PLC在水厂滤池自动控制系统中的应用.doc

J I A N G S U U N I V E R S I T Y
本 科 毕 业 论 文

中文：基于PLC的水厂滤池自动控制系统设计

英文：The Design of Filter Pool Automatic Control System in
Waterworks based on PLC

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2015年 5 月

目 录

第一章 引言……………………………………………………………………………………3
1.1 系统设计的背景…………………………………………………………………………3
1.2 系统的现状及存在的问题………………………………………………………………4
1.3 系统的国内外研究………………………………………………………………………4
1.4 小结………………………………………………………………………………………5
第二章 滤池的基本工艺
2.1 取水………………………………………………………………………………………7
2.1.1 废水的一级处理………………………………………………………………………7
2.1.2 废水的二级处理………………………………………………………………………8
2.1.3 废水的三级处理………………………………………………………………………9
2.1.4 自来水厂水源处理……………………………………………………………………9
2.2 加药、沉淀………………………………………………………………………………10
2.3 过滤………………………………………………………………………………………10
2.4 出水………………………………………………………………………………………11
2.5水厂滤池系统工艺特点…………………………………………………………………12
2.5.1 V型滤池工艺介绍……………………………………………………………………12
2.5.2 V型滤池的组成以及控制任务………………………………………………………13
2.6滤池自动化系统的方案设计……………………………………………………………15
第三章 基于PLC编程语言的技术研究
3.1 可控制编程器（PLC）简介……………………………………………………………19
3.2 PLC工作原理……………………………………………………………………………19
3.2.1 扫描的概念……………………………………………………………………………19
3.2.2 PLC的工作过程………………………………………………………………………19
3.3 PLC的编程语言 ---梯形图……………………………………………………………20
3.4 可编程控制器PLC的优点………………………………………………………………21
3.5 PLC技术发展的特点……………………………………………………………………22
3.6 PLC在滤池自动化中的应用……………………………………………………………22
3.7 小结………………………………………………………………………………………23
第四章 基于PLC的PID算法在恒水位控制上的实现
4.1 PID算法控制原理………………………………………………………………………24
4.2滤池自动流程……………………………………………………………………………26
4.2.1 滤池自控软件设计……………………………………………………………………28
4.3 恒水位控制………………………………………………………………………………28
4.4 PID对清水阀的逻辑控制指令及参数的设定…………………………………………29
4.4.1参数设计中的特殊处理………………………………………………………………31
4.5 PID控制梯形图子程序…………………………………………………………………31
4.6 运行效果前后对比………………………………………………………………………33
结论………………………………………………………………………………………………34
致谢………………………………………………………………………………………………35
参考文献…………………………………………………………………………………………36

基于PLC的水厂滤池自动控制系统设计

摘要

水厂供水对人们至关重要。随着现代城市社会和经济的发展，城市用水量不断增加，供水量不足己成为城市发展的瓶颈，而地下水资源的利用已近饱和，增加地表水供应量是解决供水不足问题的唯一可行途径。供水不仅要满足管网的需要、保证充足供水，还要求水质明显提高。因此对水厂关键工艺进行升级改造，以提高其水处理能力，增加出水量，是满足城市发展需要的有效途径。滤池是水厂常规处理净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。 
论文的研究目标是系统的解决供水企业的自动控制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。本文主要进行如下工作：对供水企业自动化的发展历史、自动化系统类型以及供水企业自动化的应用状进行了详尽的分析和综述。对水厂滤池工艺做了简要介绍。滤池的液位控制以及反冲洗控制和控制策略作了分析。相关PLC硬件联接以及程序的编写和组态仿真。

