②基于PLC的水厂滤池控制系统设计-控制方案

2 控制系统总体方案的设计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的一种形式，因两侧（或一侧也可）进水槽设计成V字形而得名。

其主要特点是：（1）可采用较粗滤料较厚滤层以增加过滤周期。

（2）气、水反冲再加始终存在的横向表面扫洗，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的，，70年代已在欧洲大陆广泛使用，80年代后期，我国南京、西安、重庆等地开始引进使用，90年代以来，我国新建的大、中型净水厂差不多都采用了V 型滤池这种滤水工艺，特别是广东省新建的净水厂几乎都采用了V型滤池。

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）。

工艺流程如图2.1所示图2.1滤池工艺过程简图2.1.2V型滤池的工艺结构及其控制原理滤池的工作状况包括正常恒水位过滤和反冲洗控制两种。

所谓的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、细菌的过程，其主要目的是使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。

现将滤池的基本工艺简图绘制如图2.2所示图2.2滤池工艺结构简图恒水位过滤控制和自动反冲洗控制工作原理：(1)滤池正常过滤的工作程序依据水池中水位的变化调节出水阀的开启度来实现等速的恒水位过滤。

系统接收到水位计的水位信号，当水位信号高于设定的恒水位时，开大出水阀，调节阀门的开启度；当水位信号低于设定的恒水位时，关小出水阀，调节阀门的开启度；当水位信号等于恒水位时，保持出水阀开启度。

图2.3前馈或输出补偿开度可调的清水出水阀图2.3恒水位过滤控制框图滤池水位的控制是一个典型的PID 闭环控制系统，控制过程是:具有参数可调的PID 方程根据设定值和过程变量输入之间的误差，经运算后把输出信号传送给输出附加处理程序，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的值大得越多，输出的开度就越大。

开度增加的数值是由一定累积时间内水位上升的速度及实际水位和设定水位的差共同决定的。

反应为进水流速越快，清水出水阀开度越大，。

PID 方程计算的目标是把受控的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。

输出附加处理程序是把PID方程的运算按一定的规律输出给清水阀。

其控制方框图如图(2)滤池反冲洗控制的工作程序当系统接受到手动强制冲洗信号、水头损失信号、定时冲洗信号中的任一个指令时，进行单格滤池反冲洗。

首先关闭进水阀，滤池内部的存留水经出水阀继续过滤排除，当水位降至设定的反冲水位时（0.35m），关闭出水阀并打开排污阀，排污阀的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，开启反冲水泵，水洗6min，完成后关闭反冲水阀、停水泵，关闭排污阀、开启进水阀接受待滤水。

当水位升到接近过滤恒水位时，滤池反冲洗正式结束，系统转入正常的过滤程序2.1.3滤池的控制系统组成及控制要求V型滤池控制系统一般由受控设备、电气执行机构、PLC控制器组成。

其中受控设备可以分为两部分：滤池阀门和反冲洗系统。

常见滤池都有六个阀门。

进水阀：控制水流入滤池集水渠的阀门。

清水阀：控制滤后水流出滤池进入清水管的阀门。

排水阀：在集水渠另一端，用于将反冲洗的污水排出的阀门。

气冲阀：反冲洗时允许气流对滤层进行冲洗的阀门。

排气阀：反冲后排出残留在气冲管道中的气体，防止其进入滤层影响过滤。

水冲阀：反冲洗时允许清水对滤层进行冲洗的阀门。

反冲洗系统一般包括：鼓风机：用于产生强劲气流对滤层进行冲洗的阀门。

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的具体实施，它从控制器接收控制命令，然后相关的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的控制面板，对设备进行手动操作。

