PLC控制的水处理系统.docx
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PLC控制的水处理系统
摘要
供水是一个关系国计民生的重要产业。
供水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，滤池运行的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。
本文从水厂滤池自动控制系统的控制要求和工艺特点出发，设计出了一套基于PLC硬件和软件系统的水厂滤池自动控制系统。
在滤池正常过滤时，通过PLC控制控制各个阀门的关停。
而在系统接收到反冲洗信号时，本系统在设计上就主控PLC如何更好的与现场PLC协调控制滤池的反冲洗方案进行了对比并且做了优化，增强了控制思路的清晰性，达到了预期的控制效果。
根据系统的控制要求，进行了硬件设备的选型，设计了控制系统硬件配置图、I/O模块接线图，并编写了实现控制算法的程序。
关键词水厂滤池，反冲洗,可编程逻辑控制器，自动控制
Abstract
Watersupplyisanimportantindustryforthepeople'slivelihood.Notonlytomeettheneedsofthepipelinenetworkpressureandtoensureadequatewatersupply,butalsocalledfortheimprovementofwaterquality.Astoconventionalwatertreatmentplant,filteristhelaststructuresofwaterpurificationprocesses,filterrunadirectimpactonwaterquality.Theprocessoffilterbackwashiscomplexity,ifstillusedinmanually,labor-intensive,lowproductivity,soitisdifficulttoensurethesafetyofthissystemanditmustbetransformedtoautomaticsystems.
Inthispaper,asaviewoftheautomaticcontrolsystemforthewaterplantfilterrequirementsandprocesscharacteristics,theautomaticcontrolsystemforthewaterplantdesignofasetofhardwareandsoftwarebasedonthePLCsystemhasbeenaccomplished.Wheninthenormalfiltrateperiod,weusethePLCmakeeveryvalveopenandclose.inordertokeeptheconstantlevel,designedthePIDfilterlevelcontrolsystemwhichisbasedonthewaterflowparameters.Whenreceivesbackwashingsignals,thecontrolsystemonhowtoenhancecoordinationbetweenmasterPLC
andon-sitePLC,hasbeencomparedandoptimized.
Accordingtorequirementsofthedesignedcontrolsystem,theselectionofhardwaredevices,hardwareconfiguration,I/Omodulewiringdiagram,proceduresfortherealizationofcontrolalgorithmhavebeenaccomplished.
Keywordswaterplantfilter，backwashing，PLC，autocontrol
1绪论
1．1课题研究背景
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和自动化操作性，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。
1.2课题研究内容
1.2.1研究现状
早期的水厂控制是单元式的。
根据需要，各个工艺环节建立独立的控制设施。
这些设施可以一次建成，也可以分别建设，相互之间没有联系。
每个环节根据自身的情况进行工作，只能解决该环节局部的控制调节问题，环节之间的协调是难以自动实现的，需要人工加以干预。
这属于分散式控制。
以后随着计算机及控制技术的发展，出现了集中式控制形式，由中心控制室的一台计算机系统对各个环节的参数进行巡回检测、数据处理、控制运算，然后发出控制信号，直接控制被控对象。
一台计算机往往同时控制多个回路，即多个水处理工艺环节。
在这种控制系统中，集中检测、控制运算工作量大，要求计算机功能强大，有很高的可靠性。
一旦控制系统出现故障，整个系统就都会陷于瘫痪。
进入70年代以来，以微处理器为核心的各种控制设备发展迅速，使得控制系统的形式也发生了相应的变化，结构组成种类很多。
