安徽工程大学机电学院毕业设计
基于PLC的水厂滤池自动控制系统设计
摘要
水是生命之源，供水自然关系到国计民生的重要地步，供水不仅要满足工业用水，还要满足生活用水,农业用水等等，其中最为重要的是生活用水，各城市的大中小水厂是生活用水的直接来源，水厂滤池的好坏不仅影响出水的质量，更关系到人民的生命安全，所以水厂滤池在供水中起到很重要的作用，以前的水厂滤池大都使用人工控制，不仅费力，而且劳动强度大，劳动效率低，出水的质量也很难保证，因此，对水厂滤池提出自动化改造已经是很有必要的事情了。
在设计之初，从网络上查阅了当前水厂滤池普遍采用的过滤方法，以及存在的不足，但是每一种方法都不是十全十美的，只有通过不断的改进，才能逐步达到最优化设计。
本设计从水厂滤池控制系统要求的最低控制要求和控制工艺出发，设计出了基于PLC的水厂滤池控制系统，并且在滤池正常过滤的过程中，为了实现恒水位过滤，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，PLC，自动反冲洗，控制系统
I
李涛：基于PLC的水厂滤池自动控制系统设计
The Application of PLC in Waterworks Control System
ABSTRACT
Water is the source of life, water supply natural relations to the people's livelihood important point, water supply that not only meets industrial water, and also to meet the water for living, agricultural water and so on, of which the most important is the water for living, each city medium small waterworks is the direct source of the life in the water, water quality term of not only affects the quality of the water, the more relationship to people's life safety, so the water in the water in term plays very important role, most of the water before viewing using artificial control, not only arduous, and the intensity of labor, labor efficiency is low, the water quality also is very difficult to guarantee, therefore, viewing of water automation reconstruction has put forward is very be necessary things.......
At the beginning of design, network from the current term of waterworks is generally used to filter method, and the deficiency, but each kind of method is not perfect, and only through continuous improvement, to gradually achieve the optimization design.
This design from viewing a water control system minimum control requirements and control technology of the design based on PLC control system of waterworks ponds, and in the process of viewing a normal filter, in order to realize constant water level filtering, designed for the flow of water out of the liquid level control parameters for viewing the PID control system. And in the system to receive to reverse wash signal, this system in the design is how to better and PLC control the PLC coordinated control term of reverse wash scheme comparison and optimization, strengthening the control of the idea of clarity, achieve the expected effect of control.According to the system's control requirements, the hardware equipment selection, design the hardware of control system configuration chart, I/O modules the wiring diagram, and write to realize the control algorithm procedures.
