基于PLC的水厂滤池自动控制系统设计毕业论文.docx

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基于PLC的水厂滤池自动控制系统设计毕业论文

基于PLC的水厂滤池自动控制系统设计

摘要

水是生命之源，供水自然关系到国计民生的重要地步，供水不仅要满足工业用水，还要满足生活用水,农业用水等等，其中最为重要的是生活用水，各城市的大中小水厂是生活用水的直接来源，水厂滤池的好坏不仅影响出水的质量，更关系到人民的生命安全，所以水厂滤池在供水中起到很重要的作用，以前的水厂滤池大都使用人工控制，不仅费力，而且劳动强度大，劳动效率低，出水的质量也很难保证，因此，对水厂滤池提出自动化改造已经是很有必要的事情了。

在设计之初，从网络上查阅了当前水厂滤池普遍采用的过滤方法，以及存在的不足，但是每一种方法都不是十全十美的，只有通过不断的改进，才能逐步达到最优化设计。

本设计从水厂滤池控制系统要求的最低控制要求和控制工艺出发，设计出了基于PLC的水厂滤池控制系统，并且在滤池正常过滤的过程中，为了实现恒水位过滤，设计了以出水流量为控制参数的滤池液位PID控制系统。

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，PLC，自动反冲洗，控制系统

TheApplicationofPLCinWaterworksControlSystem

ABSTRACT

Wateristhesourceoflife,watersupplynaturalrelationstothepeople'slivelihoodimportantpoint,watersupplythatnotonlymeetsindustrialwater,andalsotomeetthewaterforliving,agriculturalwaterandsoon,ofwhichthemostimportantisthewaterforliving,eachcitymediumsmallwaterworksisthedirectsourceofthelifeinthewater,waterqualitytermofnotonlyaffectsthequalityofthewater,themorerelationshiptopeople'slifesafety,sothewaterinthewaterintermplaysveryimportantrole,mostofthewaterbeforeviewingusingartificialcontrol,notonlyarduous,andtheintensityoflabor,laborefficiencyislow,thewaterqualityalsoisverydifficulttoguarantee,therefore,viewingofwaterautomationreconstructionhasputforwardisverybenecessarythings.......

Atthebeginningofdesign,networkfromthecurrenttermofwaterworksisgenerallyusedtofiltermethod,andthedeficiency,buteachkindofmethodisnotperfect,andonlythroughcontinuousimprovement,tograduallyachievetheoptimizationdesign.

ThisdesignfromviewingawatercontrolsystemminimumcontrolrequirementsandcontroltechnologyofthedesignbasedonPLCcontrolsystemofwaterworksponds,andintheprocessofviewinganormalfilter,inordertorealizeconstantwaterlevelfiltering,designedfortheflowofwateroutoftheliquidlevelcontrolparametersforviewingthePIDcontrolsystem.Andinthesystemtoreceivetoreversewashsignal,thissysteminthedesignishowtobetterandPLCcontrolthePLCcoordinatedcontroltermofreversewashschemecomparisonandoptimization,strengtheningthecontroloftheideaofclarity,achievetheexpectedeffectofcontrol.Accordingtothesystem'scontrolrequirements,thehardwareequipmentselection,designthehardwareofcontrolsystemconfigurationchart,I/Omodulesthewiringdiagram,andwritetorealizethecontrolalgorithmprocedures.

Keywords：

Viewingwaterworks,PLC,automaticreversewash,thecontrolsystem

插图清单

图2-1滤池工艺过程简化图.....................................................................................................6

图2-2滤池工艺结构的简图.....................................................................................................8

图3-1滤池自控网络拓扑图....................................................................................................10

图3-2模拟PID控制器原理框图............................................................................................11

图3-3滤池液位控制框图........................................................................................................13

图3-4出水阀的液位控制流程图............................................................................................14

图3-5调整前的反冲洗过程....................................................................................................15

图3-6调整后的反冲洗过程....................................................................................................16

