1、自來水廠水處理監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 摘要：本 設 計技 術，為自來水廠的水處理實時監(jiān)控提供了一套完整通用的解決方案，該設計方案行之有效，已在河東水廠應用，并可應用于其它自來水廠。關鍵詞：PLC，組態(tài)軟件，監(jiān)控系統(tǒng),網絡英文文摘：ABSTRACTTh is t h esism akesa n analysism ainly oft he basic mode oft he design and development of the top and bottom machines based on the programmable controller PLC and group software

2、. Till now, this supervision system has been applied to supervise automatically the whole production in Hedong Waterworks of Maoming City for a period. It functions very well and achieves better social and economic results. In conclusion, the design of the system provides a set of feasible solution

3、to the prompt supervision of the water treatment for waterworks.第一章緒論1.1課題來源和意義在 全球 水 資源饋乏的今天，水資源是否得到高效利用，影響著國計與民生，水處理特別是自來水處理自動控制技術發(fā)展的重要性日益凸現(xiàn)。自來水行業(yè)引入自動化控制技術是90年代水廠發(fā)展最顯著的特點。隨著自動化技術、控制設備和機電儀表設備的發(fā)展，水處理過程中的各個環(huán)節(jié)包括過濾自動化、投加藥自動化、送水自動化、水質監(jiān)測自動化技術的日益成熟，計算機技術應用的日益普及，使水行業(yè)的自動化發(fā)展成為可能。雖然國內供水行業(yè)的自動化技術發(fā)展有了長足的進步，但相對于其

4、他行業(yè)是滯后的和落伍的。對我國中小城市自來水公司而言，采用現(xiàn)代電子信息技術及綜合自動化技術來建設和改造各個生產部門和進行企業(yè)管理是極其重要的，這也是改變目前我國中小城市自來水企業(yè)被動局面的最有效辦法之一。目前 ， 水 廠的自動化控制系統(tǒng)遵循著分散控制，集中監(jiān)測和管理的控制思想，利用PLC十PC組成的控制系統(tǒng)是水廠自動化技術的一條較好的發(fā)展方向，利用該系統(tǒng)可實現(xiàn)集散控制，穩(wěn)定性好，開發(fā)操作簡便。選擇國內外著名品牌的軟硬件產品構成的系統(tǒng)，不但可以滿足工程周期的要求，更可以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、開發(fā)性和選進性。茂 名 河 東自來水廠是茂名市主力供水廠，日供水能力為20萬噸，是為緩解茂名市的供水緊

5、張狀況，市政府加大對自來水公司的投資力度，引進外資(無息貸款)和德國THYSSEN公司的自控設備，建成的茂名市第二水廠。本論文目的是通過茂名河東自來水廠基于PLC工控網的水處理實時監(jiān)控系統(tǒng)的工程項目的設計，找出一套通用的集成方案平臺。自來 水 廠 水 處 理過程中混凝投藥和過濾過程的自動控制是保證優(yōu)質供水的關鍵所在，它關系到千家萬戶的用水衛(wèi)生和身體健康。目前對自來水的水處理過程實行自動監(jiān)控是國內外大中型水廠的迫切要求，也是自來水廠實現(xiàn)生產和管理一體化的必要途徑。建設 水 處 理自動控制系統(tǒng)的目的有兩個:一個是對水處理過程的設備工作情況、余氯、PH值、濃度、流量等工藝參數(shù)及漏氯、氣瓶欠壓等現(xiàn)場狀

