自来水厂自动控制系统与城镇供水管网压力模糊控制系统 82页

'摘要水是生命的源泉，是重要的自然资源和环境要素。故此，城镇给水系统作为城镇基础设施之一，占有十分重要的地位。它促进城镇经济发展，确保人民安居乐业，是建设城镇物质文明和精神文明的重要条件，城镇赖以存在和发展的物质基础。改革开放以来，随着我国社会经济的迅猛发展，对城镇给水系统的要求越来越高，供水规模不断扩大，水质要求不断提高。同时也对城镇给水系统的智能化、信息化提出了更高的要求。城镇给水系统主要由自来水厂和供水管网系统组成。自来水厂自动控制系统是净水厂保障安全生产、提高出水水质、降低生产消耗，提高经济效益的主要途径。供水管网压力控制系统就是在保证安全、可靠、保质、保量的满足用户用水要求的前提下，根据检测到的管网运行状态数据，得出一个使系统可靠性高、管网压力稳定的控制方案，从而确定系统中各类设备的运行工况。本课题在介绍自来水厂的生产工艺流程的同时，从系统的角度研究如何根据五指耙水厂的实际情况，进行自来水厂自动控制系统的设计与调试。根据实际情况提出了将控制网络和管理计算机网络合而为一，以IOOM环形工业以太网构建本地控制网络，并采用多种网络结构并存的方式，设计了滤池、加药车间、加氯车间和送水泵房各控制予系统以及界面友好、功能强大的监控软件。五指耙水厂自动控制系统自2004年11月27日投入试运行以来，系统运行良好，并得到用户的肯定。在实现了五指耙水厂自动控制系统的基础上，采集了松岗镇供水管网的实测数据．据此分析了松岗镇的供水管网的实际状况。根据城镇供水管网较长，情况复杂，并受季节、天气、节假日等诸多因素影响这一实际情况，提出将模糊控制引入对供水管网压力的控制。根据松岗镇实际情况，对供水管网压力模糊控制系统进行设计。在调试阶段，经过反复调整模糊控制器的参数，最终确定了能达到控制目标的模糊控制系统。关键词：水厂；自动控制系统；供水管网；模糊控制 华南理工大学硕士学位论文ABSTRACTWateristhesourceoflire．animportantnaturalresourceandtheessentialmakinguptheenvironment．Thusthewatersupplysystemplaysavitalroleinbeingoneoftheinfrastructuresofatown．ItiSthesubstantialsthatboomeconomies，ensurepeoplelivingincontentandbuildthespiritualaspectofcivilizationandmaterialaspectofcivilization．Furthermore，thefundamentofexistenceanddevelopment．SincetheInnovationandOpening，thedemandforthewatersupplysystemhasturnmoreandmoretoughastherapiddevelopmentineconomy．ThescaleofwatersupplyhasexpandedcontinuouslyandwaterqualityhasbeenimprovedtOO．Asaresult，itneedsamoreintellectualandinformativesupplysystem．Townwatersupplysystemiscomposedbywaterworksandwatersupplypipeline．Waterworkautomationsystemisamainmethodofinsuringsafetyinproduction，improvingwaterquality,reducingcostofproductionandgettingmoreeconomicbenefit．Watersupplypipelinepressurecontrolsystem，withthepreconditionofmeetingpeople’Swaterneed，basedonthepipelinerunning-statedata，getsacontrolschemetomakethesystemreliableandthepipelinepressurestable．sothattherunning-stateoftheequitmentscanbedecided．Overintroducingthewaterworktechnologicalprocess，thisdissertationfocusesonwaterworkautomationsystemdesignandsystemturningup，basedonthecircumstanceofWuzhipaWaterWork．Thisdissertationbringsforwardunitingthecontrolnetworkandthemanagementnetwork，using100McycleindustrialEthernetasthelocalcontrolnetworkandusingdiferentnetworkstructureinthesystem．Thisdissertationdesignscontrolsub-systemsoffilter，chemicaldosingworkshop，chlorinefeedingworkshopandwatersupplypumpsworkshop，designsmonitorandcontrolsoftware．TheWuzhipaWaterWorkAutomationSystemwasputintorunningonNov。27，2004，anditworkedwellandgotpraisefromtheuser。BasedontherealizationoftheWuzhipaWaterWorkAutomationSystem，thisdissertationcollectedandanalyzedthepressuredataofSonggangWaterSupplyPipeline．Townwatersupplypipelineisverylongandaffectedbyseasons，weather，holidayandSOon，sothatthisdissertationbringsforwardusingfuzzycontroltoU 摘要controlpipelinepressureanddesignthewatersupplypipelinepressurefuzzycontrolsystem．Verifiedandadjustedmanytimes，thefuzzycontrolsystemwasdecided．fromtheconsequencesofrunning，itworkswell．Keywords：waterwork；automationsystem；watersupplypipeline；fuzzycontrolIH 华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密口，在_年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密舀。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：津；季南ljI鹏导师签名：≈j啪日期：2口驴5，年f月／日日期：砌}年6月，r日 第一章绪论1．1课题背景第一章绪论1．1．1自来水厂自动控制系统现状自来水厂是一个地区的重要基础设施，能否安全、经济运行对该地区的生产、生活有着重大的影响。自来水厂的自动控制是近年来自来水厂发展的方向之一。伴随着承厂自动化技术、系统控制设备、机电仪表设备、现场总线及通信网络技术的发展，自来水厂的自动控制系统在国内已具备较好的技术环境。目前国内自来水厂的自动控制系统多采用两种控制系统：SCADA(监控及数据采集，SupervisoryContr01andDataAcquiSitiOil)系统与IPC(工业级PC)和PLC(可编程控制器，ProgrammableController)组成的监控系统。SCADA系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统。它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现信号测量、数据采集、参数调节、设备控制以及各类信号报警等各项功能。SCADA系统主要用于监控城镇的整个给水系统的运行状况，下面将以大港油田绘承系统作为例子。自来水厂给水调度SCADA系统主要用于是大港油田供水自动化系统的中枢部分，负责对下一级子系统(自来水厂监控系统和各供水站终端系统)的数据信息进行采集、汇总，然后传送到计算机和大模拟屏上，实现数据的实时微机管理和模拟屏动态显示。其结构如图卜l所示。图卜1给水调度SCADA系统结构图fig(1·1)structureofwatersupplycontrollingSCADAsystem给水调度SCADA系统主要由微机监测和模拟屏两部分组成。微机监测测菡面 华南理工大学硕士学位论文包含有全油田给水管网图、滨海水厂及供水站与中控室通讯图以及各水站站内外流程图等。模拟屏通过RS一232通讯口接收上位机传送过来的实时数据，实现滨海水厂及各供水站供水压力、流量的实时显示，】35口水源井开停状态的显示等。监测画面和模拟屏上所有的数据信息都是从自来水厂监控系统和水站终端系统中采集，并经Modem传送到供水中心站SCADA系统，同时由上位机将数据又传送到模拟屏，两者数据同步。水厂供水调度SCADA系统需要实现的功能有：①数据的实时监测与处理功能；②图形处理功能；③自动报表生成功能；④历史档案数据存储功能：⑤多方式的通讯功能；@自动超限报警功能；⑦输出打印功能。由IPC和PLC组成的监控系统多用于自来水厂本地的控制网络。对自来水厂监控系统，处于安全生产的考虑，通常要求设立三级控制：就地手动、现场监控和远程监控。所谓就地手动是指通过设备本地控制箱手动控制设备的开扁或关闭。现场监控是指由现场PLC站执行控制设备的任务。而远程监控是指由水厂的中控室通过现场总线网络或工业以太网对远端的设备进行监控。三层关系如下：自来水厂中控室IPC可通过各现场PLC站直接控制有关设备或主要设备。如果厂级IPC或网络发生故障，不会影响水厂内的各PLC站的控制功能，如果PLC网络中某个PLC站发生故障，操作员可通过就地控制箱对设备进行控制。自来水厂本地监控系统所采用的系统结构一般为：IPC+PLC+SLC(小型PLC)。在网络配置上一般最下层为SLC所用的现场总线网络，如DH：第二层为连接各现场PLC主站的现场总线网络，如DH+或ControlNet：最离层为连接中控室内IPC及管理工作站的局域网。其结构如图2～l所示。DH+／ControlNetI击I卤卤申幽卤图卜2由IPC和PLC组成自来水厂本地监控系统结构图fig(卜2)structureofwaterplantlocalmortitoringandcontrollingsystem 第一章绪论composedbyIPCandPLC根据自来水厂的生产工艺要求和需要，一般设置原水取水泵站、加药加氯系统、滤池、配电房、出水泵站等PLC主站。其中滤池PLC一般由一台PLC主站和多台小型SLC从站组成。各PLC根据就地独立控制的原则，主要完成采集现场数据、控制自来水厂各设备和向IPC传送数据的功能。自来水厂中控室是自来水厂生产的控制中心，也是系统核心设备所在的关键场所。一般中控室由操作员工作站、工程师工作站等计算机、管理工作站、历史服务器，打印机等附属设备以及网络设备组成。有些水厂还配备了先进的大屏幕投影设备和模拟屏设备。中控室工作站的主要功能和要求是：(I)对整个水厂监控系统进行系统组态管理、系统监控；(2)实时监测、显示、处理、控制各PLC主站的状态、通信、数据和信息：(3)报警处理和报表打印；(4)动态数据库和历史数据库管理；(5)实现与上级SCADA系统以及水厂MIS系统的通信和数据交换。目前，以上两种系统在国内的自来水厂自动控制系统中既有单独应用，也有结合起来一起使用。自来水厂自动控制系统的应用使得自来水厂实现了自动化生产，保证了自来水厂生产运行的安全可靠，降低了自来水厂工作入员的劳动强度同时提高了劳动生产率，达到了降低能耗、药耗，安全优质供水的目的。但是，需要指出的是要完成自来水厂全面实施自动化还有许多尚待研究和解决的困难和问题，如加药、加氯控制等。11,2,311．1．2城镇供水管网压力控制系统现状随着生产的发展和人民生活水平的提高，城镇给水系统在城镇社会活动和经济活动中所起的作用越来越重要。城镇给水系统的规模越来越大，其构造与设施越来越复杂。这样就使给水系统的管理和控制趋于复杂。我国各自来水公司的电耗占制水成本中的很大比重，特别是各类水泵。在能源十分紧张的今天，如何实现科学化管理、节约能源、降低供水费用，在充分利用现有设备、仪器，无需大量投资的前提下，寻求既节省电耗，又满足安全、可靠供水要求的经济合理控制方案是十分重要的。目前我国绝大多数城镇的给水系统还处于一种经验型的管理状态，调度人员根据以往的运行资料和设备情况，按日、按时制定供水计划，确定各泵站和水厂在各时段投入运行的型号和台数。这种经验型的管理虽然能大体上满足供水的需要，但却缺乏科学性和预见性，难以适应日益发展变化的客观要求。凭经验所确定的控制调度方案只是若干可行方案中的一种，而不是优化方案，往往可能造成管网中部分地区水压过高，以致浪费能源和增加漏水量，而另一部分地区却是水 华南理工大学硕七学位论文压不足，水量不够，不能满足供水要求。同时，这种不合理的状态又难以及时反馈给调度人员，因此调度人员不能迅速作出科学决策，及时采取有效措施加以控制，因此造成既浪费能源又不一定能满足供水要求的局面。城镇供水管网压力的控制就是在保证安全、可靠、保质、保量满足用户用水要求的前提下，根据管网检测系统反馈的运行状态数据或根据科学的预测手段以确定水压及其分布情况，得出一个使系统可靠性高、管网压力稳定的控制方案，从而确定系统中各类设备的运行工况，获得满意的经济效益和社会效益。在国内，对城镇供水管网系统控制的研究主要集中在对大城市的给水系统优化调度方面。在给水系统优化调度的控制方法，分为离线控制和在线控制两种。所谓给永系统优化调度的离线控翻，是以用水量预测技术为基础的一种调度控制方法。根据过去的大量运行资料，结合当前的用水情况。运用数学方法预测次日的管网工况，以此为依据制定出次日的逐时调度方案并付诸实行。所谓给水系统优化调度的在线控制，是在管网中若干监测点设置检测仪表，实时测量观望运行中的各项参数(压力、流量等)并及时传递到中央控制室，经计算机系统进行计算，得出调度方案，并下达指令给备水泵站和自来水厂进行相应调节。这种调节是“实时的”，。在线的“，因此是聂理想韵。但是，要实行在线控制必须有相应的设备为基础．须在管网中设置检测仪表及相应的通讯手段和数据采集系统等等。这就增加了检测控制系统的投资，也增加了技术上的难度。此外，应该设置多少个监测点，监测点应选在管网哪些部位才最为合理等也是必须给予解决的问题。当然，还要求有先进的算法，才能得到较好的调度效果。在进行优化调度时，一般需要模拟系统的工况，计算出表征系统工况的一些特征参数，例如各泵站或自来水厂的供水量、供水压力等。为此，需要建立管网的数学模型。常用的管网数学模型有微观模型和宏震模型。管网的微观数学模型即传统的管网计算模型。管网是从实际管网简化而来，应用节点方程、环方程和管网方程构成管网基本方程组，以模拟给水系统的工况。用这种模型进行管网水力计算时，要求已知各管段的结构参数(管长、管径、表征管道粗糙度的系数等)以及各节点的标高、节点流量等，输入数据多，且有许多输入数据带有某种随机性和不确定性，所以计算工作量巨大。国外许多城市已应用微观模型实现了在线控制。