基于PLC設(shè)計(jì)出的水廠濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)畢業(yè)論文

山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 摘要摘 要供水是一個(gè)關(guān)系國計(jì)民生的重要產(chǎn)業(yè)。供水不僅要滿足管網(wǎng)壓力的需要、保證充足供水，還要求水質(zhì)明顯提高。濾池是水廠常規(guī)處理凈水構(gòu)筑物的最后一道工序，濾池運(yùn)行的好壞直接影響到水廠的出水水質(zhì)。濾池反沖洗工藝復(fù)雜，如果仍然沿用人工方式，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，安全性難以保障，為此必須進(jìn)行濾池自動(dòng)化系統(tǒng)的改造。本文從水廠濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制要求和工藝特點(diǎn)出發(fā)，設(shè)計(jì)出了一套基于 ControlLogix 硬件和軟件系統(tǒng)的水廠濾池自動(dòng)控制系統(tǒng)。在濾池正常過濾時(shí)，為實(shí)現(xiàn)恒水位過濾，設(shè)計(jì)了以出水流量為控制參數(shù)的濾池液位 PID 控制系統(tǒng)。而在系統(tǒng)接收到反沖洗信號時(shí)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上就主控PLC 如何更好的與現(xiàn)場 PLC 協(xié)調(diào)控制濾池的反沖洗方案進(jìn)行了對比并且做了優(yōu)化，增強(qiáng)了控制思路的清晰性，達(dá)到了預(yù)期的控制效果。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，進(jìn)行了硬件設(shè)備的選型，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)硬件配置圖、I/O 模塊接線圖，并編寫了實(shí)現(xiàn)控制算法的程序。關(guān)鍵詞：水廠濾池，恒水位 PID 控制，自動(dòng)反沖洗，協(xié)調(diào)控制山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 ABSTRACT ABSTRACTWater supply is an important industry for the peoples livelihood. Not only to meet the needs of the pipeline network pressure and to ensure adequate water supply, but also called for the improvement of water quality. As to conventional water treatment plant, filter is the last structures of water purification processes, filter run a direct impact on water quality. The process of filter backwash is complexity, if still used in manually, labor-intensive, low productivity, so it is difficult to ensure the safety of this system and it must be transformed to automatic systems.In this paper, as a view of the automatic control system for the water plant filter requirements and process characteristics, the automatic control system for the water plant design of a set of hardware and software based on the ControlLogix system has been accomplished. When in the normal filtrate period,in order to keep the constant level, designed the PID filter level control system which is based on the water flow parameters. When receives backwashing signals, the control system on how to enhance coordination between master PLCand on-site PLC, has been compared and optimized. According to requirements of the designed control system, the selection of hardware devices, hardware configuration, I/O module wiring diagram, procedures for the realization of control algorithm have been accomplished.Keywords: water plant filter, constant water level on PID control, automatic backwashing, coordinated control 山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄目錄1 緒論 .111 課題研究背景 .11.2 課題研究內(nèi)容 .21.3 研究的目的和意義 .52 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) .72.1 系統(tǒng)分析 .72.2 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) .123 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) .273.1 濾池實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需的設(shè)備 .273.2 傳感器和執(zhí)行器的選擇 .333.3 系統(tǒng)的硬件配置及 I/O 連接圖 .393.4 控制參數(shù)整定 .434 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) .474.1 軟件總體方案的設(shè)計(jì) .474.2 控制方案程序 .495 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .615.1 組態(tài)王 6.52 簡介 .615.2 監(jiān)控界面的設(shè)計(jì) .61結(jié)束語 .72山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 目錄參考文 獻(xiàn) .73致 謝 .74附錄 .75山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論11 緒論11 課題研究背景水對人類而言有著非同尋常的意義，不論是日常生活，還是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都離不開水。