Keywords：Viewing waterworks, PLC, automatic reverse wash, the control system
II
安徽工程大学机电学院毕业设计
目录
引言 ................................................................................................................................... - 1 -第1章绪论 ......................................................................................................................... - 2 -1.1课题研究内容 . (2)
1.2课题研究意义 (2)
1.3研究现状 (2)
1.4发展趋势 (4)
第2章控制系统总体方案的设计系统的分析................................................................. - 6 -2.1V型滤池工艺过程 .. (6)
2.2工作过程 (6)
2.3滤池控制系统的控制任务及其设计 (8)
第3章系统总体方案的设计........................................................................................... - 10 -3.1滤池自控方案及总体结构的实现.. (10)
3.2PID控制算法的基本原理 (10)
3.4现场控制器与反冲洗控制器的链接 (15)
第4章滤池自动控制所需的主要硬件设备................................................................... - 18 -4.1设备清单 (18)
4.2PLC的概述 (18)
4.3I/O模块的基本参数配置 (21)
4.4传感器和执行器的选择 (22)
4.5系统的硬件配置及I/O连接图 (26)
第5章系统的软件设计................................................................................................... - 29 -5.1软件总体方案的设计. (29)
5.2控制参数整定 (31)
5.3控制方案程序 (33)
第6章组态监控的设计................................................................................................... - 36 -6.1MCGS组态软件的简介 (36)
6.2MCGS组态软件的系统构成 (36)
6.3监控界面的设计 (37)
总结与展望 ......................................................................................................................... - 46 -致谢 ............................................................................................................................. - 47 -参考文献 ............................................................................................................................. - 48 -附录A：外文文献 (49)
附录B：参考文献摘要...................................................................................... 错误！未定义书签。
III
李涛：基于PLC的水厂滤池自动控制系统设计
插图清单
图2-1滤池工艺过程简化图 (6)
图2-2滤池工艺结构的简图 (8)
图3-1滤池自控网络拓扑图 (10)
图3-2模拟PID控制器原理框图 (11)
图3-3滤池液位控制框图 (13)
图3-4出水阀的液位控制流程图 (14)
图3-5调整前的反冲洗过程 (15)
图3-6调整后的反冲洗过程 (16)
图4-1可编程序控制器的硬件结构框图 (19)
图4-2系统硬件配置图 (27)