目前，我国大部分自来水公司在管网中设置了测压点，并定期记录节点压力值；随着流量计精度的提高，出厂水的计量问题基本上得到解决；管网图、用户用水量的抄表统计数据也较为齐全，初步具备了建立微观模型实现在线控制的条件。管网的宏观数学模型就是在以往运行资料的基础上，应用系统辨识的方法建立起来的一种数学模型。它不必考虑管网中的具体各节点、各管段的工作状态，4 第一章绪论而是从整个系统考虑，直接描述与给水系统控制有关的管网主要参数之间的关系。这些主要参数包括管网流量、各自来水厂出厂水流量和出厂水压力、管网中若干监测点的压力等。宏观模型是在管网压力变化服从“比例负荷”的条件下，应用“黑箱原理”的基本思想，不进行给水系统的细微结构的研究，只考虑给水系统的输入和输出之间的关系，因此输入数据少，计算较快，而效果上又完全起到了它应有的作用。我国在这方面进行了卓有成效的研究，并应用于实际，如文献10、文献11中所提到的。给水系统管网较长并且情况复杂，并受季节、天气、节假同等诸多因素影响。另外在我国，居民用水和工业用水由同一管网供应，并且工业用水占很大比例，用水波动较大，水压的变化并不满足“比例负荷”的条件。因此使用微观模型或宏观模型的调度都有一定的局限性。141而且供水调度适合于大城市供水管网，多水厂多测压点的复杂系统进行控制，对于中小城镇的给水网络建立宏观模型或微观模型都不太实际。本文根据深圳市宝安区松岗镇的供水管网系统的实际情况，提出了不需要基于数学模型的控制方法，并经过实际应用的检验。1．2本课题的主要内容本课题开始于2004年3月，选取了深圳市宝安区松岗镇的给水系统作为研究对象，结合五指耙水厂自动控制系统改造项目，从系统角度解决如何进行自来水厂自动控制系统的系统设计、系统集成和系统的安装调试，以及供水管网压力模糨控制系统的设计和应用。1．3本课题的主要研究成果结合具体的项目实施，本课题全面探讨了如何针对我国自来水厂的实际情况建设适合我国国情的自来水厂自动控制系统，根据五指耙水厂的实际情况，提出了将控制网络和管理计算机网络合而为一，以lOOM环形工业以太网构建本地网络，并采用多种网络结构并存的方式，设计了滤池、加药车间、加氯车间和送水泵房各控制子系统以及界面友好、功能强大的监控软件。在实现了五指耙水厂自动控制系统的基础上，采集了松岗镇供水管网压力的实测数据，据此分析了松岗镇的供水管网的实际状况。根据城镇供水管网较长，情况复杂，并受季节、天气、节假日等诸多因素影响这一实际情况，提出将模糊控制引入对供水管网压力的控制。并对供水管网压力模糊控制系统进行设计并经过反复调整模糊控制器的参数，最终确定了能达到控制目标的模糊控制系统。 华南理工大学硕士学位论文第二章自来水厂工艺流程介绍2．1我国生活饮用水水质标准水质标准是指用户所要求的各项水质参数应达到的指标和限值。生活饮用水水质与人们身体健康和日常生活使用直接有关。由于工业废水污染日益严重，已引起人们对水质与健康关系的特别关注。20世纪初，水质标准主要包括水的外观和预防传染病的项目，以后开始重视熏金属离子的危害，80年代则侧重有机污染物的防治。我国于1956年颁发了《生活饮用水卫生标准(试行)》，至1984年实施GB5749-85《生活饮用水卫生标准》为止，30年阔共进行了4次修订。《生活饮用水卫生标准》使用了16年终于到2001年6月完成修订，并改名为GB5749—2001《生活饮用水卫生标准》，共有34项常规检验项目和62项非常规检验项目，为改进城市居民生活饮用水水质提供了有力保证。其中部分常规检验项目及其限值如表2一l所示。[91表2-1生活饮用水水质部分常规检验项目及其限值Table(2-1)so[1ienomalexaminationitemsandtheir1imitationofdrinkingWaterquality项目限值感观性状和一般化学指标色度不超过15度并不得呈现其他异色混浊度不超过INTU，特殊情况下不超过5NTU嗅和味不得有异莫、异味肉眼可见物不得含有PH值6．5～8．5细菌学指标细菌总数IOOCFU／ml洼总大肠杆菌群每100M水样中不得验出粪大肠杆菌群每lOOml水样中不得验出游离余氯与水接触30min后应不低于0．3mg／L，管网末梢水不应低于0．05mg／L(适用于加氯消毒)注：CFU是菌落形成单位2．2自来水厂工艺概述深圳市宝安区松岗镇五指耙水厂是深圳市宝安区松岗镇的重要供水企业，水厂设计的日供水能力为16万吨。自来水厂水处理的任务是通过必要的处理方法去6 第二章自来水厂工艺流程介绍除水中杂质，使之符合生活饮用水的水质要求，处理方法应根据水源水质确定。“混凝一沉淀一过滤一消毒”是以地表水水源的生活用水常规处理工艺(如图2一l所示)，去除对象是引起水浑浊的悬浮物及胶体物质。混凝、沉淀和过滤在去除浊度的同时，对色度、细菌和病毒也有～定去除作用。再通过向水中投加氯气、漂白粉或二氧化氯等消毒剂，杀灭滤后水中的致病微生物，达到饮用水水质标准。具体一些，就是送到厂里的原水，加入混凝剂、助凝剂和消毒剂，在反应池中反应，然后在沉淀池中沉淀分离，再到过滤池过滤，最后进入清水池，准备泵送市区。由于五指耙水厂是主要由东深供水工程提供原水(另外也从五指耙水库抽水，但由于水库容量只有几十万m3，所以基本忽略不计)，所以没有取水这一道工序。消助混毒凝凝消毒消毒图2-1常规水处理工艺流程图fig(2-1)flowchartofnomalwatertreatment2．3混凝与沉淀工艺出厂水混凝就是向原水中投加混凝剂及助凝剂，经混合和絮凝，使水中胶体颗粒及微小悬浮物相互碰撞和聚集，形成易于从水中分离的大颗粒絮凝体的过程。混凝是去除天然水浊度和色度的主要方法，也是去除某些无机或有机物的重要手段。沉淀就是使原水中的泥沙或经投药混凝后所产生的矾花颗粒，依靠重力作用从水中沉降分离出来而使混水变清的过程。混凝剂一般采用明砜A1，(SO．)，·K：sO．·24H20(其有效成分是硫酸铝A1，(SO．))等铝盐或三氯化铁FeCl，·6H，0等铁盐。影响混凝效果的主要因素有水的温度、PH值、碱度、杂质成分和浓度等。当单独用混凝剂不能取得良好效果时，需投加某些辅助药剂以提商混凝效果，这种辅助药赉J成为助凝剂。例如当原水碱度不足而使混凝剂水解困难时，可投加石灰以提高水的PH值。五指耙水厂使用明砜作为混凝剂，使用石灰作为助凝荆。混凝沉淀的具体实现，首先是将混凝剂和助凝剂分别溶解，按照将明矾和石灰与水分别投入矾池和石灰池兑成一定比傻的药液，并用搅拌机加速混和；然后将原水以及一定流量的矾池和石灰池的药液加入到溶解池并用搅拌机搅拌，使混凝剂与原水充分反应，加强混凝效果。最后原水流入沉淀池，沉淀出絮凝体。【71五指耙水厂的混凝沉淀工艺流程如图2—2所示。 华南理工大学硕士学位论文图2-2混凝沉淀工艺流程fig(2·2)flowchartofcoagulmionanddeposition2．4过滤工艺在水处理过程中，过滤一般是指浑水通过具有孔隙的石英砂等粒状滤料层，截留水中悬浮杂质，使水德到澄清的过程。原水经混凝沉淀以后，大部分杂质颗粒和细菌病毒已被去除，浊度小于lONTU，但还不能满足生活饮用的需要。而过滤不仅能进一步降低水的浊度，而且对水中的有机物、细菌及病菌也有较强的去除功能。此外，在滤后的水中残留的少量细菌和病毒，也因失去颗粒物的保护和依存作用而成为裸鼹状态，为消毒创造了良好条件。滤池的简要结构图如图2-3所示。过滤时，进水阕和清水阀开启，捧水阍、水冲阀和气充阀关闭。浑水经进水管进入滤池。进入滤池的水经过滤料层后，从清水管流往清水池。这就是整个过滤的过程。浑水流经滤料层的时候，水中杂质被滤层截留。随着滤层中截留的杂质逐渐增加，滤料层颗粒的孔隙不断变小，水流阻力不断增加。当水头损失达到一定程度以致滤池出水量减少，或出水水质不符合要求时，滤池必须停产反冲洗。反冲洗是滤池运行管理中重要的～环，其目的是清除滤层中所截留的污物，使滤池恢复过滤能力。反冲洗有单独水反冲洗、水反冲洗和表面冲洗以及气水反冲洗。根据五指耙水厂滤池的实际情况，采用的是气水反冲洗，即先气冲洗，再气水同时冲洗，最后水冲洗的方式。181S 第二章自来水厂工艺流程介绍—啦础+进水阀清水管往清水池·————p<：r一清水阀滤池反冲洗—弋><卜甄往回收池气冲阀鼓风机图2-3滤池结构fig(2—3)structureoffilter2．5水的消毒为保障人民的身体健康，防治水致疾病的传播，生活饮用水中不应含有细菌性病原微生物和病毒性病原微生物。如表2一l所列，我国生活饮用水卫生标准规定：细菌总数不超过IOOCFU／ml，每lOOml水中不得验出大肠杆菌。水中微生物大多粘附在悬浮颗粒上，因此悬浮物少或混浊度低的水，微生物也相应减少。虽然经过混凝、沉淀和活率，可以除去大多数细菌和病毒，但消毒则起了保证饮用水细菌学标准的作用。消毒的方法包括物理法(如加热、紫外线和超声波杀菌)和化学法(如加氯、臭氧和二氧化氯等)两种。在水处理中，最常用的是氯消毒法，所以消毒这一工艺过程常被称为加氯。如表2—1所列，我国生活饮用水卫生标准靛定：以氯气作为消毒剂的水厂，在氯气与水接触30rain后出厂水余氯应不低于0．3mg／L，管网末梢水的余氯不应低于O．05tag／L(适用于加氯消毒)。氯消毒的原理一般认为是氯能破坏细菌中的酶系统，当氯透过细胞膜时，即与细胞中的酶起不可逆反应，致使细胞死亡。[61加氯消毒在净水流程中经常不只一次，在五指耙承厂，共有三次，分别为前加氯、后加氯和补加氯。前加氯是在原水管路上进行投加，杀死原水中的微生物和氧化分解有机物，由于混凝、沉淀和过滤是一个很长时间的过程，所以前加氯对过滤以后的水中余氯含量基本没影响。后加氯是在滤后水管路上投加，再次消毒。补加氯是在净水出厂的时候投加的，使出厂水达到国家生活饮用水卫生标准的规定。9 华南理工大学硕士学位论文2．6清水池和送水泵房简介基本上过滤是净水处理的最后一道工序了，从滤池出来的水，流入清水池积聚，使自来水厂保持一定的储备量。最后，清水由水泵从连接清水池和送水泵房的配水池中加压抽入供水管道，并以一定压力供给用户。2．7回收池简介由于五指耙水厂使用的是东深供水工程提供的原水，原水成本很高(接近1元／m3)．所以冲洗沉淀{趣和滤池的废水都回收爵用。因此设置了回收池。回收池的结构如图2—4所示。往絮凝池图2-4回收池结构图fig(2-4)structureofrecyclepool冲洗沉淀池和滤池的污水从进水渠流入回收池，经过一段时间的沉淀，水中部分污泥沉淀到池底。然后启动刮泥车，刮泥车在回收池左右来回运动，刮起池底污泥，并由刮泥车上的水泵将池底较浑浊的水抽入捧污渠，并最终摊入城市污水系统。而回收池上层较干净的水则由回收泵抽入絮凝池。2．8本章小结本章简要的介绍了我国生活饮用水水质标准，并结合深圳市宝安区松岗镶五指耙水厂的实际，说明了自来水厂的生产工艺以及生产设施的作用和工作原理。10 第三章五指耙水厂自动控制系统设计第三章五指耙水厂自动控制系统设计3．1五指耙水厂的仪器设备深圳市宝安区松岗镇五指耙水厂是深圳市宝安区松岗镇的重要供水企业，水厂设计供水规模16万吨／天。如上一章介绍的，五指耙水厂的净水处理过程分为混凝沉淀、过滤、加药、送水等过程，不同过程生产任务、生产设备也不同。下面将从各工艺过程的的仪器设备进行讨论。3．1．1混凝沉淀过程的仪器设备这部分主要包括絮凝池沉淀池和加药车间(包括矾池和石灰池)两个组成部分，负责混凝剂的溶解，以及对原水进行混凝沉淀。五指耙水厂共有矾池和石灰池各4个，搅拌池絮凝池沉淀池共2套。其中絮凝池沉淀池的仪器设备很少，而加药车间的设备则复杂得多。混凝沉淀工艺中主要的设备仪器有：(1)矾池设备。如图3-1所示，每两个矾池是连通的。每个矾池设有～台搅拌机，在将明矾溶解时进行搅拌，促进溶解；每个矾池都要一个加矾阀，控制药液流动；每两个矾池有一台计量泵。用作定量的控制药液流动。图3-l五指耙水厂矾池结构fig(3-1)structureofWuzhipaWaterPlant’Salumpools(2)石灰池设备。四个石灰池的连通结构和矾池的基本～样，每两个石灰池是连通的。每个石灰池有一台搅拌机，在将石灰溶解时进行搅拌，加速溶解；每个石灰池都要一个石灰阀，控制药液流动：每两个石灰浊有一台变频离心泵，用作定量的控制药液流动。(3)搅拌池设备。如图2-1所示，每个絮凝池设有2台带变频器控制的搅拌机(变频器只是用作搅拌机的降速)，促进混凝剂、助凝剂以及氯气和原水的溶解；还有一个可调节开度的进水阀，用作控制进入絮凝池的原水流量。 华南理工大学硕士学位论文(4)絮凝池沉淀池设备。每个沉淀池都设有12个排污阀，在清洗沉淀池时作排放污水用途。(5)液位计。由于矾池(或石灰池)是两个一组相通的，每两个矾池(或石灰池)设有一个液位计，探测矾池(或石灰池)液位。(6)SCD仪(流动电流检测仪)。SCD仪检测的是凝聚的微观特性即胶体电荷的变化，得到的检测值，代表水中胶体在加药混合后的脱稳程度。SCO仪设在搅拌池和絮凝池之间。(7)原水流量计．由于向五指耙水厂的提供原水的有东深供水工程和五指耙水库，所以设置了2个流量计分别测量从东深供水工程和五指耙水库来的原水流量。3．1．2过滤过程的仪器设备过滤是饮用水净化过程的最后一道工序。水流过滤层，由于滤料间表面积的截流作用，沉淀后仍残留在水中的固体颗粒被截流在滤料中，净水则透过滤层，进入管道流向清水池。过滤过程的设备仪器主要包括滤滟和反冲洗泵房两部分。五指耙水厂的每套搅拌池絮凝池沉淀池配有四个滤池，共计八个滤池。滤池的设备与其它车问略有不同，它的设备较多且重复，每个滤池的设备都是相同的。如图2—3所示，每个滤池的设备有：(1)进水阀，控制水流入滤池集水渠的阂门。(2)清水阀，控制滤后水流出滤池进入清水管的阀门，该阀门可调节阀位开度，并有闽位开度反馈，以便调节过滤的速度。(3)排污阀，用于将反冲洗后的污水捧出的阀门。(4)气冲阀，反冲洗时允许气流对滤层进行冲洗的阀门。(5)水冲阀，反冲洗时允许清水对滤层进行冲洗的阀门。(6)排气阀，反冲后捧出残留在气冲管道中的气体，防止其进入滤层影响过滤。反冲洗泵房的设备有空压机、鼓风机和冲洗泵。鼓风机，用于产生强劲气流对滤层进行冲洗；冲洗泵，用于抽取清水对滤层进行反冲洗。五指耙水厂设有鼓风机和冲洗泵各三台。过滤过程中主要的仪器有：(1)滤池液位计。每个滤池都设有～个液位计，探测滤池液位。(2)滤前水水质仪表。每套池子(即每4个滤池)设有一套水质仪表，包括浊度仪和PH计各一台，分别用于测量滤前水的浊度和PH值。(3)空压机。空压机自成系统，只需检测空压罐气压，以保证安全。(4)滤后水水质仪表。每套池子(即每4个滤池)设有一套水质仪表，包括 第三章五指耙水厂自动控制系统设计浊度仪和余氯计各一台，分别用于测量滤后水的浊度和余氯浓度。3．1．3加氯过程的仪器设备加滤过程负责的是净水生产流程中的消毒环节，通常以液态氯作为消毒剂。由于氯气属有毒气体，在做好净水消毒控制的同时，也要做好加氯车间氯气泄漏的安全防范工作。加氯车间需要控制的主要仪器设备有：(1)加氯机。五指耙水厂的净水处理过程中，共有3次加氯消毒，分别是前加氯、后加氯和补加氯，共设有4台加氯机分别负责这3次加氯消毒，其中后加氯2台。加氯机可以进行阀位开度的调节，并可采集有阀位开度的反馈信号。(2)氯瓶自动切换装置。国内大多数水厂都是使用瓶装的液态氯作为消毒剂。干燥的氯气和液氯的化学活性小，因而对铜、铁和钢等金属没有腐蚀性，但氯气遇水或受潮化学活性则增强，会严重腐蚀金属，因此必须严格防止水或潮气进入钢瓶。瓶内氯气不可用完，必须有一定余压，否则空气会进入氯瓶，使氯瓶受潮腐蚀。氯瓶自动切换装置可同时放置2个氯瓶，一用一备，并设有电子秤用作测量氯瓶的重量，设有电磁阀用作氯瓶切换。氯气自动切换装置如图3—2所示。当l#氯瓶压力过低时，装置自动关闭l#阀；然后开启2#阀，使用2#氯瓶，并通知操作人员换下l#氯瓶。氯瓶自动切换装置自成系统，监控系统只需采集氯瓶重量、电磁阀开关状态、漏氯报警和氯瓶重量过低等数据。l#氯瓶往加氯机图3～2氯瓶自动切换装置fig(3-2)chlorine—kettleautomaticswitcher(3)漏氯吸收装置，对加氯车间的氯气浓度进行检测，当氯气浓度超过一定值时报警并开启风机，当氯气浓度继续上升时，开启吸收装景(即打开水泵，往加氯车间内喷水)。