关键词： PLC 水厂滤池 反冲洗 液位控制

Abstract

Water plant water supply is essential for people. As the modern urban society and economic development, urban water consumption continued to increase water supply insufficient has become the bottleneck of the urban development, the use of groundwater resources is nearly saturated, increasing the supply of surface water is the only feasible way to solve the problem of inadequate water supply. Water supply not only to meet the needs of the pipe network, to ensure adequate water supply, but also significantly improve the water quality. Therefore, the critical process of the water plant upgrade to improve its water treatment capacity, increasing the amount of water is an effective way to meet the needs of urban development. The filter is the last of the waterworks net structure of the conventional treatment process, the filter is running a direct impact on water quality of the water treatment plant.
The goal of this thesis is a systematic approach to solving water supply automatic control filter backwash process, the continued use of artificial means, labor-intensive, low efficiency, security is difficult to protect, and this must be the transformation of the filter automation systems. In this paper, the following work: A detailed analysis and synthesis of the history of the development, the type of automation system and water supply enterprise automation of water supply enterprise automation application status. A brief introduction on the water plant filters process. Filter the liquid level control, and backwash control and control strategies are analyzed.PLC hardware connections as well as procedures for the preparation and simulation configuration.

Keywords: PLC； the water plant filter ；backwash； liquid level control；

引 言

环境科学是一门新兴的、交叉的、综合性的边缘学科。它的涉及面很广，综合性强，体现了科学发展史上的一个新开端，成了当前科学技术重点研究的课题之一。
围绕着环境问题出现了许多新学科，三废处理则是环境科学的一个重要分支，其内容也比较广泛的。就水处理而言，以高效节能为中心的各种废水处理的新工艺、新设备将不断涌现。本文主要就水厂滤池水处理进行简要叙述。
1.1 系统设计的背景
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，特别是以快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[1]。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。
1.2 系统的现状及存在的问题
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，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[2]。 在水厂的净水工艺中，滤池过滤是其中的一个重要组成部分。在过滤过程中，随着截留的杂质颗粒不断增加，滤料层的水头损失将逐渐增大。因此.滤池过滤时间长了以后，会因水头损失的增大造成滤池的滤速或出水量减少，甚至杂质可能穿透滤层随水流出滤池，使过滤水水质不能满足要求。为保证滤池的正常工作，必须对滤池进行定期冲洗，以去除滤料层中积聚的杂质，使滤料层迅速恢复工作能力。由于滤池在滤水过程中水是自上往下流动，而冲洗滤料过程中冲洗介质是自下往上流动，冲洗介质的流向与滤水方向相反，故供水行业把冲洗滤料的过程称为反冲洗[6]。反冲洗有气洗,气、水混合洗和水洗三个阶段，在这里接下来仅说明气洗和水洗。该系统的控制包括滤池滤水控制和滤池反冲洗控制。滤池的滤水控制是根据接收到的滤池液位信号，对滤池出水阀进行开度调节，实现滤池的恒水位滤水，其过程是一个闭环控制系统[3]。滤池自动反冲洗控制就是根据滤池工作周期（或水头损失值）向系统发出反冲洗申请，系统在接受申请后通过控制相关的滤池反冲洗设备动作，完成反冲洗过程。
本文主要介绍滤池工艺流程、滤池的控制策略、液位控制、反冲洗控制以及相关程序编写、报警系统以及控制系统仿真等。
1.3系统设计的国内外研究
现代化的自来水厂采用计算机控制技术日益普遍。欧美国家一些城市水处理厂己经用计算机进行数据记录和运行过程控制，甚至实现全自动化无人值守控制模式[4]。如美国爱荷华水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药剂，1975年应用直接数字式计算机控制自动加矾，运转一年就降低矾耗20%，并且提高了管理水平和稳定了水质。此外，俄罗斯的莫斯科水厂、日本东京朝霞水厂等也先后采用计算机自动控制水厂生产，取得较理想效果。现在许多美国大中型水厂均由一套集散型的自动控制系统进行控制。在厂区范围内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实现多环路控制，其中包括沉淀、过滤和反冲洗、化学药剂投放等。设在中心控制室内的计算机机从各个现场计算机中搜集数据，并提供图表显示、曲线、各个设备动作记录、设备故障报警等。在计算机自动控制系统发生故障时，每一个自动控制过程都可切换成手动控制。
1.4 小结
本章简述了本系统的背景、现状以及存在的问题，提出了系统改造的可行性，并根据国内外的研究成果，确定改造基本思路，拟采用自动控制来进行水厂滤池的管理，同时总结出了本论文的整体结构。

