水厂滤池自动控制系统总体方案的设计.docx

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1、摘要供水是一个关系国计民生的重要产业。供水不仅要满足管网压力的需要、保证充足供水，还要求水质明显提高。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，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。本文从水厂滤池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ControlLogix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，设计了以出水流量为控制参数的滤池液位PID控制系统。而在系统接收到反冲洗信号时，本系统在设计上就主控PLC如何更好的与现场PLC协调

2、控制滤池的反冲洗方案进行了对比并且做了优化，增强了控制思路的清晰性，达到了预期的控制效果。根据系统的控制要求，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。关键词：水厂滤池，恒水位PID控制，自动反冲洗，协调控制 ABSTRACTWater supply is an important industry for the peoples livelihood. Not only to meet the needs of the pipeline network pressure and to ensure adequate water supply

3、, but also called for the improvement of water quality. As to conventional water treatment plant, filter is the last structures of water purification processes, filter run a direct impact on water quality. The process of filter backwash is complexity, if still used in manually, labor-intensive, low

4、productivity, so it is difficult to ensure the safety of this system and it must be transformed to automatic systems.In this paper, as a view of the automatic control system for the water plant filter requirements and process characteristics, the automatic control system for the water plant design o

5、f a set of hardware and software based on the ControlLogix system has been accomplished. When in the normal filtrate period,in order to keep the constant level, designed the PID filter level control system which is based on the water flow parameters. When receives backwashing signals, the control sy

6、stem on how to enhance coordination between master PLCand on-site PLC, has been compared and optimized. According to requirements of the designed control system, the selection of hardware devices, hardware configuration, I/O module wiring diagram, procedures for the realization of control algorithm

7、have been accomplished.Keywords: water plant filter, constant water level on PID control, automatic backwashing, coordinated control 目录1绪论111课题研究背景11.2 课题研究内容21.3 研究的目的和意义52 控制系统总体方案的设计72.1 系统分析72.2 系统总体方案的设计123 控制系统的硬件设计273.1 滤池实现自动控制所需的设备273.2 传感器和执行器的选择333.3 系统的硬件配置及I/O连接图393.4 控制参数整定434 系统的软件设计4

8、74.1 软件总体方案的设计474.2 控制方案程序495 监控系统的设计615.1 组态王6.52简介615.2 监控界面的设计61结束语72参考文献73致谢74附录751绪论11课题研究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

9、，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。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

10、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，一度比较落后。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。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

11、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。1.2 课题研究内容1.2.1 研究现状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

12、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，环节之间的协调是难以自动实现的，需要人工加以干预。这属于分散式控制。以后随着计算机及控制技术的发展，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。在这种控制系统中，集中检测、控制运算工作量大，要求计算机功能强大，有很高的可靠性。一旦控制系统出现故障，整个系统就都会陷于瘫痪2。进入70年代以来，以微处理器为核心的各种控制设

13、备发展迅速，使得控制系统的形式也发生了相应的变化，结构组成种类很多。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(IPC)和可编程序控制器(PLC)组成。在国内水厂自动化中得到最广泛的应用。该系统的优点是：(1)可以实现分级分布控制。(2)可以实现“集中管理、分散控制”的功能，将危险分散，大大提高了系统的可靠性。(3)组网方便。硬件系统配置简洁，很容易在网络中增减PLC控制器，来实现扩展网络的目的。(4)编程方便，开发周期短，维护方便。由于应用程序采用梯形图或顺序功能图

14、编辑，编程和维护方便。(5)系统内的配置和调整非常灵活。(6)与工业现场信号直接相连，易于实现机电一体化。当前水厂采用最多的控制系统是IPC+PLC系统。该系统近年发展迅速，已经与DCS系统的功能相近，特别是同样具有分级分布控制、实现集中管理，分散控制的功能，往往从水处理工艺控制的角度也将此系统称为集散式系统。国外自70年代起开始了供水系统自动控制的研究与应用工作。尤其是自80年代以来，微电子等现代科技高速发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展，水工业专用检测仪表与装备不断发展与完善，相应地推动供水系统的自动监控技术有了质的飞跃。加之西方发达国家雄厚经济实力与技术基础，供水系统的自动监控已得到

15、普遍应用。一些水厂己实现全自动运行，能对生产工艺的各个环节连续自动地监测、调节、记录、报警等等3。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，同时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凝控制设备的国产化，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距离，难以满足国内市场需要。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