氯瓶自动切换装置自成系统，监控系统只需采集加氯车间内氯气浓度、风机启停状态和故障状态以及水泵肩停状态和故障状态等数据。(4)原水水质仪表，包括浊度仪和PH计各一台，用于测量原水的水质参数。(5)出厂水水质仪表，包括浊度仪、余氯计和PH计各一台，用于测量出厂水水质。 华南理工大学硕士学位论文3．1．4清水池和送水泵房的仪器设备清水池储蓄处理完毕的清水，通过送水泵房以一定压力送往市区。这是自来水厂生产的最后一个环节。这部分的主要仪器设备有：(1)送水泵。五指耙水厂共有6台送水泵，1#泵、2#泵和3#泵280kW，4#泵、5#泵和6#泵560kw。其中1#泵和4#泵带有ABB的变频器，作变频调速之用。另外，每台送水泵育2个冷却水阔，共12个。(2)送水阀。每台送水泵对应一个送水阀，当送水泵停用的时候，对应的送水阀关闭。送水阀具有开到位和关到位的反馈信号。(3)清水池液位计．五指耙水厂麸寄2个清水池，每个清水浊都配有液位计一个。(4)配水池液位计，检测配水池的液位，以防配水池水位太低造成送水泵空转。(5)送水泵温度检测。在每一台送水泵的U相、V相和w相以及轴前和轴后都有Ptl00热电阻作为温度检测，共30个。(6)送水泵安培表，检测每一台送水泵的电流。(8)送水泵电量仪表。由河北电力自动化研究所有限公司生产，用于检测送水泵的的电量参数，如线电压、相电流、有功功率、无功功率、功率因素等，可使用MODBUS协议通讯。(9)出口总管压力计，检测出厂水压力。(10)出口总管流量计，检测出厂水流量，共2个。3．1．5回收池的仪器设备回收池回收清洗沉淀池和滤池反冲洗的污水，经沉淀后，将较干净的水抽入搅拌池。五指耙水厂共有2个回收池，互相连通。回收池的仪器设备较少，主要有：(1)刮泥车，在回收池左右来回运动，刮起池底污泥，并由刮泥车上的水泵将池底较浑浊的水抽出。每个回收池有一台，共2台。(2)回收泵，将回收池上层较干净的永抽入搅拌池再用。每个回收池有一台，共2台。(3)回收池液位计，探涌回收{邀液位，因为两个回收浊相通，所以只有一台液位计，两池共用。3．2五指耙水厂自动控制系统功能14 第三章五指耙水厂自动控制系统设计五指耙水厂自动控制系统的主要功能有：(1)数据的实时监测与处理功能。系统能把五指耙水厂生产过程中各检测参数在相应画面和报表中显示出来，并根据需要对数据进行诸如最大值、最小值、平均值、累加值、定时值等的计算处理，并分类进行存储，接受各种形式的查询。(2)实时控制功能。系统能把五指耙水厂生产过程中的各种设备实时控制，并具有三级控制。即：就地手动控制．分站PLC控制，中控室集中控制。(3)图形处理功能。能根据数据库绘制实时曲线图和历史趋势曲线图。(4)自动报表生成功能。能根据需要按不同的时间周期如日、周、月、年等自动生成各种报表。(5)历史档案数据存储功能。能通过打印报表、磁盘备份和读写光盘等多种方式存储历史数据、历史曲线等。(6)远程数据采集功能。能将深圳市宝安区松岗镇另一供水企业山门水厂的水质、水压和水量数据以及松岗镇供水总管的末端(以下简称“管网末端”)测压点压力数据采集到中控室。(7)自动超限报警功能。系统能根据预先设置的报警限值，在实浏值超限时发出报警信息，以便及时采取措旌。(8)输出打印功能。各种查询信息、图形曲线、报表等都能在屏幕上显示和在打印机上打印出来。3．3五指耙水厂自动控制系统的关键技术(1)良好的人机界面。五指耙水厂自动控制系统的用户群是水厂的值班人员，所以设计良好、简单明了的人机界面，直接影响到系统的评价和使用。(2)可扩展性。系统的设计不但要考虑当前的实际需要，并且要考虑长远的发展需要，预留了以后增加监控设备的接13，保证系统的可扩展性。(3)可靠性。在中控室工作站出现问题或者通讯出现故障时，现场设备仍能独立安全运行。3．4五指耙水厂自动控制系统技术方案3．4．1五指耙水厂自动控制系统总体结构按照集中管理，分散控制的原则，五指耙水厂自动控制系统采用两级结构，即分为厂级控制中心和现场区域控制分站。控制中心和现场区域控制分站通过工业网络通讯，各分站既能在控制中心统一指挥下协调工作，又可以在通讯发生故障的情况下独立运行，减少局部事故给整个控制系统和生产造成损失。根据五指耙水厂的工艺流程和布局(如图3一11)，全厂本地生产过程自动化 华南理工大学硕士学位论文系统分为四个控制分站和一个中心控制室。中心控制室属于厂级中心控制。四个控制分站包括加药分站、滤池分站、加氯分站和送水分站，属于现场区域控制。根据五指耙水厂的实际客观环境，为防止雷电和电磁信号对全厂网络的干扰，确保系统稳定性，同时考虑到五指耙水厂内的计算机不多，并且没有大量的数据通信，所以将厂内的计算机网络和控制网络合并，全厂主网络采用100M光纤工业环形以太网。并将中控室的工控机、各PLC分站以及办公楼计算机都接入该光缆环形以太网。中心控制室以及各分站的基本配置和功能如下：(1)中心控制室配置研华工控机二台，分别作为监控主计算机和监控备用计算机，通过光交换机接入光缆环形以太网上，对全厂设备集中监控。监控主计算机主要用于实时监控设备状况，控制设备运行，受责生产数据的存储、分析和统计以及生产报表的打印。监控备用计算机作为热备用机，具有监控主计算机同样的功能。当监控主机出现故障时，可使用监控备用机，继续监控设备运行，保证数据记录的连续性和系统的稳定性。(2)送水分站采用德国西门子(SIEMENS)公司S7—300中型PLC一套，负责监控送水泵房和清水池各仪器设备，并通过MODBUS网络从电量仪表采集电量参数。(3)滤池分站也采用西门予$7-300PLc一套，该站负责监控反冲洗泵房、絮凝池、沉淀池和回收池的各设备仪表。同时通过PROFIBUS—DP网络与各滤池从站通讯，并与各滤池从站配合，完成滤池反冲洗。考虑到每个滤池的设备仪器和控制要求都一样，因此每2个滤池设置西门予s7—200d、型PLc一套，监控各自滤池的仪器设备，实现对滤池过滤过程的监控，以及完成滤池反冲洗控制，同时接受中心控制室的监控。(4)加药分站也采用西门予s7—300PLc一套，该站负责监控加药车间的各设备仪表以及与加药有关的仪表(如PH计、SCD仪和浊度仪)，实现对混凝剂和助凝剂的自动投加。(5)加氯分站也采用西门子$7-300PLc一套，该站负责监控加氯车间的各设备仪表，实现三次加氯的自动控制。五指耙水厂自控系统本地网络结构如图3—12所示。除了监控五指耙水厂的生产，自动控制系统还要采集山门水厂的水量、水压和水质参数以及管网末端的水压参数。由于五指耙水厂距离山门水厂大约5km，而管网末端更在10km以上，因此，需要采用无线通信的方式组成一个小型的SCADA系统。该SCADA系统由五指耙水厂、山门水厂和管网末端测压点组成(如图3-3所示)。16 第三章五指耙水厂自动控鑫4系统设计图3．3scADA系统结构fig(3—3)SCADAsystemstructure(1)五指耙水厂。五指耙水厂部分，只需在中控室监控主计算机的RS-232接口连接一台深圳友迅达FC一601E数传电台，作无线收发之用。(2)山门水厂。由于山门水厂并没有配套自动控制系统，因此在山门水厂采用上位机加PLC的模式。上位机采用一台计算机，PLC采用两套德国施奈德(SCHNEIDER)NEZAd、型PLC(组成MODBUS网络)．上位机通过RS一232接口连接2套NEZAPLC相连，采集本地生产数据；另外与FC-601E数传电台相连，通过SCADA系统与五指耙水厂交换各自水量、水压和水质参数。(3)管网末端测验点。因为只需采集管网末端的压力数据，所以这里配置一台FC-601E数传电台和一套NEZAPLC。PLC和数传电台通过RS-232接口连接，定时发送管网末端的压力数据。3．4．2各PLC站控制方案3．4．2．1控制级别为了确保生产的安全性及连续性，本套系统采用三级控制，即现场手动控制方式、PLC自动控制方式和中控室集中控制方式，采用相对可靠的机械式开关作为现场手动控制方式和自动控制方式(即后两种方式)的切换。当整套系统处于自动状态时，控制方式又有两种，一种是操作员通过人机界面实行键控即中控室集中控制方式，另一种方式则是系统根据现场实时测量的数据进行分析判断并做出相应的动作，即PLC自动控制方式。系统的控制级别是现场手动优先于自动控 华南理工大学硕士学位论文制。当机械开关处于手动状态时，只能通过现场的控制台上对应的按键对设备进行操控，而在中控室监控计算机上进行只能现场监视，无法实施控制。而且手动控制方式和自动控制方式只能在现场的控制台上才能切换。3．4．2．2故障处理方式在系统实行自动控制过程中，控制现场中的液位、各阀门开关到位信号、各机泵的运行状态、温度超标等，当故障发生时，系统都将自动报警提示操作人员及时处理，并按照各自的停止顺序进行停机处理，如果设备尚未启动，在故障未排除前，系统不支持相应设备的启动。系统的报警方式统一采用声光同时报警的方式。原则上所有的模拟量采集均设置报警。3．4．2．3加药分站1．各仪器设备控翩方法加药分站主要负责监控加药车阀的设备仪表以及与加药、加石灰相关的仪表(如P强计、SC9仪和浊度仪)。加药分站设备仪器的简要控制方法如表3—1所示。2．控制方案在加药分站的控制中，主要是加药控铡、加石灰控制和矾池、石灰池的自动切换。(1)加药自动控制。加药控制采用SCD闭环控制和按比例投加两种方法控制计量泵。SCD闭环控制，就是采用游动电流检测值(SCD)作为反馈量，与设定值进行比较，其偏差经PIO运算后再乘以原水流重和矾池药液浓度(可在中控室监控计算机上输入)，调节输出电流值，控制计量泵的冲程，从而改变投药量。其控制系统框图如图3-4所示．按比例投加就是由搡作人员输入投加比率，按原水流量的比例控制计量泵冲程，投加药液。原药水液流浓量度测值图3-4SCD闭环控制框图fig(3-4)sketchmapofSCDclose—loopcontrol(2)加石灰自动控制。加石灰控制采用与原水流量按比例投加的方式控制投加比率和石灰池药液浓度可在中控室髓控计算机上设置。 第三章五指耙水厂自动控制系统设计表3一l加药分站仪器设备的简要控制方法Table(3-1)briefcontroHingofchemicaldosingequipment仪器设备数量控制方法可手动和键控启停；可采用SCD闭环控制和按比例投加两种方法控制计量泵，调节投加加矾计量泵2量；计量泵一用一备，根据矾池的切换而切换：实时监测运行状态和故障状态可手动和键控启停：可按设定时间(可在中矾池搅拌机4控室监控计算机上设定)自动启停；实时监测运行状态矾池液位计2实时检测液位，超限报警可手动和键控开关；可自动开关，以实现矾矾池电磁阀2池的自动切换；实时监测开关状态可手动和键控启停；可根据原水流量按比例加石灰离心泵2控制频率，调节投加量；实时监测运行状态和运行频率；实时监浏运行状态和故障状态可手动和键控启停：可按设定时间(可在中石灰池搅拌机4控室监控计算机上设定)自动启停；实时监测运行状态石灰池液位计2实时监测，超艰报警可手动和键控开关：可自动开关，以实现石石灰池电磁阀2灰池的自动切换：实时监测开关状态原水水质仪表(PH1(PH计)实时监控水质参数，当水质异常。系统报警计和浊度仪)l(浊度计)滤前水水质仪表1(PH计)实时监控水质参数，当水质异常，系统报警(PH计和浊度仪)2(浊度计)原水流量计2实时采集数据，参与加药和加石灰控制SCD仪I实时采集数据，参与加药控制(3)矾池自动切换。当砜池液位低于设定值时，关闭正在使用的矾池组搅拌机，按顺序打开另一矾池组的搅拌机和电磁阀，关闭正使用矾池组的计量泵和电磁阀，最后打开另一矾池组的计量泵。自动切换的液位设定值可在监控计算机上设定。矾池自动切换的流程图如图3—5所示。(4)石灰池自动切换。其原理和操作顺序与矾池自动切换基本一样。19 华南理工大学硕士学位论文图3-5矾池自动切换流程图fig(3-5)flowchartofalumpoolSautomatiCswich3．4．2．4滤池分站1．滤池分站主PLC各仪器设备控制方法滤池分站主PLC负责监控滤池反冲洗泵房设备阻及搅拌池、沉淀池、回收站各仪器设备。滤池分站主PLC监控的设备仪器的简要控制方法如表3-2所示。2．滤池从站PLC各仪器设备控制方法滤池分站共有4台S7—200PLC作为从站通过PROFIBUS-DP与主站相连。每台从站负责2个滤池的控制。每台滤池从站PLC监控的设备仪器的简要控制方法如表3—3所示。3．PROFIBUS-DP协议简介PROFIBUS(ProcessFieldBus一一过程现场总线)自1984年开始研制起，经过13家公司和5家科研机构的开发、生产和应用，现已成为欧洲首屈一指的开放式现场总线系统。在1993年PROFIBUS规范列入了德国标准DINl9245，1996年被列入欧洲标准EN50170。PROFIBUS由PROFIBUS-FMS(FieldbusMeSsageSpecification)，PROFIBUS—PA(ProcesSAutomation)和PROFIBUS—DP(DiStrJbutivePeripheral)3部分组成，其中PROFIBUS—DP主要应用于现场级，是一种高速(可达12Mbit／s)的通信连接，它被设计为自动控制系统和设备级分散的i／o之间进行通信使用，因而可满足全数字交直流调速系统中对于电机快速的时间响应要求。 第三章五指耙水厂自动控制系统设计表3—2滤池分站主PLC仪器设备的简要控制方法Table(3-2)briefcontrollingoffiltermasterPLCequipment仪器设备数量控制方法可手动和键控启停；根据工作时间自动选冲洗泵3择；实时监测运行状况和故障状态可手动和键控启停：根据工作时间自动选鼓风机3择；实时监测运行状况和故障状态空压机2监铡设备运行状况和空压罐压力键控启动设备；监测设备运行状况：开启回收池刮泥车2时同时启动刮泥车上的水泵键控启动设备；监测设备运行状态和电回收泵2流；根据回收池液位停止设备；开启时调整加矾量回收池液位计1实时监测，超限报警可键控启停；或根据设定时间周期，系统沉淀池排污阀12×2自动控制启停可键控启停；运行频率可在监控计算机上根搅拌池搅拌机2×2据需要在线设定；实时靛测运行频率和运行状况根据滤池反冲洗程序自动开关；实时监测排气阀l设备运行状况滤后水水质仪表(余2(余氯计)实时监控水质参数，当水质异常，系统报氯计和浊度仪)2(浊度计)警表3-3滤池从站PLC设备仪器的简要控制方法Table(3-3)briefcontrollingoffilterslavePLCequipment仪器设备数量控制方法滤池各阀门(除排2套可手动、监控开关；可根据滤泡反冲洗程序自动开气阀和清水阀)关；实旖监测各阀门开关状况可手动、监控开关，也可根据滤池反冲洗程序自动开关；可以根据恒水位过滤程序自动调节开度，也可清水阀2在监控计算机上调节开度：实时监测阀门开关状况和阀位开度滤池液位计2实时监测，超限报警PROFIBDS—DP参考模型是根据IEEE802标准委员会制定的局域网标准第l层、2I 华南理工大学硕士学位论文第2层和应用层建立的，由于工业上的特殊需要省略了3—6层。PROFIBUS—DP的物理层与OSI参考模型的第1层相同，其主要功能是利用物理传输介质为数据链路层提供物理连接，以透明地传送比特流，它采用ETARS一485协议，半双工方式，根据最大传输速率的不同，可选用双绞线和光纤2种传输电缆。PROFIBUS—DP现场总线数据链路层包括2种介质存取(MAC)方式，即令牌总线(TokenBus)方式和主一从方式的混合存取方式。其中，令牌总线方式与局域网IEEE802．4中的规约相一致，它规定了主站间的介质存取控制方式。当PROFIBUS-DP网中存在两个以上的主站时，主站之间由于在传输数据时拥有相同的总线控制权，因此必须保证在事先定义的时间间隔中站点有充足的时间完成通信任务。令牌总线中的令牌是一种特殊的电文，它在主站之间传递控制权。令牌总线方式使得某个得到令牌的主站可在一个事先规定的时间段内得到总线控制权，在这段时间内允许这个主站在一定的时间内执行主站工作，这个主站可依照与主站或从站的关系表和所有的主站或所有的从站进行通信。若该主站没有需要发送的帧或在规定时间内发完了所需要发送的帧，或者该主站的控制时间终了时，它就将主站令牌传递给下一个主站。