特別是在現(xiàn)代社會(huì)中，人們不僅對水的需求量與日俱增，對水質(zhì)的要求也越來越高。人類對飲用水進(jìn)行處理的歷史十分悠久，超過了兩千年。但這是小規(guī)模、家庭型的處理，范圍僅針對某個(gè)人或某個(gè)家庭。而面向社會(huì)興建水廠，工業(yè)化的集中處理水的歷史還不到 200 年，特別是以快濾池為標(biāo)志的現(xiàn)代水廠更只有 110 多年歷史。在我國，水廠的大規(guī)模建設(shè)是從解放后開始的，時(shí)間較短，但取得了卓越的成就。目前各個(gè)城市都已興建了自己的凈水廠，基本普及了自來水。而且，更加現(xiàn)代化的、大規(guī)模的新型水廠也在成批的建設(shè)中。水廠和其它行業(yè)的工廠一樣，自出現(xiàn)以來不斷革新，不斷現(xiàn)代化，生產(chǎn)能力、凈化效果都不斷提高。日產(chǎn)百萬噸以上優(yōu)質(zhì)自來水的超大型水廠也不罕見。維持如此大規(guī)模的水廠正常運(yùn)行，且要保證出廠水質(zhì)，對處理工藝和自動(dòng)化水平都提出了很高的要求。水廠的處理工藝一百年來已經(jīng)比較成熟，基本上是混凝沉淀、過濾和消毒?；炷齽┮话悴捎娩X鹽、鐵鹽。利用凝聚原理去除原水中的懸浮顆粒。再進(jìn)行沉淀，過濾。消毒一般采用氯化法。近幾十年，隨著凈水理論的發(fā)展，工藝設(shè)計(jì)和處理構(gòu)筑物的形式不斷變化，各類反應(yīng)藥劑也出現(xiàn)許多新的替代品，比如:以高分子化合物作為混凝劑，臭氧或二氧化氯作為消毒劑等等。不過，基本的工藝過程沒有根本性改變。相比之下，水廠的現(xiàn)代化更主要的表現(xiàn)在自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)上。凈水廠的生產(chǎn)過程采用自動(dòng)化技術(shù)，不是單純的為了節(jié)省人力，更主要的山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論2是加強(qiáng)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的合理調(diào)度，保證水量、水壓，提高水質(zhì)，節(jié)約動(dòng)力和投藥量，消滅事故，積累運(yùn)行資料，提高供水的可靠性和管理水平。我國的凈水廠自動(dòng)化技術(shù)起步較晚，一度比較落后。但在近二十年中，發(fā)展迅速，許多大城市的水廠也達(dá)到了較高的自動(dòng)化程度 1。在各中小型水廠水質(zhì)生產(chǎn)過程中，濾池處理過程的有效控制是保證水廠出廠水水質(zhì)優(yōu)劣及生產(chǎn)效率高低的關(guān)鍵因素。在傳統(tǒng)的濾池生產(chǎn)中，一般依靠人工操作進(jìn)行生產(chǎn)，濾池正常的過濾時(shí)間以及濾池反沖洗各環(huán)節(jié)的時(shí)間和強(qiáng)弱都要依靠現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于受到人員素質(zhì)及經(jīng)驗(yàn)、環(huán)境溫度、源水水質(zhì)變化等各種復(fù)雜因素的影響，很難使出廠水水質(zhì)長期穩(wěn)定。因此水廠濾池的自動(dòng)化控制對于出廠水質(zhì)優(yōu)劣尤為重要。為了更好地安全生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)水廠自動(dòng)化控制，本課題希望通過研究PLC 在水廠濾池控制系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用，使通過 PLC 設(shè)計(jì)出的水廠濾池控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)水廠濾池控制系統(tǒng)具有更好的維護(hù)性和擴(kuò)展性，提高水廠濾池控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，確保水廠供水更安全更可靠。1.2 課題研究內(nèi)容1.2.1 研究現(xiàn)狀早期的水廠控制是單元式的。根據(jù)需要，各個(gè)工藝環(huán)節(jié)建立獨(dú)立的控制設(shè)施。這些設(shè)施可以一次建成，也可以分別建設(shè)，相互之間沒有聯(lián)系。每個(gè)環(huán)節(jié)根據(jù)自身的情況進(jìn)行工作，只能解決該環(huán)節(jié)局部的控制調(diào)節(jié)問題，環(huán)節(jié)之間的協(xié)調(diào)是難以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，需要人工加以干預(yù)。這屬于分散式控制。以后隨著計(jì)算機(jī)及控制技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了集中式控制形式，由中心控制室的一臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)進(jìn)行巡回檢測、數(shù)據(jù)處理、控制運(yùn)算，然后發(fā)出控制信號，直接控制被控對象。一臺計(jì)算機(jī)往往同時(shí)控制多個(gè)回路，即多個(gè)水處理工藝環(huán)節(jié)。在這種控制系統(tǒng)中，集中檢測、控山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論3制運(yùn)算工作量大，要求計(jì)算機(jī)功能強(qiáng)大，有很高的可靠性。一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)就都會(huì)陷于癱瘓 2。進(jìn)入70年代以來，以微處理器為核心的各種控制設(shè)備發(fā)展迅速，使得控制系統(tǒng)的形式也發(fā)生了相應(yīng)的變化，結(jié)構(gòu)組成種類很多。當(dāng)前水廠采用的自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，從自控的角度可以劃分為SCADA系統(tǒng)、DCS系統(tǒng)、IPC+PLC 系統(tǒng)、總線式工業(yè)控制機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)等。IPC+PLC系統(tǒng)是由工業(yè)計(jì)算機(jī)(IPC)和可編程序控制器(PLC)組成。