第二章 滤池基本工艺

首先介绍水厂滤池的基本工艺流程。水厂生产的基本工艺可分为加药、反应、沉淀、过滤、消毒、储存、送水等几个相关过程。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行，相互之间间隔一定时间(24h)，图1表示滤池工艺过程简图。
正常过滤过程
反冲洗过程
实时、故障处理模块

图1 滤池工艺简图
所谓滤池的正常过滤过程就是通过滤料层将待滤水去除杂质颗粒、细菌的过程，其主要目的是使过滤后水的浑浊度达到国家饮用水的卫生标准。而滤池的反冲洗，就是先后运行气洗、水洗两种清洗方式去除滤料层中的杂质，是滤池自净的工艺措施。
滤池的进水利用虹吸原理完成[5]。真空泵对进水虹吸管抽真空，当真空形成(虹吸管中空气全部排除)后，真空引水器及时准确地发出真空形成信号，进水成功。从沉淀池来的经初步处理的原水进入滤池，经滤层过滤，从清水管经清水阀门去清水库。水头损失仪由传感器和数显仪组成，传感器中压力接口与滤前水引管相接，差压接口与滤后清水管相接，不同水位差值得到相应的差压信号，经放大处理后由显示仪显示，即反应滤池实际水头损失值。过滤层混浊时，相应水位压差增大，当水头损失到一定数值时，关闭清水阀门，滤层即用反冲水箱中的储水反冲。滤池对反冲时产生的污水排水也是利用虹吸原理完成的，真空泵对排水回路抽真空，真空形成后，污水从排水渠道排出。滤池反冲至反冲水箱低水位时停止。根据工艺，滤池PLC控制要求为：距上一次反冲结束8小时(该时间段可根据工艺要求修改)之间不进行反冲：距上一次反冲结束8小时之外到24小时(该时间段亦可修改)之内，如水头损失值达到设定上限值时，启动该滤池反冲，否则不冲洗；距上次反冲结束24小时，则启动该滤池反冲。多个滤池轮流反冲，反冲间隔时间控制反冲水箱自动上水至设定高水位在滤池正常下作时间内，系统自动调节清水阀门开启度，以保持滤池液位在一定高度。
2.1取水
工业废水的处理、自然水源的直接获取都给水厂提供了水源。 其中工业废水处理逐渐成为人们关心的水处理问题。 
工业废水中的悬浮物，经过一级处理，用截留、沉淀和沉砂的方法就可以将泥沙、藻类和腐败的有机物除去。胶体杂质多采用二级处理的方法进行处理。溶解杂质目前多用三级处理的方法进行处理。
在确定对废水采用何种处理方法之前，首先要确定废水的PH值、颜色气味、溶解氧气、比重、悬浮物、溶解物、硬度和BOD含量，然后根据水质的情况进行全面的分析和研究确定采用哪种方法进行处理。
例如，电镀废水的处理方法很多，有化学还原法、离子交换法、点解氧化法、钡盐沉淀法、活性炭吸附法蒸发浓缩法、反渗透法。根据电镀废水的水质和数量的不同，有些电镀废水采用二级处理便达到目的，有些却需要三级处理才可以。有些水质复杂的电镀水，要经过以及处理、二级处理、三级处理等多种方法处理后才能达到目的。
目前，废水的处理方法很多，其中一级处理、二级处理和三级处理各自有多种不同的方法。
一级处理主要有： a) 截离法 b) 沉砂法 c) 沉淀法