当一个主站在获得总线控制权后将与网中的从站构成纯主一从方式。在这种方式下非平衡多点结构的特点是：由一个主站控制着多个从站，主站发出命令(Command)，从站给出响应(Response)，配合主站完成对数据链路的控制，一个主站应与多个从站中的每一个从站建立一条数据链路；HDLC的数据传输模式采用了正常响应模式(NRM，NorlmalResponseMode)，在这种模式下，从站由主站发送SNRM而置于此方式，从站可以发送多个帧，直到以下一种情况发生为止：从站没有信息帧可发送，未完成帧的数目已达最大值或从站被主站停止。从以上的讨论可知，PROFIBUS—DP只有三层结构，是一种低级的工业局域网，而使用了令牌总线和主一从方式的混合介质存取控制方式，使得该网的实时性远远高于其它局域礴，因而特鄹适合用于工业现场。但在实际使用时，也存在一定的缺陷，如若向网中增加或删减站点时，就要重新初始化整个网络，并对各站重新排序，这一过程实现起来是比较麻烦的。但与以前分散型控制技术(DCS)相比，PROFIBUS-DP有着无可比拟的优点。首先，在DCS系统中，仪表是非智能化的设备，它只是简单地测量外部信息并转化成模拟信号进行传输，而FCS系统则将采集到的检测和控制信息就地处理并就地使用，因丽具有智能化的特点：其次，将现场仪表获得的故障信息分散在现场装置中进行控制、报警和趋势分析，从而实现了“危险分散”，增加了整个系统的可靠性；最后，采用了开放式的结构和统一的国际标准，网络可采用多种拓朴结构和不同厂家的硬软件和通信规程，即兼顾了产品的兼容性。|13,14,20,21] 第三章五指耙水厂自动控翎系统设计4．控制方案每个滤池都有自动运行、手动运行、停止工作三种方式。停止工作方式。当阀门控制柜的控筋旋钮处于“停用”位置对，滤池工作处于停止运行状态，PLC控制系统关闭滤池进水阀门和滤池出水阀门，确保滤池中保存适量存水。当有特殊生产要求时候，操作人员仍然可以选择手动或者远程控制开关迸水阀、排水阀及滤阀。在滤池停用状态，PLC仍监控滤池水位，预防进水阀泄漏，出现溢池现象。手动工作方式。在滤池PLC出现故障或阀门检修、调试的情况下，将阀门控制方式转向“手动”，通过开关旋钮对各种阀门进行独立操作。此时，既可通过PID调节器手动控制清水阀开度，调节滤池水位，也可使用PID调节器的自动反馈功能，利用超声波液位计的反馈信号，自动调节清水阀开度，实现现场恒水位控制，减少操作人员劳动强度，保证滤后水水质，实用性很强，深受用户好评。自动工作方式。当阀门控制柜的控制旋钮处于“自动”位置时，滤池工作处于自动运行状态，由滤池PLC全自动控制。在自动控制方式下，滤池主要分为两种工作状态：恒水位过滤和自动反冲洗。(i)滤池恒水位过滤滤池在上一个冲洗过程结束后或现场控制按钮直接打至自动，则进入过滤准备阶段。其启动自动恒水位控制的条件如下：◆滤池无“停用”标志。◆该滤池各阀门状态芷常。◆控制方式在“自动”状态。以上条件满足后，进入PLC自动恒水位控制状态，并由PLC累计滤池过滤时间。如不满足，则报警过滤过程阀门状态异常，请求人工处理。在过滤自动控制阶段，PLC根据水位值，用PID调节方式调节清水阀门开度，使水位保持在恒水位设定值附近。考感到清水阕频繁动作会缩短其寿命，因此需要使用带死区的PID调节来控制滤池水位。过滤运行中的监测：◆如任意一个阀门状态和过滤运行状态不对应，则报警过滤过程阀门状态异常，并请求人工处理。◆如滤池水位升至报警水位设定值，则报警水位超限，提醒工作人员注意。◆如过滤时间达到过滤时间设定值，则请求反冲洗。在过滤过程中，可根据实际情况，在监控计算机机的人机界面在线的修改恒水位值和报警水位值，确认后，系统按新的设定值控制。(2)滤池反冲洗PLC在检测和控制滤池正常过滤的同时，检测判断本滤池是否需要反冲洗。其判断条件如下(并列)： 华南理工大学硕士学位论文◆滤池过滤时间大于或等于设定值，自动排队反冲洗。◆在上位机点击“强制反冲洗”按钮，人为强制该滤池申请反冲洗。◆现场控制箱手动启动滤池一步化反冲洗。上述任一条件成立后，该滤池即向滤池分站主PLC控制柜发出反冲洗请求。如果与滤池相关的设备(进永阀、清水阀、气冲阀、水冲阕和排污阀开关正常)无故障标志出现，冲洗泵与鼓风机至少有两套或以上工作正常，PLC接受申请，滤池进入反冲洗队列，反之则中断申请，并请求操作人员进行处理。由于每次反冲洗的滤池只有一个，反冲洗队列控制采用“先进先出”原则。通过上位机，操作人员可以进行清空复位操作。进入反冲洗过程后，先降低滤池液位。关闭进水阀门，并强制打开清水阕。当液位降到符合反冲洗条件的设定值(可通过监控计算机修改)时，再将清水阀门强制关闭，并打开捧污阀，当这一切准备就绪、系统检测无误后，进入气冲阶段。气冲阶段。启动两台鼓风机。打开气冲阀。在启动鼓风机后10秒，气冲阀打开，开始计气冲时间。若启动鼓风机后10秒内系统未收到气冲阀的全开信号，则视为气冲阀故障，系统自动关闭气冲阀开启电源；当系统收到气冲阀的全关信号后，停止鼓风机，并中断反冲洗，请求现场人员进行处理。当气冲时间达到气冲设定时间(可通过监控计算机修改)后，进入气水冲阶段。气水冲阶段。停止一台鼓风机，并启动一台冲洗泵，随后打开水冲阀，开始计气水冲时间。若在3秒内未收到水冲阀的全开信号，视为水冲阀故障，系统自动关闭水冲阀开启电源，当系统收到水冲阀的全关信号后停止冲洗泵，并中断反冲洗，请求操作人员进行处理。若冲洗泵不能正常启动，系统则自动启动下一台冲洗泵，并报警提示，不中断反冲洗。当气水冲时润达到气水冲设定时间(可通过监控计算机修改)后，进入水冲阶段。水冲阶段。关闭气冲阔，在系统收到气冲阀的全关信号后，停止鼓风机，并启动另一台冲洗泵，开始计水冲时间。当水冲时间达到水冲设定时间(可通过监控计算机修改)后，关闭水冲阍，在系统收到水冲阀的全关信号后，停止冲洗泵，关闭排污阀，反冲洗结束。若滤池的各阀门无故障标志出现，则系统自动打开进水阀，并将清水阀切换回到自动控制，滤池进入恒水位过滤状态。一切就绪后按照同样的流程对下一滤池进行反冲洗。在宣动反冲洗的过程中，如果滤池本身的阀门没有故障，仅当鼓风枫或是冲洗泵出现故障时，系统都将自动停止该鼓风机或是该冲洗泵，并自动切换到备用的鼓风机或者是冲洗泵上，使反冲冼继续进行，系统并对出错进行记录，提醒操作人员处理现场问题。在自动反冲洗的过程中，如果是滤池本身的阀门出现故障，如气冲阀开不到 第三章五指耙水厂自动控制系统设计位、水冲阀开不到位、排污阀开不到位、清水阀关不到位等，系统将自动停止反冲洗，并提示操作人员进行人工处理。滤池反冲洗流程图如图3—6所示。图3-6滤池反冲洗流程图fig(3—6)flowchartoffilterbackwash表3-4滤池各阀门开合状况Table(3—4)open—closestateoffiltervalyes膊＼荔准备气水水冲划过滤反冲气充冲洗进水阀开关清水阀调节开关气冲阀关开关水冲阀关开排污阀关开丌 华南理工大学硕士学位论文滤池各阀门在各种工况下的开关状况如表3-4所示。3．4．2．5加氯分站1．加氯分站各仪器设备控制方法加氯分站负责监控加氯车间各仪器设备。加氯分站监控的设备仪器的简要控制方法如表3—5所示。表3—5加氯分站设备仪器的简要控制方法Table(3-5)briefcontrollingofchlorinefeedingequipment仪器设备数量控制方法自成系统；实时监测氯瓶重量，超限报警；实氯瓶自动切换装置l时监测漏氯报警信号、氯瓶压力过低信号和电磁阀开关状态自成系统；实时监测加氯车间氯气浓度，超限漏氯吸收装置1报警；实时监测风机和水泵的运行状态和故障状态出厂水余氯计l实时检测，超限报警；参与补加氯控制监控设备；可以直接输入投加重；可根据原水前加氯机1流量比例控制，调节投加量，投加比率可在监控计算枫上设定；实时监测运行状态和阀位开度监控设备；可以直接输入投加量；根据原水流后加氯机2量比例控制，调节投加量，投加比率可在监控计算枫上设定；实时监铡运行状态和阀位开度监控设备；可以直接输入投加量；以出厂水余补加氯机1氯为反馈量的闭环控制，进行PID调节；实时监测运行状态和阀位开度2．加氯分站备仪器设鲁控捌方法加氯分站主要控制对氯气的投加。(1)前加氯。前加氯的目的是杀死原水中的微生物或氧化分解有机物。经过混凝、沉淀和过滤这一漫长过程以后，前加氯对水中余氯含量基本没影响，所以前加氯只需根据服水流量按比例投加。(2)后热氧。过滤后的永，大量的有枫物和细蔼已经去除，所以加氯量很小。所以后加氯根据原水流量按比例投加。(3)补加氯。补加氯是在净水出厂的时候投加氯气，使出厂水达到出厂水余氯设定值(可在监控计算机上设定)。补加氯采用出厂水余氯含量作为反馈量， 第三章五指耙水厂自动控制系统设计与设定值进行比较，其偏差经PID运算后再乘以出厂水流量，调节补加氯机的阀位开度，从而改变投氯量。其控制系统框图如图3—7所示。出厂水流量图3—7fig(3-7)sketchmapof3．4．2．6送水分站出厂水余氯补加氯控制框图compensatorychlorirlefeedingI．送水分站各仪器设备控制方法加氯分站负责监控清水池、配水池和送水车间各仪器设备。送水分站监控的设备仪器的简要控制方法如表3-6所示。表3-6送水分站设备仪器的简要控制方法Table(3-6)briefcontrollingofwatersupplYequipment仪器设备数量控制方法可手动和键控开停泵组，同时开关相应的送水阀和冷却水阀；可通过调节变频泵频率，实现出厂水送水泵6恒压供水；可在监控计算机上设定变频泵的运行频率；实时监测送水泵的运行状况和故障状况、各阀的运行状况以及变频系的运行频率PtlOO5×6实时监测，超限报警送水泵安培表6实时监测，超限报警出厂水压力计l实时监浏，超限报警；参与出厂水恒压控制出厂水流量计1实时监测配水池液位计1实时监测，超限报警清水池液位计2实时监测，超限报警通过HODBUS总线与送水分站PLC相连：实时监测，送水泵电量仪表1套超限报警2．MODBUS协议简介MODBUS协议是Modicom公司于1978年发明的一个用于PLC和编程器之间通讯的协议。MODBUS协议将通信参与者规定为“主站”(Master)和“从站”(Slave)，主站可向从站发送通信请求，每个从站都有自己的地址编号，数量最多可达247 华南理工大学硕士学位论文个。它通过多达24种的总线命令实现主站和从站之间的信息交换，具有简单、高效、可靠、和容易实现等优点。从功能上看，它可以认为是一种现场总线，不同厂商生产的控制设备通过MODBUS接口可以相互连成工业网络，进行整个系统的集中监控，因而得到了广泛的应用。1980年，应众多设备制造商的要求，Modicom公司将该协议完全公开，成为了“事实上的工业标准”。此协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，而不管它们是经过何种网络进行通信的。它描述了一控制器请求访问其它设备的过程，如果回应来自其它设备的请求，以及怎样侦测错误并记录。它制定了消息域格局和内容的公共格式。当在--MODBUS网络上通信时，此协议决定了每个控制器须要知道它们的设备地址，识别按地址发来的消息，决定要产生何种行动。如果需要回应，控制器将生成反馈信息并用MODBUS协议发出。在其它网络上，包含了MODBUS协议的消息转换为在此网络上使用的帧或包结构。这种转换也扩展了根据具体的网络解决节地址、路由路径及错误检测的方法。标准的MODBUS口是使用RS一232C兼容串行接口，它定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。控制器能直接或经由Modem组网。控制器通信使用主一从技术，即仅有一台设备(主设备)能初始化传输(查询)。其它设备(从设各)根据主设备查询提供的数据作出相应反应。典型的主设备：主机和可编程仪表。典型的从设备：可编程控制器。主设备可单独和从设备通信，也能以广播方式和所有从设备通信。如果单独通信，从设备返回消息作为回应，如果是以广播方式查询的，受fj不作任何回应。MODBUS协议建立了主设备查询的格式：设备(或广播)地址、功能代码、所有要发送的数据、错误检测域。从设备回应消息也由MODBUS协议构成，包括确认要行动的域、任何要返回的数据、和错误检测域。如果在消息接收过程中发生错误，或从设备不能执行其命令，从设备将建立错误消息并把它作为回应发送出去。在其它网络上，控制器使用对等技术通信，故任何控制都能初始和其它控制器的通信。这样在单独的通信过程中，控制器既可作为主设备也可作为从设备。提供的多个内部通道可允许同时发生的传输进程。在消息位，MODBUS协议仍提供了主一从原则，尽管网络通信方法是“对等’。如果控制器发送一消怠，它只是作为主设备，并期望从从设备得到回应。同样，当控制器按收到一消息，它将建立一从设备回应格式并返回给发送的控制器。MODBUS协议查询一回应周期如图3—8所示。 第三章五指耙水厂自动控制系统设计kEi蝮的童洵捎患l、I设备地址|设备地址lI动能ft码Il动能代码|匾暾=妊～瞻一畦——l膨I锆误检测|锆误检测I＼、一Jn甜晷的囵应消患图3—8MODBUS协议查询一回应周期fig(3—6)request—answerCycofMODBUSProcotol(1)查询。查询消息中的功能代码告之被选中的从设备要执行何种功能。数据段包含了从设备要执行功能的任何附加信息。例如功能代码03是要求从设备读保持寄存器并返回它们的内容。数据段必须包含要告之从设备的信息：从何寄存器开始读及要读的寄存器数量。错误检测域为从设备提供了一种验证消息内容是否正确的方法。(2)回应。如果从设备产生一正常的回应，在回应消息中的功能代码是在查询消息中的功能代码的回应。数据段包括了从设备收集的数据：象寄存器值或状态。如果有错误发生，功能代码将被修改以用于指出回应消息是错误豹，同时数据段包含了描述此错误信息的代码。错误检测域允许主设备确认消息内容是否可用。MODBUS协议有ASCII和RTU(远程终端单元)两种传输方式，在ASCII方式中，消息中的每个8Bit字节需2个ASCII字符，其优点是允许字符的传输间隔达到1秒而不产生错误；在RTU方式，每个8Bit字节包含两个4Bit韵十六进制字符，其优点是，在同样的波特率下，可比ASCII方式传送更多的数据，但每个消息必须以连续的流传输，约95％的MODBUS总线采用RTU方式。MODBUS的RTU方式采用CRC-16的冗余校验方式，规定通信字符串的最后两个字节用于传递循环冗余校验数据，其方法是将整个字符串(不包括最后两个字节)的所有字节按规定的方式进行位移并进行XOR(异或)计算，接收方在收到该字符串时按同样的方式进行计算，并将结果同收到的循环冗余校验的两个字节进行比较，如果一致则认为通信正确，如果不一致，则认为通信有误，从站祷发送CRC错误应答。[2213．控制方案送水分站主要对各送水泵启停的逻辑控制和出厂水压力控制。(1)送水泵的启停控制。当系统没有检测到设备的故障信号时，便可进行启动控制。 华南理工大学硕士学位论文送水泵的启动顺序为：打开冷水阀一一启动电机一一打开送水阀。只有当冷水阀全部打开并运行正常时才能启动电机，否则启动无效，电机运转后自动打开送水阀，经过5秒后，如果系统没收到送水阀的全开信号，则视为启动故障，系统自动关闭送水阀，当收到送水阀送来的全关信号后，停止电机，再停止冷水阕。并提醒操作人员进行现场处理。启动送水泵得流程图如图3-9所示。图3-9送水泵启动流程图fig(3—9)flowchartofopeningapump送水泵的停止顺序为：关闭送水阀一一停止电机一一关闭冷水阀。在电机运行的过程中，轴前温度、轴后温度、u相瀑度、V相温度、W相温度，这五个温度中只要有一个超标，系统在出于保护电机的目的，也会以声光报警的方式提醒现场操作人员注意，作出必要处理。在电机运行过程中，如果检测到电流超标时也视为电机故障，以声光报警的方式提醒现场操作人员注意，作出必要处理。(1)出厂水压力控制。送水泵组采用两台变频泵轮流运行，工频泵与变频泵配合运行的方式工作。