基于PLC的水厂滤池控制系统设计控制方案样本.doc

2 控制系统总体方案设计
2.1系统分析
2.1.1V型滤池工艺过程
V型滤池是一种粗滤料滤池一种形式，因两侧（或一侧也可）进水槽设计成V字形而得名。其重要特点是：（1）可采用较粗滤料较厚滤层以增长过滤周期。（2）气、水反冲再加始终存在横向表面扫洗，冲洗效果好，冲洗水量大大减少。V型滤池由法国德意满公司在七十年代发展起来，，70年代已在欧洲大陆广泛使用，80年代后期，国内南京、西安、重庆等地开始引进使用，90年代以来，国内新建大、中型净水厂差不多都采用了V型滤池这种滤水工艺，特别是广东省新建净水厂几乎都采用了V型滤池。
水厂生产基本工艺可分为加药、反映、沉淀、过滤、消毒、储存、送水等几种有关过程。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营，互相之间间隔一定期间（24H）。工艺流程如图2.1所示

图2.1滤池工艺过程简图
2.1.2V型滤池工艺构造及其控制原理
滤池工作状况涉及正常恒水位过滤和反冲洗控制两种。所谓滤池正常过滤过程就是通过滤料层将待滤水去除杂质颗粒、细菌过程，其重要目是使滤后水浑浊度达到国家饮用水卫生原则。而滤池反冲洗，就是先后运营气洗、水洗两种清洗方式去除滤料层中杂质，是滤池自净工艺办法。现将滤池基本工艺简图绘制如图2.2所示

图2.2滤池工艺构造简图
恒水位过滤控制和自动反冲洗控制工作原理：
(1)滤池正常过滤工作程序
根据水池中水位变化调节出水阀启动度来实现等速恒水位过滤。系统接受到水位计水位信号，当水位信号高于设定恒水位时，开大出水阀，调节阀门启动度；当水位信号低于设定恒水位时，关小出水阀，调节阀门启动度；当水位信号等于恒水位时，保持出水阀启动度。
图2.3

图2.3恒水位过滤控制框图

滤池水位控制是一种典型PID闭环控制系统，控制过程是:具备参数可调PID方程依照设定值和过程变量输入之间误差，经运算后把输出信号传送给输出附加解决程序，再输出给控制阀，对整个过程进行控制。即实际水位比设定水位值大得越多，输出开度就越大。开度增长数值是由一定累积时间内水位上升速度及实际水位和设定水位差共同决定。反映为进水流速越快，清水出水阀开度越大，。PID方程计算目的是把受控过程变量保持在设定值，附加值可作为补偿添加到输出控制中。输出附加解决程序是把PID方程运算按一定规律输出给清水阀。其控制方框图如图
(2)滤池反冲洗控制工作程序
当系统接受到手动强制冲洗信号、水头损失信号、定期冲洗信号中任一种指令时，进行单格滤池反冲洗。一方面关闭进水阀，滤池内部存留水经出水阀继续过滤排除，当水位降至设定反冲水位时（0.35m），关闭出水阀并打开排污阀，排污阀信号到位后打开反冲气阀，启动风机进行气冲6min，然后关闭鼓风机，关闭反冲气阀。打开反冲水阀，启动反冲水泵，水洗6min，完毕后关闭反冲水阀、停水泵，关闭排污阀、启动进水阀接受待滤水。当水位升到接近过滤恒水位时，滤池反冲洗正式结束，系统转入正常过滤程序