二级处理有以下方法： a) 浮上分离法 b) 氧化还原法 c) 活性污泥法 d) 洒水滤床法 e) 甲烷发酵法 f) 灌溉法
三级处理方法有以下方法： a) 电渗析法 b) 活性炭吸附法 c) 反渗透法 d) 精密过滤 e) 自立交换法 f) 泡沫分离法 g) 离子上浮法
2.1.1 废水的一级处理
1、截留
截留是用栅格或网筛等构筑物除去废水中的较大颗粒垃圾或者悬浮物的方法。这种构筑物主要有棒状、方格状、网状等。
格栅一般由一组平行的栅条组成。棒的断面形状可以是正方形、圆形、矩形和半圆的矩形，各栅的间距一般为15-25mm，滤棒附近的流速为0.45m/s。由于这种过滤水位差损失小，所以在安装棒状滤网处的水道宽度最好比流入水路宽一些。积存在栅栏上的杂物可以用人工、绳锁等方法排除，用皮带机运到合适地方。
2、沉砂
把除去粗颗粒的废水引入沉砂池。由于有些废水含有大量的沙粒和砂状沉淀物，使处理困难，所以必须进行沉砂。
沉砂池根据水流方向一般可分为平流式和竖流式两种。平面为矩形的平流式沉砂池是最常见的一种形式，它结构简单，效果好。其水流速度为0.15-0.3m/s。
3、沉淀
工业上称流体与悬浮颗粒的混合系统为悬浮系统，悬浮系统中的流体可以是液体，也可以是气体。悬浮物固体，也可以是不相同的另一种流体。沉淀就是利用悬浮颗粒与液体的密度不同，让液体混合静置后，固体颗粒从液体中沉淀下来，从而分离出来的过程。沉降设备一般比较简单、易于制造、操作和维修。
废水属于液相悬浮系统，其中悬浮物可能是固体颗粒，也可能是其他液体的珠滴，但沉淀过程基本相同。废水处理中的沉淀过程是比较复杂的，其成分不一，颗粒大小不一，沉淀难易不一，而废水处理量往往很大，分离要求高。
沉淀池由出水部分、污泥部分、缓冲层等三部分组成。沉淀池的形成按池内水流方向的不同，可以分为平流式、竖流式、辐射式三种。为了提高废水中的悬浮物去除效率，可以在沉淀池中安装斜板或者蜂窝、合成树脂回路管等。在沉淀池中，沉淀物质作为污泥被除去，漂浮上来的油和轻质物质作为浮渣而去除，因此通过沉砂池处理的废水，导入沉淀池，经过处理，可以进一步除去微细的沉淀性物质和悬浮物质。
2.1.2 废水的二级处理
有些废水只经过截留、沉砂、沉淀处理便可以达到净化的目的，但一般来说大多数废水要经过二级处理。在二级处理中，有些物理化学处理和生物方法等。物理化学处理有浮上分离法、凝聚沉淀法、氧化还原法等。常用的生物处理方法有活性污泥法、洒水滤床法、甲烷发酵法等。
此外，还有用碱处理的中和法。
浮上分离法主要有空气上浮法和浮力式浮上法。
液体中的悬浮物，根据其粒径大小可以分为粗细、胶体三种颗粒。把凝聚剂加入废水中，可以使废水的悬浮物或者胶体粒子在静电、化学、物理方法的作用下，凝聚成小块，加快了沉淀速度，加速分离。凝聚剂可以分为无机、有机凝聚剂两类。无机凝聚剂常用铝盐和铁盐。有机凝聚剂则是具有数百万分子量的水溶性线性聚合物，分为离子型、非离子型两种。
