水厂滤池系统-毕业设计(教学参考)

摘要
本课题从水厂自动控制系统的控制要求和工艺特点出发，设计出了一套基于西门子硬件和软件系统的水厂滤池自动控制系统。

在滤池正常过滤时，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。

由于PLC自动控制的灵活性，可以在现场改变某些工艺参数和动作顺序，增加系统性能，并取代传统的继电器控制，使设备运行更加平稳、可靠，提高了经济效益。

为实现系统的控制要求，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，同时，采用组态王软件设计监控界面，使得上位机能够实时监控系统的状况并可以设置系统的工作参数，使对系统的控制简单化。

关键词：水厂滤池，PLC，恒水位PID控制，自动反冲洗，组态王
ABSTRACT
This subject starting from the water of the automatic control system control requirements and process characteristics, design a system based on Siemens hardware and software of the term waterworks automatic control system. In the ponds of normal filter and to realize constant water level filter, design with the flow of liquid level control parameters for viewing the PID control system. Because of the flexibility of the PLC automatic control, can change some process parameters on the scene and action sequence, increase the system performance, and instead the traditional relay control, making the equipment working more smoothly, reliable, and increasing the economic benefit.
In order to realize the control requirements of the system,select the hardware equipment , design the hardware of control system configuration chart, I/O modules the wiring diagram, and write procedures to realize the control algorithm, and at the same time, using force control configuration software design control interface, makes the PC can real-time monitoring system of the situation and can set the working parameters of the system, simplify the control of the system.
Keywords: water plant filter, PLC, constant water level on PLD control, automatic backwashing, kingview
目录
1 绪论 (1)
1.1课题研究背景及意义 (1)
1.2国内外研究情况及发展 (3)
1.3本设计的主要工作内容 (4)
2 控制方案设计 (5)
2.1系统分析 (5)
2.2系统总体方案设计 (10)
3 硬件设计 (23)
3.1滤池所需的设备 (23)
3.2传感器和执行器的选择 (27)
3.3系统硬件配置及I/O接线图 (35)
3.4系统参数整定 (41)
4 软件设计 (45)
4.1软件总体方案设计 (45)
4.2控制方案程序 (50)
5 监控系统设计 (57)
5.1组态王6.53简介 (57)
5.2监控界面的设计 (58)
总结 (65)
参考文献 (66)
致谢 (67)
附录 (68)
附录A外文文献 (68)
附录B中文翻译 (79)
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
水对我们的生命起着重要的作用，是人类赖以生存和发展的不可缺少的最重要的物质资源之一，不论事日常生活，还是工农业生产都离不开水，特别是现代社会中，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，工业化的水处理越来越普及。