出厂水恒压控制采用出厂水压力作为反馈量，与出厂水压力设定值(可在中控室监控计算机上设定)进行比较，其偏差经PID运算后，调节变频泵的输出频率使水泵转速改变，从而控制出厂水压力。为避免变频泵转速频繁调节，因此采用了带±O．005MPa死区的PID调节。如果交频泵转速过低，会造成出厂水从变频泵那里倒灌回来：如果频率太高，那么变频泵的电流就可能过大，所以变频器的输出30 第三章五指耙水厂自动控制系统设计频率设定在25Hz～60Hz范围内调节。在出厂水恒压控制的基础上，设计了松岗镇管网压力控制系统，这部分将在第五章和笫六章论述。3．4，2，7山门水厂和管网末端测压点山门水厂PLC负责采集山门水厂原水的水质和水量参数，以及出厂水的水质、水量和水压参数，并传送到山门水厂上位机上显示和保存，但并不参与山门水厂的控制。管网测压点PLC负责采集管网末端压力数据．并通过数传电台发送出去。3．4．3五指耙水厂自动控制系统系统集成3．4．3．1厂内各控制分站硬件配置加药分站共有数字量输入(DigitalInput，DI)29个，模拟量输入(AnalogInput，AI)lfi个，数字量输出(Dig[talOutput，D0)16个，模拟量输出(Analog0utput，A0)4个。加药分站采用s7—300PLc一台。滤池分站主PLC共有数字量输入29个，模拟量输入1IA"，数字量输出21个，模拟量输出4个。滤池分站采用s7—300PLc一台。每台滤池分站从PLC共有数字量输入15个．模拟量输入4个，数字量输出8个，模拟量输出2个。滤池分站采用s7—200PLC四台作为从站PLC。加氯分站PLC共有数字重输入14个，模拟量输入8个，模拟量输出8个。加氯分站采用S7—300PLC一台。送水分站PLC共有数字量输入54个，模拟量输入11个，数字量输出32个，模拟量输出2个，Ptl00有30个。加氯分站采用s7—300PLc一台。各分站PLC的配置如表3—7所列。3．4．3．2中控室如图3—3和图3-9所示，中心控制室配置研华工控机二台，分别作为监控主计算机和监控备用计算机，通过光交换机接入光缆环形以太网上，对全厂设备集中监控。监控主计算机需要通过RS一232端口与模拟屏和数传电台通信。两台工控机的参数如表3—8所示。中心控制站设有一块大型模拟屏，可在各个相应的位置动态显示相应区域的被测参数的实时值和生产数据。模拟屏通过RS一232接口与监控主计算机相连，并由后者控制。 竺曼墨三查堂型主堂垒丝圭表3—7各分站PLC配置Table(3-7)composmentofPLCs型号数量描述加药分站PLCPS3071电源模块CPU314IFM1CPU模块。20DI(其中4个无隔离)，16DOSM3312AI模块。8AISM332lAO模块。4AOSM32l1DI模块。16DICP343-lTCPl工业以太网通信模块。TCP／IP标准滤池分站主PLCPS307l电源模块CPU315-2DP1CPU模块。集成PROFIBUS—DP通讯模块SM3312AI模块。8AISM3321A0模块。4AOSM3212DI模块。16DISM322lDO模块。32D0IM3652扩展模块CP343—1TCPl工业以太网通信模块。TCP／IP标准滤池分张从PLCCPU224l×4CPU模块。14DI．IODOEt,,i277l×4PROFIBUS-DP遥讯模块EM2231×4数字蠢模块。8DI，8DOEM231l×4AI模块。4AIEM232l×4AO模块。2AO加氯分站PLCPS3071电源模块CPU314IFM1CPU模块。20DI(其中4个无隔离)，16DOSM33llAI模块。8AISM3321AO模块。4AOCP343-lTCP1工业以太网通信模块。TCP／IP标准送水分站PLCPS307l电源模块CPU3151CPU模块。集成PROFIBUS—DP通讯模块 第三章五指耙水厂自动控制系统设计SM3212DI模块。32DISM332lAO模块。4AOSM3316AI模块。8AI，可接Ptl00SM3222D0模块。16DOIM3652扩展模块CP343一lTCP1工业以太网通信模块。TCP／IP标准CP341lRS422／485通信模块表3—8中控室工控机参数Table(3-8)IPCparametersofcentralcontrollingromeCPU内存硬盘显示器网卡Rs一232接口奔腾42．4G256M40G20寸LCD显示器100M2个中心控制站设有一台打印机，可打印当时或历史上某年、月、日的生产报表。中控室设有深圳友迅达数传电台一台，通过Rs一232接口与监控主计算机相连。用于与山门水厂和管网末端测压点交挟数据。中控室的监控计算机通过UPS在线式供电，停电后可提供不少于30分钟的操作时间。3．4．3．3山门水广和管网末端测压点1．山门水厂如图3—3所示，山门水厂设有计算机一台，通过NEZAPLC实时采集数据，显示数据并保存在数据库里。该计算机的参数如表3-9所示。表3—9山门水厂计算机参数Table(3—9)ShanmenWaterPlantPCparametersCPU内存硬盘显示器Rs一232接口赛扬2．OG256M40G15寸纯平CRT显示器2个山门水厂设有2套施奈德NEZAPLC用于采集山门水厂原水的水质和水量参数，以及出厂水的水质、水量和水压参数。两套NEZAPLC之间通过MODBUS通信。其中一套NEZAPLC通过编程电缆与山门水厂上位机通过RS一232端口相连。2套NEZAPLC韵配置如表3-10所示山门水厂设有友迅达数传电台一台，通过RS-232接口与山门水厂上位机相连。用于与五指耙水厂和管网末端测压点交换数据。2．管网末端测压点管网末端测压点设有NEZAPLC一套，用于采集管嗣末端的压力。该PLC配置如表3—1l所示。 华南理工大学硕士学位论文表3一lO山门PLC配置Table(3—10)SbanmenPLCscomposment型号数量描述本体，带时钟，8点输入，6点继电器输出，220VACTSX08CD08R6AC1×2电源，2路通讯口TSX08EAV8A21×2扩展模块，模拟量8路入，2路出，12位精度TSX08PRGAB1多功能编程电缆表3—11管两末端PLC配置Table(3一i0)PLCeomposmentofwatertransportationpipelineending型号数量描述本体，8点输入，6点继电器输出，220VAC，带时TSX08CD08R6Al钟TSX08EA4A21扩展模块，模拟量4路入，2路出，12位精度TSX08PRGAB1多功能编程电缆管网末端浏压点设有友迅达数传电台一台，通过编程电缆与管网末端PLC相连。将管网末端压力数据发送到五指耙水厂和山门水厂。3．4．4五指耙水厂自动控制系统软件编制3．4．4．1中控室监控计算机软件编制中控室2台监控计算机采用Windows2000操作系统，监控软件采用GEFanucInternational公司的iFix3．5组态软件编写．根据五指耙水厂的实际情况，iFiX选用900点的版本。1．iFix简介iFix是IntellutionDynamics“3工业自动化软件解决方案家族中的HMI／SCADA解决方案，用于实现过程监控，并在整个企业网络中传递信息。为追求系统的稳定性及易扩展性，iFix只支持WindowsNT／2000平台。它支持Windows2000的终端技术(TerminalServer)，支持基于因特嘲的远程线组态。该系列软件以SCADA为核心，实现包括监视、控制、报警、保存和归档数据、生成和打印报告、绘图和视点创建数据的显示形式等多种功能。它们包括数据采集、数据管理和集成3个基本功能。数据采集是指从现场获取数据并进行处理的能力。数据管理包括由SAC(Scan、Alarm、Contr01)从DIT驱动程序映象表(DriverImageTable)读数据、进行处理并送到过程数据库以及内部数据库访问函数读 第三章五指耙水厂自动控割系统设计数据，并传达到需要的应用中。在上述两者的基础上可简单方便地实现数据的全面集成。包括一系列如监视、控制等重要功能。由于其各方面的显著优点，已被广泛应用于各种生产过程自动化系统。iPix的基本结构如图3-10所示。匿3一lOiFix的基本结构fig(3-10)basicstructureofiFix过程硬件设备：iFix软件用于连接工厂中的仪表，它们使用的实时数据来自现场PLC中的数据寄存器或另外一些输入／输出设备。输入／输出驱动程序：即i／o驱动器，也称为轮询任务，它作为iFix和PLC之间的接口，其功能是不断地从输入设备读数据并送到对应驱动程序映象表的地址里，同时读输出驱动程序映象表数据并送到相应的输出设备。驱动程序映象表(DriverImageTable，BIT)：可以把它看成是内存中的一个数据区域，由输入输出驱动程序创建和维护。驱动程序根据用户设置的通讯参数及轮询时间等信息创建和维护驱动程序跌象表。通过访闯驱动程序映象表，iFix可以向操作员显示接收的数据。然而，在访问数据之前，iFIX需要有一个地方来保存得到的信息。这就需要建立一个过程数据库。过程数据库(ProcessDatabase，PDB)：它是iFIX的核心，由流程控制逻辑回路组成。描述形式是块(Block)和链(Chain)。一个块是一组被编码能实现具体任务的控制指令。一个链是一串连接在一起能创建控制回路的“块”。扫描、报警、控制程序(SAC)：是一个运行在SCADA(数据采集监控节点)节点上的系统任务。它功能包括从驱动程序映象表中读数据，进行处理并传送到过程数据库中。内部数据库访问软件：从本地或远程数据库读数据，并把它们传送到需要的应用当中，当然，数据也可以被写回过程硬件。它包括操作员显示、数据库标识信息及数据流等内容。 华南理工大学硕士学位论文总之，i／o驱动程序，sac程序、过程数据库组成了FIXiFIX软件的数据采集和管理功能。一个SCADA节点就是一个有过程数据库、运行输入输出驱动程序和SCADA程序的单元。在此基础上iFIX实现数据的全面集成。它是iFIX系列软件的核心内容，主要包括监视、报警、控制、保存和归档数据、生成和打印报表以及绘图和视点创建数据的诸多显示形式等内容。当采集到数据并送入通道后，就能够以各种方式对数据进行集成和描述了。iFIX系列在现场最重要的应用是提供“流程窗口”。这种通过与计算机打交道来了解流程中发生了什么的设计就是众所周知的人机界面(Human／MachineInterface，HMI)。iF[X受lj使用IntellutionWorksgace作为其人机界面。IntellutionWorkSpace为所有InteliutionDynamics组件提供集成化的开发平台，其特有的动画向导、智能圈符生成向导等强大的图形工具方便了系统开发，标签组编辑器大量节省系统开发时间。它内置了微软易学易用的VisualBasicForApplication(VBA)，使得无论是控制系统的设计人员，还是开发及应用人员都能快速上手。图像应用的核心是它能够访问数据库的数据。为直接显示数据、图像应用提供了各种链接(Links)。它显示系统数据或流程数据，并具有多种形式．如棒图、多笔图、时间信息、系统信息等．当然操作人员也可以用“链接”把数据写回数据库。而数据库的数据则可以控制一些动画特性．倒如平移、侧移、流动、上升、下降、旋转等。2．监控软件功麓设计(1)检测显示功能。现场各分站设备的实时状态交化通过光缆环形以太网上传，由监控计算机负责接收．通过显示器分幅显示工艺流程图，实现从总图到详图的多层次监视，并在各个相应的位置动态显示设备运行情况和被测参数的实时值。当设备运行异常对，监控计算机发出声光报警。提醒操作人员注意显示水位等参数实时的数据曲线．透过图形处理，搡作人员更能直j既地观察各种数据的变化。主要人机界面包括：◆全厂工艺流程图◆加药车间工况图◆加氯车间工况图◆反i串洗泵房工况图◆一、二期滤池工况图◆单个滤池实时状态图◆配电房工况图◆送水泵房工况图 第三章五指耙水厂自动控制系统设计◆全厂网络结构图◆实时曲线图◆历史数据查询◆历史报警查询(2)控制功能。在监控计算机上，操作人员可按要求开停工艺流程中的重要设备。系统控制分手动和自动两种控制方式。在手动方式下，监控计算机只能监铡设备的当前运行状态；在自动方式，通过监控计算机可控制设备启停和监测设备的运行状态。(3)用户管理功能。监控软件具有完善的用户管理功能，没有任何帐号登录时计算机仅仅在检测状态下，对计算机界面上的任何控制按钮操作都是无效的。在计算机中的任何控制和设置功能均需通过密码登录以后才能生效，不同等级的操作人员拥有的操作权限也不同，参观者只能切换界面，不能对设备控制。系统操作从高到低分为三个等级：主管厂长或系统管理员、操作员、生产工作人员，高等级人员可以拥有低等级人员的操作权限，低等级人员不能拥有高等级人员的操作权限，各级人员分别拥有自己的登录帐号和密码，一般工作人员可以操作权限范围内的设备。系统管理员可以修改系统的各种设置及改变生产参数的设定。各级人员均分别有自己的登录帐号和登录密码。用户的添加和修改，权限的增加和减少均由系统管理员完成，这样可以提高整个系统的安全性，使管理更加规范化。(4)报警记录及查询功能。当设备出现故辕，监控计算机发出声光报警外，还能自动记录报警信息，管理人员通过报警查询功能即可查看实时和历史的报警记录。(5)操作记录及查询功能。监控计算机自动记录操作员对本机所进行的操作，并自动生成操作记录报表，可按班次操作员手动打印。(6)远程通讯功能。监控计算机可以通过数传电台与山门水厂上位机和管网末端PLC进行无线通讯，交换数据；可通过DDE功能将生产过程中的实聪数据发送到厂内其他计算机上。(7)生产数据记录查询功能。监控计算枫实时显示设备运行状态和生产参数，对熏要的生产数据也可采用多种方式进行记录和保存。并可通过历史数据查询界面进行数据查询。(8)报表功能。系统能根据用户提供的报表样式，自动生成和打印生产日、月、年报表。操作员在监控计算机通过打印报表功能，能方便调阅和手动打印生产报表。报表包括：◆全厂生产日报表◆全厂生产月报表 华南理工大学硕士学位论文◆全厂生产年报表◆加药分站生产日报表◆加药分站生产月报表◆加药分站生产年报表◆送水分站生产日报表◆送水分站生产月报表◆送水分站生产年报表◆滤池分站生产日报表◆滤泡分站生产月报表◆滤池分站生产年报表3．4．4．2五指耙水厂其它计算机软件编程五指耙水厂的其它计算机采用Delphi6编写DDE(动态数据交换)客户端软件；同时，在中控室主监控计算杌上编写／)DE服务端软件。这样厂内的其他计算机就可以查看到实时的生产数据。3．4．4．3山门水厂计算机软件缩澍山门水厂计算机采用Windows2000操作系统。软件采用VisualBasic6．0编写，数据库采用SQLServer2000。山门水厂计算机具有以下功能：(I)实时数据显示功能。山门水厂计算枫实时显示NEZAPLC采集的本地生产数据以及通过无线通讯传送来的五指耙水厂数据和管网末端压力数据。(2)远程通讯功能。山门水厂计算机可以通过数传电台与中控室监控计算机和管网末端PLC进行无线通讯，交换数据。(3)数据记录和查询功能。山门水厂计算机实时显示设备运行状态和生产参数，对重要的生产数据也可采用多种方式进行记录和保存。并可通过历史数据查询界面进行数据查询。3．4．5五指耙水厂自动控制系统抗干扰措施由于自动控制系统的工作环境复杂，且存在较多的信号采集和传输，例如传感器的测量信号、控制信号等。传蓐器将被测量转换为徽小的电信号，再经过信号处理转换为4～20mA的电流信号运距离传输到PLC，然后转换为数字信号传送到计算机，其中存在小信号处理的问题。由于干扰是普遍存在的，干扰和有用的小信号叠在一起，使信号产生失真，影响到测量结果的准确性。另外，如果控制信号被干扰会影响系统的控制精度导致控制失灵，甚至损坏生产设备造成事故。因 第三章五指耙水厂自动控制系统设计此必须采取适当的抗干扰措施，保证系统可靠和稳定的运行。3．4．5．1常见的干扰和危害干扰源、耦合通道和受感器被称为形成干扰的三要素。其中干扰源是客观存在的，要有效的抑制干扰，首先是找到干扰源。控制系统位于工业现场，干扰是不可避免的，抗干扰技术主要是减少干扰进入系统的耦合通道。根据干扰传播的通道，现场的干扰主要有以下几类：(1)来自交流电源的干扰：系统中各直流电源都是由电网交流电源经滤波、稳压后提供的。