6、況進行監(jiān)視和自動調控，防止水處理過程設備運行在非正常的狀態(tài)之下，提高管理人員的事故處理能力和應變速度，并且可通過各種報警手段和緊急處理程序把事故隱患消滅于萌芽之中。另一主要目的是實現(xiàn)水處理過程全方位自動控制，通過操作員工作站、參數(shù)調節(jié)PLC與投加設備進行互動，控制投加設備的自動運行、停止和自動進行，實現(xiàn)向生產現(xiàn)場和過程的無人值守管理制度過渡的目標。本設計就是利用先進的電子信息技術和綜合自動化技術來設計自來水廠的水處理自動控制系統(tǒng)的計算機監(jiān)控方案為自來水廠的生產過程提供一套通用的質量可靠、成本適宜。目前，茂名市河東自來水廠己投入運行，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，滿足系統(tǒng)的監(jiān)控要求，取得良好的社會和經濟效益。1

7、.2國內外自來水廠自動化控制技術的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢自來 水 生 產過程自動化控制系統(tǒng)的發(fā)展狀態(tài):水廠 自動 化控制系統(tǒng)經歷了從無到有、從簡單到復雜的過程。從一開始僅有常規(guī)儀表檢測，到加藥、加氯的局部自動控制，直至九十年代，隨著可編程控制器(PLC)的大量推廣使用，水廠自動化控制系統(tǒng)才真正建立起來。PLC具有可靠性高、編程簡單、使用方使、以及通訊聯(lián)網功能強的特點。水廠以PLC為主控設備建立的控制系統(tǒng)一般模式為:由設在中控室的上位監(jiān)控計算機及若干現(xiàn)場PLC聯(lián)網組成集散型監(jiān)控系統(tǒng)。開始建立的系統(tǒng)，各分站以功能劃分，站內設有監(jiān)控計算機，這是針對當時PLC的通訊能力不夠強大，控制系統(tǒng)可靠性不高所采用的措施

8、，即一旦其它分站出現(xiàn)故障或網絡中斷后，未出故障的分站還可以在局部區(qū)域內實現(xiàn)自動控制。近幾年隨著PLC網絡通訊能力的增強和控制及電氣執(zhí)行機構可靠性的提高，這一模式逐漸被打破。取消了各分站內的監(jiān)控計算機，各分站的控制區(qū)域由以功能劃分改為以距離劃分，了在中控室內監(jiān)視水廠運行的全過程，應由分站1控制的遠方設備工況或采集的檢測儀表參數(shù)可送入附近的分站2通過網絡可靠、及時地傳輸保證系統(tǒng)的正常、協(xié)調運行。目前大部分水廠都是采用的這種模式。在這 基 礎 上，對水廠自動化又提出了新要求:即廠內僅配備少量管理、維修人員，生產過程實現(xiàn)自動化，由中央控控制室的工業(yè)計算機實現(xiàn)監(jiān)控和管理的控制系統(tǒng)，也稱無人值守控制系統(tǒng)。

9、水處 理 工 業(yè)自動化領域的發(fā)展趨勢是管理一一控制的一體化，而現(xiàn)場總線技術的飛速發(fā)展為管控一體化鋪平道路。信息技術的不斷發(fā)展，網絡的普及，將會使管控一體化的重要性日益顯露，可以預見，以PLC為基礎的集散控制系統(tǒng)向以現(xiàn)場總線為基礎的管控一體化分布式網絡通信過渡是必然的發(fā)展趨勢。1.3本論文研究的內容本 論文 主要 介 紹以可編程控制器PLC和組態(tài)軟件為核心，采用上、下位機方式設計水處理計算機實時監(jiān)控系統(tǒng)的基本思路和方法。本文 研 究 的主要內容包括:基于PLC的水處理計算機實時監(jiān)控系統(tǒng)整體方案的設計、PLC控制系統(tǒng)原理、水處理工藝設備控制方法、監(jiān)控系統(tǒng)下位機各PLC子站軟、硬件的設計，監(jiān)控系統(tǒng)P

