1、 毕业设计开题报告 电子信息工程 基于 PLC 控制系统的水厂滤池管理软件设计 1 选题的背景、意义 随着社会的发展，人民生活水平的提高，城市供水系统的要求变高，尤其是对工厂的供水系统。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。滤池是水厂处理净水构筑物的最后一道工序，滤池工作的好坏直接影响到水厂的水质。滤池反冲洗工艺复杂，如果仍然沿用人工方式，这样劳动强度大，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。因此，我们需要采用先进技术，基于对 PLC控制器的了解，可以采用 PLC针对水厂的 过滤问题 1。 可编程序控制器 ( Programmable Logic
2、Controller 简称 PLC)，原本应简称PC ，为了与个人计算机专称 PC相区别，所以可编程序控制器简称定为 PLC，但并非说只能控制逻辑信号。 PLC起始于 20世纪 60年代，是一种数字运算电子系统 , 专为在工业环境应用而设计的，它将通讯技术、自动控制技术和计算机技术融为一体 ,成为实现单机、车间、工厂自动化，数字化的核心设备 ,具有可靠性高、抗干扰能力强、组合灵活、编程简单、维修方便、应用范围广等很多优点。随着技术的进步 ,其控制功能由简单 的逻辑控制、顺序控制发展为复杂的连续控制和过程控制 ,成为自动化领域的三大技术支柱之一。其主要应用的技术领域有 :顺序控制、过程控制、位置
3、控制、生产过程的监控和管理、结合网络技术等 2。 在我国，污水处理自动化控制的起步较晚，起始年代采用热工仪表，八十年代采用分析仪表和 DOS 系统，到了九十年代，很多的大型污水过滤处理厂建成，使污水的过滤处理有了很大的提高。从国外引进污水过滤的自动控制系统已经广泛采用采集式计算机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪器，一些新的设备大量出现了。可以说，我国的水厂过滤现状是：手动 和自动并存，引用和制止并举。可以看出，现在我国的水厂过滤有如下特点： （ 1） 引进了计算机分散控制系统，手动和自动并存的控制。但其自动化程度还是很低，仍然采用人工巡逻的方式。 （ 2） 国产的一些在线仪表的稳定性还没
4、达到要求，很多都是采用进口的仪表，但这不是长久之计，所以很多厂并不是都能应用的上。水质的检测也要有相关操作人员来测量。 （ 3） 各个控制站直接按是完全独立的，不会有交换信息。控制单元内部的资源得到了限制，只能实现简单的控制。 （ 4） 在各个站的中间，没有设立中控式，不能对全部的机器进行实施的监测。过多的消耗人力资源。 我国是一个 严重缺水的国家，虽然我国的年平均水资源总量位居世界第 6位，但人均水资源却位居世界第 110 位，可能还不到，是世界上 13 个缺水国之一了。在我国，目前，水资源的匮乏和水资源的污染，已经严重影响了人民的日常生活。现在城市污水处理的耗电量比美国、日本的都要多，但是
5、我们的污水处理效果却远远比不上这些国家。因此，建设符合我国的工厂污水过滤控制系统对我国经济的高速发展具有重要的意义。 2 相关研究的最新成果及动态 现代化的自来水厂基本采用计算机控制技术。欧美的一些城市，在进行水处理时，已经能用 PC 机进行数据的记录和采集，并 对运行过程进行控制，甚至已经实现了全自动。如美国爱荷华水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药剂，此外，俄罗斯的莫斯科水厂、日本东京朝霞水厂等也先后采用计算机自动控制水厂生产，取得较理想效果。现在许多大中型水厂均由一套集散型的自动控制系统进行控制。在厂内设有若干台现场计算机，对整个水处理过程实现控制，其中包括对水沉淀、再过滤，
6、后反冲洗等。设在控制室内的计算机从每次现场实际运行的计算机中搜集数据，并进行数据统计，根据数据制成表格和图形。从数据中读出一些特征，现象，平均值等。再在这个基础上，也以考虑设计 一个自动检错，设备故障报警等。在系统发生故障时，每一个自动控制过程都可切换成手动控制。这样对 PLC的功能，就得了解的更为细致，对各个分工也要明确。 由于控制技术，网络通信和现场总线技术等的发展，国外的污水厂很早就实现了污水的网络化控制，如 DCS、 FCS 等。同时，国外较早就把 SCADA 技术映入到排水系统上，还取得了很好的经济和社会的效益。同时，国外在重视水过滤的PLC的开发上，还研制出了一些智能、小巧的控制单
7、元，如 AB的 SLC系列， Siemens的 S7 系列等等。国外还在在线仪表上做了研究，如美国的哈希公司研制 了溶解氧 DO（ Dissolved Oxygen）、化学需氧 COD（ Chemical Demand）分析仪。他们的特点是： （ 1） 按照厂区的情况，将其划分为若干个控制站，各个站之间都处于一个级别，也可以是上下级别，站与站之间都独立运行。中间设立中控室，里面有操作员，负责数据的管理和记录工作。 （ 2） 采用在线仪表进行水质监测，实时监测，并计录。 （ 3） 采用了智能化的控制系统，有时刻根据水质的变化自动调整到相应的控制方式。 （ 4） 大量采用远程遥控设备，有效地利用社