当前水厂采用的自动控制系统的结构形式，从自控的角度可以划分为SCADA系统、DCS系统、IPC+PLC系统、总线式工业控制机构成的系统等。
IPC+PLC系统是由工业计算机（IPC）和可编程序控制器（PLC）组成。
在国内水厂自动化中得到最广泛的应用。
该系统的优点是：
（1）可以实现分级分布控制。
（2）可以实现“集中管理、分散控制”的功能，将危险分散，大大提高了系统的可靠性。
（3）组网方便。
硬件系统配置简洁，很容易在网络中增减PLC控制器，来实现扩展网络的目的。
（4）编程方便，开发周期短，维护方便。
由于应用程序采用梯形图或顺序功能图编辑，编程和维护方便。
（5）系统内的配置和调整非常灵活。
（6）与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化。
当前水厂采用最多的控制系统是IPC+PLC系统。
该系统近年发展迅速，已经与DCS系统的功能相近，特别是同样具有分级分布控制、实现集中管理，分散控制的功能，往往从水处理工艺控制的角度也将此系统称为集散式系统。
国外自70年代起开始了供水系统自动控制的研究与应用工作。
尤其是自80年代以来，微电子等现代科技高速发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展与完善，相应地推动供水系统的自动监控技术有了质的飞跃。
加之西方发达国家雄厚经济实力与技术基础，供水系统的自动监控已得到普遍应用。
一些水厂己实现全自动运行，能对生产工艺的各个环节连续自动地监测、调节、记录、报警等等[3]。
我国自80年代中后期起，陆续有一些较大型的水厂利用外资建设，同时引进了成套的水厂现代化监控仪表与设备。
我国在水厂关键环节混凝投药控制技术与设备方面实现了流动电流及透光率脉动两种凝控制设备的国产化，并在水厂获得推广应用，取得显著效果，在此方面已居于国际领先水平。
水工业的一些专用检测仪表与设备，如在线检测浊度仪、计量投加泵等，也有一些厂家开始生产，但是质量水平与国外产品相比仍有距离，难以满足国内市场需要。
我国大多数水厂的监控技术仍是很落后的，基本以人工方式为主，很难适应现代化的要求，一些水厂（包括有些引进设备的水厂）的自动监控基本照搬西方的模式，虽然采用了庞大的自动化系统、投资很大，然而在一些关键环节上的调节功能并不强。
这种模式并不适应我国相当多的水厂原水水质变化大而快的情况，而谈不上保证水处理系统运行优化，结果水质保证率低，而运行费用高。
这些自动监控系统并不完全符合提高水厂技术经济效益这一根本目的。
针对我国的技术经济条件，不同规模水厂迫切需要解决的问题有所不同。
近年来建设的较大型的、自动监控水平较高的水厂需要认真总结应用经验，并向优化运行方面发展，为这类水厂自动监控技术的进步提供借鉴与指导。
对于众多的中小水厂，经济条件有限，应在坚持国产化、实用化的原则下，着重发展那些对供水质量、运行费用有重要影响的工艺环节（水厂滤池的过滤环节等）的自动监控技术与设备，建立规模适宜、自动化水平相对较高、运营成本较低的符合自身发展水平的自动监控系统。
1.2.2研究内容
滤池反冲洗自控技术是净水处理的重要环节，如果控制不好，就不能达到预定的水质要求。
采用哪一种滤池反冲技术是滤池自控技术中的研究内容。
单一水反冲洗技术己沿用多年，由于该方法具备操作单一和设备简单等特点，在我国得到了广泛应用。
但实践证明该技术是一种相对落后的反冲洗方式。
该法耗水量较大，剪切、碰撞及摩擦作用较弱，难以完全消除滤料上的泥球及结块现象，也给
过滤带来许多弊端。
由于传统的水反冲洗技术存在一些问题，众多学者通过不断探索和研究，开发了气、水反冲洗技术。
目前，国内外气水反冲洗有3种运行方式：
一是先气洗，再用低流量水反冲洗；二是先气、水同时反冲洗，再用低流量水反冲洗；三是先气洗，再气、水同时反冲洗，最后用水漂洗。
本课题主要设计的是基于PLC控制的滤池过滤和自动反冲洗过程的江水净化处理，主要内容是首先在分析系统功能的基础上确定系统的被控参数和控制参数，明确系统的总体控制方案，制定整体的工艺控制流程图，进而确定系统所需的硬件设备。
其次，根据所选择的硬件设备，确定plc的硬件选择。
最后，完成过滤和自动反冲洗过程功能的软件的编程实现，完成自动反冲洗过程。
1.3研究的目的和意义
1.3.1研究的目的
改革开放以来，我国人民的生活水平逐步提高，饮用水的质受到越来越多的关注，自来水厂的处理工艺要求也不断提高，与之相反的是水源水质却每况愈下，如何保证水厂出厂水质达标，水处理过程的每一个环节都很重要。
滤池是自来水厂处理工序中最为关键的环节之一，它运行质量的好坏可决定一个水厂生产质量的好与坏，并对全水厂的生产成本、效能产生重大影响。
滤池最大的特点是控制运行参数多，阀门位置分散，环境恶劣。
因此为了做到安全可靠的生产，应采用自动控制系统。
1.3.2研究的意义
采用可编程控制器进行水厂滤池的自动化控制，可以缩短设计周期，并便于安装调试，对于水厂这样的不便于停产的生产单位来讲，这一点是尤其重要的。
由于PLC自动控制的灵活性，可在现场改变某些工艺参数和动作顺序，增加系统的功能，并取代传统的继电器控制，使设备运行更加平稳、可靠，自动，提高了经济效益。
被控对象简介
河水处理是提供工业或民用水的常用方法，处理过程是通过滤池过滤。