氧化还原法在废水处理中具有非常重要的地位，氧化可以使废水中的部分有机物被分解，而且具有消毒杀菌作用。废水处理中使用的氧化剂要满足以下要求：能进行氧化作用，反应后的生成物无毒，即使在常温下仍有较快的反应进度，反应时PH值变化不应太大等。常见的氧化剂有氯气、臭氧、二氧化氮、氧气、次氯酸盐等。
生物学处理使用微生物净化水中的有机物，使水质得到净化。
2.1.3 废水的三级处理 
废水的三级处理也叫深度处理。深度处理方法是工业用水封闭循环系统中的重要组成部分。深度处理的大部分为三级处理。三级处理是把二级处理水中残存的氮和磷、有机物、无机物、细菌病毒等进一步进处理的方法。这种方法可以在自来水的生产、工业用水、洗涤用水、灌溉用水、冷却用水等水资源再利用方面应用。
三级处理有精密过滤法、活性炭吸附法、离子交换法电渗析法、反渗透法、泡沫分离法、离子浮上法、紫外线照射法、超声波法、蒸馏法、冷冻法等多种方法。
2.1.4 自来水厂水源处理 
对于自来水厂的水源较工业水处理简单。一般水厂取水源有江河、湖泊、水库、地下水等等。根据不同的情况，要建造不同的取水口。比如:在水位基本恒定的湖中，取水口应设置在水中悬浮固体、胶体物质、铁、锰和浮游生物全年含量尽可能低的深度。又比如:河流中的取水口必须预防土、砂、树叶、芦苇、草、废弃的包装材料，特别是塑料、漂浮物和水流带来的苔醉膜或碳氢化合物膜等。总之，不论何种原水，在送入主体处理构筑物之前多要求先经过预处理。预处理通常为纯物理性质或机械性质，其目的在于尽量去掉那些在性质上或大小上不利于后续处理过程的物质。
一般的预处理可包括:筛除、除砂、除浮油、除淤泥等。先是用格栅(分粗、中、细不同规格)挡住水中的废弃物、树枝、树叶及草等漂浮体，再经过除砂系统(特别是当水必须通过长管道或渠道输送，必须泵送或后续处理设备容易受大量砂粒的严重影响时)接着是除浮油和除淤泥处理。如果原水中含有大量浮游生物或有机物它们在长距离管道中的积累可能会导致流量迅速降低，这可以用氯等氧化剂来处理。如果取水口远离净水厂本部，那么这些经过预处理的水还要由水泵抽入管道送至本部。
2.2 加药、沉淀 
加药就是向水中加入混凝剂，目的是破坏水中胶体颗粒的稳定状态，在一定水力条下通过胶粒之间以及胶粒和其它微粒之间的相互碰撞和聚集形成易于从水中分离的絮状物质，这个过程称为混凝溶在水中的金属阳离子中和了胶体中的负电荷，破坏了胶体颗粒的稳定状态，产生聚集，形成絮状物。混凝是去除天然水浊度和色度的最主要方法，也是去除某些无机或有机物的重要手段。混凝剂一般采用明矾等铝盐或铁盐等种类不多，但现代化的水厂正越来越广泛的使用聚合物混凝剂，以适应各种独特的水质和优化混凝过程。由于原水从取水送来比较浑浊。水厂本部先要对其进行混凝处理。具体实现分几步：
