山東科技大學學士學位論文 摘要摘 要供水是一個關系國計民生的重要產業。供水不僅要滿足管網壓力的需要、保證充足供水，還要求水質明顯提高。濾池是水廠常規處理凈水構筑物的最后一道工序，濾池運行的好壞直接影響到水廠的出水水質。濾池反沖洗工藝復雜，如果仍然沿用人工方式，勞動強度大，工作效率低，安全性難以保障，為此必須進行濾池自動化系統的改造。本文從水廠濾池自動控制系統的控制要求和工藝特點出發，設計出了一套基于 ControlLogix 硬件和軟件系統的水廠濾池自動控制系統。在濾池正常過濾時，為實現恒水位過濾，設計了以出水流量為控制參數的濾池液位 PID 控制系統。而在系統接收到反沖洗信號時，本系統在設計上就主控PLC 如何更好的與現場 PLC 協調控制濾池的反沖洗方案進行了對比并且做了優化，增強了控制思路的清晰性，達到了預期的控制效果。根據系統的控制要求，進行了硬件設備的選型，設計了控制系統硬件配置圖、I/O 模塊接線圖，并編寫了實現控制算法的程序。關鍵詞：水廠濾池，恒水位 PID 控制，自動反沖洗，協調控制山東科技大學學士學位論文 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 山東科技大學學士學位論文 目錄目錄1 緒論 .111 課題研究背景 .11.2 課題研究內容 .21.3 研究的目的和意義 .52 控制系統總體方案的設計 .72.1 系統分析 .72.2 系統總體方案的設計 .123 控制系統的硬件設計 .273.1 濾池實現自動控制所需的設備 .273.2 傳感器和執行器的選擇 .333.3 系統的硬件配置及 I/O 連接圖 .393.4 控制參數整定 .434 系統的軟件設計 .474.1 軟件總體方案的設計 .474.2 控制方案程序 .495 監控系統的設計 .615.1 組態王 6.52 簡介 .615.2 監控界面的設計 .61結束語 .72山東科技大學學士學位論文 目錄參考文 獻 .73致 謝 .74附錄 .75山東科技大學學士學位論文 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，還是工農業生產都離不開水。特別是在現代社會中，人們不僅對水的需求量與日俱增，對水質的要求也越來越高。人類對飲用水進行處理的歷史十分悠久，超過了兩千年。但這是小規模、家庭型的處理，范圍僅針對某個人或某個家庭。而面向社會興建水廠，工業化的集中處理水的歷史還不到 200 年，特別是以快濾池為標志的現代水廠更只有 110 多年歷史。在我國，水廠的大規模建設是從解放后開始的，時間較短，但取得了卓越的成就。目前各個城市都已興建了自己的凈水廠，基本普及了自來水。而且，更加現代化的、大規模的新型水廠也在成批的建設中。水廠和其它行業的工廠一樣，自出現以來不斷革新，不斷現代化，生產能力、凈化效果都不斷提高。日產百萬噸以上優質自來水的超大型水廠也不罕見。維持如此大規模的水廠正常運行，且要保證出廠水質，對處理工藝和自動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，隨著凈水理論的發展，工藝設計和處理構筑物的形式不斷變化，各類反應藥劑也出現許多新的替代品，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，水廠的現代化更主要的表現在自動化監控系統上。凈水廠的生產過程采用自動化技術，不是單純的為了節省人力，更主要的山東科技大學學士學位論文 緒論2是加強各個生產環節的合理調度，保證水量、水壓，提高水質，節約動力和投藥量，消滅事故，積累運行資料，提高供水的可靠性和管理水平。我國的凈水廠自動化技術起步較晚，一度比較落后。但在近二十年中，發展迅速，許多大城市的水廠也達到了較高的自動化程度 1。在各中小型水廠水質生產過程中，濾池處理過程的有效控制是保證水廠出廠水水質優劣及生產效率高低的關鍵因素。在傳統的濾池生產中，一般依靠人工操作進行生產，濾池正常的過濾時間以及濾池反沖洗各環節的時間和強弱都要依靠現場操作人員的經驗進行調節。由于受到人員素質及經驗、環境溫度、源水水質變化等各種復雜因素的影響，很難使出廠水水質長期穩定。因此水廠濾池的自動化控制對于出廠水質優劣尤為重要。為了更好地安全生產，實現水廠自動化控制，本課題希望通過研究PLC 在水廠濾池控制系統中的實際應用，使通過 PLC 設計出的水廠濾池控制系統比傳統水廠濾池控制系統具有更好的維護性和擴展性，提高水廠濾池控制系統的自動化水平，確保水廠供水更安全更可靠。1.2 課題研究內容1.2.1 研究現狀早期的水廠控制是單元式的。根據需要，各個工藝環節建立獨立的控制設施。