2.1.3滤池控制系统构成及控制规定
V型滤池控制系统普通由受控设备、电气执行机构、PLC控制器构成。其中受控设备可以分为两某些：滤池阀门和反冲洗系统。常用滤池均有六个阀门。
进水阀：控制水流入滤池集水渠阀门。
清水阀：控制滤后水流出滤池进入清水管阀门。
排水阀：在集水渠另一端，用于将反冲洗污水排出阀门。
气冲阀：反冲洗时容许气流对滤层进行冲洗阀门。
排气阀：反冲后排出残留在气冲管道中气体，防止其进入滤层影响过滤。
水冲阀：反冲洗时容许清水对滤层进行冲洗阀门。
反冲洗系统普通涉及：
鼓风机：用于产生强劲气流对滤层进行冲洗阀门。
反冲水泵：用于抽取清水对滤层进行反冲洗。
电气执行机构负责控制详细实行，它从控制器接受控制命令，然后有关继电器接点闭合或断开，电路导通，设备获得动力继而进行动作。如果控制器故障，操作人员也可以通过电气执行机构控制面板，对设备进行手动操作。
PLC：可编程控制器是实现自动控制核心，所有自动控制内容都由控制器编程实现，滤池控制与其他陈建略有不同，它设备较多且重复，每个滤池控制内容都是相似。为了减少控制器故障风险性，可以采用集中、单独控制器共同工作方式，这是滤池控制系统发展一种趋势。
滤池控制系统控制任务就是控制过滤、反冲洗和两者交替，目就是保障过滤后水浓度符合规定。过滤时规定维持一定滤速。
本设计水厂滤池某些由8个V型滤池构成，每个滤池尺寸为6m×6m×6m,滤料采用单层1.4m加厚均粒石英砂滤料。设计滤速为9m/h，气冲强度为15.3L/s·㎡，水冲强度3.8L/s·㎡。每格滤池设立一种现场PLC，重要功能是完毕滤池自动反冲洗和恒水位过滤控制。在正常过滤条件下，生产工艺规定将水位波动限制在400±2㎝范畴内实现等速恒水位过滤。当滤池运营满足了反冲洗条件（运营周期到、水头信号或强冲信号），需要进行反冲洗，以去除滤料层杂质。按规定，每次只有一格滤池反冲洗，当多格滤池同步规定反冲洗时，系统自动按照先进先出原则排队进行。
滤池正常过滤时，为实现恒水位过滤，设计以出水流量为控制参数滤池液位PID控制系统。
在中控室设立主控PLC，其重要功能是负责和现场PLC通信，收集反冲洗水泵、鼓风机等反冲洗设备信号，协调各格滤池反冲洗。
2.2系统总体方案设计
2.2.1滤池自控方案
依照本滤池构造，考虑到自动控制方式先进性，稳定性，可靠性和持续不断运营特点，提出如下自控方案：
(1) 在每个滤池上，各配备一台PLC，分别控制这个滤格在正常过滤状态下和反冲洗状态下运营。
(2) 给每个滤池PLC编制运营程序
(3) 整个滤池控制系统配一台主控PLC，负责和各个现场PLC通信，协调各格滤池反冲洗，使每个滤池反冲洗能按照反冲洗时间，或水头损失大小自动和稳定运营
(4) 每个滤池反冲洗，均可在两种状态下进行：①自动反冲洗②半自动反冲洗。其中半自动反冲洗为强制反冲洗，即顾客可以在任何时候进行反冲洗。
(5) 各滤格PLC运营均由一台主控PLC控制。主PLC和各某些PLC既联系又独立，在正常运营时，她们各司其职，统一运营。如果一旦主PLC发生故障，并不会影响到各格滤池正常运营。同步，还能把滤池各信号，如滤池后水流量、浊度以及滤池各个工作状态，运营时间等，在联网后，传送到中央控制室。
(6) 滤池控制操作和数据显示：使用一台PC机作为上位机，配有专为顾客开发监控软件。
(7) 采用西门子公司PLC系列产品，以保证滤池运营稳定和可靠。滤池自控系统构成一种独立PLC控制系统，涉及主控某些、现场分控某些。主控某些由一台主控PLC，一台主控上位机构成，主控PLC负责和现场PLC通信和气水反冲洗协调控制，上位机用于实现人机对话：每个现场PLC负责管理每个滤池恒水位运营和自动反冲洗。
整个滤池运营可以在如下三种方式下工作：(1)半自动控制(2)PLC自动控制(3)上位机远程控制。其拓扑网络如2.4 所示

