1、毕业设计开题报告 电子信息工程 基于 PLC 的水厂加药控制系统设计 1 选题的背景、意义 随着我国城市建设的快速发展，对城市供水的质量要求越来越高，水处理过程中的加药控制是保证水质量的关键。因此，自动加药控制系统是现代供水系统中不可缺少的一个必要环节，而它的难点主要集中在混凝投药过程的自动控制，它在水厂中的应用，能根据原水水质及水量的变化及时调整投药量，保证了出厂水水质的稳定。 自动化正以迅速增长的趋势成为现代社会不可或缺的部分 1，也成为制造商快速服务全球市场的关键。我国工业发展及自动化应用水平与工业发达国 家相比有几十年的滞后，按目前的经济形势分析，我国将迎来一个 PLC市场高速增长的时
2、期。基于中国经济稳定迅速增长的现状，今后若干年内中国 PLC市场将保持持续高速增长。长期以来，可编程控制器始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与 DCS和工业 PC形成了三足鼎立之势。同时， PLC也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业 PC所带来的冲击。近年来，中国 OEM机械厂家一直忙于提高国产机械的自动化水平，减少对国外高端机械产品的依赖。因此， PLC作为典型控制产品，在纺织机械、塑料机械、印刷机械、食品机械、包装机械、起重机械、机床和化工机械等诸多领域被广泛应用。 在此同时一种新的研究方向一种新的研究技术来进一步的运用 PLC2。
3、软 PLC技术是一种基于 PC平台的新型控制技术，与传统 PLC相比，它具有开放的体系结构、强大的网络通讯能力和更强的数据处理能力，能较好地满足现代工业自动化控制的要求，是目前工业自动化领域研究的热点之一。 基于 PLC的投药自动化控制系统不论是在实时性，可靠性，安全 性 6,可维护性等方面都具有很明显的优点，而且确保了投药量的准确性从而降低了生产成本，提高了经济 效益。 在知道传统 PLC存在的缺点：由于传统 PLC的体系结构是封闭的，各个 PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统各异，不利于终端用户的功能扩展，造成 PLC性价比增长缓慢。随着工业自动化控制系统的规模不断扩大，控制结
4、构更需趋分散化和复杂化。改革现有的 PLC控制技术，发展新型 PLC控制技术已成为当前自动化控制领域迫切需要解决的技术难题。 陈成勇 2在其软 PLC技术研究与开发的论文中在分析了软 PLC控制原理和系统构成的基础上，完成了软 PLC编辑环境的主框架和项目管理的设计以及编辑器和仿真模块的设计， 完成了图元的设计、 LD编辑器的设计、 IL编辑器的设计、编辑器设计及仿真模块的构成原理设计。目前，设备可靠性问题已经基本解决，工业 PC接口板、控制卡坚固耐用，并采用了较高的保护等级和防冲击，防振动。防腐蚀，电磁兼容性设计，设备可靠性已大大提高。但软 PLC适应现代工业控制的需要，还需要进一步的研究实
5、现。 2 相关研究的最新成果及动态 2.1 随着 PLC 技术的不断发展，其网络功能日益加强 3,相关研究有了重大突破。 (1)康斌栋，王志新 3由于在工业控制中普遍存在非线性、强耦合和纯滞后等问题，特设计了一种能用 PLC高级编程语言实现的模糊控制系统，适应我国现有的中小型企业低成本改造。同时该系统可以嵌套于其它 PLC应用程序之中，作为一个优先级较高的子程序运行，这样就不需要系统专门增加其它控制模块，节约了开发成本，同时又满足了系统的实时控制要求。 (2)曹吉花，黄理军 4在研究高浓度的啤酒稀释过程的控制中，由于原先的设备的控制大多数都还停留在继电器控制的基础上，在该系统的运行过程中配比误
6、差大，故障率高，日常维护比较困难。在采用 PLC进行控制后，提高了稀释酒的质量，降低了啤酒的生产成本，同时系统自动化程度高，维护简单， 使用方便，降低了工人的劳动强度，为操作人员带来了方便。此控制装置生产效率和自动化程度高，适应范围广，能抗恶劣工作环境等。 (3)基于 PLC的原油储罐大时滞温度对象动态矩阵控制研究 : 原 油储罐温度对象是具有大惯性大时滞的复杂被控对象，常规 PID控制难以取得理想的控制效果。动态矩阵控制 (DMC)是一类优化控制算法，它能直接处理具有大时滞特性的对象，对大惯性有很强的适应能力，有良好的跟踪性能和较强的鲁棒性，这为原油储罐这类复杂对象的有效温度控制提供了可能。