系统附近大型交流电力设备的起停、继电器、接触器、断路器、电磁阀的通断，自然界的雷电等都会使电网产生高频浪涌电压。(2)来自地线的干扰：在接口电路中往往会共用一个地，当各部分电流均流过公共电阻(地线导体电阻)时会产生电压降，这个电压降便成为各部分电路之间互相影响的噪声干扰源。同时，信号远距离传输时两端分别接地，于是在两个地之间存在较大的接地电位差，容易形成共模干扰电压。(3)来自信号通道的干扰：在信号远距离传输中容易受到干扰，导致所传输的信号失真。主要干扰有周围空间电磁场对长线的电磁感应干扰和信号线间的串扰，另外信号线问通过分布电容和互感会产生线问干扰。供水自动控制系统的干扰危害非常严重，轻者影响仪表的测量精度和系统控制。3．4．5．2系统的抗干扰措施在五指耙水厂自动控制系统中，为了保证系统的测量精度和控制稳定性，减少各种干扰，我们综合运用了各种抗干扰技术，采取了一系列的抗干扰措旌：(1)五指耙水厂自动控制系统采用独立的供电系统，并且采用UPS对付短时间的停电130分钟以内)。由于UPS电源内具有稳压和逆交隔离作用，减少了电网及其它用电设备对控制系统的影响，同时由于般控系统在电路上形成了独立回路，可以保证一点接地，降低了不等电位干扰。PLC采用交流稳压器供电，减少了来自电网的干扰。(2)为了克服外围系统对监控系统设备的影响，输入输出采用光电隔离和中间继电器，使系统回路具备更高的抗干扰性。(3)系统中模拟量测量位置较远，如果采用电压传输方式线路损耗较大，并且容易受到感应电压的干扰。本系统中信号传输采用抗干扰能力强的电流信号传输方式。(4)信号传输电缆采用屏蔽电缆，屏蔽层一端接地(接收端)，另一端浮置，大大减少了信号传输中的干扰。同时信号传输电缆和网线都装在金属线槽内。 华南理工大学硕士学位论文(6)s7系列PLC具有掉电保护功能。在存储区中事先定义好掉电保持区的地址范围，突然断电后PLC可以保持存储区中的数据，重新启动后可以恢复。(7)s7系列PLC本身具有输入滤波功能。对于数字量还可定义延迟时间(从0．2msNt2．8ms可选，缺省为6．4ras)。这个延迟时间有助于滤除输入噪声，以免引入输入状态不可测的变化。模拟量的滤波值是模拟量输入多个采样值的平均值，其滤波参数对于允许滤波的所有模拟量输入都是相同的。(8)每台PLC都连接防雷器，并用PLC采集防雷器状态，传送到中控室。3．5本章小结本章提出了自来水厂自动控制系统所应具有的系统功能，并根据五指耙水厂的实际情况，提出了五指耙水厂自控系统的具体方案(主要包括总体结构、系统集成和软件编制三个方面)。 l-o肇．10p∞事∞△州互N：窜岫。匦恒睁L*鞭船旧岛砧IⅡ一一刊；∞一∞刊铀_[_【，∞匦詹魁疆惭器辍需血L《氍瓣旧褂⋯球 NcH下。∞m图宝p兰三03嚣■o∞=譬‘工。蕾_10c鼬cH．【_【o-pcouH∞uoH皿ho肇-Iop∞缸呻△州cNjI固靶姆酶藏器嫩蒙幡L*黎姆吲权翠擘扑书器扑Kp剐证斟 第四章五指耙水厂自动控制系统调试第四章五指耙水厂自动控制系统调试4．1系统调试针对五指耙水厂对自动控制系统的要求，系统调试主要是针对相关软件的进一步修改和部分工艺要求的调整，使得系统更方便用户使用，以及克服各种干扰，确保系统稳定运行。(1)出厂水余氯。出厂水余氯过低不能达到杀菌防菌的目的，余氯过高水便有较重的氯气味道，五指耙水厂要求，需要将出厂水余氯浓度控制在o．7±o．2mg／L的范围内。(2)出厂水浊度。五指耙水厂要求，需要将出厂水浊度浓度控制在0．7±01NTU的范围内。(3)沉淀池排污。为防止。跑水”，沉淀池排污阀打开方式由12个一起打开，改为3个一组轮流打开。(4)生产报表。根据五指耙水厂的要求，修改生产报表的内容。报表包括：◆滤池生产日报表◆加药加氯日报表◆进出厂水日报表◆全厂生产月报表◆全厂生产年报表(5)系统权限。从生产安全考虑，作出系统权限的修改。除系统管理员外，不能从监控软件退出，不能切换到其他窗口进行操作。(6)历史数据查询。由于同时查找多天数据时，需要较长时间，应此使用Delphi6重新编写了历史数据查询程序，并只允许同时查询一天的数据。在iFix里面调用该历史数据查询程序。4．2系统测试(1)加药车间仪器设备监控。现场手动控制加药车间的泵、阀和搅拌机，并通过监控计算机对其进行键控；验证矾池和石灰池的自动切换正常，以及加药车间备仪表的数据正确。(2)滤前水浊度。打开监控算计机的实时曲线图．观察滤前水浊度瞌线，一直保持在2NTU以下，该项指标满足滤池设计要求，证明加药自动控制满足加药、混凝、沉淀的工艺要求。(3)搅拌池、混凝池和沉淀池仪器设备监控。现场手动控制搅拌池和沉淀池车间的阀和搅拌机，并通过监控计算机对其进行键控：验证混凝池和沉淀池各 华南理工大学硕士学位论文仪表的数据正确。(4)恒水位过滤。打开实时随线图，观察各滤池液位变化，一期的滤池液位一般保持在0．9±0．05米，二期1±0．05米的范围内，该指标满足滤池生产的要求。(5)滤池反冲洗。用现场手动、键控和自动的方式，进行滤池反冲洗，检验是否正常。(6)送水泵房仪器设备监控。现场手动控制送水泵房的泵和阀，并通过监控计算机对其进行键控。检验加药车间各仪表的数据是否正确。(7)出厂水恒压供水。打开实对曲线图，观察出厂水压力变化，一般保持在出厂水压力设定值±0．007MPa的范围之内，该指标满足五指耙水厂的要求。(8)中控室监控计算机。检验监控软件的各项功能，如数据查询、实时曲线图、用户管理等。(9)SCAI)A系统。检验无线通信系统的数据传输是否正常。(10)山门水厂计算机。检验软件的各项功能，如数据查询等。(11)UPS模拟断电。通过模拟市电断电，验证UPS电源可以继续供电给监控计算机的时间为30分钟，该项指标满足系统运行的安全性要求。4，3系统试运行系统调试完毕后，于2004年11月27日到2005年3月31日进行每天24小时不问断试运行。在试运行过程中检验备项指标满足系统要求，系统运行效果良好。监控计算机系统界面如图4-1所示。该系统不但提高了五指耙水厂的自动化程度，而且提商了水厂的管理水平和安全生产水平。在系统试运行期间。得到了水厂管理人员和操作人员的好评。4．4本章小结在第三章提出了五指耙水厂自动控制系统的具体方案钓基础上，本章介绍了该系统的调试，使系统既可以满足用户的需要由可以发挥其最佳性能。 第四章五指耙水厂自动控制系统调试图4—1(a)系统主界面图4一l(b)全场网络界面图4—1系统界面fig(4-1)systeminterface 华南理工大学硕士学位论文第五章供水管网压力模糊控制系统设计5．1引言给水工程是城市重要的基础设燕之一。绘水工程的功能与作用是以充足的水量，合格的水质，足够的水压供给生活用水、生产用水、消防用水和其他用水，水压与水量和水质一起被称为给水工程三要素。若供水压力不足，则多层建筑用水就比较困难；若供水压力过高，则容易发生供水管网爆裂。在供水系统中，水泵耗能巨大，电耗往往占制水成本的60％以上。因此，故优化对水泵的控制，具有重要的意义。现阶段，交频调速因其高效节能、供水压力恒定、延长设备使用寿命、功能齐全等优点，广泛应用于给水水泵的控制中，给水水泵变频调速根据控制点反馈值(如水压)与给定值比较，调节变频器的输出，改变水泵工作电源的频率使水泵转速改变。为减少控制设备台数，降低投资，常采用变频泵与工频泵配合工作。通常恒压供水有两种方法，一是控制出厂水压恒定，由于方法简单，该方法被国内水厂普遍采用。二是控制管网压力恒定，一般将控制点选在最不和点，保持供水压力恒定．与出厂水恒压供水相比将控制点选在最不利处，无论管路特性等条件发生什么变化，保证了用户处水压的稳定。为保证松岗镇的供水管罔安全和压力稳定。节省能耗，需要对松岗镇供水管网的压力进行控制．5，2松岗镇供水系统筒介松岗镇自来水公司是负责供应松岗镇生产生活用水的供水企业。属下有山门水厂和五指耙水厂两闻水厂．其中山门水厂日供水11万吨，五指耙水厂目供水16万吨。躅5-1是松岗镇地图，图中所圈部分为松岗镇中心区域。由于山门水厂并没进行自动化改造，其送水泵组只能工频运行。而五指耙水厂豹送水泵组由4台工频泵秽2台变频泵组成，西忿可以对五指耙承厂的出厂水压力进行控制。山门水厂使用罗田水库提供免费的原水，五指耙水厂所使用的东深供水工程提供的原水接近l元／米3，因此山门水厂的制水成本远低于五指耙水厂。由于山门水厂附近管网比较老旧，根据水厂工作人员的经验．当山门水厂压力高于0．4MPa时。管道就有破裂的可能。因此，松岗镇供水管网压力控制系统应具备以下功能：(1)出于供水管网安全考虑，应保证山门水厂供水总管始端压力(以下简称山门水厂压力)小于0．4MPa；(2)为使全镇的供水保持一定的压力，应保证管网各处压力不低于 第五章供水管网压力模糊控制系统设计0．305MPa圈5一】松岗镇地图fig(5—1)mapofSonggangTown(3)出于节约制水成本的考虑，山门水厂采用工频供水，而通过调节五指耙水厂压力来保证供水压力正常和管网安全：(4)出于节约电耗的考虑，尽可能降低五指耙水厂出厂水压力。5．3松岗镇供水管网测压点的设置和实测数据5．3．1松岗镇供水管网测压点的设置除了五指耙水厂出厂水压力和山门水厂压力这两个压力数据外，还需要采集一个压力数据，作为供水管网压力的表征。这个测压点选择在系统最不利点，即供水管网总管的末端。如图5-1所示，山门水厂位于松岗镇中心区域的东边，五指耙水厂位于松岗镇的东南。因此将测压点选择在位予松岗镇西北的碧头的供水总管上。该测压点的压力值在本文余下部分筒称为管网末端压力。 华南理工大学硕士学位论文图5．22004年11月26日各测压点的压力数据fig(5·2)waterpressuredataofNov．26，2004 第五章供水管网压力模糊控制系统设计图5．32004年11月27日各测压点的压力数据fig(5·3)waterpressuredataofNov．27，20045．3．2各测压点的实测数据根据2004年11月26日Jill27日各测压点的每分钟压力数据，绘出图5-2和图49 华南理工大学硕士学位论文5-3，当时五指耙水厂和山门水厂的送水泵组采用工频运行，由操作人员选择开启送水泵的数量。从图中可以看到山门水厂的出厂水压力瞬时峰值达到0．43MPa；管网末端的压力在0．22MPa～O．44MPa的范围内波动。5．3．3山门水厂压力和五指耙水厂出厂水压力的关系松岗镇共有山门水厂和五指耙水厂两个供水企业。两个水厂相连的供水管网如图5-4所示。图中箭头表示瞬间水流方向，带箭头的虚线表示延伸的管网，实线表示干管。两个水厂向干臀同时供水，必然存在水流交汇点，假设在节点3交汇，则供水分界线通过节点3。干管上的压力分布如图5—5所示，其中节点3是干管上压力最低点。图5-4水厂之间供水管网简图fig(5—4)9inelinemapbetweenwater,orksR出五指耙I234’。’山门永厂水厂图5-5干管压力分布图fig(5—5)mainpipepressurethetwochart易知，耩时流量平衡条件为：Q帅+Q五指耙=∑Q．i=1，2，3⋯⋯(5一1)其中：Q山f1和q五指把一一分别为山门水厂和五指耙水厂的出厂水漉量Q，一一各节点流出干管的流量而压力平衡条件为：P3=P山几一△P山门=P五擅耙一△P五指耙(5—2)其中：P】、Pm,q和P五指￡一一分别为节点3压力、山门水厂压力和五指耙水厂出厂水压力△P山门和△P五擅靶一一分别为山门水厂和五指耙水厂的压力到节点3的压降流经某一管段的压降△P由下面的公式计算：p1AP=a·1·Q”(5-3)其中：a一一水管摩擦阻力系数l一一管段长度Q一一流量n一一指数，n>l，n在不同的公式有不同的取值50 第五章供水管网压力模糊控制系统设计水流通过弯管、渐缩管、三通、四通、阀门或其他附件时，会引起压降。但是在给水管道中，该种压降和流经管道造成的压降相比，其值很小。在管网分析计算时，该种压降常常忽略不计。川另外，水泵的特性公式如下：[241P=k·H·Q／n(5-4)其中：P一一水泵功率k一一输出介质常数H一一水泵扬程Q一一水泵流量n一一水泵效率当五指耙水厂出厂水压力P五指耙升高时，若水流交汇点仍在节点3，假设五指耙水厂出厂水流量Q五指耙不变。由于在瞬间EQ。不变，由式(5一1)可知Q山『]不变。再由式(5—3)可知△p五黼和△P山门不变，因此由式(5—2)可知Pthl"_1上升，即山门水厂泵组扬程提高。P山『1上升即山门水厂送水泵组扬程上升，Qmf]不变，由式(5—4)可知，山门水厂泵组功率上升。但这与山门水厂泵组工频运行，其功率不变矛盾。因此可知，当P五指耙升高，若水流交汇点仍在节点3时，Q五黼变化。同理，可以证明当P五指靶升高，若水流交汇点仍在节点3时，Q五措耙不可能变小。因此当P五指把升高，若水流交汇点仍在节点3时，Q五指耙增大。当P五指耙升高t若水流交汇点变动，显然，只会向节点4或5移动，这时QH插耙也增大。由于当P五指把升高时Q五栅增大，所以Qmn减小。由于山f’】水厂泵组工频运行，其功率不变，由式(5—4)可知山门水厂送水泵组扬程上升即PthfJ升高。根据以上推导，易知，在～定的管鄹工况下，P山门随着P五措祀变化而变化，P五指耙升高则P山门随之升高，P五黼降低则P山门随之降低。因此使通过调节P五指耙来控制P山n成为可能。5．4控制策略(1)山门水厂送水泵组采用工频运行，可以将其对供水管网压力的影响视为定值干扰。(2)五指耙水厂送水泵组采用一台变频泵加工频泵运行，通过调节五指耙水厂出厂水压力来实现对管网末端和山门水厂供水总管始端的压力控制。(3)因为供水系统管网较长并且情况复杂，流量变化缓慢，并受季节、天气、节假日等诸多因素影响，141所以难以建立～个精确的数学模型，一般基于准确数学模型的控制方法很难应用。基于以上考虑，对于控制对象比较复杂的城镇供水管网压力控制选用了模糊控制器(FuzzyController，即Fc)。 华南理工大学硕士学位论文5．5模糊控制简介控制科学是在本世纪形成和发展起来的～门新兴学科，至今已走过60年左右的历程。大体上看，前30年基于经典控制论，后30年则奠定在现代控制论基础之上。两类控制论在控制领域皆已取褥卓越成就。目翦，工业控制中还是大多采用PID控制，其中PI的应用较多，PID调节器从系统的数学模型出发，以消除误差和干扰为目的，用减少误差和抵消外干扰的几种固定形式组成控制器。60年代起，随着空间技术、计算机技术及人工智能技术的发展，智能控制显现了巨大的生命力。传统控制理论的基本点是控制器的设计要建立在被控对象的精确数学模型的基础上。然而，在许多现实场合，被控对象(或生产过程)的精确数学模型很难建立。为解决这种大系统、复杂系统中难以精确化的问题，1965年，美国著名的控制论专家L-A．Zaden发表了第一篇开创性论文。Fuzzyset”，标志了模糊数学的诞生，1974年，A．Mamdani和他的学生在queen_lJary学院首次应用模糊逻辑，实现了蒸汽发动机的模糊控制实验，标志着模糊控制论的诞生。模糊控制(Fuzzycontr01)是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制，在难以精确建梗的控制场合，模糊控制比常规控制稳定、效果好。5．5．1模糊控制发展概况现实世界具有复杂性和模糊性，随着系统复杂性的增加，描述系统行为的精确性和有效性则随之下降。系统的复杂性与系统模型的困有精度有关。不含复杂性的系统，就没有不确定性，常规的数学方法对此类系统有精确的描述。对有一点复杂性但同时又有重要数据存在的系统来说，冤模型方法(model—freemethods)如人工神经网络，可以通过对可用数据的学习，是一种有效且可靠的降低不确定性的手段。最后对几乎没有数值数据存在丽只有模糊或非精确信息存在的复杂系统来说，模期推理提供了一种理解系统特性的途径，鄄在能观察的输入、输出之间采用近似的内插方法。因此，模糊模型中的不确定性通常是非常大的。模糊系统能得出清晰的输入输出关系，但这时就如同算法那样，得到的是一非线性函数映射。另外，人类的智能带有精确和模糊的特征。在数值计算上，人们的思维是表征为精确性的：但在对事钫的学习、推理、统筹方面，人们的思维就表征为模糊性。