超滤膜净水工艺中自动控制系统的应用研究.pdf

声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：杪0 强关于学位论文使用权的说明本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。签名：苁7 是导师签名二定筮整日期：兰!兰：垒：芝太原理工大学硕士研究生学位论文超滤膜净水工艺中自动控制系统的应用研究摘要我国的水资源原本就极其贫乏，而且还存在着水资源的过度开发、利用率低以及时空分布不均性等问题。同时作为城市居民饮用水水源的很多水库、湖泊、江河以及浅层地下水都已经受到相当严重的污染，并且城市供水设施的规划与建设也都存在着不同程度的问题，从而使得城市供水质量和水质安全不能得到足够的保障，这些问题已开始极大地影响着城市居民的日常生活。为了满足人们对饮用水水质的高标准要求以及实现城市饮用水处理工艺的自动化生产过程，我们必须对城市供水行业采用的传统净水工艺技术进行革新改造，因此引入了第三代饮用水处理工艺中的“超滤膜技术”，并对超滤膜净水工艺中的自动控制系统进行了应用研究。针对我国饮用水源污染严重和水资源短缺等问题，本课题提出了建设大规模的超滤膜净水工程，实现超滤膜净水处理工艺的技术应用，以及建立一整套的超滤膜净水工艺自动控制系统等解决方案。因此，本课题对怎样选择超滤膜净水工艺中自动控制系统的设计方案、怎样确定这一控制系统的功能要求以及怎样设计一整套具有通用性的控制系统等问题进行了详细的调研、分析和论证。本课题以天湖水厂超滤膜净水处理工艺为研究对象，根据超滤膜净水处理工艺中控制系统的功能要求和控制方案，确定了系统所需要的硬件配置和软件工具，并完成了超滤膜净水工艺自动控制系统的研究与设计。该T太原理工大学硕士研究生学位论文系统能够实现整个超滤膜净水处理工艺过程的生产自动化和实时监控等功能，从而确保了系统安全、稳定、可靠的运行。本课题的研究成果：研究与总结了超滤膜净水处理工艺技术；分析了超滤膜净水工艺自动控制系统的功能要求；选择了“P C+P L C+H M I”的控制方案对超滤膜净水工艺自动控制系统进行设计；引入了“模糊P I D 控制算法”对系统控制器进行设计；完成了上位机监控系统的设计，实现对整个超滤膜净水处理工艺流程的实时监视与控制功能。课题利用超滤膜对原水水质波动的适应能力强，产水量大，环境保护效果好，便于实时调节，应用规模可在较大范围内变化的特点，以及能够实现净水处理工艺的工业化生产和自动化控制等优点，完成了以“超滤膜技术”为核心的超滤膜净水工艺中自动控制系统的研究与设计。同时，该自动控制系统的成功设计也能够为新建水厂和老水厂的升级改造贡献一定的参考价值。关键词：超滤膜技术，净水工艺，自动控制，P L C，组态监控I I太原理工大学硕士研究生学位论文T h eA p p l i c a t i o nR e s e a r c ho nA u t o m a t i cC o n t r o lS y s t e mi nU l t r a f i l t r a t i o nM e m b r a n e 鼢f e rP u r i f i c a t i o nP r o c e s sA BS T R A C TC h i n a Sw a t e rr e s o u r c e sa r ee x t r e m e l yp o o r T h e r ea r es o m ep r o b l e m so nu n e v e nd i s t r i b u t i o no ft i m ea n ds p a c e，e x c e s s i v ed e v e l o p m e n ta n dl o wu t i l i z a t i o nr a t eo fw a t e rr e s o u r c e s M a n yo ft h er e s e r v o i r s，l a k e s，r i v e r sa n ds h a l l o wg r o u n d w a t e r,a su r b a nr e s i d e n t s d r i n k i n gw a t e rs o u r c e s，h a v eb e e np o l l u t e dt ov a r i o u sd e g r e e s T h ep l a n n i n ga n dc o n s t r u c t i o no fu r b a nw a t e rs u p p l yf a c i l i t i e sa l s oh a v es o m es e r i o u sp r o b l e m s T h ep r o b l e m sh a v eb a d l yh a r m e dw a t e rs u p p l yq u a l i t ya n dw