基于PLC的水厂源水处理自动控制系统 4页

第10卷第1期重庆科技学院学报(自然科学版)2008年2月基于PLC的水厂源水处理自动控制系统122温盛军王艳杨永明(1.中原工学院,郑州450007;2.重庆大学,重庆400044)摘要:以物化法处理工艺为基础,针对河南某水厂水处理自动控制系统的要求提出了基于PLC的水厂源水浊度控制方案,阐述了系统控制原理及方法,并由模拟数据分析和结果论证了控制方法的可行性。设计并实现了采用西门子S7-300PLC芯片为系统核心的自动控制系统。关键词:水处理;监控系统;PLC;物化法处理工艺中图分类号:TP273文献标识码:A文章编号:1673-1980(2008)01-0069-04在水厂的水处理系统中采用自动控制技术,不过对数据分析及计算建立数学模型,并根据数学模仅可以提高系统的性能、产率、可靠性,而且还可以型的特点进行控制方案的确定。根据经验,一般生产增加系统的稳定性、降低操作成本、加快启动过程过程多数都为一阶惯性加纯滞后系统,对此种系统等。由于水处理过程是一较复杂的连续批量生产过仅采用PID控制就足以满足控制要求。且PID控制程,即有现场设备的运行协调,又有大量的现场数据器的结构简单,容易被理解和实现,应用中不需要精采集和处理,同时各功能单元地理位置分散,相互间确的系统模型的预先知识。PID控制器特别适用于由管道或管网互连。基于以上特点,现阶段要实现过程的动态性能是良性的而且控制性能要求不高的水处理自动化,最佳方案是采用PLC系统。针对控情况。利用PLC内部的控制模块其特有的编程语言制要求,提出了以下位机PLC为控制中心,利用变实现对加药量的控制,从而控制源水浊度。频控制技术与现场总线技术构建现代化水厂生产网微分作用使控制器的输出与偏差变化的速度成络控制系统的设计思想。比例,它对克服对象的容量滞后有显著的效果,在比例基础上加入微分作用,使稳定性提高,再加上积分1系统控制原理作用可以消除余差。这就确定了PID控制器适用于本系统中采用可编程序控制器代替传统的继电负荷变化大、容量滞后较大、控制质量要求又很高的器控制,用软件编程替代原来的继电器系统。根据控制系统。水厂控制要求、源水特点和集中操作管理、分散控制PID控制器是一种比例、积分、微分并联控制的思想,将整个自动控制系统按照分布式系统结构器,可用下式表示:分为三层:现场执行层、现场控制层(下位机)和中央t控制层(操作站或上位机)。水处理系统正常工作时,u(t)=kp"e(t)+1!e(t)dt+Tdde(t)#Tdti0PLC通过将现场控制层采集的数据传给上位机,上式中:u(t)—控制器输出;位机显示当前水处理系统各处状态参数并备案。水e(t)—控制器输入,它是给定值和被控对象输处理系统异常工作时,上位机界面中报警灯闪烁,控出值的差,称偏差信号;制中心值班员下达处理信号后,PLC接收处理信号并作出相应处理发出现场执行信号,使现场执行器Kp、Ti、Td—控制器的比例系数、积分系数、微分系数。动作解除故障。整个监控系统实现数据采集和处理、远程控制、显示动态工艺流程、显示并设置各种工艺3系统方案参数和其它有关参数、显示存储及处理。对于中小型净化水厂工程设计,应考虑经济实2系统核心控制原理及算法惠,节约能源,结构简单,运转费低,易于管理等因以对黄河源水进行实地测量的数据为基础,通素。通过净化流程,生产出符合国家饮用标准的卫生收稿日期:2007-10-10作者简介:温盛军(1979-),男,中原工学院讲师,硕士,研究方向为计算机网络及控制。·69·\n温盛军,王艳,杨永明:基于PLC的水厂源水处理自动控制系统[1][2]水。经多方考证,借鉴东湾地区已建水厂的经验,和生产过程的操作,同时向管理层传输信号及执行结合近期黄河水体污染有所好转的现状和黄河水自管理层的命令,两个层必须有机地融为一体,并确保身特点,择优选定水厂水处理方法为物化法,水处理通讯畅通和系统的安全可靠运行。下位机主要负责工艺流程如下:提升水位→絮凝→澄清→消毒→加各种设备运行状态的数据采集、数据滤波、量程转[3,4]压五个环节,最终实现源水水质优化。化、上位机发出的或是下位机内部的控制指令的实该水处理工程主要是对水厂的生产流程实现全现、紧急情况处理,实现与上位机之间的数据通讯,自动监控。