图2.4滤池自控网络拓扑图
2.2.2 PID控制算法基本原理
PID(Proportional Integral Differential)控制算法就是典型闭环控制，它是持续系统中技术最成熟、应用最广泛调节方式。PID调节实质就是依照输入偏差值，按比例、积分、微分函数关系进行运算，其运算成果用以输出控制。在模仿系统中，控制器最惯用控制规律就是PID控制，在工业生产控制过程中，模仿量PID（比例、积分、微分）调节是常用一种控制方式，这是由于PID调节不需规定出控制系统数学模型，对于这一类系统，使用PID控制可以获得比较令人满意效果，同步PID调节器又具备典型构造，可以依照被控对象详细状况，采用各种PID变种，又具备较强灵活性和合用性。
PLC作为一种新型工业控制装置，在科研、生产、社会生活诸多领域得到了越来越广泛应用。大型可编程控制器配备过程控制模块可同步对几十路模仿量进行闭环控制，单造价昂贵。普通中小型PLC控制系统只对一路或几路模仿量进行闭环控制。硬件上只需配备A/D及D/A转换模块，软件可购买厂家提供PID编程功能模块。常规PID控制系统原理框图如图2.5所示，系统由模仿PID和被控对象构成。
图2.5模仿PID系统原理框图
滤池恒水位控制技术发展非常迅速，从模仿PID、数字PID到最优控制、自适应控制、再发展到智能控制，每一步都使控制性能得到改进。在既有滤池控制系统方案中，PID控制应用最多，也最具备代表性。在PID控制算法中，存在着比例、积分、微分三种控制作用。
(1)比例控制作用：
比例控制即成比例地反映控制系统偏差信号E(t),系统误差一旦产生，控制器及时就有控制作用，便被PID控制对象朝着减小误差方向变化，控制作用强弱取决于比例系数Kp。缺陷是对于具备自平衡能力被控对象存在静差。加大Kp可减少静差，但Kp过大，会导致系统超调增大，使系统动态性变坏。
(2)积分控制作用
能对误差进行记忆并积分，有助于消除系统静差。局限性之处在于积分作用品有滞后特性，积分作用太强会使被控对象动态品质变坏，以至于导致闭环系统不稳定。
(3)微分控制作用
通过对误差进行微分，能感觉出误差变化趋势。增大微分控制在作用可加快系统响应，使超调减小。缺陷是对干扰同样敏感，是系统对干扰抑制能力减少。依照被控对象不同，恰本地调节PID参数可以获得比较满意控制效果。由于其算法简朴，参数调节以便，并且有一定控制精度，因而它成为当前最为普遍采用控制算法。
PID控制器是一种线性控制器，它依照给定值R(t)与实际输出值C(t)构成控制偏差：
E(t)=R(t)﹣C(t) （2.1）
将偏差比例、积分、微分通过组合构成控制量对被控对象进行控制，其控制规律为：
（2.2）
上式中：Kp是控制器比例系数
是控制器积分时间常数
Td是控制微分时间常数
E(t)是系统设定值和被控量之差
U(t)是控制器输出
上式为模仿量表达式，而PLC程序只能解决离散数字量，因而，必要将持续形式微分方程化成离散形式差分方程。令

（2.3）
由此可得位置式数字PID算法：
（2.4）
式中：T为采样周期，Kp为比例增益系数，Ki=KpT/Ti称为积分系数，Kd=KpTd/T称为微分系数，U(K)是E(KT)简写。
位置式算法对偏差进行累加，然后给出执行机构位置控制量。使用位置式PID数字控制器会导致PID运算积分积累，引起系统超调，这在生产过程中是不容许。
不难得到：
（2.5）
将式（）与式（）相减即可得到增量控制算法：

（2.6）
增量式PID控制算法是对偏差增量进行解决，然后输出控制量增量，即执行机构位置增量，增量式PID数字控制器不会浮现饱和，并且当计算机故障时能保持前一种采样时刻输出值，保持系统稳定，因而增量式算法比位置式算法得到更广泛应用。
2..2.3现场滤池控制器
滤池控制器一方面控制滤池液位，把液位大体稳定在一种范畴内，达到维持相对稳定滤速目。普通液位控制是由调节阀来完毕，以来自液位计液位信号作为反馈信息，PLC作为控制器，调节阀作为执行器形成一种典型闭环控制系统，如图2.6所示。普通PLC都可以实现PID功能。液位控制时，把液位计测定值与设定值比较，使用比例或比例积分环节进行计算，成果作为阀位给定值送至调节阀比例执行器，由其完毕阀门动作。这种控制实现简朴，效果较好，可以十分精准控制液位。