a t e rq u a l i t ys e c u r i t y,a n dt h e yh a v ea l s oa f f e c t e dt h ed a i l yl i f eo fu r b a nr e s i d e n t s I no r d e rt om e e tt h eh i g hs t a n d a r dr e q u i r e m e n t so fd r i n k i n gw a t e rq u a l i t ya n da u t o m a t i o np r o d u c t i o np r o c e s so fu r b a nd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s，w em u s tr e f o r mt h et r a d i t i o n a lw a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s st e c h n o l o g yo fu r b a nw a t e rs u p p l yi n d u s t r y T h i ss u b je c ti n t r o d u c e st h eu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n et e c h n o l o g yo ft h et h i r dg e n e r a t i o nu r b a nd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s A n dw es t u d ya t t e n t i v e l yt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi nu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rp u r i f i c a t i o nt r e a t m e n tp r o c e s s A i m i n ga tt h ep r o b l e m so fs h o r t a g eo fw a t e rr e s o u r c e sa n ds e r i o u sI I I太原理工大学硕士研究生学位论文p o l l u t i o no fd r i n k i n gw a t e rs o u r c e s，t h i ss u b je c tp u t sf o r w a r ds o m es o l u t i o n ss u c ha se n g i n e e r i n gl a r g e-s c a l ec o n s t r u c t i o n sa n dr e f o r m i n gp r o c e s st e c h n o l o g yo fu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s s，e s t a b l i s h i n gas e to fc o m p l e t ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mt or e a l i z et h ea u t o m a t i o np r o d u c t i o np r o c e s so fw a t e rp u r i f i c a t i o nt r e a t m e n tp r o c e s s T h e r e f o r e，t h i ss u b j e c tp r e s e n t ss o m es u g g e s t i o n sa b o u th o wt oc h o o s ead e s i g ns c h e m eo fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi nu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s s，h o wt od e t e r m i n et h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dh o wt od e s i g nas e to fu n i v e r s a lc o n t r o ls y s t e m A n dw ec a r r yo u tas e r i e so fi n v e s t i g a t i o n，a n a l y s i sa n da r g