16、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，而谈不上保证水处理系统运行优化，结果水质保证率低，而运行费用高。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4。针对我国的技术经济条件，不同规模水厂迫切需要解决的问题有所不同。近年来建设的较大型的、自动监控水平较高的水厂需要认真总结应用经验，并向优化运行方面发展，为这类水厂自动监控技术的进步提供借鉴与指导。对于众多的中小水厂，经济条件有限，应在坚持国产化、实用化的原则下，着重发展那些对供水质量、运行费

17、用有重要影响的工艺环节（水厂滤池的过滤环节等）的自动监控技术与设备，建立规模适宜、自动化水平相对较高、运营成本较低的符合自身发展水平的自动监控系统。1.2.2 研究内容滤池自控技术是净水处理的重要环节，如果控制不好，就不能达到预定的水质要求。采用哪一种滤池反冲技术是滤池自控技术中的研究内容。单一水反冲洗技术己沿用多年，由于该方法具备操作单一和设备简单等特点，在我国得到了广泛应用。但实践证明该技术是一种相对落后的反冲洗方式。该法耗水量较大，剪切、碰撞及摩擦作用较弱，难以完全消除滤料上的泥球及结块现象，也给过滤带来许多弊端。由于传统的水反冲洗技术存在一些问题，众多学者通过不断探索和研究，开发了气、

18、水反冲洗技术。目前，国内外气水反冲洗有3种运行方式：一是先气洗，再用低流量水反冲洗；二是先气、水同时反冲洗，再用低流量水反冲洗；三是先气洗，再气、水同时反冲洗，最后用水漂洗。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，主要内容是首先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，明确系统的总体控制方案，制定整体的工艺控制流程图，进而确定系统所需的硬件设备。其次，根据所选择的硬件设备，确定恒水位过滤过程中PID控制算法的实现和参数的整定。最后，完成恒水位过滤和自动反冲洗过程功能的软件的编程实现，根据所设计的自动控制系统设计出整个系统的监控画面。1.3 研究的目的和意义1

19、.3.1 研究的目的改革开放以来，我国人民的生活水平逐步提高，饮用水的质受到越来越多的关注，自来水厂的处理工艺要求也不断提高，与之相反的是水源水质却每况愈下，如何保证水厂出厂水质达标，水处理过程的每一个环节都很重要。滤池是自来水厂处理工序中最为关键的环节之一，它运行质量的好坏可决定一个水厂生产质量的好与坏，并对全水厂的生产成本、效能产生重大影响。滤池最大的特点是控制运行参数多，阀门位置分散，环境恶劣。因此为了做到安全可靠的生产，应采用自动控制系统。1.3.2 研究的意义采用可编程控制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，这一点是尤

20、其重要的。 由于PLC 自动控制的灵活性，可在现场改变某些工艺参数和动作顺序，增加系统的功能，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。2 控制系统总体方案的设计2.1 系统分析2.1.1 V型滤池工艺应用及过程滤池有多种型式，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它型式的滤池。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。V型滤池采用了较粗、较厚的均匀颗粒的石英砂滤层；采用了不使滤层膨胀的气、水同时反冲洗兼有待滤水的表面扫洗；采用了气垫分布空气和专用的长柄滤头进行气、水分配等工艺。它具有出水水质好、滤速高、运行周

21、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5。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（24 H），图2.1表示滤池工艺过程简图。 图2.1 滤池工艺过程简图2.1.2 V型滤池的结构、工作原理、工艺特点滤池是水厂净水工艺中的重要环节，而滤池过滤能力的再生

22、，是滤池稳定高效运行的关键。若采用较好的反冲洗技术，使滤池经常处于最优条件下工作，不仅可以节水、节能，还能提高水质，增大滤层的截污能力，延长工作周期，提高产水量。而V型滤池过滤能力的再生，就采用了先进的气、水反冲洗兼表面扫洗这一技术。因此滤池的过滤周期比单纯水冲洗的滤池延长了75%左右，截污水量可提高118%，而反冲洗水的耗量比单纯水冲洗的滤池可减少40%以上。滤池在气冲洗时，由于用鼓风机将空气压入滤层，因而从以下几方面改善了滤池的过滤性能： (1)压缩空气的加入增大了滤料表面的剪力，从而使得通常水冲洗时不易剥落的污物在气泡急剧上升的高剪力下得以剥落，从而提高了反冲洗效果。 (2)气泡在滤层中