7、因此本文研究并尝试实践这一先进控制算法。 针对大时滞特性的 原油储罐温度控制问题，本文吸取了系统辨识、系统仿真、先进过程控制、工业自动化等相关领域的研究成果。通过 MATLAB对所建数学模型的仿真及针对大时滞对象的控制理论研究，结合原油储罐温度控制系统的特性，提出了动态矩阵控制 (DMC)策略。经过大量的仿真研究得出了动态矩阵控制参数对控制系统性能影响的规律。然后以和原油储罐有相似特性的大时滞电加热炉温度控制装置作为实验平台，在其上编写了基于 S7-300可编程控制器 (PLC)的动态矩阵控制实现程序，经过大量编写调试程序工作，成功应用于实验对象电加热炉的温度控制，取得良好 的控制效果，胜过常
8、规 PID控制。进而仿真应用于原油储罐对象，同样取得较好控制效果。 综合仿真与实际运行结果，可以得出动态矩阵控制策略鲁棒性强，具有强的抗干扰能力，完全适合原油储罐这类大时滞、复杂温度对象控制的结论。这也为工生产中普遍存在的复杂时滞过程控制提供了借鉴。 2.2 趋势： (1)PLC5向网络化技术发展。其中有两个趋势，一方面， PLC 网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌 PLC 除了形成自己各具特色的 PLC 网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系 统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分。另一方面，现场总线技术得到广泛的采用， P
9、LC 与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表，传感器，智能型电磁阀，智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质（比如双绞线，同轴电缆，光缆）连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的 PLC 远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。 (2)PLC 向高性能小型化发展。 PLC 的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如三菱的 FX-ON 系列 PLC，最小的机种，体积仅为 609070mm2 ，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及 16 位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。 PL
10、C 已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算， PID 调节，温度控制，精确定位，步进驱动，报表统计等。从这种意义上说， PLC 系统与 DCS（集散控制系统）的差别已经越来越小了。用 PLC 同样可以构成一个过程控制系统。 2.3 发展前景 (1)增强抗干扰性。 如生产环境过于恶劣，或是电磁干扰异常强烈则也可造成 PLC 控制系统的运算或是控制错误，导致在某些生产环节出现错误而不能保证正常的生产运行，因此，提高 PLC 的可靠性是其未来发展的主要方向，其一方面要提高抗干扰能力同时在设计、安
11、装以及使用过程中引起重视，尽量减少对其造成负面影响。 (2)进一步网络化、数字化。目前用于火电系统控制系统的 DCS 虽技术日益成熟但近年来其发展日趋缓慢， PLC的产生及发展使其与 DCS相互吸收彼此特点，逐步同化，并逐步发展成为新的控制系统 FCS 系统，其既保留了原来系统的特性又实现了工业 自动化技术的发展，并使数字化、智能化控制得到进一步的发展和应用，因此其近年来在火电厂的应用日益广泛。 PLC 产品还可以用于离散、制程和混合式自动化产品领域，并在各个制造行业保持稳固增长。基于对更高自动化程度和更高能效的需要，制造业会越来越多地应用 PLC。在制造过程中，以最低生产设备生命周期成本来实