图4-3 输入输出模块接线图 (28)
图5-1滤池自控流程图 (29)
图5-2自动反冲洗子程序 (30)
图5-3广义过程方框图 (31)
图5-4 PID仿真运行后的波形图 (33)
图5-5滤池恒水位过滤程序梯形图 (34)
图5-6自动反冲洗子程序梯形图 (35)
IV
安徽工程大学机电学院毕业设计
表格清单
表4-1设备清单列表 (18)
表4-2模拟量模块输入输出参数表 (21)
表4-3I/O地址分配表 (27)
表5-1自平衡过程阶跃响应曲线及其传递函数 (31)
表5-2自平衡过程整定计算公式 (32)
V
安徽工程大学机电学院毕业设计
引言
水是生命之源，供水自然关系到国计民生的重要地步，其中最为重要的是生活用水，各城市的大中小水厂是生活用水的直接来源，水厂滤池的好坏不仅影响出水的质量，更关系到人民的生命安全，所以水厂滤池在供水中起到很重要的作用，以前的水厂滤池大都使用人工控制，不仅费力，而且劳动强度大，劳动效率低，出水的质量也很难保证，因此，对水厂滤池提出自动化改造已经是很有必要的事情了。
滤池是水厂常规处理净水构筑物的最后一道工序，滤池运行得好坏直接影响到水厂的出水水质。但是很多快滤池在运行一段时间后，就会出现过滤层含泥量增大，在反冲洗强度设计值范围内不能达到预期的反冲洗效果，并且冲洗历时延长，产水量下降，严重阻碍了快滤池的正常运行。滤池反冲洗对滤池工作效果影响甚大，若采用较好的反冲洗技术，使滤料层经常处于最优条件下反冲洗，不仅可以节水节能，还能提高出水水质，增大滤料层截污能力，提高滤速，延长过滤周期。
如果对控制系统不做一些适量的调整，滤池控制系统也就失去了他本身存在的意义，再加上我国的经济发展不是很平衡，在我国的一些偏远地区，水厂滤池基本上是靠人工操作，根本实现不了自动化，因此，设计一套适合我国国情的滤池控制系统已经十分必要，从引进外国的全套设备，到自己逐步积累掌握部分的技术，我们已经可以设计出一套及经济适用，又操作方便的滤池控制系统，并且能够建立规模适宜、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 -
李涛：基于PLC的水厂滤池自动控制系统设计
第1章绪论
1.1 课题研究内容
随着人们生活水平的提高，人们越来越注重饮食的健康，水作为生命之源，自然而然的受到人们越来越多的重视，供水不仅要求要满足人们的生活需要，供水质量的好坏也受到人们的重视，水厂的滤池是供水系统的最后一道屏障，滤池功能的强弱，直接关系到供水的质量，甚至和人们的生活健康息息相关，随着科学技术的发展，滤池的自动化程度越来越高，为了跟上时代科技的步伐，以及进一步提高滤池的自动化功能，提高滤池出水的质量，必须对滤池进行现代化升级和改造。
本文依据水厂滤池的现状和要求，并根据控制系统的要求，设计出了基于PLC的滤池自动控制系统，当滤池正常工作时，滤池的水位应处于恒水位，本文设计出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，明确性，达到了预期的控制效果和要求。
滤池是水厂常规处理净水构筑物的最后一道工序，滤池运行得好坏直接影响到水厂的出水水质。但是很多快滤池在运行一段时间后，就会出现过滤层含泥量增大，在反冲洗强度设计值范围内不能达到预期的反冲洗效果，并且冲洗历时延长，产水量下降，严重阻碍了快滤池的正常运行。滤池反冲洗对滤池工作效果影响甚大，若采用较好的反冲洗技术，使滤料层经常处于最优条件下反冲洗，不仅可以节水节能，还能提高出水水质，增大滤料层截污能力，提高滤速，延长过滤周期。
目前，国内外滤池反冲洗主要有三种：第一种是仅仅用水反冲洗，第二种是用水反冲洗然后再表面冲洗，第三种是气水反冲洗。本次毕业设计主要是基于PLC的水厂滤池控制系统以及反冲洗过程，着眼于实际应用中存在的问题和缺点，进一步优化设计，主要内容就是根据实际的需要，分析系统的功能要求和技术参数，计算出控制参数和PID参数，明确设计的出发点和落脚点，选用合适的硬件，编程合用的程序，制作满足与实际需要的监视画面。
1.2 课题研究意义
在水厂滤池控制系统中应用PLC具有很大的优点：
1．可编程控制器控制的时候编程简单，直观。
2．控制系统易操作，容易检修，本身具有的自诊断功能也对维修人员的维修技能的要求降低，使得维护方便。
3．可靠性高于继电器控制系统，体积却小于继电气控制系统。
4．数据可以通过输入计算机进行数据的处理分析，切通用性强，易于扩展。
5．有利于整个滤池控制系统的灵活运行，提高了滤池的效率。
1.3 研究现状
我国的水厂滤池技术起步较晚，但是随着我国的改革开放的深入，引进的国际技术，
- 2 -
安徽工程大学机电学院毕业设计
使得我国的滤池技术在短期内得到了很大的发展。
早期的水厂滤池控制各个单元是独立的，每个滤池单元有独自的控制系统，每个控制系统之间也没有任何的联系，这就使得其中的一个环节出错都会影响出水的质量，每个环节也是独立的，没有协调的能力，必要的时候还需要人工的干预操作，使得滤池的效率不高，并且还耗费人力物力财力。
随着科学技术的发展，分散式控制逐渐被集中式控制所取代，集中式控制应用于滤池控制系统中使得滤池发生错误的几率大大降低，也使得滤池的效率提高了很多，集中式控制就是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。