图2.6滤池液位控制图
但是在净水厂滤池中，对液位精度规定不高，无需将液位稳定在一指定高度，只要保持在一种较宽松范畴内即可。此时，可以用开关阀代替调节阀来调节液位，减少投资成本。
开关阀液位控制依然合用闭环反馈基本原理，但详细状况与调节阀有很大不同。开关阀驱动信号有两个，一种开阀，一种关阀，两者都是开关量，只要持续为ON，阀门就会持续动作，直到全开或全关，不会始终保持在一种位置上；而调节阀是由一种模仿量开度信号驱动，阀门随着该信号变化而动作，若信号不变，阀门位置不变。因此，可以对调节阀进行控制PID计算成果，对开关阀无效。通过PLC计算得出阀门位置机制也就不再合用，需要重新设计。
最简朴办法是采用双位调节，即液位高于设定期，关闭阀门:低于设定期，打开阀门。此办法非常容易实现，但缺陷也非常突出:它动作非常频繁。系统中运动部件，如阀杆、阀芯和阀座等会经常摩擦，很容易损坏。这一点在实际工程中非常重要，许多场合都必要刻意避免阀门频繁动作。因此，该办法不能直接使用。
双位调节可以看作是一种极端比例系数很大比例控制，对任何一种偏差，无论大小，都会产生饱和满载输出。依照比例环节比例系数对过渡过程影响(图2.7所示)，当比例系数增大时，会产生如下变化:
(1)振荡倾向加强，稳定限度下降;
(2)工作频率提高，工作周期缩短。
这就是双位调节导致阀门频繁开关因素。如果减小这个所谓比例系数，就可以减小阀门动作频率，并增强系统稳定性。
下面谈谈如何实现。事实上开关阀开与关不是瞬时完毕，而是有一种动作时间。如果对这个动作时间作出限制，就可以对阀门开度进行控制。这一方面规定电气执行机构变化。普通开关阀，执行机构是由连锁，只要动作信号一给出，不论与否保持，阀门都要持续动作究竟(关死或开足)，不会半途停止。也就是说，阀门每次动作时间都是相似，不可更改。因此，要控制动作时间，在执行机构中就不能有连锁。这样一来，PLC就可以通过控制动作信号持续时间，控制阀门动作时间了。
然而，仅仅缩短一次性动作时间依然不能实现稳定控制。液位滞后性较强，PLC在检测到其变化(由低于设定变为高于设定，或反之)前，会不断发出阀门动作信号，直至动作究竟。状况跟先前并没什么不同，只是由一次动作变为多次动作了，频繁性没有得到主线变化。单纯比例控制在对付滞后系统时的确很困难。参照常被应用在较强滞后系统中采样PID，它通过延长反馈信号采样周期，延缓PID输出更新频率，以适应系统滞后性。这个办法应用在本例中，也得到了较好效果。采样周期和动作时间结合，极大减少了阀门动作频率，系统也更加稳定了。
这样，对双位调节增长两个时间控制，实现了开关阀对液位调节。详细两个时间如何拟定，可以先估算，再详细调试。一方面估算滤速，平均滤速v可通过2.7式求得:
(2.7)
以某日产量为14.4万吨为例：

假设这个速度是在阀门90%启动度时候达到，那么阀门每变化百分之一开度，对滤速影响为0.006厘米/秒。由于事实上不断地有水流入滤池，实际液位下降速度要比0.58厘米/秒慢诸多，因此采样间隔可以设比较长，达到十几秒钟。阀门动作时间也不必很长，有整个启动(或关闭)时间5%即可。在本例中，最后取值是这样:采样间隔15秒，一次动作时间1秒(由全开至全关动作时间为18秒)。
至此，液位控制己经可以实现，但依然可以进一步优化该控制，继续减低阀门动作频率。当液位变化趋势(上升或下降)与控制预期相似时，阀门动作是非必要，可以免除，当趋势与预期不同步，才需要阀门动作进行调节。因此，如果可以判断液位变化趋势，就可以进一步减少阀门动作。详细实现是一次采样后，将该值备份，使其不会在下次采样时备更新。这样就可以对持续两次采样值作一种比较，判断液位升降。之后再结合液位状况，拟定阀门与否动作。例如:液位高于设定值，而正处在下降状态，则阀门不动作。相应，液位低于设定而正在上升，阀门也不动作。
2.2.4现场控制器与反冲洗控制器协调
先从反冲洗普通过程说起。在普通滤池系统六个阀门中，进水阀、清水阀和排气阀在过滤时应打开，而气冲阀、水冲阀和排水阀则应关闭。在反冲洗时，进水、清水、排气阀关闭，气冲、水冲、排水阀打开。因此，反冲洗过程会随着着一系列开阀关阀动作。详细过程是这样:得到信号开始反冲洗后，一方面关闭进水阀，并将清水阀开至最大，液位加速下降，滤池即将真正退出过滤。液位足够低时，关闭排气阀，打开排水阀，准备开始冲洗。普通冲洗涉及气冲、气水冲和水冲，先开气冲阀，开至一半时，开鼓风机，气冲开始。一定期间后，开水冲阀，半开时启动第一台水冲泵，进行气水冲。再过一定期间，关鼓风机，关气冲阀，开第二台水冲泵，仅作水冲。届时间后，停掉两台水冲泵，关闭水冲阀，关闭排水阀，冲洗结束。最后，打开排气阀、进水阀，等液位升到一定高度，打开清水阀，进入过滤。整个过程，如图2.7所示。
这样一种繁琐过程，要由两套控制器共同完毕，一套(滤池控制器)控制阀门，另一套(反冲洗系统控制器)控制鼓风机和水泵，它们之间协调与沟通至关重要，需要商定一种可靠沟通机制。基本上，这个机制就是一系列标记，用来向其他控制器表白自己当前状态。这些标记作为信号在通讯网络上发送，以“0” 、“1”表达。当滤池或反冲系统处在某一状态时，相应标记置门置“1” ，向另一控制器发送，当这一状态结束时，标记清零，再向另一控制器发送。标记值随着状态变化而变化。普通通讯沟通都