首先是把混凝剂溶解，通过混合设备按一定比例投入原水并迅速均匀混合，之后原水流入絮凝池使混凝剂与水充分反应，加强混凝效果。最后原水流入沉淀池，沉淀出絮状物。处理过程中涉及的构筑物主要是混合设备、絮凝池和沉淀池。它们各自都有独特的构造，以促进原水在其中的反应。混合设备可分为水力和机械搅拌两类，具体形式主要为混合池和管道混合器。絮凝池是最终完成混凝过程的设备，也有水力和机械搅拌两类。具体的构造形式非常多，水力絮凝池有结构简单，无需维护的优点，常见形式有隔板式、旋流式、涡流式等几种。机械搅拌絮凝池则具有可以调节搅拌强度的优点，结构上也有多种不同设计。在沉淀池水中的悬浮颗粒沉到池底，达到与水分离的目的。根据水流的分类，沉淀池有竖流式、平流式、辐流式、径流式等多种形式。所有的沉淀池都有排泥设备，以防沉淀物积累过多。另外，还有一种流行的沉淀构筑物—澄清池，它的反应原理与沉淀池不同，不需要另设絮凝池。
2.3 过滤
在水处理过程中，过滤一般是指以石英砂等颗粒状滤料层截留水中悬浮杂质，从而使水获得澄清的工艺过程[7]。滤池通常置于沉淀池之后，进水浊度一般在10度以下。滤出水浊度必须达到饮用水标准。当原水浊度较低(一般在100度以下)且水质较好时，也可采用原水直接过滤。过滤的功效不仅在于进一步降低水的浊度，而且水中有机物、细菌乃至病毒等将随水的浊度降低而被部分去除。至于残留于滤后水中的细菌、病毒等在失去浑浊物的保护和依附之后，在滤后消毒过程中也将容易被杀灭，这就为滤后消毒创造了良好条件。在饮用水的净化工艺中，有时沉淀池可省略，但过滤是不可缺少的，它是保证饮用水卫生安全的重要措施。滤池有多种型式。以石英砂作为滤料的普通滤池使用历史最久。在此基础上人们从不同的工艺角度发展了其它型式滤池。为充分发挥滤料层截留杂质能力，出现了滤料料径循水流方向减小的过滤层及匀质滤料层。例如，双层、多层及匀质滤料滤池，上向流和双向流滤池等。为了减少滤池阀门，出现了虹吸滤池、无阀滤池、移动冲洗罩滤池以及其它水力自动冲洗滤池等。从冲洗方式上，还出现了有别于单纯水冲洗的气水反冲洗滤池。各种型式的滤池，过滤原理基本一样，基本工作过程也相同，即过滤和冲洗交错进行。
原水中含有大量的细菌、病原体、藻类等对人有害的物质，要达到能满足人类安全饮用的目的，必须进行消毒处理，减低有害物质含量。水的消毒是通过消毒剂来完成的。通常可以用氯气或臭氧。
2.4 出水
一般地，过滤就是净水处理最后一道程序了，从滤池出来的水，流入清水池积聚，保持有一定的储备就可以出厂了。当然，在此之前还要有必要的检测、化验等，以确保水质符合相关部门的规定，并作为消毒剂等处理药剂是否需要调整投入量的参考。最后清水由水泵从连接清水池与二级泵房的吸水井中抽入供水管道，并以一定的压力供给用户。水泵的启动、调速、停止是关键步骤，必须确保连续、不间断的先用户供水。以上就是水厂工艺简单的流程。随着相关科学技术的发展和水处理科学的不断发展为改进水厂工艺流程提供了新思路与方法，一些目前处理方面的难题将会随着人们对纯净水反应过程的认识加深而变得容易解决[8]。
综上所述，现在把控制工艺图绘出，如图2所示
稳压井
滤池
沉淀池
加氯间
综合泵房
清水泵房
河道
市区管网
清水池
加药间
进水