十九世纪七十年代，单片机的问世使得控制系统的应用更为灵活，功能也更为强大，处理信息的能力大幅增强，并且具有很强的稳定性和可靠性，处理器的发展促使了控制系统的进步，各式各样的控制系统也逐渐被应用于各行各业中去，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。
IPC+PLC系统的优点主要有：
1、可实现分级控制；
2、可靠性高、组网方便；
3、编程方便、开发周期短、维护方便；
4、可灵活方便地实现系统内部配置和调整；
5、能与现场信号直接相连接，易于实现机电一体化；
6、易于实现“集中管理、分散控制”的功能。
目前国内水厂产站的自动化控制系统主要采用DCS系统和IPC+PLC组成的分布式控制系统，以IPC+PLC组成的控制系统其性能已达到DCS的要求，价格比DCS系统低，且开发方便。且由于DCS系统是用于工业现场的测量控制，局限于有线通讯信组网场合，虽然近年来各大DCS供应商在其原有设备基础上选配一些第三方设备增强了其通信组网能力，也得到一些应用，但由于其无法从系统设计阶段就考虑到网络协议的合理性、可行性，因此对于复杂的网络结构，多媒体的通信要求，恶劣的工作环境就显得力不从心。
IPC+PLC组成的控制系统满足了实践的需要，但是随着社会的发展，科技的进步，国际之间的交流，技术的引进，会有更好的控制系统来适应滤池控制系统的需求。
我国的改革开放政策加速了我国滤池控制技术的发展，十九世纪八十年代，通过引进国外的先进技术，以及引进外资，建立的中外合资企业，我国的滤池控制技术取得了显著的发展，控制系统也逐渐全面化，一些控制系统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。
随着改革开放的深入，我国的经济技术的发展，以及与国际之间的技术交流，再加上引进外国的先进设备和技术，跨国公司在我国投资设厂，中外公司合资企业的发展，这些都使得我国的滤池控制系统有了很大的发展，但是，一些小型水厂耗费了大量的财力和资源引来了一套套先进的控制设备，但是由于缺乏相关的核心技术，使得先进的设备不仅运行费用很高而且很难发挥出全部的功能，况且，由于地理因素的原因，各地的水质
- 3 -
李涛：基于PLC的水厂滤池自动控制系统设计
或多或少的有一些不同，如果对控制系统不做一些适量的调整，滤池控制系统也就失去了他本身存在的意义，再加上我国的经济发展不是很平衡，在我国的一些偏远地区，水厂滤池基本上是靠人工操作，根本实现不了自动化，因此，设计一套适合我国国情的滤池控制系统已经十分必要，从引进外国的全套设备，到自己逐步积累掌握部分的技术，我们已经可以设计出一套及经济适用，又操作方便的滤池控制系统，并且能够建立规模适宜、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。
1.4 发展趋势
近年来，随着计算机技术、PLC 技术、新器件、新方法的促进水厂滤池控制系统技术相关领域也出现了许多新的发展。
1.4.1 向大系统综合化方向发展
近年来一些主要的生产厂家都在增强PLC系统的功能，向系统综合化方向发展，使系统管理与过程控制相结合，能利用过程信息较快的做出有利于控制过程的决策以适应滤池水质变化的实际需求。有的PLC系统采用光纤分布式数据接口（FDDI)局域网络，数据传输速度率达100Mbps.可连多达1024个节点，这样便于形成大型的管理与控制信息系统。
过程控制处理的是实时信息，为了适应这方面的需要，近年来也出现了一些如动态数据交换（DDE）和对象链接嵌入（OLE）的实用程序，而在数据信息的应用上，则可以用SQL（结构化查询语言）在工厂实时数据库与各关系式数据库之间建立起所需的联系。
1.4.2 向开放式系统发展
PLC系统是较早在过程领域发展起来的分布式网络系统，经过几十年的发展，DeviceNet在北美和日本比较普遍。而Profibus-DP则在欧洲用的比较普遍，针对过程自动化，Profibus-PA和foundation Fieldbus及Interbus-s等。在实际标准化和开放型的过程中，逐渐趋向于采用UNIX(OSE/1，HP UX,Solaris,AIX),Windows NT这样的开放式操作系统和视窗技术。
1.4.3发展小型系统
许多主流的PLC系统功能强、质量好，但是价格也很高。这就使得一些中小企业在选择控制设备时往往感到为难。集散控制系统向小规模方向发展，特别是单回路控制器称为集散系统发展的一个方向，通讯功能和人及联系能进一步加强。CRT操作台在简化操作、减少可能发生误操作及提高操作台自身可靠性方面进一步取得了进展。
1.4.4媒体技术将引入控制系统
包括图像、声音、触觉和味觉。目前，照片、工业电视的图像、过程中产生的声音
- 4 -
安徽工程大学机电学院毕业设计
已进入控制系统。当来自过程的电视运行图像给出了过程概貌的直接视觉反馈，可以监视诸如高压设别内泄漏电流（电晕放电）等。过程的声音也是相当重要的，通过一定的转换手段，可以将过程声音引到操作台的终端和话筒喇叭上，这样操作员可以听到故障机件的声音，帮助辨别故障发生的位置。另外，采用了虚拟的图像技术，栩栩如生的图像画面再配上逼真的过程声音，可以使操作员如同身临现场，观察和操作各种设备，完成以前很难完成的事情。可以预计，多媒体技术引入控制领域将会给该领域带来一种全新的变化。