在國內(nèi)水廠自動(dòng)化中得到最廣泛的應(yīng)用。該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：(1)可以實(shí)現(xiàn)分級分布控制。(2)可以實(shí)現(xiàn)“集中管理、分散控制”的功能，將危險(xiǎn)分散，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。(3)組網(wǎng)方便。硬件系統(tǒng)配置簡潔，很容易在網(wǎng)絡(luò)中增減PLC控制器，來實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的目的。(4)編程方便，開發(fā)周期短，維護(hù)方便。由于應(yīng)用程序采用梯形圖或順序功能圖編輯，編程和維護(hù)方便。(5)系統(tǒng)內(nèi)的配置和調(diào)整非常靈活。(6)與工業(yè)現(xiàn)場信號直接相連，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。當(dāng)前水廠采用最多的控制系統(tǒng)是IPC+PLC系統(tǒng)。該系統(tǒng)近年發(fā)展迅速，已經(jīng)與DCS系統(tǒng)的功能相近，特別是同樣具有分級分布控制、實(shí)現(xiàn)集中管理，分散控制的功能，往往從水處理工藝控制的角度也將此系統(tǒng)稱為集散式系統(tǒng)。國外自70年代起開始了供水系統(tǒng)自動(dòng)控制的研究與應(yīng)用工作。尤其是自80年代以來，微電子等現(xiàn)代科技高速發(fā)展，水工業(yè)專用檢測儀表與裝備不斷發(fā)展，水工業(yè)專用檢測儀表與裝備不斷發(fā)展與完善，相應(yīng)地推動(dòng)供水系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)有了質(zhì)的飛躍。加之西方發(fā)達(dá)國家雄厚經(jīng)濟(jì)實(shí)力山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論4與技術(shù)基礎(chǔ)，供水系統(tǒng)的自動(dòng)監(jiān)控已得到普遍應(yīng)用。一些水廠己實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，能對生產(chǎn)工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)連續(xù)自動(dòng)地監(jiān)測、調(diào)節(jié)、記錄、報(bào)警等等 3。我國自80年代中后期起，陸續(xù)有一些較大型的水廠利用外資建設(shè)，同時(shí)引進(jìn)了成套的水廠現(xiàn)代化監(jiān)控儀表與設(shè)備。我國在水廠關(guān)鍵環(huán)節(jié)混凝投藥控制技術(shù)與設(shè)備方面實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)電流及透光率脈動(dòng)兩種凝控制設(shè)備的國產(chǎn)化，并在水廠獲得推廣應(yīng)用，取得顯著效果，在此方面已居于國際領(lǐng)先水平。水工業(yè)的一些專用檢測儀表與設(shè)備，如在線檢測濁度儀、計(jì)量投加泵等，也有一些廠家開始生產(chǎn)，但是質(zhì)量水平與國外產(chǎn)品相比仍有距離，難以滿足國內(nèi)市場需要。我國大多數(shù)水廠的監(jiān)控技術(shù)仍是很落后的，基本以人工方式為主，很難適應(yīng)現(xiàn)代化的要求，一些水廠(包括有些引進(jìn)設(shè)備的水廠)的自動(dòng)監(jiān)控基本照搬西方的模式，雖然采用了龐大的自動(dòng)化系統(tǒng)、投資很大，然而在一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)上的調(diào)節(jié)功能并不強(qiáng)。這種模式并不適應(yīng)我國相當(dāng)多的水廠原水水質(zhì)變化大而快的情況，而談不上保證水處理系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，結(jié)果水質(zhì)保證率低，而運(yùn)行費(fèi)用高。這些自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)并不完全符合提高水廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益這一根本目的 4。針對我國的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，不同規(guī)模水廠迫切需要解決的問題有所不同。近年來建設(shè)的較大型的、自動(dòng)監(jiān)控水平較高的水廠需要認(rèn)真總結(jié)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，并向優(yōu)化運(yùn)行方面發(fā)展，為這類水廠自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)的進(jìn)步提供借鑒與指導(dǎo)。對于眾多的中小水廠，經(jīng)濟(jì)條件有限，應(yīng)在堅(jiān)持國產(chǎn)化、實(shí)用化的原則下，著重發(fā)展那些對供水質(zhì)量、運(yùn)行費(fèi)用有重要影響的工藝環(huán)節(jié)（水廠濾池的過濾環(huán)節(jié)等）的自動(dòng)監(jiān)控技術(shù)與設(shè)備，建立規(guī)模適宜、自動(dòng)化水平相對較高、運(yùn)營成本較低的符合自身發(fā)展水平的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。1.2.2 研究內(nèi)容濾池自控技術(shù)是凈水處理的重要環(huán)節(jié)，如果控制不好，就不能達(dá)到預(yù)山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論5定的水質(zhì)要求。采用哪一種濾池反沖技術(shù)是濾池自控技術(shù)中的研究內(nèi)容。單一水反沖洗技術(shù)己沿用多年，由于該方法具備操作單一和設(shè)備簡單等特點(diǎn)，在我國得到了廣泛應(yīng)用。但實(shí)踐證明該技術(shù)是一種相對落后的反沖洗方式。該法耗水量較大，剪切、碰撞及摩擦作用較弱，難以完全消除濾料上的泥球及結(jié)塊現(xiàn)象，也給過濾帶來許多弊端。由于傳統(tǒng)的水反沖洗技術(shù)存在一些問題，眾多學(xué)者通過不斷探索和研究，開發(fā)了氣、水反沖洗技術(shù)。目前，國內(nèi)外氣水反沖洗有3種運(yùn)行方式：一是先氣洗，再用低流量水反沖洗；二是先氣、水同時(shí)反沖洗，再用低流量水反沖洗；三是先氣洗，再氣、水同時(shí)反沖洗，最后用水漂洗。本課題主要設(shè)計(jì)的