机和一台冲洗泵运行，水漂洗的时候两冲洗泵运行。

滤池PLC管理控制鼓风机、冲洗泵及其出口阀门，及管理全部的滤池阀门，滤池PLC站下挂PLC子站，上接全厂控制系统网络

3.2反冲洗控制

　　滤池的反冲洗控制可分为两部分：

反冲洗启动和反冲洗过程的控制。

反冲洗启动有两种途径，一是由上位机下达反冲洗命令；二是当反冲洗条件满足时自动开始反冲洗。

　　反冲洗条件有二：

定时冲洗和根据水头损失情况冲洗。

这两个条件是并列的，只要满足一个，就必须进行反冲洗。

定时冲洗可以设置为具体时间，也可以按照过滤的运行时间来安排，即当滤池连续过滤一定时间后自动启动反冲洗。

本工程选用后者，在反冲洗结束、过滤开始的时候，启动一计时器，定时24h，时间到便开始反冲洗程序。

水头损失反冲洗可以这样设计：

在液位控制中，如果清水阀已开到最大，就把采样液位与预先设置的水头损失液位比较，如果超出，再看液位是否上升，如果是，则条件满足，启动反冲洗　如图3-2反冲洗过程说明。

　　如图3-2反冲洗过程说明

　　反冲洗过程比较繁琐，有一系列开、关阀门，开、关风机，开、关水泵的命令，大致过程如下：

关进水阀，液位降低到一定程度后关清水阀，再打开排水阀及气冲阀，之后开鼓风机气冲（时间可调），水冲阀在鼓风机启动后打开，再启动一台反冲洗泵，作气水冲（时间可调），气冲结束，关鼓风机、气冲阀，再打开第二台泵，仅作水冲（时间可调）。

结束时，先关反冲洗泵，再关水冲阀，最后关排水阀。

反冲洗完毕，打开进水阀开始过滤。

在编制梯形图时，对开、关阀门的条件必须严格限制，避免错误的、不适时机的开、关阀门命令。

大量的阀门故障，计时校验等报警也必不可缺。

其中两个报警更需要特别处理。

其一是反冲洗中的关清水阀故障，除报警外，如果短时间内无法排除故障，就要重新打开进水阀否，则液位一直下降会使砂面暴露；其二是鼓风机或水冲泵停止后关气冲阀或水冲阀的故障。

该故障发生后，应允许反冲洗结束后进入过滤，但却不允许其它滤格进行反冲洗。

反冲洗中的鼓风机、水泵都只有一套，为多个滤格共用，因而单个滤格的手动命令必须在鼓风机、水泵控制命令中有所体现，避免出现滤格切换到手动后，机或水泵仍处于运行状态，导致事故发生

3.3滤格操作台设计

每格滤池配置一台人性化设计的琴式操作台，每个操作台内配置一台小型PLC，在自动过滤和反冲洗时对滤格的阀门进行控制，并与反冲洗PLC交换信息。

操作台在PLC出故障或调试时进行手动过滤和反冲洗控制。

保证在PLC出故障的情况下仍能进行过滤和反冲洗。

对某一滤格进行操作时可以看到其阀门的状态、调节阀的开度、滤格的水位等信息。

该控制柜包括：

滤后水阀门开度指示和故障指示

滤格的水位

滤格手动/自动转换开关

滤后水调节阀控制器（可手动调节）

进水阀开关，开到位、关到位、故障指示灯

排水阀开关，开到位、关到位、故障指示灯

排气阀开关，开到位、关到位、故障指示灯

反冲洗气阀开关，开到位、关到位、故障指示灯

反冲洗水阀开关，开到位、关到位、故障指示灯

每台反冲洗泵手动/自动转换开关

反冲洗水泵开关，运行、停止、故障指示灯

每台鼓风机手动/自动转换开关

反冲洗鼓风机开关，运行、停止、故障指示灯

考虑到滤池控制室比较潮湿，加之水中散发出的氯气对电器设备的元器件有一定的腐蚀作用。

因此选用保护等级较高的进口的琴台式操作柜。

该控制柜应用在很多工程中，均收到很好的效果，操作简单、方便、可靠性很高，深受用户的欢迎。

3.4滤池过滤控制设计

滤池过滤控制分为就地/遥控两种。

在操作台通过按钮开关对滤池每个阀门进行开/关控制、通过手操器对滤后水调节阀进行手动调节和自动调节。

在上位机电脑上能开启滤池过滤或停止自动过滤。

滤池的开启或停止由原水流量计计算滤池的开启个数，具有开启或停止哪个池由先开先停队列决定。

（1）自动控制过程

在自动过滤状态下，滤池在过滤过程中，PLC依据水位传感器测得的滤池水位的变化，调节滤池出水阀的开度，以保证滤池水位恒定。

以滤池水位作反馈，用PID调节控制滤后水调节阀门开度。

调节周期大于1分钟，水位调节范围小于10mm，调节过程不受滤料堵塞程度和滤池进水量变化和影响。

（2）中控人工过滤控制

在选中的中控人工过滤，通过人工输入滤后水阀开度（%）对过滤后水阀门进行调节控制。

（3）就地自动过滤控制

利用就地控制柜中的手操器，将水位信号引入到手操器中，利用手操器的控制功能对滤后水调节阀进行自动调节控制。

该方式我们在很多工程中采用，效果很好。

该方式可以独立于PLC，即在PLC不工作的情况下仍能保证正常的恒水位过滤，使用十分方便，可靠。

（4）人工就地手动过滤控制

在手动方式下，通过就地集中控制柜上的按钮对阀门进行开/关控制，通过手操器的按钮对滤后水阀进行开度调节，以此来实现人工过滤。

恒水位控制专家软件用以滤格PLC根据采集的滤格实时水位，完成滤格水位的自动控制，对控制过程的设备故障实现故障检测判断和保护，完成滤格水位的超限报警，在运行过程中逐步优化出滤池运行的最佳参数，实现滤