- 5 -
李涛：基于PLC的水厂滤池自动控制系统设计
第2章控制系统总体方案的设计系统的分析
2.1 V型滤池工艺过程
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型滤池是快滤池的一种形式，因为其进水槽形状呈V字形而得名，也叫均粒滤料滤池（其滤料采用均质滤料，即均粒径滤料）、六阀滤池（各种管路上有六个主要阀门）。它是我国于20世纪80年代末从法国Degremont 公司引进的技术。
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、运行周期长、反冲洗效果好、节能和便于自动化管理等特点。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。
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。
24小时
滤池的正常过滤滤池反冲洗过程
实时处理模块
图2-1 滤池工艺过程简化图
2.2 工作过程
（1）过滤过程：
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。
待滤水由进水总渠经进水阀和方孔后，溢过堰口再经侧孔进入被待滤水淹沿的V 型槽，分别经槽底均匀的配水孔和V型槽堰进入滤池。被均质滤料滤层过滤的滤后水经长柄滤头流入底部空间，由方孔汇入气水分配管渠，在经管廊中的水封井、出水堰、清水渠流入清水池。
（2）反冲洗过程：
所谓滤池的反冲洗过程，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。
关闭进水阀，但有一部分进水仍从两侧常开的方孔流入滤池，由V型槽一侧流向排水渠一侧，形成表面扫洗。而后开启排水阀将池面水从排水槽中排出直至滤池水面与
- 6 -
安徽工程大学机电学院毕业设计
V型槽顶相平。反冲洗过程常采用“气冲→气水同时反冲→水冲”三步。
气冲打开进气阀，开启供气设备，空气经气水分配渠的上部小孔均匀进入滤池底部，由长柄滤头喷出，将滤料表面杂质擦洗下来并悬浮于水中，被表面扫洗水冲入排水槽。
气水同时反冲洗在气冲的同时启动冲洗水泵，打开冲洗水阀，反冲洗水也进入气水分配渠，气、水分别经小孔和方孔流入滤池底部配水区，经长柄滤头均匀进入滤池，滤料得到进一步冲洗，表扫仍继续进行
停止气冲，单独水冲表扫仍继续，最后将水中杂质全部冲入排水槽。
V型滤池的特点及设计参数
滤速可达7～20m/h，一般为12.5～15.0m/h。
采用单层加厚均粒滤料，粒径一般为0.95～1.35mm，允许扩大到0.7～2.0mm，不均匀系数1.2～1.6或1.8之间。
对于滤速在7～20m/h之间的滤池，其滤层高度在0.95～1.5m之间选用，对于更高的滤速还可相应增加。
底部采用带长柄滤头底板的排水系统，不设砾石承托层。滤头采用网状布置，约55个/m2。
反冲洗一般采用气冲、气水同时反冲和水冲三个过程，反冲洗效果好，大大节省反冲洗水量和电耗。气冲强度为50～60m3/（h.m2）（13～16L/s.m2），清水冲洗强度为13～15m3/（h.m2）（3.6～4.1L/s.m2），表面扫洗用原水，一般为5～8m3/（h.m2）（1.4～2.2L/s.m2）。
整个滤料层在深度方向的粒径分布基本均匀，在反冲洗过程中滤料层不膨胀，不发生水力分级现象，保证深层截污，滤层含污能力高。
滤层以上的水深一般大于1.2m，反冲洗时水位下降到排水槽顶，水深只有0.5m。
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%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。
现将滤池的基本的工艺结构简图绘制如下图所示。
- 7 -
李涛：基于PLC 的水厂滤池自动控制系统设计
- 8 -
图2-2 滤池工艺结构的简图
2.3 滤池控制系统的控制任务及其设计
2.3.1控制任务
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。
2.3.2 控制系统设计要求及其组成
滤池的设计及其控制系统决定了滤后水的水质。后者既不会引起出水突变也不会波
动地工作，既不会引起摆动也不会太敏感，这些因素可导致清水水质恶化及滤池过早穿
透，此外，控制系统必须满足以下要求：
1、滤后水出口的变化缓慢
2、持续地控制液位，没有复杂的机械系统。
3、在水厂流量的各种变化中，限制人为的加入。 进水阀 排污阀
清水阀
滤料层
超声波液位计 水平面
水泵
反冲洗气
反冲洗水
鼓风机
安徽工程大学机电学院毕业设计
2.3.3 控制系统的组成
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。常见滤池阀门有：反冲洗阀、气阀、清水阀、排水阀。