事实上，人们在日常生活中以模糊性处理事物的时间居多，而以精确性进行计算的机会居少。L．A．Zaden于20世纪60年代引入了模糊逻辑，以表示并利用模糊的和不确定的知识。1965年，他首次提出了“模糊集合”的概念：1973年他又进一步研究了 第五章供水管霹压力模糊控制系统设计模糊语言处理，提出了利用模糊语言进行系统描述的方法，给出了模糊推理的理论基础，弗为模糊控制的实施提供了有效的手段。1974年，A．Mamdani和他的学生在QueenMary学院首次应用模糊逻辑，实现了蒸汽发动机的模糊控制试验。自此，模糊逻辑开始在控制工程中有了一个飞速发展的历史。模糊逻辑影响着许多的学科。例如，在视频图像方面，菲希尔(Fisher)公司、三洋公司(Sanyo)及其它公司生产的“模糊逻辑”照相机具有模糊聚焦和图像稳定功能；三菱公司(Mitsubishi)生产了一种模糊控制器，它可随人的舒适感来调整温度；MatSUshita公司制造了模糊洗衣机，这种洗衣机将模糊逻辑和先进的传感器相结合，其中传感器检测衣物的颜色和种类、沙粒的数量，雨模糊控制器刚负责从由水温、洗涤剂数量、洗涤和甩干周期等的600多种组合中选择一个最佳组合；日本Sendai市的地铁系统共有16个站台，它由一台模糊计算机控制，列车运行十分平稳，乘客无需抓紧绳索，列车控制器在判断减速和加速时的失误率低于人工操作的70％以下；甚至东京的股票市场至少采用了一个基于模糊逻辑的股票交易系统，其性能优于尼克(Nikkei)交易系统。1977年英国的PappiS和Mal对单个交叉路口的交通信号配时进行了控制。使车辆平均等待时间明显缩短。1974～1979年期间，英、德、日、美、加等国的科学家先后做过对蒸汽机、锅炉、汽轮发电机组等模糊控制的计算机仿真，效果均优于常规控制。5．5．2模糊控制理论传统的模拟和数字控锻方法在执行控制的时候，往往需要取得被控对象的精确数学模型，而在实际的工业生产中，很多被控对象的精确数学模型是难以建立或无法直接求取的，特别是那些时变的、大滞后非线性的复杂系统，根本无法求得其精确的数学模型。但在生产实践中，人们发现有经验的操作人员虽然不懂得被控对象的数学模型，却能十分有效地实现对系统的控制，这是因为操作人员对系统的控制是建立在直观经验的基础上，凭借在实际生产中获得的经验采取相应的决策就可以很好地完成控制工作。人的经验是一系列含有语言变量值的条件语句和规则，而模糊集合理论又能十分恰当的表达具有模糊性的语言变量和条件语句。为了模仿人可以根据不精确信息来进行推理而得到有意义的结果，以Zadeh提出的模糊集合论为数学工具，把人的经验形式化并弓l入控制过程，再运用比较严密的数学处理过程，实现模糊推理，进行判断决策，以达到令人满意的控制效果。在工程实现上，则使用模糊逻辑语言分析方法，且这种语言可以转换为计算机能够接受的算法语言。这种语言有三个特点：第一，它不用数值变量而是用语言变量来描述系统；第二，它是利用附带条件的命题来描述变量之间的关系：第三，它是使用模糊运算法则进行推理。基于模糊集合的模糊逻辑本身并不模糊， 华南理工大学硕士学位论文而是用来对“模糊”进行处理以达到消除模糊的逻辑。目前，模糊控制还是建立在人的直觉和经验的基础上，即操作人员对对象的了解不是通过精确的数学表达式，而是通过操作人员丰富的实践经验和直观感觉，这种方法可以看成是一种探索式决策规则。有经验的模糊控制设计工程师可以通过对操作人员控制动作的观察和与操作人员的探讨，用语言把操作人员的控制策略描述出来，以构成一组用语言表达的定性的决策规则，然后利用模糊集合理论作为工具使其定量化，设计一个控制器，用形式化的人的经验法则模仿人的控制策略，再驱动设备对复杂的工业过程进行控制，这就称为模糊控制器。模糊控制具有以下几个特点：◆无须知道被控对象的精确数学模型；◆由于控制规则以专家的经验或实验分析总结出来的条件语句表示，对于不熟悉模糊控制的人来说，也很容易学懂和掌握模糊控制的方法；◆控制知识是以人的语言形式表示，有利于人机对话和知识处理，具有系统处理的灵活性和机动性。模糊控制系统的一般结构如图5-6所示。图5-6模糊控制系统简图fig(5-6》sketchmapoffuzzycontrolsystem模糊控制器是模糊控制系统的核心，其性能的优劣主要取决于模糊控制器的结构、所采用的模糊规则、合成推理算法、论域的比例量化因子、模糊决策的方法。5．5．3模糊控制器的结构根据输入输出变量的个数，模糊控制器可以分为“单变量模糊控制器”、“多变量模糊控制器”。比较常用的是单变量模糊控制器，其输入量的个数称为模糊控制器的维数。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制的效果也越好，但是维数高的模 第五章供水管霹压力模糨控制系统设计糊控制器实现起来相当的复杂和困难。而维数低的模糊控制器，控制效果又不理想，因此，目前大都使用二维的模糊控制器，其控制精度一般可以满足要求。5．5．4模糊控制器的规则模糊控制规则的设计是模糊控制器的关键．包括确定插述输入输出变量的词集、定义各个模糊变量的模糊子集及建立模糊控制器的控制规则。5．5．4．1确定描述输入输出的词集模糊控制器的控制规则是一组模糊条件语句，在条件语句中描述输入输出变量状态的词汇(例如正小、负大等)，称为交量的词集。为了使制定控制规则方便，可以选择较多的词汇来描述输入输出变量，但是控制规则变得相应复杂。如果选择的词汇太少，使描述的变量变得粗糙，导致控制器的性能变坏。5．5．4．2定义模糊变量和模糊子集定义模襁子集就是确定模糊子集的隶属函数。将确定的隶属函数拽线离散化，就得到了有限个点上的隶属度，从而构成了相应模糊变量的模糊子集。常用的隶属函数有三角型、正态型等。其中三角形隶属函数(Tringulal-MembershipFunction)具有较好的鲁棒性，并且计算较简单。图5—7是不同的三角形隶属度函数。(a)全交迭三角形隶属函数(b)欠交迭三角形隶属函数(c)过交迭三角形隶属函数图5—7不同的三角形隶属度函数fig(5-7)TringularMembershipFunction图5—7(a)的是对称、均匀分布、全交迭的三角形隶属度函数。对于任意输 华南理工大学硕士学位论文入X，都属于两个模糊集合。当模糊控制器是二维的时候，对于每对输入(X，Y)，都会同时激活22=4条控制规则，总的输出就是这四条规则的加权平均，这种并行机制是模糊控制器鲁棒性强的内因。图5—7(b)的是对称、均匀分布、欠交迭的三角形隶属度函数。此时可能出现某一个巍只属于一个模糊集合的情况。所以欠交迭会削弱模糊控制器的鲁棒性。图5—7(C)的是对称、均匀分布、过交迭的三角形隶属度函数。此时可能出现某一个％属于三个模糊集合的情况。如图中％是正值，却也属于NM(负中)，与常识不符。此外过交迭时模糊化、模糊推理、去模糊的计算量也大大增加。因此一般应避免过交迭的情况。5．5．4．3建立模糊控制器的控制规则模糊控制器的控制规则是基于手动控制策略。而手动控制策略又是人们通过学习、试验以及长期经验积累而逐渐形成的，存贮在操作者头脑中的～种技术知识集合。利用语言归纳手动控制策略的过程，实际上就是建立模糊控制器的控制规则的过程．手动控制策略一般都可以用条件语句加以描述。建立模糊控制规则表的基本恩怨是：当误差大或较大时，选择控翩量以尽快消除误差为主，而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定性为主要出发点。例如：当误差为负，误差变化为正时，系统本身已有减少误差的趋势，所以为尽快消除误差且又不超调，应取较小的控制量。当误差为负大且误差变化为正小时，控制量的变化取为正中：若误差变化正大或正中时，控制量不宜增加，否则造成超调会产生正误差，因此这时控制量不应变化。5．5．4．4精确量的模糊化(FuzzificatiOl3)为了推理合成的方便，需要把连续变化的输入量论域转换到相应模糊变量的离散论域中，把[a，b]区间的精确量x转换为[一n，+n]区间的离散量Y，并根据y所属的模糊子集和模糊子集的隶属函数，来确定其隶属度。5．5．4．5模糊推理(Fuzzylnference)经常使用的模糊推理有Mamdani推理、Sugeno(或TSK)推理、Tsukamoto推理、乘积推理(ProductInference)、最小推理等。5．5．4．6模糊量去模糊化(Defuzzification)为了控制的需要，通过推理得出的模糊量要经过非模糊化处理以得到控制系 第五章供水管网压力模糊控制系统设计统的精确最，此过程称为清晰化或非模糊化，也称为判决。一般而言，常用的非模糊化方法有：重心法、最大值法、中心平均法等。5．6管网压力模糊控制系统的控制目标及技术指标5．6．1系统的控制目标系统首先要保证供水管网的安全运行，即供水管网各点压力不能过高，以防止因为压力过高造成供水管道爆裂。根据水厂工作人员的经验，由于山门水厂附近管网比较老旧，当山门水厂压力高于0．4MPa时，管道就有破裂的可能。其次是要保证一定的供水压力，压力不能过低。再次是要降低制水成本，节省能耗。5．6．2系统的技术指标技术指标1：山门水厂压力只¨，不高于0．4MPa技术指标2；供水管网内各测压点压力(即山门水厂压力P¨，、五指耙水厂出厂水压力P五指耙与管网末端压力P替辟)不低于O。305MPa(该值作为系统调试的设定值，可以调整)技术指标3：尽可能降低五指耙水厂出厂水压力技术指标1、2、3的优先级依次降低。5．7供水管网压力模糊控制系统的设计5．7．1系统概述在模糊控制系统实际运行中，首先由压力传感器提供当前的水压检测数据并通过SCADA系统传送到五指耙水厂监控主计算机上。监控主计算机通过模糊化、模糊规则判断和去模糊化过程计算出被调整参数(峨设)的精确量a然后送水主站PLC根据出厂水压力设定值调节送水变频泵的工频率使水泵转速改变，调整五指耙水厂出厂水压力，从而调节管网末端和山门水厂的水压，使其达到预期的控制目的。图5—8是管网压力模糊控制系统框图。5．7，2设计方案特点从图5-8管网压力模糊控制系统框图中可以看到该设计有如下的特点：(1)山门水厂压力和管网末端压力分别控制。在一般情况下，系统以管网末端压力为控制目标，使管网末端压力高于0．305MPa(此时五指耙水厂出厂水压力设定值在0．32～O．39MPa范围内调节，并尽量降低五指耙水厂出厂水压力以降 华南理工大学硕士学位论文低能耗)。但是当用水量较少的情况下，管网内压力较高，就以山门水厂压力作为控制目标，使山门水厂压力低于0．4～lPa(此时五指耙水厂出厂水压力设定值不受0．32～0．39}dPa范围的限值，若五指耙水厂出厂水压力设定值低于0．32MPa，则尽量将其提商，以保证五指耙永厂的出厂水压力不致太低)。f—末■压力压力期望值山门水厂压力蕾髓束端压力图5-8管网压力模糊控制系统框图fig(5—8)sketchmapof,aterpipelinepressurefuzzycentrolsystem(2)选择嚣。选择器是根据供水管两各测压点在不同情况下，选择以山门水厂压力还是管网末端压力作为控制目标。当山门水厂压力低于0．39MPa而且五指耙水厂压力设定值高于0．32MPa对，以管网末端压力作为控制目标；当山门水厂压力高于0．39MPa时，以山门水厂压力作为控制目标。此时，五指耙水厂出厂水压力设定值有可能释到0．28tdPa以下。为避免从两种状态转交时五指耙水厂出厂东压力上升过快，所以当五指耙水厂压力设定值低予0．32MPa时．仍以山门水厂压力作为控制目标。(3)采用山门水厂和管网末端压力误差及其增量作为模糊控制器输入。因为山门水厂和管网末端压力是控制的主要目标，所以选择山门水厂和管网末端误差及其增量作为模糊控制器的输入5．7．3管网末端压力模糊控制器单元在正常情况下，即山门水厂压力低于0．39MPa且五指耙水厂出厂水压力设定值大于0．32MPa时，供水管网压力控制系统以管网末端为控制点，由管网末端捱力模糊控制器单元来调节五指耙水厂出厂水压力设定值。此时五指耙水厂出厂水 第五章供水管网压力模糊控制系统设计压力设定值在0．32～0．39MPa范围内调节。5．7．3．1输入(1)管网末端压力误差e瞥。e臂同2P昔月一P管设(5-5)其中：P瞥设一一管网末端压力的期望值，在这里取值0．32MPaP蕾舟一一管网末端压力的测量值输入变量e管同有5个模糊集(FuzzySet)：负大(NB)、负中(NM)、零(z)、正中(PM)、正大(PB)。e蕾罔的语言集合：k。2hI而∈{NB，NM，Z，PM，PB})(5—6)由图5．2和图5．3可以看出输入变量e。。在的变化幅度一般在．0．1到0．12MPa之间，但根据实际观察将e。。的论域取为【-O．03，0．03]足以满足实际需要。如果在使用模糊控制器时et。超出±0．03MPa的范围，一般只有两种情况，一是P㈣已经达到其低限0。32MPa，一是这时已经不是由管网末端压力模糊控制器而是由山门水厂压力模糊控制器来调节‰。了。如前所述，对称、均匀分布、全交迭的三角形隶属度函数具有鲁棒性较好，计算较简单的有点，因此将其作为模糊控制器输入、输出量的隶属函数，初步设定e瞢。的隶属度函数如图5—9所示。-0．03-0．0150n015乱03图5-9e瞥罔隶属度函数fig(5-9)membershipfunctionofe警网(2)管网末端压力误差增量△e昔同AevM=P臂同(n)一e警时(11—1)其中：e昔月(n)一一管网末端压力误差e甘同的当前值e朔(n-1)一一管网末端压力误差e拥的上一次采样值将式(5-5)带入(5-7)得：△e管同2P管同(n)-P管同(n--1)其中：P管阿(n)～一管网末端压力的当前测量值P首同(n一1)一一管网末端压力的上一次测量值Ae管目的语言集合：(5—7)(5—8) 华南理工大学硕士学位论文‰。={工2x2∈{NB，NM，z，PM，PB}}(5—9)若非启、停送水泵，管网末端压力在一个采样周期内的变化并不是太大，所以取Ae管阿的论域为[-o．02，0．02]。初步设定Ae警同的隶属度函数如图5-10所示一57．3．2输出为方便控制实现，以五指耙水厂出厂水压力设定值的增量峨设作为模糊控制器的输出。△P出醺=P出设(n)一P出设(n—1)(5—10)其中：P出设(n)一一五指耙水厂出厂水压力设定值的当前值P出吐(n一1)一一上一次采样周期的五指耙水厂出厂水压力设定值m眙-0．Ol0图5·10△e蕾一隶属度函数fig(5·10)membershipfunctionofAe警舟△P出醴的语言集合：‰。={Y-lYt∈{NB"NM，z，P嗽PB}}(5—11)控制变量△P出设的论域取为[-0．01，0．01]。初步设定△P出设的隶属度函数如图5一ll所示。■啾颊吣／Av人一nOl-0．∞50o．∞5o．0圈5-1I△P出设隶属度函数rig(5·11)membershipfunctionof△P出设5．7．3．