人们对饮用水处理的历史非常悠久，近千年，但这仅仅是小规模、家庭型的处理，面向社会兴建水厂，工业化水处理的历史还不到二年，特别是以快滤池为标志的现代水厂历史更短。

我国的水厂大规模建设是从解放后开始的，取得了卓越成就，而且更加现代化、大规模的新型水厂也在成批的建设中，一些水厂的自动化装备已步入世界水平。

随着水污染的加剧和人们对水质量日益增长的要求，水的净化处理过程越来越复杂，操作控制要求越来越严格，手动操作难以达到。

控制的自动化将成为水厂工作稳定、可靠和水质优良的重要保证，同时也降低了电耗、药耗和工作成本，减轻了劳动强度，自动化是水厂的发展方向。

我国水厂自动化起步很晚，但发展很快。

随着自动控制技术、系统控制设备和机电仪表设备的发展，滤池自动化。

投加自动化、泵站自动化、水质检测自动化技术逐步成熟，工业计算机应用日益普及，我国水厂的自动化程度和水厂规模都在稳步提高。

尤其改革开放以来，通过引进国外的先进技术，水厂的自动化建设突飞猛进，以PLC为基础的集散型控制系统得到广泛应用，已成为当今工业自动化系统的主流。

事实上，90年代也是
国内水厂自动化产生实质性经济效益的时期。

国内实现水厂自动化的方法主要依靠新建和扩建水厂。

北方城市新建和扩建水厂主要依靠引进外资和全套设备技术，水厂自动化工艺平均水平较高。

南方城市由于小型水厂多，主要通过改造旧水厂实现自动化。

南方的情况体现了水厂自动化在中小水厂蓬勃发展的现状，其特点为：设计工作以本地技术力量为主，新建或改造旧水厂的投资渠道多样化，在设备选型上实行土洋结合的办法。

但由于乡镇水厂技术力量相对薄弱，自动化在生产中的维护存在一定困难。

供水关系国计民生，供水不仅满足管网压力的需要，保证充足供水，而且要提高水质。

滤池是水厂常规处理净水构筑物的最后一道工序，滤池运行的好坏直接影响到水厂的出水水质。

滤池反冲洗工艺复杂，需要进行滤池自动化系统的改造。

滤池的最大的特点就是控制参数多，阀门位置分散，环境恶劣，因此为了做到安全可靠地生产，应采用自动控制系统。

本课题从水厂自动控制系统的控制要求和工艺特点出发，设计出了一套基于西门子硬件和软件系统的水厂滤池自动控制系统。

在滤池正常过滤时，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。

采用可编程器进行水厂滤池的自动化控制，可以缩短设计周期，并便于安装调试，对于水厂这样的不便于停产的生产单位来讲，这一点很重要。

由于PLC自动控制的灵活性，可以在现场改变某些工艺参数和动作顺序，增加系统性能，并取代传统的继电器控制，使设备运行更加平稳、可靠，提高了经济效益。

1.2 国内外研究情况及发展
早期的水厂控制是单元式的。

根据需要，各个工艺环节建立独立的控制设施。

这些设施可以一次建成，也可以分别建设，相互之间没大有联系。

每个环节根据自身的情况进行工作，只能解决该环节局部的控制调节问题，环节之间的协调难以自动实现，需要人工干预，这属于分散式控制。

以后随着计算机控制技术的发展，出现了集中式控制形式，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。

在此控制系统中，集中检测，控制运算工作量大，对计算机要求高。

进入70年代以来，以微处理器为核心的各种控制设备发展迅速，使得控制系统的形式也发生了相应的变化，组成种类很多。

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和可编程控制器组成，在国内水厂自动化中得到最广泛应用。

我国自80年代中后期起，陆续有一些较大型的水厂利用外资建设，引进了成套的水厂现代化监控仪表与设备。

我国在水厂关键环节混凝投药控制技术与设备方面实现了流动电流及透光率脉动两种控制设备的国产化，并在水厂获得推广应用，取得显著效果，在此方面已居于国际领先水平。

水工业的一些专用检测仪表与设备，如在线检测浊度仪、计量投加泵等，也有一些厂家开始生产，但是质量水平与国外产品相比仍有差距，难以满足国内市场需要。

目前，我国大多数水厂的监控技术仍是很落后的，基本以人工方式为主，很难适应现代化的要求，一些水厂(包括有些引进设备的水厂)的自
动监控基本照搬西方的模式，虽然采用了庞大的自动化系统、投资很大，然而在一些关键环节上的调节功能并不强。

这种模式并不适应我国相当多的水厂原水水质变化大而快的情况，也谈不上保证水处理系统运行的优化，结果水质的保证率低，而运行费用却相对较高。

这些自动监控系统并不完全符合提高水厂技术经济效益这一根本目的。

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他型式的滤池。

V型滤池就是在此基础上由法国德利满公司在70年代发展起来的，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。

因此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大多采用V型滤池这种滤水工艺。

水厂生产的基本工艺可分为加药、反应、沉淀、过滤、消毒、储存、送水等几个相关的过程，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，两个子过程交替运行，相互之间间隔一定时间。

1.3本设计的主要工作内容
本课题主要设计的是基于PLC控制的滤池恒水位过滤和自动反冲洗过程，主要设计流程如下：
(1)在分析系统功能的基础上确定系统的被控参数和控制参数，熟悉生产工艺过程，根据控制要求进行总体控制方案设计。

(2)相关硬件设计，进行系统的硬件设备选型和PLC选型，绘制系统的硬件连接图：包括系统硬件配置图和I/O连接图。

(3)根据所选硬件设备，确定恒水位过滤过程中PID控制算法的实现和参数的整定。

(4)相关软件设计，利用相关软件设计梯形图控制程序，对程序进行调试和修改。

(5)根据所设计的控制系统设计监控系统并进行仿真。

2 控制方案设计
2.1系统分析
2.1.1 V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。

滤池正常过滤工艺过程
实时处理模块
滤池反冲洗工艺过程
图2.1滤池工艺过程简图
2.1.2滤池的控制系统组成
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5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。

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。

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。

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。

2.1.3 V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。

进水阀
水泵鼓风机
排污阀
反冲洗水阀
反冲洗气阀
滤料层图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，滤池恒水位过滤工作框图如图2.3所示。

∑∑PID 方程设定水位SP 输出附
加处理
流速偏差前馈或输出补偿
运算输出开度可调的清水出水阀控制输出滤格
过程变量PV
滤格水位
超声波水位计
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。

(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。

2.1.4 滤池的控制要求
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
PC
PC
主控西门子PLC
现场PLC2现场PLC4现场PLC5现场PLC6现场PLC7现场PLC8现场PLC1现场PLC3
1号滤池2号滤池3号滤池4号滤池5号滤池6号滤池7号滤池8号滤池
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[1]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。

比例P
积分I
微分D 被控对象R(t)C(t)
+++-
E(t)U(t)
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：
)()()(t C t R t E -= (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 dt
t 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
Ti
1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 k
o i jt E dtT t E 0)()(
T
t k E kt E dt t dE )1()()(--≈ （2.3） 由此可得位置式数字PID 算法：
[])1()()()()(0--++=∑=K E K E K j E K K E K K U d k
J i p (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。

位置式算法对偏差进行累加，然后给出执行机构的位置控制量。

使用位置式PID 数字控制器会造成PID 运算的积分积累，引起系统超调，这在生产过程中是不允许的。

不难得到：
[]∑-=---++-=-1
0)2()1()()1()1(K j d i p K E K E K j E K K E K K U （2.5）
将式（2.4）与式（2.5）相减即可得到增量控制算法：
)1()()(--=∆K U K U K U
()())2()1(2)(-+-+-++=K E K K E K K K E K K K d d p d i p （2.6） 增量式PID 控制算法是对偏差增量进行处理，然后输出控制量的增量，即执行机构位置的增量，增量式PID 数字控制器不会出现饱和，而且当计算机故障时能保持前一个采样时刻的输出值，保持系统稳定，因此增量式算法比位置式算法得到更广泛的应用。

2..2.3 滤池控制器
滤池控制器首先控制滤池的液位，把液位大致稳定在一个范围内，达到维持相对稳定的滤速的目的。

一般的液位控制是由调节阀来完成的，以来自液位计的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个典型的闭环控制系统，如图2.6所示。

一般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，结果作为阀位给定值送至调节阀的比例执行器，由其完成阀门的动作。

这种控制实现简单，效果很好，可以十分精确的控制液位。

PLC 液位
调节阀A/D
图2.6滤池液位控制图
但是在净水厂滤池中，对液位的精度要求不高，无需将液位稳定在一指定高度，只要保持在一个较宽松的范围内即可。

此时，可以用开关阀替。