自动反冲洗系统的运行可分为排水、气冲洗、气水混合冲洗、水冲洗和进水五个阶段，反冲洗各阶段运行时间根据滤池工况预置到PLC。系统接到对某池进行反冲洗的指令后进入排水阶段，先关闭进水阀，把滤池的水位降至预置水位，然后关闭出水阀，打开排水阀；排水阀打开以后，滤池进入气冲洗阶段，这时气冲计时器开始计时，排气阀打开，同时风机启动、风机出口打开，当风机进入运行状态后，打开气冲阀，同时关闭排气阀；气冲洗时间达到预设值后，气水混合洗计时器开始计时，反冲水阀被打开，同时启动反冲水泵，打开水泵出口阀，滤池进入气水混合反冲洗状态；汽水混合反冲洗时间达到预设值后，水洗计时器开始计时，反冲气阀被关闭，开放气阀（放气阀开30s后自动关闭）排空风管余气，同时停风机，关闭风机出气阀，滤池进入水冲洗状态；水冲洗时间达到预设值后，关闭反冲水阀，同时停止反冲水泵，关闭水泵出口阀，最后关闭排水阀，打开进水阀，滤池进入进水状态，当水为上升到恒水位过滤位置时，自动反冲洗完成，该池转入正常的过滤程序。
本设计水厂模拟滤池有六个V型滤池组成，每个滤池的尺寸规格为5M*5M*5M，滤池的滤料采用单层1.4M加厚均粒石英砂滤料。每一个滤池现场都设置一个PLC，主要功能是完成滤池的自动反冲洗过程和滤池的恒水位控制，在正常的滤池过滤过程中，为了实现滤池的恒水位控制，本设计要求滤池的水位波动限制在400±2CM的范围内，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）时，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。
在中控室设置主控PLC，其主要功能是负责各现场的PLC通信，数据的传送，收集反冲洗水泵、鼓风机等反冲洗设备的信号，协调各个滤池的反冲洗顺序，确保滤池的反冲洗过程正常有序的。
- 9 -
李涛：基于PLC 的水厂滤池自动控制系统设计
- 10 -
第3章 系统总体方案的设计
3.1 滤池自控方案及总体结构的实现
自来水厂的工艺特点是各工艺单元既相对独立，同时各单元之间又存在一定的联
系。正因为各工艺单元相对独立，因此通常将整个工艺按控制单元划分。
采用PLC+IPC 系统的水厂自动化控制设计一般采用多主站加多从站结构，能够较
好的满足国内水厂自动化的监控、保护要求。控制点分布在水厂内不同的位置，采用就
近控制原则，在设备集中区分别设置不同的PLC 站对该区域设备进行监控，再通过通
讯网络，各PLC 站之间进行数据通讯，实现整个水厂的自动化控制。在控制单元内，
PLC 站实现对该单元内设备的自动控制。这样的优点是使控制系统更加可靠，当某一
控制单元发生故障时不会严重影响其它单元的自动运行，同时由于单元内控制设备、检
测仪表就近相连，减少了布线成本。
一般根据土建设计，将水厂自动化控制系统按设备位置情况及功能进行组织，分为
如下一些控制站点。
（1）中央控制室站点：对整个系统进行监控和调度，同时留有四遥（遥测、遥信、
遥调、遥控）系统接口，与上层管理系统进行通讯。
（2）滤池公共部分控制站点：对反冲洗（每个滤池的反冲洗，均可在2种状态下
进行：①自动反冲洗：②半自动反冲洗。）公共部分（反冲洗泵、鼓风机、干燥机及相
关阀门）进行监控。
（3）滤池控制站点：根据单格滤池数量进行配置，每格滤池一个，对单个滤池设
备进行监控，使用一台PC 机作为上位机，配有专为用户开发的监控软件。用户可以在
PC 机上控制滤池的操作以及监测滤池的运行情况。
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3-1所示。
图3-1 滤池自控网络拓扑图
3.2 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，按比例、积分、
微分进行控制的控制器称为PID 控制器。模拟PID 控制器的原理框图如图3-2所示：
现场P LC3 现场PLC1 现场PLC2 现场PLC4 现场PLC5
1#滤池 2#滤池 3#滤池 4#滤池 5#滤池 PC 主控PLC
安徽工程大学机电学院毕业设计
- 11 -
图3-2 模拟PID 控制器原理框图
图中r(t)为系统的给定值，c(t)为实际输出值，u(t)为控制量。PID 控制解决了自动控制理
论所要解决的最为基本的问题，即系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID 的参数，
可以实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时由于在PID 控制
器中引入了积分项，系统增加了一个零极点，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。
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) (3.1)
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，其控制规律为：
U(t)=K p [ E(t)+
1T i t dt t E 0)(+()dE t T d dt ] (3.2) 式中，e(t)为系统偏差；
K p 为比例系数;
T i 为积分时间常数；
T d 为微分时间常数。
式 (3.2) 也可写成：
U(t)=K p e(t)+K i ∫t
o e (?）d ?+K d de(t)dt （3.3）
式中，K p 为比例系数；
K i 为积分系数，K i =K p /T i ;
K d 为微分系数，K d =K p /T d ;
简单来说，PID 控制器中各校正环节的作用如下：