23、运动产生混合后，可使滤料的颗粒不断涡旋扩散，促进了滤层颗粒循环混合，由此得到一个级配较均匀的混合滤层，其孔隙率高于级配滤料的分级滤层，改善了过滤性能，从而提高了滤层的截污能力。 (3)压缩空气的加入，气泡在颗粒滤料中爆破，使得滤料颗粒间的碰撞磨擦加剧，在水冲洗时，对滤料颗粒表面的剪切作用也得以充分发挥，加强了水冲清污的效能。(4)气泡在滤层中的运动，减少了水冲洗时滤料颗粒间的相互接触的阻力，使水冲洗强度大大降低，从而节省冲洗的能耗5。 综上所述，气、水反冲洗时，由于气泡的激烈运动作用，大大加强了污物剥落能力及截污能力。在滤池实际反冲洗时，我们观察到：当反冲时间约5分钟时的滤层污物剥落高达95%

24、以上，因此V型滤池的反冲洗效果是肯定的。此外反冲洗时，原水通过与反冲洗排水槽相对的两个V型槽底部的小孔进入滤池，它扫洗滤层的表面，并把滤层反冲上来的污物、杂质推向排水槽，同时扫洗了水平速度等于零的一些地方，在这些地方漂起来的砂又重新沉淀下来。此外滤池的表面扫洗，还加快了反冲水的漂洗速度，用原水养活了反冲洗滤后水用量及电能，也节约了冲洗水量。养活冲洗水量是原水表面清扫的一个特别优点，事实上，它还起到了在一个滤池反冲洗时防止其它滤池在最大输出负荷下运行的作用。由于本水厂滤池控制部分系统设计包含恒水位过滤控制和自动反冲洗控制，而本滤池的自动反冲洗控制只需设计出气、水的反冲洗过程便能够达到控制要求，故

25、本系统并未对滤池的表面扫洗技术进行深入的研究与技术上的实现，从而在满足系统功能的前提下避免了系统设计的复杂性。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。现将滤池的基本的工艺结构简图绘制如图2.2所示。 图2.2 滤池工艺结构简图2.1.3 滤池控制系统的组成及其控制任务滤池控制系统一般由受控设备、电气执行机构、控制器和上位机组成。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

26、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。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。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。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。滤池的控制与其它车间略有不同，它的设备较多且重复，每个滤池的控制内容都是相同的。

27、为了降低控制器故障的风险性，可以采取主、从多个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、反冲洗和两者的交替，目的就是保证滤后水的浊度符合要求。过滤时要求维持一定的滤速，这通过控制滤池的液位实现，即过滤时要把液位控制在一定范围之内。当过滤进行一段时间后，滤料吸收的悬浊物积累到一定数量，对滤后水浊度的稳定有不利影响，需要进行反冲洗。反冲洗就是对滤层的清洗，需要控制鼓风机、水泵等冲洗设备，以及滤池相关阀门的开、关。反冲洗与过滤是交替进行的，反冲过后进入过滤，过滤一段时间后也需要启动反冲洗。反冲洗的启动有两种方法:人为命令和控制器依条件判断是否启动。判断

28、的条件可以有很多，比如:是否到达设定时间、过滤己经进行的时间、水头损失大小等。更先进一些的还可以直接根据滤池滤后出水的浊度决定是否反冲洗。本设计水厂滤池部分由8个V型滤池组成，每个滤池的尺寸为6M6M6M，滤池的滤料采用单层1.4M加厚均粒石英砂滤料。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4002CM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，每次只有一格滤池进行反冲洗，当多格滤池同时要求进行反冲洗时，系统自动按照

29、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，设计以水流量为控制参数的滤池液位PID控制系统。当系统接收到手动的强制冲洗信号、水头损失信号、定时冲洗信号中的任何一个指令时，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洗水位时（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。在中控室设

30、置主控PLC，其主要功能是负责和各现场的PLC通信，收集反冲洗水泵、鼓风机等反冲洗设备的信号，协调各格滤池的反冲洗。2.2 系统总体方案的设计2.2.1 滤池自控方案及总体结构的实现根据本滤池的结构，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(Programmable Logic Controller)，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，以保证每个滤池按生产工艺的要求自动运行。(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

31、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进行。(4)每个滤池的反冲洗，均可在2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，并不会影响到各格滤池的正常运行。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，配有专为用户开发的监控软件。用户可以

32、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：各模拟量和各开关量的数据采集。数据的实时显示，包括各滤池的水位，滤池运行时间，滤池目前的运行状态，各滤池的出水阀的开度，滤后水流量，各阀门的工作状态等。重要参数的显示和设置，包括每个滤池的PID参数，反冲洗起始水位，反冲洗的水冲时间，气洗时间等等。模拟数据的实时曲线显示和历史曲线显示。模拟数据的比较曲线，即对同一数据作不同日期的比较。上下限设置。各故障报警。各类数据的查询。数据统计。滤池的自动，半自动选择。(7)采用Rockwell AB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