u m e n to nt h es u g g e s t i o n s T h i ss u b je c tp u t st h eu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s so fw a t e r w o r k sa st h er e s e a r c ho b je c t B a s e do nt h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n dc o n t r o ls c h e m eo ft h ec o n t r o ls y s t e mi nu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rp u r i f i c a t i o nt r e a t m e n tp r o c e s s，t h i sd e s i g ns e l e c t sr e l e v a n th a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n sa n ds o f t w a r et o o l s，a n dc o m p l e t e sp e r f e c t l yt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi nu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rp u r i f i c a t i o nt r e a t m e n tp r o c e s s T h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i ss u b je c ti n c l u d e：s t u d ya n ds u m m a r yo fu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s st e c h n o l o g y；a n a l y s e df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi nu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rp u r i f i c a t i o nt r e a t m e n tp r o c e s s；s e l e c t e dac o n t r o ls c h e m eo fa d o p t i n gP C，P L Ca n dH M I；i n t r o d u c e dF u z z y P I Dc o n t r o la l g o r i t h mt od e s i g nt h es y s t e mI V太原理工大学硕士研究生学位论文c o n t r o l le r；c o m p l e t e dt h ed e s i g no fP Cm o n i t o r i n gs y s t e ma n di m p l e m e n t i n gt h er e a l-t i m em o n i t o r i n gf u n c t i o no nt h ew h o l eu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rp u r i f c a t i o nt r e a t m e n tp r o c e s s U l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n eh a sas e r i e so fi m p o r t a n tc h a r a c t e r i s t i c s，s u c ha ss V o n ga d a p t a b i l i t yf o rr a ww a t e rq u a l i t yf l u c t u a t i o n，h i g hw a t e ry i e l d，g o o de f f e c to fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n，f a c i l i t a t i n gr e a l t i m ea d j u s t m e n t，v a r y i n ga p p l i c a t i o ns c a l ei naw i d er a n g e，r e a l i z i n gi n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n