這些設施可以一次建成，也可以分別建設，相互之間沒有聯系。每個環節根據自身的情況進行工作，只能解決該環節局部的控制調節問題，環節之間的協調是難以自動實現的，需要人工加以干預。這屬于分散式控制。以后隨著計算機及控制技術的發展，出現了集中式控制形式，由中心控制室的一臺計算機系統對各個環節的參數進行巡回檢測、數據處理、控制運算，然后發出控制信號，直接控制被控對象。一臺計算機往往同時控制多個回路，即多個水處理工藝環節。在這種控制系統中，集中檢測、控山東科技大學學士學位論文 緒論3制運算工作量大，要求計算機功能強大，有很高的可靠性。一旦控制系統出現故障，整個系統就都會陷于癱瘓 2。進入70年代以來，以微處理器為核心的各種控制設備發展迅速，使得控制系統的形式也發生了相應的變化，結構組成種類很多。當前水廠采用的自動控制系統的結構形式，從自控的角度可以劃分為SCADA系統、DCS系統、IPC+PLC 系統、總線式工業控制機構成的系統等。IPC+PLC系統是由工業計算機(IPC)和可編程序控制器(PLC)組成。在國內水廠自動化中得到最廣泛的應用。該系統的優點是：(1)可以實現分級分布控制。(2)可以實現“集中管理、分散控制”的功能，將危險分散，大大提高了系統的可靠性。(3)組網方便。硬件系統配置簡潔，很容易在網絡中增減PLC控制器，來實現擴展網絡的目的。(4)編程方便，開發周期短，維護方便。由于應用程序采用梯形圖或順序功能圖編輯，編程和維護方便。(5)系統內的配置和調整非常靈活。(6)與工業現場信號直接相連，易于實現機電一體化。當前水廠采用最多的控制系統是IPC+PLC系統。該系統近年發展迅速，已經與DCS系統的功能相近，特別是同樣具有分級分布控制、實現集中管理，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稱為集散式系統。國外自70年代起開始了供水系統自動控制的研究與應用工作。尤其是自80年代以來，微電子等現代科技高速發展，水工業專用檢測儀表與裝備不斷發展，水工業專用檢測儀表與裝備不斷發展與完善，相應地推動供水系統的自動監控技術有了質的飛躍。加之西方發達國家雄厚經濟實力山東科技大學學士學位論文 緒論4與技術基礎，供水系統的自動監控已得到普遍應用。一些水廠己實現全自動運行，能對生產工藝的各個環節連續自動地監測、調節、記錄、報警等等 3。我國自80年代中后期起，陸續有一些較大型的水廠利用外資建設，同時引進了成套的水廠現代化監控儀表與設備。我國在水廠關鍵環節混凝投藥控制技術與設備方面實現了流動電流及透光率脈動兩種凝控制設備的國產化，并在水廠獲得推廣應用，取得顯著效果，在此方面已居于國際領先水平。水工業的一些專用檢測儀表與設備，如在線檢測濁度儀、計量投加泵等，也有一些廠家開始生產，但是質量水平與國外產品相比仍有距離，難以滿足國內市場需要。我國大多數水廠的監控技術仍是很落后的，基本以人工方式為主，很難適應現代化的要求，一些水廠(包括有些引進設備的水廠)的自動監控基本照搬西方的模式，雖然采用了龐大的自動化系統、投資很大，然而在一些關鍵環節上的調節功能并不強。這種模式并不適應我國相當多的水廠原水水質變化大而快的情況，而談不上保證水處理系統運行優化，結果水質保證率低，而運行費用高。這些自動監控系統并不完全符合提高水廠技術經濟效益這一根本目的 4。針對我國的技術經濟條件，不同規模水廠迫切需要解決的問題有所不同。近年來建設的較大型的、自動監控水平較高的水廠需要認真總結應用經驗，并向優化運行方面發展，為這類水廠自動監控技術的進步提供借鑒與指導。對于眾多的中小水廠，經濟條件有限，應在堅持國產化、實用化的原則下，著重發展那些對供水質量、運行費用有重要影響的工藝環節（水廠濾池的過濾環節等）的自動監控技術與設備，建立規模適宜、自動化水平相對較高、運營成本較低的符合自身發展水平的自動監控系統。1.2.2 研究內容濾池自控技術是凈水處理的重要環節，如果控制不好，就不能達到預山東科技大學學士學位論文 緒論5定的水質要求。采用哪一種濾池反沖技術是濾池自控技術中的研究內容。單一水反沖洗技術己沿用多年，由于該方法具備操作單一和設備簡單等特點，在我國得到了廣泛應用。但實踐證明該技術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塊現象，也給過濾帶來許多弊端。由于傳統的水反沖洗技術存在一些問題，眾多學者通過不斷探索和研究，開發了氣、水反沖洗技術。目前，國內外氣水反沖洗有3種運行方式：一是先氣洗，再用低流量水反沖洗；二是先氣、水同時反沖洗，再用低流量水反沖洗；三是先氣洗，再氣、水同時反沖洗，最后用水漂洗。本課題主要設計的