3模糊推理 第五章供水管翻压力模期控制系统设计表5—1管网末端压力模糊控制器模糊控制规则fuzzycontrollerrulesofwatertransportatiOEP1pellne△P出设＼e管日＼＼NBNMZpMPB△e管同＼∑NBPBZNMPBZNMZPBPMZNMNBPMZN】3NBPBPMZN】3NB表5-2管网末端压力模糊控制器模糊控制规则分析analyzeforpressurefuzzycontrollerrulestransportatiOilPipeline△‰设et,lq△e臂同分析管网末端压力低于期望值较多，下降较快，规则lNBPB需提高五指耙水厂出厂水压力设定值较多管网末端压力低于期望值较多，有下降，需规则2NBNMPB提高五指耙水厂出厂水压力设定值较多管网末端压力低于期望值较多，无变动，需规则3NBZPB提高五指耙水厂出厂水压力设定值较多管网末端压力低于期望值较多，有上升，需规则4NBPM提高五指耙水厂出厂水压力设定值管网末端压力低于期望值较多，上升较快，规则5NBPBPM需提高五指耙水厂出厂承压力设定值管网末端压力低于期望值，下降较快，需提规则6NMNBPB高五指耙水厂出厂水压力设定值较多管网末端压力低于期望值，有下降，需提高规则7NMPB五指耙水厂出厂水压力设定值较多管网末端压力低于期望值，无变动，需提高规则8NMZPM五指耙水厂出厂水压力设定值管网末端压力低于期望值，有上升，需提高规则9NMPM五指耙水厂出厂水压力设定值6I 华南理工大学硕士学位论文规则管网末端压力低于期望值，上升较快，需提NMPBPM10高五指耙水厂出厂水压力设定值规则管网末端压力等于期望值，下降较快，维持ZNBZ1l五指耙水厂出厂水压力设定值规则管网末端压力等于期望值，有下降，维持五ZNMZ12指耙水厂出厂水压力设定值规则管网末端压力等于期望值，无变动，维持五Z13指耙水厂出厂水压力设定值规则管网末端压力等于期望值，有上升，维持五ZPMZ14指耙水厂出厂水压力设定值规则管网末端压力等于期望值，上升较快，维持ZPBZ15五指耙水厂出厂水压力设定值规则管网末端压力高于期望值，下降较快，需降PMNBNM16低五指耙水厂出厂水压力设定值规则管礴末端压力高于期望值，有下降，需降低PMNM17五指耙水厂出厂水压力设定值规则管髑末端压力高于期望值，无变动，需降低PMZNM18五指耙水厂出厂水压力设定值规则管网末端压力高于期望值，有上升，需降低PMNBi9五指耙水厂出厂水压力设定值较多规则管嘲末端压力高于期望值，上升较快，需降PMPBNB20低五指耙水厂出厂水压力设定值较多规则管网末端压力高于期望值较多，下降较快，PBNBNM21需降低五指耙水厂出厂水巫力设定值规则管秘末端压力高于辐望氆较多，下降较快，PBNM22需降低五指耙水厂出厂水压力设定值规则管网末端压力高于期望值较多，无变动，需PBZNB23降低五指耙水厂出厂水压力设定值较多规则管网末端压力高于期望值较多，有上井，需PBPMNB24降低五指耙水厂出厂水压力设定值较多规则管网末端压力高于期望值较多，上升较快，PBNB25需降低五指耙水厂出厂水压力设定值较多模糊控制规则是模糊控制的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力，即利用语言归纳手动控制策略的过程。模糊控制规律的确定实质上是将控制经验 第五章供水管网压力模糊控制系统设计加以总结而得出一条条模糊条件语句，使系统输出响应的动态特性和静态特性都达到最佳。根据水厂操作人员的经验总结，初步得出模糊控制规则如表5—1所示。从表5一l中选取一条规则表达模糊推理过程：Rl：IFgf同iSNBand△e蕾同iSNBTHENAe管同iSPB模糊推理过程采用在模糊系统和模糊控制中常用的乘积推理机(ProductInferenceEngine)。其主要优势在于运算的简便性，而且很直观。5．7．3．4去模糊化对于实际的控制输出量必须是精确量，因此，需将经模糊推理得到的模糊控制量转化为清晰量，即去模糊化。系统采用中心平均解模糊器(CenterAverageDefuzzifier)，即峨设=警∽嘲其中：群一一摸糊规则的激活度y一一输出模糊集最大隶属度的中心5．7．4山门水厂压力模糊控制器单元在山门水厂压力较高的情况下，即山门水厂压力高于0．39MPa或五指耙水厂出厂水压力设定值低于0．32MPa时，供水管网压力控制系统以山门水厂为控制点，由山门水厂压力模糊控制器单元来调节五指耙水厂出厂水压力设定值。此时五指耙水厂出厂水压力设定值的调节范围不受0．32～0．39MPa范围限值。5．7．4．1输入(1)山门水厂压力误差e山f1em门2P山n—P山设(5—13)其中：P山进一一山门水厂压力的期望值，在这里取值O．39MPaP山『]一一山门水厂压力的测量值e山f]的语言集合：k。5{也l屯∈帆Z，PM，PBj}(5—14)由图5-2可以看出输入变量P山n在的变化幅度一般在·0．08到0．04之间，而实际上将8山门的论域取为【-0．01，O．02]g：以满足实际需要。初步设定P山『1的隶属度函数如图5一i2所示。(2)山门水厂压力误差增量Ae山『1 华南理工大学硕士学位论文Ae山n=em门(n)一em『1(n-1)(5—15)其中：emn(n)一一管网末端压力误差e⋯1的当前值e山f，(n一1)一一管网末端压力误差e山f1的上一次采样值些i沁<。×图5—12Pm仃隶属度函数fig(5-12)membershipfunctionofeⅢf]将式(5-3)代入(5-15)得：△emfl。P山f1(n)--P山f!(n-1)(5—16)其中：P山f1(n)一一管网束端压力的当前测量值Pmn(n-11一一管网末端压力的上一次测量值Ae山门的语言集合：‰。=‰hE{N’Z，P})(5一17)若非启、停送水泵，管网末端压力在一个采样周期内的变化并不是太大，所以取△。山n的论域为[一0，01，0．01]。初步设定厶e山仃的隶属度函数如图5—13所示。5．7．4．2输出图S一13Aem门隶属度函数fig(5·13)membershipfunctionofAe山n为方便控制实现，以五指耙水厂出厂水压力设定值的增量△P出设作为模糊控制器的输出，其定义如式(5-10)。△P出设的语言集合：‰。={Y2y2∈{NB，NM，z，P))(5—18) 第五章供水管网压力模糊控制系统设计控制变量△P出设的论域取为[一o．01，0．01]。初步设定△P出设的隶属度函数如图5一14所示。一札0l_o．∞5O0∞5图5-14△P出设隶属度函数fig(5—14)membershipfunctionof△P出设5．7．4．3模糊推理根据水厂操作人员的经验总结，初步得出模糊控制规则如表5—3所示。表5—3山门水厂压力模糊控制器模糊控制规则Table(5-3)pressurefuzzycontrollerrulesofShanmenwaterfactory△P出设＼e山门＼＼NZPMPB△e山仃、＼迭NPZNMNBZNBPZNB模糊推理过程采用乘积推理机。5．7．4．4去模糊化采用中心平均解模糊器。5．8本章小结本章首先对供水管网压力控制系统的测压点进行选择，分析了压力数据，讨论了为何选用模糊控制，并在此基础上对模糊控制器进行设计。由于供水管网系统难以建模，所以该设计没有进行仿真，直接进行实际调试，这正是下一章讨论的内容。 华南理工大学硕士学位论文第六章供水管网压力模糊控制系统调试6．1系统调试上一章所设计的模糊控制器，在2004年12月15日放入系统中调试。其效果如图6-5所示。从图6-5可以看到，在凌晨山门水厂和管网末端的压力有时候仍会高于0．4MPa：而白天，管网末端压力波动较大，反应不及时，控制效果不是很好。因此需要对模糊控制器进行调整。经过多次对模糊控制器的参数进行调整，调整后的参数将在6．2中进行述说。6．2模糊控制器参数调整6．2．1管网末端压力模糊控制器单元参数调整6．2．1．1输入参数调整将e蕾髑的模糊集数调整为7个：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。％髓的论域不变。％_的语言集合调整为：气．=(X1hE{Ne，NM，NS，z，PS，PM，PB})(6-1)8譬用的隶属度函数如图6-1所示。-0．03-0．02-0．010O．01o‘0"20．03图6-l8瞥一隶属度函数fig(6一1)membershipfunctionof。管用6．2．1．2输出参数调整将△P出设的模糊集数调整为7个：负大、负中、负d、、零、正d、、正中、正大。△P出＆的语言集合： 不。‰。={Y1YlE{NB，NM，Ns，Z，PS，PM，PB}}(6-2)控制变量△P出设的论域改为[一0．009，0．009]。△P出设的隶属度函数如图6-2所Ps雕PB■姒×燃kt-0．009．0．006-4)．003Om∞30．∞8O．Ⅻ图6-2△P出设隶属度函数fig(6—2)membershipfunctionof△P出设6．2．1．3调整控制规律表调整后的控制规则表如表6一l所示。表6-1管鼹末端压力模撷控制器模糊控制规则△P出设＼＼e管目＼NNBNMNSZPSPMPBNBPBPSNSNMPBPMPBZNSNMZPBPMPSZNSNMNBPMPSZNMNBPBPMPSNSNMNB6．2．2山门水厂压力模糊控制器单元参数调整6．2．2．1输入参数调整将em九的模糊集数调整为5个：负、零、正小、正中、正大。。山门的论域改为[-0．01，0．03]。e山门的语言集合调整为：‰。2(x3I屯∈{N"z，PS，PM，PB})(6-1)8Ⅲn的隶属度函数如图6-3所示。nt。t协叫印|舌"r沁眦吖的nre盯hH以∞幻np∞y此fM跏{。”D一∞e¨n 华南理工丈学硕士学位论文0．010．020．03图6-3钆n隶属度函数fig(6—3)membershipfunctionof8mn6．2．2．2输出参致调整将蛾设的模糊集数调整为5个：负大、负中、负小、零、正。△P出设的语言集合：k。2{，2y2∈{NB，NM，Ns·z，P}}(6-3)控制变量△P出设的论域改为[一0．009，0．003]a△P出设的隶属度函数如图6-4所示。吨嘲吨∞6吨∞300．003图6-4△P出设隶属度函数fig(6·4)membershipfunctionof△P出设6．2。2。3调整控错规律裹调整后的控制规则表如表6—2所示。6．3系统试运行经过对模糊控制器的参数进行调整，于2005年12月30日到2005年2月1日进行试运行。其控制效果如圈6-6所示。从图6-6可以看到，基本满足设计要求，但是如40分(0：40)左右五指耙水厂停泵、380分(6：20)左右山门水厂换泵和420分(7：00)左右五指耙水厂加开～台送水泵对系统控制效果影响很大，暂时还没办法解决。68 第六章供水管网压力模糊控制系统调试表6—2山门水厂压力模糊控制器模糊控制规则Table(6-2)pressurefuzzycontrollerrulesofShanmenwater△P出设＼钆f]NZPSPMPBNPZNSNMNBZPZNSNBPZNMNB6．4本章小结在上一章对设计了模糊控制器的基础上，对模糊控制器进行了调试，并根据调试效果调整了参数，使模糊控制器基本满足设计的要求。 兰要墨三盔兰坚主兰些笙苎图6—52004年12月t5日各测压点的压力交化图fig(6-5)waterpressuredataofDee．15，2004 第六章供水管网压力模糊控裁系统调试图6-62005年1月4日的压力数据fig(6—6)waterpressuredataofJan．4，200571 华南理工大学硕士学位论文结论课题背景伴随着计算机网络技术、通信技术及电子仪器仪表技术的进步，工业自动化控制系统也得到了迅速的发展。生活用水是城镇居民的生命线，提供优质高效的供水是供水企业所面临的摄主要的任务，自来水厂自动控制系统是自来水厂保证企业生产过程顺利进行，保障生产人员安全，提高企业生产效率，提高出厂水水质，降低生产损耗，提高经济效益的主要途径。把先进的工业控制技术引入到自来水厂自动控制系统的设计中，造就高技术的供水企业，不仅具有重大的经济价值，也具有重大的社会意义。同时，对自动化水平较低的系统进行改造升级，也是具有现实意义的课题，我国目前许多中小型自来水厂都需要进行自动化改造。以有限的资金改善生产控制系统，获得较高的性能价格比，既可以改善为用户服务的质量，也为企业本身提高了经济效益。目前我国绝大多数城镇的给水系统还处于一种经验型的管理状态，调度人员根据以往的运行资料和设备情况，按日、按时制定供水计划，确定各泵站和水厂在各时段投入运行的型号和台数。这种经验型的管理虽然能大体上满足供水的需要，但却缺乏科学性和预见性，难以适应日益发展变化的客观要求。城镇供水管网压力的控制就是在保证安全、可靠、保质、保量的满足用户用水要求的前提下，根据管网检测系统反馈的运行状态数据或根据科学的预测手段以确定水压及其分布情况，得出一个使系统可靠性高、管嘲压力稳定的控制方案，从雨确定系统中各类设备的运行工况，获得满意的经济效益和社会效益。本论文的题目是自来水厂自动控制系统与城镇供水管网压力模糊控制系统，重点是根箨五指靶水厂和松岗镶供水系统的实际情况，对水厂自控系统和供水管网压力控制系统进行系统设计和系统调试。所做工作1．在介绍自来水厂的生产工艺流程的同时。从系统的角度研究如何结合松岗镇五指耙水厂的实际情况进行自动控制系统的设计与调试。主要取得以下成果：(1)成功实现以100M环形光纤工业以太网构建自来水厂生产控制网络，并将水厂内的控制网络和管理网络合而为一，为企业节省了硬件投资。 结论(2)根据实际需要，成功采用了包括工业以太网、PROFIBUS—DP、MODBUS、无线通讯等多种网络结构共存的方式，节省了硬件投资。(3)设计了滤池、加药车间、使水厂的自动化水平大大提高。(4)设计并编写了界面友好、厂的信息化水平和管理水平。加氯车间和送水泵房各控制子系统。功能强大的监控软件，大大提高了水2．采集了松岗镇供水管网的实测数据，并据此分析了松岗镇的供水管网的实际状况，在五指耙水厂自动控制系统的基础上，对供水管网压力控制系统进行了算法设计和调试。主要取得以下成果：(1)提出了对供水管网压力控制系统测压点的选择方法。(2)根据城镇供水管网较长，情况复杂，并受季节、天气、节假日等诸多因素影响这一实际情况，提出了将模糊控制用于对城镇供水管网压力的控制。(3)根据松岗镇供水管网的实际情况，对供水管网压力模糊控制系统进行设计。在调试阶段，经过反复调整模糊控制器的参数，最终确定了能达到控制目标的模糊控制系统。工作的局限性和对下一步研究的设想目前自来水厂自动化面临的最主要问题仍然是加氯和加药系统的控制问题，由于几乎每个水厂都存在着差异，要建立一个完全统一的加氯和加药模型几乎是不可能的，这就要求设计人员充分了解对象的具体情况和净水工艺。由于种种原因，五指耙水厂的加氯和加药控制只是采用了PID调节，虽然出厂水的浊度和余氯指标都达到了要求，但是在减少药耗、提高水质参数方面仍有改进的余地。现在国内已经有不少研究将诸如专家系统、模糊神经网络等智能控制手段引入加氯和加药的控制。这将是加氯和加药控制未来发展的方向。本课题所设计的供水管网压力控制系统基本达到设计目标，但是对送水泵启停时的压力波动暂时还没办法解决。另外，本课题并没有考虑到自动选择送水泵并控制其启停的问题，这将是下一步研究的内容。 华南理工大学硕士学位论文[1][2][3][4][5][6][7][8][9][10]参考文献朱亮，张文妍．水处理工程运行与管理[M]．北京；化学工业出版社，2004年刘胜地．大港油田供水自动化系统介绍[J]．给水排水．2000年．Vol26(1)10l～104孟明群．水厂集数控制系统[J]．给水捧水．1999年．Vol25(10)72～74赵洪宾．给水管网系统理论与分析eM]．北京：中国建筑工业出版社，2003年李洪斌，张承慧，宋军，万军．远程供水交频调速计算机控制系统设计[J]．电气传动．2002年．V0132(1)14～18张肩海．城市给水工程[M]．北京；中国水利东电出版社，2003年崔玉川，员建，陈宏平．给水厂处理设麓设计计算[M]．北京：化学工业电出版社，2003年郑在洲。何成达．城市水务管理[M]．北京：中国水利水电出敝社，2003焦中华人民共和国霉家标准生活饮用水卫生标准．2001年吕谋，张±乔，李红卫．配水管礴涓压点的动态组食预测方法[J]．系统工程理论与实践．2001(3)139～144张宏伟，牛志广．城市供永系统优化运行模型的研究[J]．天津大学学报．2003年．V0136(4)434～438高俊发．水环境工程学[M]．北京：化学工业出版社，2003年阳宪惠．现场总线技术及其应用[M]．北京：清华大学出版社，1999侄郝晓弘，潘晓宁，郭慧丽．现场总线Pt(OFIBUS—I)P网通讯原理探讨[J]．兰州工业大学学报．2000年，V0126(3)79～83张志学，肖志怀，李朝晖．PROFIBUS总线技术介绍[J]．电站系统工程．2001年．Voll7(5)318～320徐文辉．PROFIBtJS现场总线技术概述[J]．航空电子技术．2000(1)26～32严曜晖．工业自动化软件FIx、iFIx系列及其应用[J]．云南冶金．2002年．Vol3l(2)66～69¨纠引们朝刚"}ll1l[；[ 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