图2水处理工艺简图
2.5 水厂滤池系统工艺特点
2.5.1 V型滤池工艺介绍 
V型滤池是由法国degremont公司设计的一种快速滤池，采用气、水反冲洗，目前在我国的应用逐渐增多，适合用于大、中型水厂。V型滤池因俩侧或一侧进水槽设计成V型而得名。图3是 V型滤池结构简图。
通常一组滤池有数个滤池组成，每个滤池中间为双层中央渠道，将滤池分成左右俩个，渠道上层是排水渠7供冲洗排污用。下层是气、水分配渠道8，过滤时汇集滤后清水，冲洗时分配气和水。渠道8上部设有一排配气小孔10，其下部配有配水方孔9，V型槽底设有一排小孔6，既可以作过滤时进水用，冲洗时又可以横向扫洗布水用，这是V型滤池的一个特点。过滤顺序如下：待滤水由进水阀1和方孔2后，溢过堰口3再经侧孔4进入V型槽5中，待滤水通过V型槽底小孔和槽顶溢出，均匀地流入滤池，然后通过砂滤层流入底部空间11，再经方孔9汇入中央气水分配渠8内，最后由管廊中的水封井12、出水堰13、清水渠14，最后流入清水池。

图3 V型滤池简图
1-进水气动隔膜阀；2-方孔；3-堰口；4-侧孔；5-V型槽；6-小孔；7-给水渠；8-气、水分配渠；9-配水力孔；10-配气小孔；11-底部空间；12-水封井；13-出水堰；14-清水堰；15-投水阀；16-潜水阀；17-进水阀；18-冲洗水阀
冲洗顺序如下:首先关闭进水阀门1，但二侧方孔2常开所以任然有一部分水继续进入V型槽并经槽底小孔6进入滤池，然后开启排水阀15将池面水从排水槽中排出直至滤池水面与V型槽顶端齐平。冲洗操作可以采用―气冲—气、水同时冲洗—水冲‖三步或者―气水同时反冲洗—水洗‖二步。其中，三步反冲洗顺序如下：（1）启动鼓风机，打开进气阀17，空气经气水分配渠8的上部小孔10均匀流入滤池底部，由长柄滤头喷出，将滤料表面杂质擦下并且悬浮于水中。由于底部小孔6继续进水，在滤池中产生横向水流，形同表面清洗，将杂质推向中央排水渠7。（2）启动冲洗水泵，打开阀门18，此时空气和水同时进入气、水分配渠，再经方孔9和小孔10和长柄滤头均匀进入滤池，使滤料得到进一步冲洗，同时，横向冲洗仍在进行。（3）停止气冲，单独用水再冲洗一段时间，再加上横向冲洗，最后将悬浮于水中的杂质冲入排水槽。（4）排水阀15关闭，进水阀1打开，恢复自动过滤。其自动控制可以由程序实现。
2.5.2 V型滤池的组成以及控制任务
V型滤池控制系统一般由受控设备、电气执行机构、PLC组成。其中控制的设备可以分为两部分：阀门和反冲洗系统，本文主要介绍如何去控制这些受控设备。如图1-2所示滤池阀门有以下几个：
进水阀：控制水流进入滤池集水渠的阀门； 
排水阀（排污阀）：在集水渠的另一端，用于将反冲洗后的污水排出滤池； 
清水阀（滤后水阀）：控制滤池过滤后的清水进入清水管的阀门； 
气洗阀：反冲洗时，控制气流对滤层进行冲洗的阀门；
水洗阀：反冲洗时，控制水流对滤层进行冲洗的阀门；
排气阀：反冲洗后排出残存在气冲管道中的气体，防止其进入滤池影响过滤的阀门。 
反冲洗系统包括：
鼓风机：用于产生强劲气流对滤层进行反冲洗；
反冲洗水泵：用清水对滤层进行水反冲洗。
电气执行机构负责控制的具体实施，它从控制器（PLC等）接收命令，相关的继电器动作，其触电闭合或者断开，控制回路导通或关断。如果控制遇到故障，相关人员可以通过其上的面板，进行手动操作。PLC是控制的关键，控制的内容都由其实现。
滤池控制系统的控制任务就是控制滤池正常过滤和反冲洗过程以及它们的交替过程，保证滤后的水质达到一定的要求。过滤时，要维持一定的滤速，通过控制滤池液位来体现，把液位控制在一定的范围内。当滤池过滤进行一段时间后，滤料层吸收了较多的污物，对滤后水造成不利影响，需要进行反冲洗。反冲洗时，可以按照时间定时反冲洗，当滤后水质水头损失不满足要求时，启动反冲洗过程。反冲洗就是对滤层进行的清洗，通过控制相关的阀门、水泵、鼓风机等设备的工作来进行反冲洗过程。启动反冲洗可以人为操作或由控制器进行控制。控制条件很多，比如：是否达到设定时间，过滤进行的时间，水头损失大小等。也可以通过相关仪器设备进行取样分析，把结果送控制器，根据程序要求决定是否进行反冲洗[9]。
