1、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、
2、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
3、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
4、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。
5、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
6、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
7、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6m6m6m,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4002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
8、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
9、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：自动反冲洗半自动反冲洗。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
10、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)
11、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
12、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
13、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
14、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： （2.2）上式中：Kp是控制器的比例系数 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
15、微分方程化成离散形式的差分方程。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)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：（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
16、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现场滤池控制器 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。图2.6滤池液位控制图但是在净水厂滤池中，对液位的
17、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，可以用开关阀替代调节阀来调节液位，降低投资成本。 开关阀的液位控制仍然适用闭环反馈的基本原理，但具体情况与调节阀的有很大不同。开关阀的驱动信号有两个，一个开阀，一个关阀，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，不会始终保持在一个位置上；而调节阀是由一个模拟量的开度信号驱动的，阀门随着该信号的变化而动作，若信号不变，阀门位置不变。所以，可以对调节阀进行控制的PID计算结果，对开关阀无效。通过PLC计算得出阀门位置的机制也就不再适用，需要重新设计。最简单的办法是采用双位调节，即液位高于设定时
18、，关闭阀门:低于设定时，打开阀门。此方法非常容易实现，但缺点也非常突出:它的动作非常频繁。系统中的运动部件，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，许多场合都必须刻意避免阀门频繁动作。所以，该方法不能直接使用。双位调节可以看作是一个极端的比例系数很大的比例控制，对任何一个偏差，不论大小，都会产生饱和满载的输出。根据比例环节比例系数对过渡过程的影响(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，稳定程度下降;(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的原因。如果减小这个所谓的比例系数，就可以减小阀门动作频率，并增强系统
19、稳定性。下面谈谈如何实现。实际上开关阀的开与关不是瞬时完成的，而是有一个动作时间。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。这首先要求电气执行机构的改变。一般的开关阀，执行机构是由连锁的，只要动作信号一给出，不管是否保持，阀门都要持续动作到底(关死或开足)，不会中途停止。也就是说，阀门每次的动作时间都是相同的，不可更改。所以，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的持续时间，控制阀门的动作时间了。 然而，仅仅缩短一次性动作时间仍然不能实现稳定控制。液位的滞后性较强，PLC在检测到其改变(由低于设定变为高于设定，或反之)前，会不断发出阀门动作
20、信号，直至动作到底。情况跟先前并没什么不同，只是由一次动作变为多次动作了，频繁性没有得到根本的改变。单纯的比例控制在对付滞后系统时确实很困难。参考常被应用在较强的滞后系统中的采样PID，它通过延长反馈信号的采样周期，延缓PID输出的更新频率，以适应系统的滞后性。这个方法应用在本例中，也得到了很好的效果。采样周期和动作时间的结合，极大降低了阀门的动作频率，系统也更加稳定了。这样，对双位调节增加两个时间控制，实现了开关阀对液位的调节。具体两个时间如何确定，可以先估算，再具体调试。首先估算滤速，平均的滤速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%开启度