PLC：可编程控制器是实现自动控制的关键，所有自动控制的内容都由控制器编程实现，滤池的控制与其它陈建略有不同，它的设备较多且重复，每个滤池的控制内容都是相同的。

为了降低控制器故障的风险性，可以采取集中、单独控制器共同工作的方式，这是滤池控制系统发展的一种趋势。

滤池控制系统的控制任务就是控制过滤、反冲洗和两者交替，目的就是保障过滤后水的浓度符合要求。

过滤时要求维持一定的滤速。

本设计水厂滤池部分由8个V型滤池组成，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·㎡。

每格滤池设置一个现场PLC，主要功能是完成滤池的自动反冲洗和恒水位过滤控制。

在正常的过滤条件下，生产工艺要求将水位的波动限制在400±2㎝的范围内实现等速恒水位过滤。

当滤池的运行满足了反冲洗的条件（运行周期到、水头信号或强冲信号），需要进行反冲洗，以去除滤料层的杂质。

按要求，每次只有一格滤池反冲洗，当多格滤池同时要求反冲洗时，系统自动按照先进先出的原则排队进行。

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的滤池液位PID控制系统。

在中控室设置主控PLC，其主要的功能是负责和现场的PLC 通信，收集反冲洗水泵、鼓风机等反冲洗设备信号，协调各格滤池的反冲洗。

2.2系统总体方案设计2.2.1滤池自控方案根据本滤池的结构，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)在每个滤池上，各配置一台PLC，分别控制这个滤格在正常过滤状态下和反冲洗状态下的运行。

(2)给每个滤池的PLC编制运行程序(3)整个滤池控制系统配一台主控PLC，负责和各个现场PLC的通信，协调各格滤池的反冲洗，使每个滤池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运行(4)每个滤池的反冲洗，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，即用户可以在任何时候进行反冲洗。

(5)各滤格的PLC运行均由一台主控PLC控制。

主PLC和各部分PLC既联系又独立，在正常运行时，他们各司其职，统一运行。

如果一旦主PLC发生故障，并不会影响到各格滤池的正常运行。

同时，还能把滤池的各信号，如滤池后水流量、浊度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，配有专为用户开发的监控软件。

(7)采用西门子公司的PLC系列产品，以保证滤池运行的稳定和可靠。

滤池自控系统构成一个独立的PLC控制系统，包括主控部分、现场分控部分。

主控部分由一台主控PLC，一台主控上位机组成，主控PLC负责和现场PLC的通信和气水反冲洗的协调控制，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行和自动反冲洗。

整个滤池的运行可以在以下三种方式下工作：(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控制算法的基本原理PID(Proportional Integral Differential)控制算法就是经典的闭环控制，它是连续系统中技术最成熟、应用最广泛的调节方式。

PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。

在模拟系统中，控制器最常用的控制规律就是PID控制，在工业生产控制过程中，模拟量的PID（比例、积分、微分）调节是常见的一种控制方式，这是由于PID调节不需要求出控制系统的数学模型，对于这一类系统，使用PID控制可以取得比较令人满意的效果，同时PID调节器又具有典型的结构，可以根据被控对象的具体情况，采用各种PID的变种，又具有较强的灵活性和适用性。

PLC作为一种新型的工业控制装置，在科研、生产、社会生活的诸多领域得到了越来越广泛的应用。

大型的可编程控制器配置过程控制模块可同时对几十路模拟量进行闭环控制，单造价昂贵。

一般中小型PLC控制系统只对一路或几路模拟量进行闭环控制。

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的PID编程功能模块。

常规PID控制系统原理框图如图2.5所示，系统由模拟PID和被控对象组成。

图2.5模拟PID系统原理框图滤池恒水位控制技术的发展非常迅速，从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制、再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到改善。

在现有的滤池控制系统方案中，PID控制应用最多，也最具有代表性。

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应控制系统的偏差信号E(t),系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，便被PID控制的对象朝着减小误差的方向变化，控制作用的强弱取决于比例系数Kp。

缺点是对于具有自平衡能力的被控对象存在静差。

加大Kp可减少静差，但Kp过大，会导致系统超调增大，使系统的动态性变坏。

(2)积分控制作用能对误差进行记忆并积分，有利于消除系统的静差。

不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统的不稳定。

(3)微分控制作用通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势。

增大微分控制在作用可加快系统响应，使超调减小。

缺点是对干扰同样敏感，是系统对干扰的抑制能力降低。

根据被控对象的不同，适当地调整PID参数可以获得比较满意的控制效果。

因为其算法简单，参数调整方便，并且有一定的控制精度，因此它成为当前最为普遍采用的控制算法。

PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值R(t)与实际输出值C(t)构成控制偏差：E(t)=R(t)﹣C(t) （2.1）将偏差的比例、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：])()(1)([)(0⎰++=t dtt TddE dt t E Ti t E Kp t U （2.2） 上式中：Kp 是控制器的比例系数 Ti1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拟量表达式，而PLC 程序只能处理离散数字量，因此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。

令 )()(kt U t U ≈ )()(kt E t E ≈⎰∑=≈t ko i jt E dtT t E 0)()( Tt k E kt E dt t dE )1()()(--≈ （2.3） 由此可得位置式数字PID 算法：∑=--++=ki k E k E Kd j E Ki k KpE k U 0)]1()([)()()( （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)的简写。