黄河水源的工艺主要包括八大系统,即完成加药系统和加氯系统的自动控制,实现各种故提升取水系统、Φ100m池、Φ25m池混凝系统、加药障的报警。系统、虹吸氯站、反洗水系统、加压系统和加氯系统。在本控制系统的设计中下位机采用了西门子的根据整个控制水处理过程的工艺及流程特点,从可SIMATICS7-300系列PLC产品。根据整个污水处靠性、易维护性和经济性角度出发,根据集中操作管理流程的特点,采用一台PLC,加药房、加氯间、反洗理、分散控制的思想,整个自动控制系统按照分布式站和加压站分别负责对应过程的数据采集和处理,系统结构分为三层:现场执行层、现场控制层(下位并通过通讯卡5611实现与上位机的数据通讯。机)和中央控制层(操作站或上位机)。(1)加药房主要负责加药过程。主要包括9个现场执行层由各类传感器、变送器、变频器和执模拟量输入的采集、4个模拟量输出、10个开关量输行机构组成,主要进行信号的转换、数据的传送及执入、4个开关量输出;Φ100m池和Φ25m池加药控行上一层输出的控制命令。制;根据进水流量要求分别实现对进入三个池的各现场控制层由PLC组成,负责现场数据采集和自电磁阀调节,保证进入三个池的流量达到规定的控制信号的输出,按照整个工艺流程和地理位置仅要求,有利于减少出水水质波动,提高处理效率。当采用了一台PLC,具体为加药房、加氯间、反洗站和Φ100m池出水浊度超过100NTU时,启用Φ100m加压站;中央控制层(上位机)主要负责采集工艺参加药系统,加药量的信号应根据进水闸室内浊度和数的显示和设备运行状态的显示、系统报警(设备故流量计量所反馈的信号作为控制Φ100m辐射池加障报警)、与下位机PLC之间的数据通讯、向模拟屏药量的前反馈信号,根据Φ100m辐射池出水量和浊发送数据。度作为后反馈信号,组成一个闭环对Φ100m辐射池中央控制层采用西门子WINCCV6作为人机进行加药量的校正。加药量通过微机监控系统输出界面,上位机与PLC采用通信卡CP5611(PCI卡安控制信号到加药计量泵控制柜来调节。(Φ100m池[5]装在工控机上)以MPI协议进行数据通讯,完成数出水浊设定值度为80NTU)据采集、处理、监督及控制功能,中央控制级分为工PLC调节规律,应根据调节对象特性、调节系统程师站和操作员站。工程师站主要完成系统组态及中各个单元(包括检测元件、变送器、传感器等)的特控制参数的在线修改和设置等。操作员站主要完成性、干扰形式和部位以及调节品质要求等因素确定。对整个污水处理厂的数据采集、监控,报表及打印等(2)加氯间负责消毒过程。通过采集流量及相关功能。在不需组态式修改参数时,工程师站与操作设备的运行状态等数据,具体包括Φ25m池的出水员站互为备用,提高了系统的可靠性。整个系统使流量、进出水阀、送水泵、加氯机等的运行状态,一共用统一、开放的数据库,所有操作站与数据库均可双4个模拟量、4个开关量;实现对加氯量的控制。根据向访问。具有在线修改功能和将控制程序通过工程Φ25m池的两个出水管的流量分别实现对两台加氯师工作站下载到各控制器的功能。机的加氯量控制,保证水中含氯量达到生活用水的PLC编程软件要求符合IEC1131-3的标准,同标准。时提供梯形图,指令列表,功能块图,顺序功能图,结(3)反洗站负责反洗过程。通过采集液位及相关构化文本等编程语言,具有离线仿真,程序开发,调设备的运行状态等数据,具体包括反洗池的液位、反试,诊断等功能。洗站进出水阀、送水泵、反洗泵等的运行状态,一共PLC与现场仪表采用RS485通信口直接通讯,2个模拟量、6个开关量,实现对反洗泵的控制。根据波特率为187.5K。传输距离可达50m,完全满足现反洗池液位实现对两台反洗泵的起停和交替使用进场需要。整个控制系统采用STEPT7V5.3标准工业行控制,通过反洗池液位输入信号同设定的液位相编程软件编程。比较实现对反洗泵的联锁控制,高液位时启泵,低液3.1下位机位时停泵保证虹吸氯站中的污水得到及时的处理,现场控制层由PLC完成现场生产过程的控制提高水的利用率。·70·\n温盛军,王艳,杨永明:基于PLC的水厂源水处理自动控制系统(4)加压站负责加压过程。通过采集管压及相4监控系统软件设计关设备的运行状态等数据,对清水池中水进行加压,具体包括清水池的水压、总出水口的管压、清水池进出水阀等的运行状态,共4个模拟量和2个开关量的采集,4个开关量的输出;根据清水池的水压输入信号同设定的压力相比较实现对清水池的加压控制;根据总出水口的管压输入信号同设定的压力相比较实现对总出水口的管压过压和欠压的报警。