（1）比例环节 及时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t),偏差一旦产生，控制器立
即产生调节作用，以减少偏差。
（2）积分环节 主要用于消除静差提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时
间常数T i , T i 越大，积分作用越弱，反之则越强。
（3）微分环节 能够反映偏差信号的变化趋势，即偏差信号的变化速率，并能在偏
差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早起修正信号，从而加快系统的动作
速度，减小调节时间。 — e(t
r(t u (t) c(t ) + + + + ? ? 比例
微分
积分 被控对象
李涛：基于PLC 的水厂滤池自动控制系统设计
- 12 -
计算机控制是一种离散的采样控制，在计算机控制系统中所使用的是数字PID 控
制器，而式 (3.2)和式(3.3)均为模拟PID 控制器的控制表达式，通过将模拟PID 表达式
中的积分、微分运算用数值计算方法来逼近，便可实现数字PID 控制。只要采样周期T
取得足够小，这种逼近就可以相当精确。
将微分项用矩形和式代替，数字PID 控制器的控制表达式如式（3.4)：
U(K)=K p E(K)+Ki ∑=K
j j E 0)(+K d [E(K)-E(K-1)] (3.4)
其中：T 为采样周期；
K p 为比例增益系数；
K i =K p T/T i 称为积分系数；
K d =K p T d /T 称为微分常数；
U(K)是U(KT)的简写；
E(K)是E(KT)的简写。
数字PID 控制器的算法通常可以分为位置式PID 控制算法和增量式PID 控制算法，
因为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。故
本系统使用的是增量式 PID 控制算法，因此下面将讨论如何建立增量式PID 控制算法
的数学模型。
由(3.4)不难得到：
U(K-1)= K p E(K-1)+K i ∑-=1
0)(K j j E + K d [E(K-1)-E(K-2)] (3.5)
将式(3.4)与式(3.5)相减即可得到增量式算法：
△ U(K)=U(K)一U(K-1)
=(K p +K i +K d )E(K)-( K p +2K d )E(K-1)+ K d E(K-2) (3.6)
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。
所以，式(2.5)已可以用作编程算法使用了。
3.3 现场滤池控制器
由于本设计采用的是恒水位设计，因此保持滤池水位的大致不变是滤池控制器最主
要的任务之一，大多数的水厂滤池的液位都是通过滤池调节阀来控制的，典型的闭环控
制系统可以根据现场反馈的信息来及时的进行调整处理，从而实现滤池水位的大致不
变，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，其模型可以简化成下图：
安徽工程大学机电学院毕业设计
- 13 -
图3-3 滤池液位控制框图 但是在水厂滤池中，滤池的水位不用控制的那么精确不变，只要稳定在一个大致的范围就好了，如果用以上的控制方法，不仅加大了设备的成本，而且安装起来特别繁琐，所以实际应用中，只要用开关阀来代替调节阀就可以了，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的不同。开关阀的驱动信号有两个开关量，开阀和关阀，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。
根据实际情况和普遍的应用，采用双液位控制是最简单的，所谓双液位控制就是当滤池液位高于设定时，阀门打开，液位低于设定时，阀门关闭。双液位控制方法简单以实现，但是其也存在着许多缺点：它的动作频率很频繁，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)工作频率增大，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，并增强系统稳定性。
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，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： 调节阀 PLC A/D 液位
李涛：基于PLC 的水厂滤池自动控制系统设计
- 14 - V =滤格面积
生产时间（秒）滤池个数生产量??
假设以日产200000吨为例计算：
错误！未找到引用源。
假设这个速度是在阀门90%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0.0129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。故出水阀的液位控制流程图可以简化成下图：
图3-4 出水阀的液位控制流程图
否
是 否 是 是 是 否 开出水阀T2秒 关出水阀T2秒 液位低于低限？
液位正在上升？ 开始 采样（周期为T1） 液位正在下降？ 液位高于
高限？