8、会资源。 相比之下，我国在水厂污水过滤控制上，与国外的自动控制系统 还有很大的差距，但同时也说明，我国在这个问题上还有很大的发展空间和前景。 据国外资料统计，工业控制中 80%以上都可采用 PLC来完成。因为顺序控制是工业控制不可缺少的一部分，几乎每一个过程控制和生产管理都是有步骤地进行的，因此都可以采用 PLC。在水厂自动化系统中，滤池子站是整个水厂控制系统的一部分，其主机选用为工控机，滤池子站下挂若干个滤格子站，每格子站都选用 PLC，采用网络联接 .反冲洗用一主 PLC 控制 .通过网络将所有 PLC 与主机连为一有机整体 (滤池子站 ).再通过厂区控制网络与中心控制站主机相联。 PID
9、 (Proportional Integral Differential)控制算法是经典的闭环控制，是连续系统中技术最成熟 、应用最广泛的调节方式。基于对 PLC 的了解，在实现衡水位控制上可采用 PID控制算法。它的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分和微分的函数关系进行运算，其运算结果用输出来控制。一般中小型 PLC控制系统只对一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 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
10、不同，采用各种 PID控制的变种，如积分分离 PLD、不完全微分等操作上有些困难，此时可根据控制的算法，自行设计梯形程序。 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 8。 3 课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 随着对水质标准的提高要求，已满足不了新的水质生产工 艺要求。单水反冲 ,反冲效果不理想，滤料易积泥，滤料层的截污能力也得不到充分的利用，且冲洗耗水量大 ;滤池冲洗时，由于滤料会膨胀，因而自动进行
11、水利分级，形成下粗上细的滤料层，其上部易被堵塞，即水头损失增长过快，产生负压过滤，因而影响过滤周期，下层滤料又不能充分发挥截污作用。因此，进行滤池技术改造己是当务之急 4。 根据运行记录，普通快滤池存在以下问题 : （ 1）运行周期短 根据运行记录，两座滤池运行周期多在 16h-24h之间，这样会造成有效时间短及反冲总洗耗水量大。 (2)反冲水浪费严重 根据运行记录平 均日耗水量为 :每天总耗水量在 Q=14000m3左右 (3)滤池出水浊度难以进一步降低 目前滤后水浊度暂时是符合国家标准，但这是在低负荷运转的情况下，若不进 行改造，在未来达到设计负荷情况下，要进一步降低滤后水浊度是十分困难的
12、。 (4)滤池运行过程中也存在很多的问题 a.各格滤池进水的不均匀，造成个别滤池工作周期缩短，难以控制出水水质好坏。 b.单格滤池面积过大，在反冲洗时造成局部地方不均匀，易积泥板结，造成局部流速过大，容易影响出水水质。 滤池自控技术，如果控制得不好，就不能达到预定的要求。采用哪一种滤池反 冲技术是滤池自控技术中的重点研究内容。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，该技术是一种弱反冲洗方式。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 5。由于传统的水反冲洗技术存在着一些问题，众多学
13、者通过不断探索和研究，开发了气水反冲洗技术。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 6。 基于以上的了解，总结水厂滤池主要实现过滤的功能，在过滤时，为保证出水的水质，要求水位基本恒定，同时，滤池过滤后我们需要对滤池进行反冲洗，已实现滤池滤砂的重复利用及保证滤池过滤的正常流速。 总体功能如下： 1 过滤时，通过 PID 调节，配合滤池的阀门设备，实现滤池的恒水位过滤。 2 滤池反冲洗时，根据冲洗要求，配合阀门动作，按流程实现滤池的自动冲洗。 3 滤池反冲洗时，根据滤
14、池冲洗要求，使风机、水泵等设备能配合滤池冲洗进行启停。 4 在满足冲洗要求的同时，改进冲洗工艺，以节约 能耗。 在软件设计的滤池程序流程图： 4 研究工作详细进度和安排 2010.11.20 2011.1.10 前完成文献综述，外文翻译 2011.2.20前（下学期开学后一周内）完成开题报告。 2011.5.10 前完成设计初稿 2011.5.20 前设计定稿 2011.5.27开始答辩 5 参考文献 1. 王海云 . 污水处理厂水质预测模型研究及监测软件设计 J.后勤工程学院硕士研究生论文， 2005:23 开始 初始化命令 自动状态程序 手动状态程序 现场 保护程序 收到反冲洗 是否满足反
15、冲 反冲洗子程序 反冲结束 整理子程序 进水形成 过滤子程序（ PID）调节 2.陈洁 .现代 PLC 控制技 术与发展 . 精密制造与自动化 , 2004年 04 期 3.王新华 ,周峰 ,李剑锋 ,孙树文 . 软 PLC运行系统的硬件结构设计与实现 , J.北京工业大学学报 , 2006,(08). 4. 吴文红，张可欣 . 水厂滤池自动化控制系统关键技术的研究 J.华北水利水电学院学报 .2005， 26 (4):167-168 5. 顾夏生等 . 水处理工程 M.北京给 :清华大学出版社， 1985. 6. 陆柱，际中兴，察生坤，黄兴 . 水处理技术 M.华东理工大学出版社 .2000
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