21、的时候达到的，那么阀门每改变百分之一的开度，对滤速的影响为0.006厘米/秒。由于事实上不断地有水流入滤池，实际的液位下降速度要比0.58厘米/秒慢很多，所以采样的间隔可以设的比较长，达到十几秒钟。阀门的动作时间也不必很长，有整个开启(或关闭)时间的5%即可。在本例中，最终的取值是这样的:采样间隔15秒，一次动作时间1秒(由全开至全关的动作时间为18秒)。 至此，液位控制己经可以实现，但仍然可以进一步优化该控制，继续减低阀门的动作频率。当液位变化的趋势(上升或下降)与控制预期相同时，阀门的动作是非必要的，可以免除，当趋势与预期不同时，才需要阀门动作进行调节。所以，如果能够判断液位的变化趋势，就
22、可以进一步减少阀门动作。具体实现是一次采样后，将该值备份，使其不会在下次采样时备更新。这样就可以对连续两次采样的值作一个比较，判断液位的升降。之后再结合液位情况，确定阀门是否动作。比如:液位高于设定值，而正处于下降状态，则阀门不动作。相应的，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的协调先从反冲洗的一般过程说起。在一般滤池系统的六个阀门中，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。所以，反冲洗过程会伴随着一系列的开阀关阀动作。具体过程是这样的:得到信号开始反冲洗后，首先关闭
23、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。一般的冲洗包括气冲、气水冲和水冲，先开气冲阀，开至一半时，开鼓风机，气冲开始。一定时间后，开水冲阀，半开时启动第一台水冲泵，进行气水冲。再过一定时间，关鼓风机，关气冲阀，开第二台水冲泵，仅作水冲。到时间后，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。这样一个繁琐的过程，要由两套控制器共同完成，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，它们之间的协调与沟
24、通至关重要，需要约定一个可靠的沟通机制。基本上，这个机制就是一系列的标识，用来向其它控制器表明自己当前的状态。这些标识作为信号在通讯网络上发送，以“0” 、“1”表示。当滤池或反冲系统处于某一状态时，相应标识置门置“1” ，向另一控制器发送，当这一状态结束时，标识清零，再向另一控制器发送。标识的值随着状态的变化而变化。一般的通讯沟通都图2.7调整前的反冲洗过程要求接收方返回一个确认信号，表明正确收到被发送信号，以备信号在传送过程中丢失。但这里无须考虑此问题，因为连接控制器的网络自身的通讯协议己能够确保信号传送的可靠性。 下面再讨论一下标识的设立。首先，不能有两个滤池同时进入反冲洗，一旦有两个滤
25、池的气冲或水冲阀同时打开，冲洗就不能顺利进行。因此，要建立一个标识，表明有滤池在反冲洗时，其它滤池不能进行反冲洗，以阻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，要有一个标识，传递给反冲洗系统控制器通知它开鼓风机。同样，还要有一个标识，通知反冲洗系统控制器开水冲泵。在鼓风机和水冲泵停止后，又分别要有一个标识，通知滤池控制器关闭气冲阀和水冲阀。这一系列的标识，就是两套控制器之间实现沟通协调的方法。然而，若不对反冲洗的过程作一些调整，这种方法会十分复杂，不易实现。原因如下:上述的标识只是一部分，实际的工程中还涉及了故障报警，故障处理等问题，需要添加大量标识。这不但很大的提高了工作的复
26、杂程度，还很难保证遇到突发故障时的有效处理，整个沟通过程将会设计的很庞大、复杂。而且当系统中不只有两台控制器时，标识个数又会成倍增加，尤其在大系统中应用时，如此数量庞大的标识使沟通的编程实现十分困难。 要减少表明滤池或反冲洗系统所处状态的标识，须从反冲洗过程入手，减少须要向其他控制器传达的中间状态。经过与老师和同学的讨论，可以对原先的反冲洗过程作一些修改，以得到一套简化许多的通讯方案。原先沟通机制过于复杂的原因在于阀门控制和反冲洗系统的控制穿插进行，两套控制器各自实施控制常要以对方的控制完成为条件。新的方案则可以减少这种条件，使通讯大为简化。调整后的反冲洗过程可分为三个阶段:反冲洗前的开、关阀
27、阶段，反冲洗阶段，反冲洗后的关、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。与原来不同的是，没有在气冲或水冲阀半开时启动鼓风机或水冲泵。仅仅只有这些阀门的动作，没有任何涉及反冲洗系统的控制。所有阀门到位后，滤池控制器向反冲洗系统控制器传递一个标识，进入第二阶段。这一阶段没有任何涉及阀门的控制，全部是关于鼓风机、水冲泵的操作，由反冲洗系统控制器独立完成。冲洗完毕，反冲洗系统控制器会给滤池控制器一个标识，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
28、阀，进入正常过滤阶段。 图2.8调整后的反冲洗过程这个方案中，两个控制器的控制作用阶段分得很清晰，便于控制器集中完成控制任务，不仅简化了协调过程，对于简化突发故障的处理也很有意义。例如:在开水冲阀时遇到故障，原先的处理要发出报警，阻止水冲泵的启动，停止鼓风机的运转，还要关闭气冲阀，两套控制器都要参与处理。而新方案中，阀门没有到位，就不会送出标识，故障的处理仅由滤池控制器单独进行。 上述的控制器协调机制是只有两套控制器的最简情况，当滤池控制器有多个时，情况要复杂一些，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。由于同一时刻只允许有一个滤池处于反冲洗状态，其它滤池只能进入等待队列，所以一次反冲洗只会有一个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，正在反冲洗的状态标识是最重要的一个，它类似于交通信号灯中的红灯，禁止其它滤池与反冲洗系统进行非法通讯，保证通讯协调的正常秩序，避免混乱的发生。以两台控制器组成的滤池控制系统，在净水厂滤池自动化中有较强的实际意义，既可以在它的基础上，扩展成为多控制器滤池系统，适应大型水厂的需要，也可以用于老旧中小型水厂的扩建、改造。在我国目前许多城市规模扩大、人口增加，对自来水需求量迅速增长的情况下，有很大的应用前景。