da u t o m a t i o nc o n t r o lo fw a t e rp u r i f i c a t i o nt r e a t m e n tp r o c e s s T h i ss u b j e c tc o m p l e t e st h er e s e a r c ha n dd e s i g no fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi nu l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rp u r i f i c a t i o nt r e a t m e n tp r o c e s sw h i c hp u t su l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n et e c h n o l o g ya sc o r ec o n t e n t A tt h es a m et i m e，t h ea p p l i c a t i o nr e s e a r c ho ft h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mc a na l s op r o v i d ec e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rt h en e ww a t e r w o r k sa n do l dw a t e r w o r k s u p g r a d e K E YW O R D S：U l t r a f i l t r a t i o nm e m b r a n et e c h n o l o g y,W a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s s，A u t o m a t i cc o n t r o l，P L C，C o n f i g u r a t i o nm o n i t o r i n gV太原理工大学硕士研究生学位论文V I太原理工大学硕士研究生学位论文目录第一章绪论11 1 我国水资源及水资源污染现状11 2 国内外饮用水处理工艺的发展21 3 超滤膜净水工艺自动控制系统的应用现状与发展41 4 课题研究的目的和意义51 5 课题研究的主要内容6第二章超滤膜净水工艺介绍72 1 超滤膜技术原理72 1 1 超滤膜技术介绍72 1 2 超滤膜污染控制82 1 3 超滤膜技术在饮用水处理工艺中的研究与应用92 2 水厂超滤膜净水工艺介绍92 2 1 天湖水厂净水工艺概述92 2 2 超滤单元介绍1 1第三章超滤膜净水工艺自动控制系统分析与方案的确定1 33 1 超滤膜净水工艺自动控制系统功能分析1 33 2 超滤膜净水工艺自动控制系统方案的确定1 5第四章超滤膜净水工艺自动控制系统设计1 74 1 系统控制对象统计1 74 2 系统I O 分配1 74 3 系统主要设备的选型184 3 1P L C 及其扩展模块的选型184 3 2 受控设备的选型。2 14 3 3 检测仪表的选型2 24 3 4 变频器的选型2 34 3 5H M I 的选型2 44 4 系统电路分析及设计2 5V I I太原理工大学硕士研究生学位论文4 4 1 系统主电路分析及设计2 54 4 2 系统控制电路分析及设计2 84 5P L C 系统软件开发介绍314 5 1 编程软件S T E P 7 简介314 5 2 项目的创建3 24 5 3 硬件组态3 44 5 4 软件编程3 64 6 系统程序设计3 84 7 系统通信4 14 8 系统可靠性分析4 2第五章系统控制器设计4 55 1P I D 控制及算法4 55 2 模糊P I D 控制算法在产水系统中的应用4 75 3 模糊P I D 控制器的设计4 8第六章上位机监控系统设计5 36 1 组态王软件简介5 36 2 组态王的功能实现5 46 3 图形监控界面设计5 66 4 构造数据库5 86 5 建立动画连接6 06 6 系统安全管理6 26 7 监控系统调试6 3第七章结论与展望6 57 1 研究结论6 57 2 展望6 5参考文献6 7致谢7 1攻读学位期间发表的学术论文7 3附录系统I O 点数分配表7 5V I I I太原理工大学硕士研究生学位论文图表索引图2 1 超滤膜工作原理图8图2 2 净水工艺流程图1 0图2 3 超滤膜组器车间1 1图3 1 控制系统结构图1 5图4 1S 7 3 0 0P L C 的多机架结构图1 9图4 2 系统主电路图2 7图4 3 进水泵控制电路图2 9图4 4 降压启动控制电路图2 9图4 5 直接启动控制电路图3 0图4 6 电动阀门控制电路图3 