(5)上位机发出指令直接实现对提升泵房的提升泵控制。3.2上位机上位机实现对整个污水处理厂的监控管理,主要包括:接收控制系统传递的各工艺站的数据,进行实时显示,并按一顶要求对数据进行统计和分析;显示个工艺流程的运行状况图,并显示运行参数;提供全方位的报警功能,并能进行远程诊断和维护;具有报表生成、报表修改、报表浏览和报表打印等功能,统计报表、应基于EXCEL格式。根据设计任务我们可以把系统的设计功能分为:数据采集与管理功能、显示功能、报警管理功能、打印功能、报表统计功能控制系统程序设计采用西门子的STEP7V5.3等一些辅助功能。编程软件,并采用模块化、结构化的程序设计方法,根据整个水处理工艺流程,现场控制层采用了因此在编程时采用公共设备控制程序模块化,单台一台PLC(西门子SIMATICS7-300系列)来实现加设备子程序模块化的设计方法。药房、加氯间、反洗站和加压站的控制,并通过通讯由于实际条件有限,本文仅列出加药自动控制,[5,6,7]卡5611实现与上位机的数据通讯。它采用数字PID控制程序。本系统采用S7-300PLC由于本项目为黄河源水的初级处理,核心是实内部的SFB41"CONT_C”连续控制功能模块。利用现迅速降低浊度,所以最佳的水处理工艺是采用物FC105功能模块实现接受一个整型(IN),并将其转化法(无机絮凝剂)来实现控制要求。整个全自动絮换为以工程单位表示的介于下限和上限(LO_LIM和凝剂投加控制系统以西门子S7-300PLC为基础采HI_LIM)之间的实型值。SFB/FB"CONT_C"(连续控用一套PID控制器进行自动控制即以沉淀池出口制器)在SIMATICS7可编程逻辑控制器上使用,通浊度为控制对象,絮凝剂投加量为调节手段,与加药过持续的输入和输出变量来控制工艺过程。只列出流量回路构成串级动态负反馈的控制系统,药剂的一个PID算法的实现[7]。流量随源水浊度的变化而变化。系统控制图和浊度加药子程序通过将反馈值与设定值之差送给控制系统图如图1、图2所示。FB41所用的数据块,并根据已设定好的参数值进行黄河水是高浊度水。所谓高浊度水是指浊度高或PID运算,理论上将设定值减去通过FC105转换过泥沙含量大的源水,黄河水浑浊的主要成份是黄土和的采集值作为反馈值可得出相应加药量,但不符合细沙,其粒径最大为0.0861mm,最小为0.0401mm,平实际。当采集值大于设定值时加药量需增加,但此时均为0.0522mm,主要为粗分散颗粒(悬浮物)。根据理论上计算的加药量为负值。为解决此问题设计者控制对象的特点,采用串级PID来实现自动加药系尝试了三种方法:(1)将加药量通过编程转变为正统的控制。值;(2)将设定值与反馈值对调;(3)将FB41模块中该系统使得整个处理区的所有设备成为一个的参数Kp设为负值。从编程难易的角度来看,显然整体。管理人员能够在污水处理厂中央控制室中,第三种方法最容易实现。最终采用第三种方法。通过PC机和键盘鼠标即可完成对整个污水厂的通过数学建模和仿真设定出最优控制参数,副监控和管理,实现了人不在现场也可对现场运行状控制环(流量)Kp=18.75,Ti=0.0,Td=13.05,主控制环况了如指掌,并且及时的掌握和处理现场发生的各(浊度)Kp=55.75,Ti=0.75,Td=0.0,可使系统达到理想种状况。的控制效果。·71·\n温盛军,王艳,杨永明:基于PLC的水厂源水处理自动控制系统5结束语动控制系统,进而设计出整个物化区控制系统中各运行设备的运行时序,再应用PLC编程软件设计程实现水处理自动化的目的是确保出水水质达到序,通过PLC控制各运行设备按设计好的时序运规定的标准,提高管理人员的劳动生产率、降低能源行。该系统运行可靠、可维护性好、具有一定的灵活与物料消耗。性,并能够实现对整个水厂的管理和自动监控,自动高质量的水处理系统,除具有准确的处理和合化程度高。理系统结构外,还需要具备完备和可靠的控制功能,这是保证水处理过程准确性和可靠性的必要手段。参考文献过去采用继电器控制来实现,结构复杂、造价高、维[1]GB5749-2006.生活饮用水卫生标准[S].护难,而且很难达到复杂的控制要求。