滤池工作一定时间冰要进行反冲洗，反冲洗过程要求按一定的时序控制风机的启停及各类阀门的开关，阀门动作顺序要求严格。
我的题目是：
某水源工程一期设
计2个滤池，每个滤池有6个控制阀，而滤池的反冲洗过程要求同一时间不
能有两个滤池同时冲洗，采用手动控制时工人的劳动强度大，难免出现误动作，对此特定的过程选用可编程序控制器进行控制。
滤池反冲洗时间程序见下表。
根据下面的时间顺序时间表进行编程实现程序表的各个阀门的先后动作，在动作的同时每个阀门都可以手动开启、关闭，而且每个阀门在动作的时候，不论是开启与关闭的时候，每个阀门上都有检测装置即传感器，在阀门收到信号后，没发生动作活误动作就会启动报警装置使系统停止工作回到原来的状态。
在每个过程中每个阀门的状态不允许改变，如果在每个阶段中有动作后的阀门误动作，也会发生报警，使系统停止并复位。
3可编程逻辑控制器PLC简介
3.1可编程控制器的定义
可编程控制器简称PC（英文全称：
ProgrammableController），它经历了可编程序矩阵控制器PMC、可编程序顺序控制器PSC、可编程序逻辑控制器PLC（英文全称：
ProgrammableLogicController）和可编程序控制器PC几个不同时期。
为与个人计算机（PC）相区别，现在仍然沿用可编程逻辑控制器这个老名字。
1987年国际申工委员会（InternationalElectricalCommittee）颁布的PLC标准草案中对PLC做了如下定义：
“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。
”
3.2PLC的基本构成
3.2.1概述
从结构上分，PLC分为固定式和组合式（模块式）两种。
固定式PLC包括CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，这些元素组合成一个不可拆卸的整体。
模块式PLC包括CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架，这些模块可以按照一定规则组合配置。
PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：
3.2.2输入输出接口电路（I/O模块）
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
输入模块将电信号变换成数字信号进入PLC系统，输出模块相反。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。
2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。
常用的I/O分类如下：
开关量：
按电压水平分，有220VAC、110VAC、24VDC，按隔离方式分，有继电器隔离和晶体管隔离。
模拟量：
按信号类型分，有电流型（4-20mA,0-20mA）、电压型（0-10V,0-5V,-10-10V）等，按精度分，有12bit,14bit,16bit等。
除了上述通用IO外，还有特殊IO模块，如热电阻、热电偶、脉冲等模块。
按I/O点数确定模块规格及数量，I/O模块可多可少，但其最大数受CPU所能管理的基本配置的能力，即受最大的底板或机架槽数限制。
3.2.3功能模块
如计数、定位等功能模块
3.2.4通信模块
如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等
3.2.5编程设备
编程器是PLC开发应用、监测运行、检查维护不可缺少的器件，用于编程、对系统作一些设定、监控PLC及PLC所控制的系统的工作状况，但它不直
参与现场控制运行。
小编程器PLC一般有手持型编程器，目前一般由计算机（运行编程软件）充当编程器。
可靠性高，抗干扰能力强
3.3PLC的优点
1硬件配套齐全，功能完善，适用性强
PLC用软件代替大量的中间继电器和时间继电器，仅剩下与输入和输出有关的少量硬件，接线可减少到继电器控制系统的1/10~1/100，因触点接触不良造成的故障大为减少。
高可靠性是电气控制设备的关键性能。
PLC由于采用现代大规模集成电路技术，采用严格的生产工艺制造，内部电路采取了先进的抗干扰技术，具有很高的可靠性。
例如三菱公司生产的F系列PLC平均无故障时间高达30万小时。
一些使用冗余CPU的PLC的平均无故障工作时间则更长。
从PLC的机外电路来说，使用PLC构成控制系统，和同等规模的继电接触器系统相比，电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一，故障也就大大降低。
此外，PLC带有硬件故障自我检测功能，出现故障时可及时发出警报信息。
在应用软件中，应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序，使系统中除PLC以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。
这样，整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。