图4-1可编程序控制器的硬件结构框图................................................................................19

图4-2系统硬件配置图............................................................................................................27

图4-3输入输出模块接线图...................................................................................................28

图5-1滤池自控流程图............................................................................................................29

图5-2自动反冲洗子程序........................................................................................................30

图5-3广义过程方框图...........................................................................................................31

图5-4PID仿真运行后的波形图.............................................................................................33

图5-5滤池恒水位过滤程序梯形图........................................................................................34

图5-6自动反冲洗子程序梯形图..........................................................................................35

表格清单

表4-1设备清单列表................................................................................................................18

表4-2模拟量模块输入输出参数表........................................................................................21

表4-3I/O地址分配表..............................................................................................................27

表5-1自平衡过程阶跃响应曲线及其传递函数....................................................................31

表5-2自平衡过程整定计算公式............................................................................................32

引言

水是生命之源，供水自然关系到国计民生的重要地步，其中最为重要的是生活用水，各城市的大中小水厂是生活用水的直接来源，水厂滤池的好坏不仅影响出水的质量，更关系到人民的生命安全，所以水厂滤池在供水中起到很重要的作用，以前的水厂滤池大都使用人工控制，不仅费力，而且劳动强度大，劳动效率低，出水的质量也很难保证，因此，对水厂滤池提出自动化改造已经是很有必要的事情了。

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。

但是很多快滤池在运行一段时间后，就会出现过滤层含泥量增大，在反冲洗强度设计值范围内不能达到预期的反冲洗效果，并且冲洗历时延长，产水量下降，严重阻碍了快滤池的正常运行。

滤池反冲洗对滤池工作效果影响甚大，若采用较好的反冲洗技术，使滤料层经常处于最优条件下反冲洗，不仅可以节水节能，还能提高出水水质，增大滤料层截污能力，提高滤速，延长过滤周期。

如果对控制系统不做一些适量的调整，滤池控制系统也就失去了他本身存在的意义，再加上我国的经济发展不是很平衡，在我国的一些偏远地区，水厂滤池基本上是靠人工操作，根本实现不了自动化，因此，设计一套适合我国国情的滤池控制系统已经十分必要，从引进外国的全套设备，到自己逐步积累掌握部分的技术，我们已经可以设计出一套及经济适用，又操作方便的滤池控制系统，并且能够建立规模适宜、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。

第1章绪论

1.1课题研究内容

随着人们生活水平的提高，人们越来越注重饮食的健康，水作为生命之源，自然而然的受到人们越来越多的重视，供水不仅要求要满足人们的生活需要，供水质量的好坏也受到人们的重视，水厂的滤池是供水系统的最后一道屏障，滤池功能的强弱，直接关系到供水的质量，甚至和人们的生活健康息息相关，随着科学技术的发展，滤池的自动化程度越来越高，为了跟上时代科技的步伐，以及进一步提高滤池的自动化功能，提高滤池出水的质量，必须对滤池进行现代化升级和改造。

本文依据水厂滤池的现状和要求，并根据控制系统的要求，设计出了基于PLC的滤池自动控制系统，当滤池正常工作时，滤池的水位应处于恒水位，本文设计出了以出水流量为控制参数的滤池液位PID控制系统。

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，明确性，达到了预期的控制效果和要求。

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。

但是很多快滤池在运行一段时间后，就会出现过滤层含泥量增大，在反冲洗强度设计值范围内不能达到预期的反冲洗效果，并且冲洗历时延长，产水量下降，严重阻碍了快滤池的正常运行。

滤池反冲洗对滤池工作效果影响甚大，若采用较好的反冲洗技术，使滤料层经常处于最优条件下反冲洗，不仅可以节水节能，还能提高出水水质，增大滤料层截污能力，提高滤速，延长过滤周期。