1图4 7S I M A T I C 管理器窗口3 3图4 8S 7 3 0 0 的硬件组态窗口3 5图4-9 控制程序结构图3 6图4 10 主程序编辑窗口3 7图4 1 1 系统控制程序流程图3 9图4 1 2M P I 通信的网络拓扑结构图4 1图5 1P I D 控制原理图4 5图5 2 控制系统图4 7图5 3 输入与输出变量的隶属度函数4 8图5 4 控制算法流程图5 l图6 1 组态王工程管理器窗口5 5图6 2 组态王软件的功能5 6图6 3 超滤膜净水系统总图5 7图6 4 超滤膜组器0 1 号平面图5 8图6 5 定义变量对话框5 9图6 6 系统数据库变量6 0图6 7 动画连接对话框6 1I X太原理工大学硕士研究生学位论文图6-8 工程加密处理对话框6 2图6-9 检查文件密码对话框6 3表2 1 水库水质检测表1 0表4 1S 7 3 0 0P L C 的硬件配置表2 0表4 2 受控设备参数表2 1表4 3 检测仪表参数表2 2表5 1 模糊控制规则表4 9表5 2 模糊控制表4 9X太原理工大学硕士研究生学位论文第一章绪论1 1 我国水资源及水资源污染现状地球上的水资源，其广义的概念主要是指大自然任何形态的水，其主要由气态、液态和固态三种形态的水组成，而人们所指的水资源主要指的是地球陆地上的淡水资源。根据资料显示，全球淡水资源总量仅仅占到地球水资源总量的2 5 3，然而这些淡水资源主要以南极和北极地区的固体冰川以及地下水的形式存在，由于技术条件的限制，使得这些淡水资源的开发利用率非常的低【l】。目前，人们主要使用的是浅层地下水、水库、湖泊以及江河等淡水资源，然而这些淡水资源储量仅仅占到全球淡水总量的0 3。作为世界上人口最多的国家，我国的淡水资源总量只占到全球可利用淡水资源的6，位列世界第六位，其淡水资源储量总共是2 8，0 0 0 亿立方米，人均淡水资源还不到2，3 0 0 平方米，在世界国家中排名百位之后【2 J。这些数字充分说明了我国的淡水资源非常不足，同时也说明了我国是世界上人均淡水资源量最缺乏的国家之一。我国的人均淡水资源极其不足，仅仅相当于国际人均淡水资源的四分之一。除了水资源总量偏少的原因外，我国水资源也存在着十分普遍的时空分布不均性。由于水资源时空分布不均，使得其与土地资源分布互不对等，造成北方水较少、土地较多，南方水较多、土地较少以及人均水资源数量东多西少的情况，随着全国人口数量的不断增长，预计2 0 3 0 年全国人均水资源数量将会从现在的2，3 0 0 立方米下降到大约1，8 0 0 立方米左右，这样将会使得水资源短缺的问题更加严重，同时也会极大的制约社会经济的快速发展以及影响人们的日常生活【3 1 1 4 1 5 1。水资源的过度开发和利用率低也造成了我国水资源短缺以及大量浪费的问题。人们对水资源近乎掠夺式的过度开采利用使得有些地区的生态环境逐步恶化，例如西北地区的缺水地域日趋扩大。水资源过度的开发造成了下游地区的地表水减少，采用抽取地下的咸水进行灌溉而使得土地盐碱化；地下水的过度开采使得地下水位逐渐下降，引起了地面植物大量死亡以及地面下沉等问题。同时，水资源的低利用率也使得我国水资源的浪费极其严重。在人们的日常生活中，亦或是农业、工业生产中，水资源浪费现象随处可见，例如我国大部分城市的饮水管网存在着不同程度太原理工大学硕士研究生学位论文的漏水、滴水等状况，其水资源损失高达1 5 至2 0：我国的工业用水极其浪费，而且工业用水的重复使用率只有发达国家地一半，仅仅占到3 5 至4 0；我国农业生产还普遍采用的大水漫灌的灌溉方式，其水资源利用率只有3 0 至4 0【3】。我国水资源污染状况极其严重，全国包括长江、黄河等河流都受到不同程度的污染，将近9 0 的湖泊、水库都出现富营养化的情况【6】。引起水资源严重污染的原因主要有以下三方面内容：(1)工业污水排放量大且处理率极低，污水处理厂和企业污水处理设备基本上流与形式，造成大量生活污水和工业污水直接流入江河，导致水体污染严重；(2)农业生产污染状况日趋严重，农业生产中使用的农药和化肥一般都具有极强的毒性以及扩散性，经雨水的冲洗最终可能会流入自然水体中，造成极大地危害；(3)人们的环境保护意识观念不强，城市生活垃圾随意的倾倒造成了城市水资源污染更加严重。针对目前我国水资源污染日益严重的状况，同时为了保障人们日常生活的饮用水安全，国家标准化管理委员会与卫生部联合颁布了新版的国家生活饮用水卫生标准(G B 5 7 4 9 2 0 0 6)，该新标准在原来的3 5 项检测标准的基础上扩充至1 0 6 项检测标准，其新增加的检测标准包括微生物类检测指标，二氧化氯消毒与臭氧消毒检测指标，消毒剂使用检测指标，以及2 1 项的毒理指标。该标准已于2 0 1 2 年7 月1日起正式实施。1 2 国内外饮用水处理工艺的发展随着科学技术和社会经济的迅速发展，我国的城市供水技术也在不断地进行着技术革新，其供水质量和饮用水水质均明显提高。但是由于各种原因，城市供水行业依然存在着难以解决的问题。