本系统中采[2]符敬东.东湾水厂高浊度水处理工艺[J].甘肃利水电技术,用可编程控制器,用软件编程替代原来的继电器系2003,39(2):136-137.统,可大大简化设计、降低投资、满足设计要求,而且[3]张自杰.环境工程手册-水污染防止篇[M].北京:高等教维护方便。育出版社,1996.该系统在软件设计中,作者根据水厂应用的物[4]廖常初.S7-300/400应用技术[M].北京:机械工业出版社,2006.化法处理工艺原理和工艺过程,以沉淀池出口浊度[5]西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团[Z].西门子为控制对象,絮凝剂投加量为调节手段,与加药流量S7-300使用手册.2004.回路构成串级动态负反馈的控制系统,药剂的流量[6]何建平.可编程控制器及其应用[M].重庆:重庆大学出版随源水浊度的变化而变化。通过数学建模和仿真设社,2004.定出最优控制参数,使系统满足快速准确响应、稳定[7]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].北京:北京航性高、运行安全的控制要求。先设计水厂水处理自空航天出版社,2003.Auto-controlSystemforHeadwatersTreatmentBasedonPLC122WENSheng-yunWANGYanYANGYong-ming(1.ZhongyuanUniversityofTechnology,Zhengzhou450007;2.ChongqingUniversity,Chongqing400044)Abstract:Thearticlepointsoutthephysical-chemicalcraftbasedonprogrammablelogiccontrol(PLC)infactorywhichtheapplicationoftheauto-controlsystemforthewatertreatmentinHenan.Itdescribestheturbidityofwatercontrolproject,thecontrolprincipleandmethod.Thefeasibilityofthecontrolmethodhasbeendemonstratedbyanalyzingthesimulationdata.ItdesignsaautomaticsystemthattheS7-300PLCchipistakenasthecentralpart.Keywords:watertreatment;auto-controlsystem;PLC;physical-chemicalcraft(上接第63页)NumericalAnalysisonDiffuserofSimulatedAltitudeTestStand112DINGXue-jinWANGZhi-haoLIUXiao-li(1.The401InstituteoftheFourthAcademyofCASC,Xi'an710025;2.7416FactoryoftheFourthAcademyofCASC,Xi'an710025)Abstract:Thearticlestudysthediffuserintheactiveinjectoraltitudesimulatedtestsystemofsolidrocketengine.Itnumericallysolvestheflowfieldofthediffuser.Itcompareswiththeeffectionontheflowfieldofthediffuserwhichcontainwithparticlesandnoparticles.Thecalculatedresultagreeswellwiththetestresult.Itshowsthatthenumericalmethodscanbeusedforthestudyofthediffuser.Keywords:solidrocketengine;altitudesimulatedtestcell;diffuser;FLUENT;numericalsimulation·72·