图2.7调节前反冲洗过程
规定接受方返回一种确认信号，表白对的收到被发送信号，以备信号在传送过程中丢失。但这里不必考虑此问题，由于连接控制器网络自身通讯合同己可以保证信号传送可靠性。
下面再讨论一下标记设立。一方面，不能有两个滤池同步进入反冲洗，一旦有两个滤池气冲或水冲阀同步打开，冲洗就不能顺利进行。因而，要建立一种标记，表白有滤池在反冲洗时，其他滤池不能进行反冲洗，以制止滤池控制器控制滤池进入反冲洗状态。接着，当气冲阀打开后，要有一种标记，传递给反冲洗系统控制器告知它开鼓风机。同样，还要有一种标记，告知反冲洗系统控制器开水冲泵。在鼓风机和水冲泵停止后，又分别要有一种标记，告知滤池控制器关闭气冲阀和水冲阀。这一系列标记，就是两套控制器之间实现沟通协调办法。然而，若不对反冲洗过程作某些调节，这种办法会十分复杂，不易实现。因素如下:上述标记只是一某些，实际工程中还涉及了故障报警，故障解决等问题，需要添加大量标记。这不但很大提高了工作复杂限度，还很难保证遇到突发故障时有效解决，整个沟通过程将会设计很庞大、复杂。并且当系统中不只有两台控制器时，标记个数又会成倍增长，特别在大系统中应用时，如此数量庞大标记使沟通编程实现十分困难。
要减少表白滤池或反冲洗系统所处状态标记，须从反冲洗过程入手，减少须要向其她控制器传达中间状态。通过与教师和同窗讨论，可以对原先反冲洗过程作某些修改，以得到一套简化许多通讯方案。原先沟通机制过于复杂因素在于阀门控制和反冲洗系统控制穿插进行，两套控制器各自实行控制常要以对方控制完毕为条件。新方案则可以减少这种条件，使通讯大为简化。
调节后反冲洗过程可分为三个阶段:反冲洗前开、关阀阶段，反冲洗阶段，反冲洗后关、开阀阶段。流程示意图见图2.8。第一阶段由滤池控制器控制，也是先关闭进水阀，开足清水阀，液位够低后关闭清水阀和排气阀，再打开排水阀，水冲阀和气冲阀。与本来不同是，没有在气冲或水冲阀半开时启动鼓风机或水冲泵。仅仅只有这些阀门动作，没有任何涉及反冲洗系统控制。所有阀门到位后，滤池控制器向反冲洗系统控制器传递一种标记，进入第二阶段。这一阶段没有任何涉及阀门控制，所有是关于鼓风机、水冲泵操作，由反冲洗系统控制器独立完毕。冲洗完毕，反冲洗系统控制器会给滤池控制器一种标记，进入第三阶段。滤池控制器关闭气冲阀、水冲阀、排水阀，再打开进水阀、排气阀，液位够高后，开清水阀，进入正常过滤阶段。

图2.8调节后反冲洗过程
这个方案中，两个控制器控制作用阶段分得很清晰，便于控制器集中完毕控制任务，不但简化了协调过程，对于简化突发故障解决也很故意义。例如:在开水冲阀时遇到故障，原先解决要发出报警，制止水冲泵启动，停止鼓风机运转，还要关闭气冲阀，两套控制器都要参加解决。而新方案中，阀门没有到位，就不会送出标记，故障解决仅由滤池控制器单独进行。
上述控制器协调机制是只有两套控制器最简状况，当滤池控制器有各种时，状况要复杂某些，但并没有太多不同。每个滤池控制器都能以此机制与反冲洗控制器沟通。由于同一时刻只容许有一种滤池处在反冲洗状态，其他滤池只能进入等待队列，因此一次反冲洗只会有一种滤池控制器与反冲洗控制器进行沟通。由此可见，在多滤池系统中，正在反冲洗状态标记是最重要一种，它类似于交通信号灯中红灯，禁止其他滤池与反冲洗系统进行非法通讯，保证通讯协调正常秩序，避免混乱发生。
以两台控制器构成滤池控制系统，在净水厂滤池自动化中有较强实际意义，既可以在它基本上，扩展成为多控制器滤池系统，适应大型水厂需要，也可以用于老旧中小型水厂扩建、改造。在国内当前许多都市规模扩大、人口增长，对自来水需求量迅速增长状况下，有很大应用前景。