我国水资源极其贫乏，并且作为城市居民饮用水水源的江河、水库、湖泊及浅层地下水的大部分已经受到相当严重的污染。同时，城市供水设施的规划与建设存在着极大的问题，其供水质量和水质安全不能得到足够的保障。目前，国内大部分城市供水行业采用的净水处理工艺主要是“混凝一沉淀一过滤一氯消毒一臭氧活性炭处理工艺”，由于近几年饮用水水源中藻毒素与蓝藻水华的频繁出现，现存的饮用水处理工艺难以将水中的藻类完全的去除，使得饮用水安全又面临着十分严峻的危险。为了满足人们对饮用水水质的高标准要求，我们必须太原理工大学硕士研究生学位论文对城市供水行业采用的传统净水工艺技术进行革新改造。其饮用水处理工艺的发展和技术革新主要包括以下几方面的内容【7】【引。第一代城市饮用水处理工艺出现于2 0 世纪初。当时，城市的饮用水水质极差且得不到应有的安全保障，使得一些水介传染病(痢疾、霍乱等)和病毒性传染病(脊椎灰质炎等)通过水介质的传播，给人们的生命健康造成了极大地威胁以及社会的动荡。在2 0 世纪初，人们通过实验发现，一般的水体通过“混凝一沉淀一过滤一氯消毒 的净水处理工艺后，其饮用水水质得到了明显的提高，由此这一净水处理工艺使得传染病地流行得到了控制，也称其为第一代城市饮用水处理工艺。后来人们发现，有些病毒不是独自存在，而是粘附于水中的颗粒性物质，这也使得饮用水源的浑浊度明显增加。国外后来将浊度作为生活饮用水的检测指标，而第一代城市饮用水处理工艺可以极大地减少饮用水中的颗粒物质和降低水中的浑浊度，这样也推动了第一代城市饮用水处理工艺的实践应用和发展。第二代城市饮用水处理工艺出现于2 0 世纪7 0 年代。随着工业社会的迅速发展以及环境保护意识的缺乏，作为城市饮用水水源的浅层地下水、江河、水库和湖泊等水资源都遭受了相当严重的污染，因而在饮用水中出现了不同种类的有毒微量有机污染物和氯消毒的副产物。例如，饮用水中的某些有机污染物可能引发人体的致畸、致癌和致突变；使用氯对饮用水消毒时，水中的有机污染物与氯可能发生化学作用，生成三卤甲烷等氯消毒的副产物。然而第一代城市饮用水处理工艺并不能对这些有毒污染物和氯消毒的副产物进行有效的去除，这样就使得饮用水达不到其化学安全性，人们长期食用这样的饮用水会给身体造成极大的危害。因此，作为第二代城市饮用水处理工艺的“混凝一沉淀一过滤一氯消毒一臭氧活性炭处理工艺”技术诞生了，其在第一代城市饮用水处理工艺后添加的“臭氧活性炭处理工艺”能够有效地控制饮用水中氯消毒的副产物和有毒微量的有机污染物，使得饮用水地化学安全性得到了显著的增强。第三代城市饮用水处理工艺出现于2 0 世纪末。在2 0 世纪末期，水资源污染又发生了一些新的变化，因为各种各样的污染物以不同的方式流入水体，从而导致了江河、湖泊以及水库等饮用水源水质富营养化极其严重，其中藻类大量繁殖，甚至有些水体的藻含量达到了每升含有上千万亦或是上亿个。虽然第一、二代城市饮用水处理工艺能够很好的控制饮用水中的致病细菌、有毒微量有机污染物和氯消毒的太原理工大学硕士研究生学位论文副产物以及降低水的浑浊度，但是还不能完全的除去水中的藻类，使得数以万计升的藻类穿过滤池进入饮用水中，可能再次生成氯消毒副产物和嗅味物质，这些产物会成为细菌、病毒再次繁殖的营养物质，同时会造成饮用水的品质和安全性降低。为了解决城市饮用水存在的藻类污染等严重问题，人们研发了以“超滤膜技术”为主要内容的第三代城市饮用水处理工艺。新一代的饮用水处理工艺不但能够显著的增强饮用水的化学安全性和微生物安全性，而且能够极大的提高饮用水的品质和安全性。因此，以超滤膜技术为核心的水处理工艺，作为第三代城市饮用水处理工艺的首要特征，将成为城市饮用水处理工艺应用研究的新方向。1 3 超滤膜净水工艺自动控制系统的应用现状与发展超滤膜技术不但很好的保护了饮用水的微生物安全性，而且极大地提高了饮用水的化学安全性。同时，它还具有使用寿命长、产水品质高、运行费用低以及便于操作的优点。目前，国外净水厂的水处理工艺已经步入了大规模使用超滤膜的时代，然而我国的净水厂在使用超滤膜净水工艺方面还处于刚起步的阶段。因此，对于我国净水行业技术的发展而言，建设大规模的超滤膜净水工程将具有深远意义。超滤膜净水工艺是一种极其复杂的生产工艺，为了实现超滤膜系统长期稳定的运行，需要建立一套可靠的、便于操作以及值得推广的自动控制系统。水厂超滤膜净水工艺中的控制系统包括：(1)使用单片机作为控制器的超滤膜净水工艺自动控制系统；(2)使用P L C 作为控制器的超滤膜净水工艺自动控制系统。单片机是一种集成电路芯片，它利用超大规模集成电路技术将中央处理器C P U、程序存储器R O M、数据存储器R A M、定时器和计时器、各种I O 端口以及中断等功能集成在-d,块硅片上组成的一个高度集成的微型计算机系统，其广泛应用于工业控制领域。由单片机组成的控制系统具有集成度高和成本低的特点，但是它也具有抗干扰能力差、硬件设计复杂、维护相对麻烦等缺点，使得基于单片机构成的控制系统只适用于产量比较大的生产项卧9 1。