目前，国内外滤池反冲洗主要有三种：

第一种是仅仅用水反冲洗，第二种是用水反冲洗然后再表面冲洗，第三种是气水反冲洗。

本次毕业设计主要是基于PLC的水厂滤池控制系统以及反冲洗过程，着眼于实际应用中存在的问题和缺点，进一步优化设计，主要内容就是根据实际的需要，分析系统的功能要求和技术参数，计算出控制参数和PID参数，明确设计的出发点和落脚点，选用合适的硬件，编程合用的程序，制作满足与实际需要的监视画面。

1.2课题研究意义

在水厂滤池控制系统中应用PLC具有很大的优点：

1．可编程控制器控制的时候编程简单，直观。

2．控制系统易操作，容易检修，本身具有的自诊断功能也对维修人员的维修技能的要求降低，使得维护方便。

3．可靠性高于继电器控制系统，体积却小于继电气控制系统。

4．数据可以通过输入计算机进行数据的处理分析，切通用性强，易于扩展。

5．有利于整个滤池控制系统的灵活运行，提高了滤池的效率。

1.3研究现状

我国的水厂滤池技术起步较晚，但是随着我国的改革开放的深入，引进的国际技术，使得我国的滤池技术在短期内得到了很大的发展。

早期的水厂滤池控制各个单元是独立的，每个滤池单元有独自的控制系统，每个控制系统之间也没有任何的联系，这就使得其中的一个环节出错都会影响出水的质量，每个环节也是独立的，没有协调的能力，必要的时候还需要人工的干预操作，使得滤池的效率不高，并且还耗费人力物力财力。

随着科学技术的发展，分散式控制逐渐被集中式控制所取代，集中式控制应用于滤池控制系统中使得滤池发生错误的几率大大降低，也使得滤池的效率提高了很多，集中式控制就是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。

十九世纪七十年代，单片机的问世使得控制系统的应用更为灵活，功能也更为强大，处理信息的能力大幅增强，并且具有很强的稳定性和可靠性，处理器的发展促使了控制系统的进步，各式各样的控制系统也逐渐被应用于各行各业中去，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。

IPC+PLC系统的优点主要有：

1、可实现分级控制；

2、可靠性高、组网方便；

3、编程方便、开发周期短、维护方便；

4、可灵活方便地实现系统内部配置和调整；

5、能与现场信号直接相连接，易于实现机电一体化；

6、易于实现“集中管理、分散控制”的功能。

目前国内水厂产站的自动化控制系统主要采用DCS系统和IPC+PLC组成的分布式控制系统，以IPC+PLC组成的控制系统其性能已达到DCS的要求，价格比DCS系统低，且开发方便。

且由于DCS系统是用于工业现场的测量控制，局限于有线通讯信组网场合，虽然近年来各大DCS供应商在其原有设备基础上选配一些第三方设备增强了其通信组网能力，也得到一些应用，但由于其无法从系统设计阶段就考虑到网络协议的合理性、可行性，因此对于复杂的网络结构，多媒体的通信要求，恶劣的工作环境就显得力不从心。

IPC+PLC组成的控制系统满足了实践的需要，但是随着社会的发展，科技的进步，国际之间的交流，技术的引进，会有更好的控制系统来适应滤池控制系统的需求。

我国的改革开放政策加速了我国滤池控制技术的发展，十九世纪八十年代，通过引进国外的先进技术，以及引进外资，建立的中外合资企业，我国的滤池控制技术取得了显著的发展，控制系统也逐渐全面化，一些控制系统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。

随着改革开放的深入，我国的经济技术的发展，以及与国际之间的技术交流，再加上引进外国的先进设备和技术，跨国公司在我国投资设厂，中外公司合资企业的发展，这些都使得我国的滤池控制系统有了很大的发展，但是，一些小型水厂耗费了大量的财力和资源引来了一套套先进的控制设备，但是由于缺乏相关的核心技术，使得先进的设备不仅运行费用很高而且很难发挥出全部的功能，况且，由于地理因素的原因，各地的水质或多或少的有一些不同，如果对控制系统不做一些适量的调整，滤池控制系统也就失去了他本身存在的意义，再加上我国的经济发展不是很平衡，在我国的一些偏远地区，水厂滤池基本上是靠人工操作，根本实现不了自动化，因此，设计一套适合我国国情的滤池控制系统已经十分必要，从引进外国的全套设备，到自己逐步积累掌握部分的技术，我们已经可以设计出一套及经济适用，又操作方便的滤池控制系统，并且能够建立规模适宜、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。