12、现适应性和灵活性的日益增加的需求，给 PLC 的创新与发展提供了不竭的动力。一些新兴行业的运用以及新能源产生、储存和基础设施建设的需要，无疑给 PLC 带来了巨大的机遇。 为能够更广泛的适应未来各种工业生产过程中控制场 所的需要， PLC 控制系统作为自动化控制网络和国际通用网络的重要部分其产品将会更加丰富，规格也会更加齐全，并将在人类电气自动化发展过程中发挥更加广泛的作用。 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 研究内容 ： 水厂加药系统的主要目的是使水中的微小颗粒进行吸附，变成较大的颗粒，通过沉淀池的缓冲，将水中的杂质进行沉淀。 总体功能如下： 1 加
13、药系统控制的难点是：当药加入水中后，等沉淀完成，大概需要 2 个小时，也就是投加到检测有一个滞后过程，当发现沉淀效果不佳，再调整加药量时 ，还需要等待 2 小时才有结果。 2 通过模糊控制，辅以必要的数据记忆，使 PLC 能自动根据进水水质修正加药量。 3 数据上传至监控中心记录，便于相关技术人员进行数据分析，实现加药的最佳控制 研究方法 ： 采用模糊控制理论，运用串级模糊 PID 方法进行混凝投药控制设计。主要进行以下几个方面的工作 : (1)分析混凝投药过程，对混凝投药的控制方法和控制系统的现状与发展以及研究背景进行简要的分析、综述和讨论。 (2)介绍了模糊控制器的基本原理、结构设计以及自
14、适应模糊 PID 控制器的设计原理及方法。 (3)自动加药药量的标准设计。 (4)设计 自动投药系统的硬件系统与软件系统。结合目前水厂自动化中广泛采用的基于 PLC 的过程控制系统的特点，利用 PLC 完成前述理论的工程实现工作。 该系统能迅速反映水质、水量、浓度等各项表观参数的综合影响，实现混凝剂的精确投加 7。 研究难点 ：混凝投药是水处理中重要的工艺过程，它决定着后续工艺流程的运行效果和最终出厂的水质。混凝效果的好坏主要取决于混凝剂投加量的准确与台。由于混凝过程木身是一个复杂的物理、化学过程，因此，很难准确建立反应过程的数学模型，这就给在线确定混凝剂投加量带来了困难 8-9。 当药加入水
15、中后， 等沉淀完成，大概需要 2 个小时，也就是投加到检测有一个滞后过程，当发现沉淀效果不佳，再调整加药量时，还需要等待 2 小时才有结果。 预期达到目标 ：能够保证出厂水浊度控制在 1NTU 以下，水处理效果好，而且节省投药量，取得较好的经济效益。 4 研究工作详细进度和安排 2010.11.202011.1.10 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吴登尧 .PLC 技术简介 以及前景分析 J.价值工程 ,2010,29(10)：
16、 66-67. 2陈成勇 .软 PLC 技术研究与开发 D.成都：西华大学 ,2008. 3康斌栋 ,王志新 .基于 PLC 模糊控制软件的设计研究 J.机电一体化 ,2000,6(1)： 57-58. 4 曹吉花 ,黄理军 .基于 PLC 的高浓度啤酒稀释过程的控制 J.宿州学院学报 ,2008,23(5)： 112-114. 5Qiulan Wu, Yong Liang.RESEARCH OF SLUICE MONITORING SYSTEM BASED ON GPRS AND PLCJ.Qiulan Wu et al,2008:479-485. 6 Zhang Wanzhong, Zhu
17、 Jie, Wang Mingquan. A kind of new-type frequency conversion constant pressure supplies water of the plan of design of the pump station. Electrical age, 1999 (10): 22-232. 7边朝辉 .混凝投药工艺的控 制策略及其实现 http:/co. 163. com/index_gps.htm 8白桦，李尘白 .混凝投药智能控制系统实现方法的探讨 J.给水排水， 2003, 29 (8): 81 83. 9李国厚，冯启高 .自来水加药处理的自动控制系统 J.自动化仪表， 2002, 23 (2): 60 61.