P L C 具有硬件配置完善、各种功能齐全、用户应用方便等优点。同时，它还具有体积偏小、抗干扰能力强、可靠性强、功耗极低以及通信联网功能强等特点。P L C不但大规模的应用于机械制造、冶金、电子、化工、纺织、食品加工等工业领域，4太原理工大学硕士研究生学位论文而且它的控制应用也与人们的日常生活息息相关。例如，P L C 已经普遍的应用于城市水厂供水系统、城市污水处理系统以及超滤膜净水处理工艺系统。根据分析讨论，我们选择功能性强大的P L C 来完成超滤膜净水工艺自动控制系统的设计。1 4 课题研究的目的和意义本课题在仔细研究和分析了国内外饮用水处理工艺技术的前提下，针对当前我国饮用水处理工艺所存在的实际现状和问题，引入超滤膜技术，实现了对传统饮用水处理工艺的技术改造，并完成了超滤膜净水工艺自动控制系统的应用研究。课题研究的目的是针对我国水资源短缺和饮用水源污染严重的重大问题，提出了大规模建设超滤膜净水工程的解决方案，对怎样选择超滤膜净水工艺自动控制系统的设计方案、怎样确定这一控制系统的功能要求以及怎样设计一整套具有通用性的控制系统等问题进行了详细的调研、分析与论证。课题研究的意义主要表现为以下几方面内容：1 解决了晋中市趋于紧张的供水问题。目前，晋中市的自来水厂可以为城区提供7 0 0 0 0 m 3 d 的供水量，其中包括4 0 0 0 0 m 3 d 的一水厂、二水厂孔隙水和裂隙水以及3 0 0 0 0 m 3 d 的三水厂岩溶水。随着城区的扩展和城市人1 2 1 的不断增加，近年来晋中市供水量不足的问题日渐突出，为了满足城市长远期发展的要求，需要新建一水厂来增强城市的供水能力。2 满足了饮用水水质高标准的需求。晋中市天湖水厂采用了以超滤膜技术为核心的第三代城市饮用水处理工艺，其不仅能显著的控制水中的颗粒性物质、细菌和病毒，而且能够对水中的有毒微量有机污染物和其他有毒物质起到良好地控制效果。这样就满足了我国于2 0 1 2 年强制实施的新版生活饮用水卫生标准)(G B 5 7 4 9 2 0 0 6)的检测要求，也确保了城市饮用水水质高标准的要求。3 以超滤膜技术为核心的第三代城市饮用水处理工艺具有对原水水质波动极强的适应能力，产水量大，环保效果好，便于实时调节，应用规模可在较大范围内变化，能够实现水处理工业化生产以及自动化控制等优点。同时，超滤膜净水工艺中自动控制系统的应用研究能够为新建水厂和老水厂的改造贡献一定的参考价值。太原理工大学硕士研究生学位论文1 5 课题研究的主要内容本课题以晋中市天湖水厂超滤膜净水处理工艺为研究对象，根据超滤膜净水处理工艺中控制系统的控制要求，最终完成了包括硬件部分、软件部分、模糊P I D 控制器和上位机监控系统的整个超滤膜净水工艺自动控制系统的研究和设计。该系统能够实现超滤膜净水处理工艺的整个过程的生产自动化，以及实时监控整个生产过程的功能，从而确保了系统的安全、稳定、可靠的运行。本课题的研究内容主要包括以下几方面内容：1 超滤膜净水处理工艺技术的研究与总结。针对我国当前城市饮用水处理工艺技术的落后和饮用水质的不达标等现状，仔细的研究与总结了超滤膜技术在饮用水处理应用中的先进技术，以及分析了超滤膜技术在国内大规模应用的必然性。2 超滤膜净水工艺自动控制系统分析与方案的确定。认真分析了超滤膜净水工艺自动控制系统的功能要求，在详细了解超滤膜净水处理工艺流程的基础上，确定系统的控制方案。3 超滤膜净水工艺自动控制系统的设计。其系统设计主要包括系统被控设备的统计，确定系统I 0 点数的分配，系统主要设备的选型，系统电路的分析与设计，P L C 系统软件开发的介绍，系统的程序设计，系统通讯以及系统的可靠性分析等部分。4 系统控制器的设计。为了有效地解决超滤膜净水工艺产水系统中存在的时滞性与非线性等问题，本课题提出了一种模糊控制和P I D 控制相结合的模糊P I D 控制算法，并对模糊P I D 控制器进行了详细的设计。5 上位机监控系统的设计。在组态王软件中完成了上位机监控系统的设计，该监控系统能够对实际的超滤膜净水工艺生产过程中的信号与数据实现采集与处理、实时画面显示、故障报警与处理、工艺流程控制等过程进行实时监控。太原理工大学硕士研究生学位论文第二章超滤膜净水工艺介绍2 1 超滤膜技术原理超滤膜技术作为一种绿色物理分离技术，它利用超滤膜的筛分作用可以实现溶液的分离、浓缩和净化。2 1 1 超滤膜技术介绍超滤膜是一种孔径大小一般为O 0 0 1 0 0 2 9 m 的微孔过滤膜，其孔径规格要保持一致。在外力作用下，通过超滤膜的筛分作用使得小于膜孔径的溶质分子透过超滤膜，同时分离其分子量大于5 0 0 道尔顿或是颗粒直径大于2 2 0 n m 的颗粒物质【l o】。超滤膜作为最早研究出来的用于分离高分子物质的膜之一，其超滤装置在2 0世纪6 0 年代就实现了工业化生产。目前，超滤膜已经广泛的应用于各种工业领域，成为了一种新型的化工单元操作方法。它主要应用在医药产品、生物制品的分离、浓缩和净化工艺中，同时在生活废水处理、血液处理以及城市水厂净水处理