1.4发展趋势

近年来，随着计算机技术、PLC技术、新器件、新方法的促进水厂滤池控制系统技术相关领域也出现了许多新的发展。

1.4.1向大系统综合化方向发展

近年来一些主要的生产厂家都在增强PLC系统的功能，向系统综合化方向发展，使系统管理与过程控制相结合，能利用过程信息较快的做出有利于控制过程的决策以适应滤池水质变化的实际需求。

有的PLC系统采用光纤分布式数据接口（FDDI）局域网络，数据传输速度率达100Mbps.可连多达1024个节点，这样便于形成大型的管理与控制信息系统。

过程控制处理的是实时信息，为了适应这方面的需要，近年来也出现了一些如动态数据交换（DDE）和对象链接嵌入（OLE）的实用程序，而在数据信息的应用上，则可以用SQL（结构化查询语言）在工厂实时数据库与各关系式数据库之间建立起所需的联系。

1.4.2向开放式系统发展

PLC系统是较早在过程领域发展起来的分布式网络系统，经过几十年的发展，DeviceNet在北美和日本比较普遍。

而Profibus-DP则在欧洲用的比较普遍，针对过程自动化，Profibus-PA和foundationFieldbus及Interbus-s等。

在实际标准化和开放型的过程中，逐渐趋向于采用UNIX（OSE/1，HPUX,Solaris,AIX）,WindowsNT这样的开放式操作系统和视窗技术。

1.4.3发展小型系统

许多主流的PLC系统功能强、质量好，但是价格也很高。

这就使得一些中小企业在选择控制设备时往往感到为难。

集散控制系统向小规模方向发展，特别是单回路控制器称为集散系统发展的一个方向，通讯功能和人及联系能进一步加强。

CRT操作台在简化操作、减少可能发生误操作及提高操作台自身可靠性方面进一步取得了进展。

1.4.4媒体技术将引入控制系统

包括图像、声音、触觉和味觉。

目前，照片、工业电视的图像、过程中产生的声音已进入控制系统。

当来自过程的电视运行图像给出了过程概貌的直接视觉反馈，可以监视诸如高压设别内泄漏电流（电晕放电）等。

过程的声音也是相当重要的，通过一定的转换手段，可以将过程声音引到操作台的终端和话筒喇叭上，这样操作员可以听到故障机件的声音，帮助辨别故障发生的位置。

另外，采用了虚拟的图像技术，栩栩如生的图像画面再配上逼真的过程声音，可以使操作员如同身临现场，观察和操作各种设备，完成以前很难完成的事情。

可以预计，多媒体技术引入控制领域将会给该领域带来一种全新的变化。

第2章控制系统总体方案的设计系统的分析

2.1V型滤池工艺过程

滤池有多种型式，以石英砂作为滤料的普通滤池使用历史悠久。

在此基础上，人们从不同的工艺角度发展了其它型式的滤池。

V型滤池是快滤池的一种形式，因为其进水槽形状呈V字形而得名，也叫均粒滤料滤池（其滤料采用均质滤料，即均粒径滤料）、六阀滤池（各种管路上有六个主要阀门）。

它是我国于20世纪80年代末从法国Degremont公司引进的技术。

V型滤池采用了较粗、较厚的均匀颗粒的石英砂滤层；采用了不使滤层膨胀的气、水同时反冲洗兼有待滤水的表面扫洗；采用了气垫分布空气和专用的长柄滤头进行气、水分配等工艺。

它具有出水水质好、滤速高、运行周期长、反冲洗效果好、节能和便于自动化管理等特点。

90年代以来，我国