2.6滤池自动化系统的方案设计
本水厂水处理过程的滤池全部采用v型滤池。滤池的进水源来自沉淀池，经过滤池的沙层和滤口的过滤，清水从滤池出口流出，送入清水库。本滤池由12个v型滤格组成，每个滤格均己配有模拟电动进水阀，模拟电动出水阀，电动反冲洗阀，电动反冲气阀，电动表面漂洗阀，电动放气阀和电动排水阀等。此外，每个滤格必须已配好二次仪表，包括水位监测仪，压力或差压变送器等。对整个滤池，还必须配有鼓风机组，一般由2-3台鼓风机组成。每台鼓风机分别还需配有电动气阀和压力变送器。本滤池采用具有足够水位差的清水渠或清水库提供反冲洗水，故可省去反冲洗泵，但必须已配有反冲洗阀和压力变送器。同时，还必须配有各计量仪表和水质监测仪表，如流量仪，浊度仪，余氯仪和压力仪等等。
水位监测仪用来提供每个滤格的实时控制水位信号，PLC控制器根据这个信号，作出判断，来控制本滤格出水阀的开度，使本滤格处于恒水位状态，保证滤池正常运行。同理，模拟电动出水阀接受PLC的控制信号，按要求连续调节出水阀的开度，来达到滤池的恒水位。其他的各电动阀，鼓风机和各二次仪表，都用于反冲洗的过程。
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)在每个滤格上,各配置一台PLC,分别控制这个滤格在正常过滤状态下的运行。
(2)给每个滤格的PCL编制运行软件,以保证每个滤格按生产工艺的要求自动运行。
(3)整个滤池配一台功能稍强的主PCL,控制滤池的反冲洗,使每个滤格的反冲洗能按照反冲洗的时间,或水头损失的大小自动和稳定的进行。
(4)每个滤格的反冲洗,均可在3种状态下进行:（i）自动反冲洗;(ii)半自动反冲洗;(iii)手动反冲洗。其中,半自动反冲洗为强制反冲洗,即用户可以在任何时候进行反冲洗。
(5)各滤格的PCL运行均由一台主控PCL控制。主PLC和各分PLC既联系又独立,在正常运行时,它们各司其职,统一运行。如果一旦主PLC发生故障,并不会影响到各滤格的正常运行。同时,还能把滤池的各信号,如滤后水流量,浊度,余氯,以及滤池的各个工作状态,运行时间等,在联网后,传送到中央控制室。
(6)滤池的控制操作和数据显示:使用一台PC机作为上位机,配有KTX卡和专为用户开发的监控软件。用户可以在PC机上控制滤池的操作以及监测滤池的运行情况。该软件具有功能:
①各模拟量和各开关量的数据采集。
②数据的实时一显示,包括滤池各滤格的水位,滤池运行时间,滤池目前的运行状
态,各滤格的出水阀的开度,滤后水流量,各阀门的工作状态等。
③重要参数的显示和设置,包括每个滤格的PDI参数,反冲洗起始水位,反冲洗
的水冲时间,气水混冲时间,水冲时间,表面沙层稳定时间等等。
④模拟数据的实时曲线显示和历史曲线显示。
⑤模拟数据的比较曲线,即对同一数据作不同日期的比较。
⑥上下限设置。
⑦各故障报警。
⑧各类数据的查询。
⑨数据统计。
⑩滤池的自动,半自动和手动选择。
(7)采用美国Rockwell A一B公司的PLC的产品,以保证滤池运行的稳定和可靠。
滤池实现自动化所需的设备

序号
设备名称
设备
型号
数量
1
PLC可编程控制器
SLC-532 Processor
1747-L543
1
2
PLC机架
SLC 13 Slots Chassis
1746-A13
1
3
PLC电源
SLC Power Module
1746-P