33、括主控部分、现场分控部分。主控部分由一台主控PLC，一台上位工控机组成，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负责管理每个滤池的恒水位运行和自动反冲洗。整个滤池的运行可在以下二种方式下工作：(1)半自动控制；(2)PLC自动控制；(3)上位机远程控制。其网络拓扑如2.3所示。图2.3 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

34、和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，在工业生产过程控制中，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，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。大型的可编程序控制器配备过程控制模块可同时对几十路模拟量进行闭环控制，但造价昂贵。一般中小型PLC控制系统只对一

35、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，软件可购买相应厂家提供的PID编程功能模块，只需设定好PID功参数，运行PID控制指令，就能求得输出控制值，而厂家一般只提供标准PID算法，灵活性和适应性较差，如根据被控对象的具体情况不同，采用各种PID控制的变种，如积分分离PID、不完全微分PID等则操作上有些困难，这时用户可根据控制的算法，自行设计梯形图程序。常规PID控制系统原理框图如图2.4所示，系统由模拟PID和被控对象组成7。图2.4 模拟PID系统原理框图滤池恒水位控制技术的发展日新月异。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

36、控制的性能得到了改善。在现有的滤池控制系统方案中，PID控制应用最多，也最具代表性。在PID控制算法中，存在着比例、积分、微分3种控制作用：(1)比例控制作用的特点：即成比例地反映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，使被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(即系统阶段响应终值为一有限值)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，使系统的动态性能变坏。(2)积分作用的特点：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

37、对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统不稳定。(3)微分控制作用的特点：通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小。缺点是对干扰同样敏感，使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(P)、积分(I)、微分(D)通过组合构成控制量对被控对象进行控制，故称PID控制器，其控制

38、规律为： U(t)=Kp E(t)+ + (2.2) 上式中:Kp是控制器比例系数是控制器积分时间常数是控制器微分时间常数E(t)是系统设定值和被控量之差U(t)是控制器输出由于式(2.2)为模拟量表达式，而PLC程序只能处理离散数字量，为此，必须将连续形式的微分方程化成离散形式的差分方程。令U(t)U(KT)E(t)E(KT)T (2.3) 则可得可得到位置式数字PID算法：U(K)=KpE(K)+Ki+KdE(K)-E(K-1) (2.4) 式中：T为采样周期,Kp为比例增益系数，Ki=KpT/称为积分系数，Kd二Kp/T称为微分常数。U(K)是U(KT)的简写，E(K)是E(KT)的简写

39、。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。由(2.4)不难得到：U(K-1)= KpE(K-1)+Ki+ KdE(K-1)-E(K-2) (2.5) 将式(2.4)与式(2.5)相减即可得到增量式算法： U(K)=U(K)一U(K-1) =(Kp+Ki+Kd)E(K)-( Kp+2Kd)E(K-1)+ KdE(K-2) (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

40、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7。至此，式(2.6)已可以用作编程算法使用了。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2.5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

41、2.5 滤池液位控制框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

42、设计。最简单的办法是采用双位调节，即液位高于设定时，打开阀门，低于设定时，关闭阀门。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，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，

43、就可以减小阀门动作频率，并增强系统稳定性。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做出限制，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

44、，或反之)前，会不断发出阀门动作信号，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。采样周期和动作时间的结合，极大的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可通过下式求得：V=以日产量为144000吨为例：V=0.0058（米/秒）假设这个速度是在阀门90%

45、开启度的时候达到的，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

46、，就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被更新。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。图2.6出水阀的液位控制流程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。在一般滤池系统的五个阀门中，进水阀、出水阀在过滤时应打开，而反冲气阀、反冲水阀和排污阀则应关闭。在反冲洗时，进水、出水阀关闭，气冲、水冲、排污阀打开。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

47、号开始反冲洗后，首先关闭进水阀，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。液位降至设定的反冲洗水位时，关闭出水阀，打开排污阀，待排污阀信号到位后准备开始反冲洗。反冲洗包括气冲、水冲。先开反冲气阀、鼓风机，气冲开始。6分钟后，关闭鼓风机、反冲气阀。打开反冲水阀，开启反冲水泵，水洗6分钟，完成后关闭反冲水阀，停水泵，关闭排污阀。最后，打开进水阀，等液位升到接近恒水位时，滤池反冲洗正式结束，打开清水阀，系统进入正常的过滤程序。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，即现场PLC)控制阀门，另一套(反冲系统控制器，即主控PLC)控制鼓风机和水泵，它们之间的协调与沟通至关重要，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