PLC发展到今天，已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品，并且已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。
PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。
PLC有较强的带负载能力，可直接驱动一般的电磁阀和交流接触器，可以用于各种规模的工业控制场合。
除了逻辑处理功能以外，现代PLC大多具有完善的数据运算能力，可用于各种数字控制领域。
近年来PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制、CNC等各种工业控制中。
加上PLC通信能力的增强及人机界面技术的发展，使用PLC组成各种控制系统变得非常容易。
2容易改造
系统的设计、安装、调试工作量小，维护方便，容易改造
PLC的梯形图程序一般采用顺序控制设计法。
这种编程方法很有规律，很容易掌握。
对于复杂的控制系统，梯形图的设计时间比设计继电器系统电路图的时间要少得多。
PLC用存储逻辑代替接线逻辑，大大减少了控制设备外部的接线，使控制系统设计及建造的周期大为缩短，同时维护也变得容易起来。
更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。
这很适合多品种、小批量的生产场合。
3体积小，重量轻，能耗低
以超小型PLC为例，新近出产的品种底部尺寸小于100mm，仅相当于几个继电器的大小，因此可将开关柜的体积缩小到原来的1/2~1/10。
它的重量小于150g，功耗仅数瓦。
由于体积小很容易装入机械内部，是实现机电一体化的理想控制设备。
4系统总体方案的设计
4.1滤池自控方案及总体结构的实现
下面是气水反冲洗滤池的设计简图
图4.1反冲洗滤池简图
根据本滤池的结构，考虑到自动控制方式的先进性，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）用PLC控制两个滤池使其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，以保证每个滤池按生产工艺的要求自动运行。
（3）2个滤池的反冲洗，由一台PLC控制。
每个阀门都应有手动开启，关闭。
并有两个传感器检测开关位置
（4）整个系统安装一个报警装置，
该软件具有功能：
1滤池有自动反冲洗功能。
②每个阀门都有手动开启关闭。
③可实现自动报警功能，即在任何一个阀门手到信号时没有动作或没有完全打开或关闭，或在没有信号时既在一个工作过程之内某个阀门误动作都可以自动报警，同时将系统复位。
4.2总体方案设计论证
由滤池反冲洗时间程序可以看出每个阀门的动作如下;
0分钟以前进水阀处于开启的状态，出水阀开启状态，其余的阀门处在关闭的状态，在这时接收到电信号既总开关信号，这时关闭进水阀。
反冲洗开始，这个状态保持十分钟进行重力过滤。
十分钟结束后，将出水阀关闭，同时开启气路阀，这时气冲洗阶段开始，设定气冲洗时间为四分钟，在四分钟内同样保持这个状态，四分钟之后开启反冲阀关闭气路阀，水冲洗阶段开始，同样谁冲洗阶段持续四分钟，在第十八分钟的时候关闭反冲阀和气路阀关闭，同时开启排气阀进行排气。
接下来开启出水阀，这时江水便处理完成排除清水，排气一分钟关闭排气阀，接下来池2工作，池2的工作方式与池一完全相同。
这就是反冲洗池的工作方式，由此可见这种工作方式就是单一的顺序动作和延时工作流程，这种工作流程用我们学习的200PLC就可以实现动作，延时工艺就可以100ms时间继电器来完成。
本设计很关键的一个部分就是故障检测报警。
现在学习到的PLC故障检测法有两种；
1:
时间故障检测法
控制系统共组、做中个正步动作时间都有严格规定。
如果某个工作步骤超出了这个时间，工作循环无法跳入下一个工步，就可以在工作的这个时间加上一个时间继电器，在工作到预定时间出现差错，这时加的时间继电器还在继续工作，如果到了这个时间还没动作加上的时间继电器就工作进行报警。
2:
逻辑故障检测法
PLC在正常工作情况下，各种输入输出信号中间记忆装置之间存在着确定的逻辑关系，如果这种逻辑关系被打乱，出现了异常的逻辑关系，那么就必然出现了逻辑故障，此时PLC应停止执行正确的程序进行报警。
说以利用时间故障将侧和逻辑故障检测共同工作就可以实先系统所要求的报警功能。
我我用一台PLC控制两个水池，未来实现报警功能，可以在每个阀门上安装上传感器，用传感器的信号作为输入量，就可以对每个阀门的状态经行监控，下面是硬件接线图
图4.2PLC硬件接线图
4.3系统硬件配置说
4.3.1PLC型号的选择
由于本方案控制输入端口个数较多所以根据要求我选择了S7-200PLC中的CUP226型号的机器，S7-200PLC是一种小型的PLC，它有5种CPU模块，最多可以扩展7个扩展模块，扩展到248点数字量I/O或者38路模拟量I/O，最多有30多KB的程序存储空间，集成了6个有12种工作模式的高速计数器和两点高速脉冲发生器脉冲宽度调制器，所以本方案适合选择S7-200PLCCPU226型号的PLC作为主控制器，该型号的PLC共14入2个出共24个I/O点。
从I/O点分配方面来说很适合本设计要求。
4.3.2PLC输入／输出分配
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