10、LC工業(yè)網絡的設計，網絡通信功能的實現(xiàn)，上位機監(jiān)控系統(tǒng)組態(tài)軟件的設計和應用。1.4本論文完成的工作本論 文的 工作在于提出了采用可編程控制器PLC與工業(yè)計算機PC機組成的兩級集散控制系統(tǒng)，建立通用的自來水廠計算機遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)。本論文作者在整個項目設計中主要參與了以下工作:(1 ) 通 過 分 析整個自來水處理的工藝流程，與水處理工藝設計專家緊密合作，建立完整和實用的水處理過程的監(jiān)控要求。(2 ) 深 入 分 析國內外自來水自動控制技術的發(fā)展現(xiàn)狀，深刻了解PLC,D CS的新技術，采用可編程控制器PLC與工業(yè)計算機PC相結合的方法，設計出適合水處理過程特點的計算機遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)。(3 )

11、參 與 系 統(tǒng)的調試和試運行。第二章水處理監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設計及其過程控制設計2.1 河東自來水廠工藝流程簡介自來 水 廠 水處理基本過程如下圖2-1所示: 圖 2- 1 河 東 水 廠 工 藝 流程圖河 東水 廠 的源水由高州長坡水庫通過東干渠輸送到山閣鎮(zhèn)老虎嶺調節(jié)水庫，然后通過1.6米水泥管道進入河東水廠。源水進入廠區(qū)后，先進行前加氯、加礬，然后經混合槽混合，進入折板反應池充分混合反應后，流到平流沉淀池，進入恒速快濾池，經濾池過濾，再經過后加氯消毒，清水進入清水池，最后由清水泵房的泵機加壓進入城市供水管網，則可以飲用。為了正?？刂扑|，河東水廠水質控制指標為:1. PH值:源水、待濾水、出

12、廠水PH值為6.5-7.5;2.濁度3.余氯待濾水3NTU,濾后水0.5NTU，出廠水PAR3.5 )時，壓力還不能達到設定要求，則先將變頻電機的頻率設為最小頻率(70%a) +10%，然后啟動累計時間最短且無故障的定速泵，再將變頻電機的頻率升到最大值100%，壓力還不能達到要求的，繼續(xù)以此方法啟動下一臺或更多臺的定速泵，直到壓力升到設定值為止。PC W .O U T =PM0419.AO +PCW.INPC W .OU T : P ID頻率輸出:PM 04 19 .A O :頻率輸出;PC W .IN : P ID輸入;PA R3 .5 : 上 限死區(qū);PA R3 .6 : 下 限死區(qū);PM

13、 04 19 .M A X:最大頻率;PM 04 19 .M IN :最小頻率;當運 行 過 程 中 ，壓力超過了設定值時，變頻電機慢慢降低頻率，如果當變頻電機 頻率達到最小頻率70%，且(PM0419.MINPCW.OUT) P AR3.6)時，壓力還 超過設定值，則先將變頻電機的頻率設為最小頻率(70%)+ 10%，然后停累計 運行時間最長的定速泵，如果壓力還是超過設定值的，繼續(xù)以此方法停止下一臺或更多臺的定速泵，直到壓力降到設定值為止。自動恒壓供水控制系統(tǒng)圖見圖2-7a內置PID給定網壓圖2-7自動恒壓供水控制系統(tǒng)圖Fig2-7 Controlsy stem ofw aterp ress

14、ure(2 )壓 力 泵 的 自動控制順序啟動 定速 泵:累計運行時間最短的泵先啟動，依此類推;若該臺泵不滿足啟動條件，則自動跳過，啟動下一臺泵。停 定 速 泵:累計運行時間最長的泵先停，依此類推。(3 )壓 力 泵 的 啟動條件為電壓 正 常 ;吸水井的液位要大于4米(干保護停機3米);電動閥正常;直流屏正常工作;每臺電機的啟動時間間隔大于巧分鐘。(4 )清 水 電機 閥門自動控制清水 泵 房 6臺定速泵均配有一個閥門PID調節(jié)器，泵口千保護設為4bar，閥門PID調節(jié)器能根據用戶設定的壓力進行自動調節(jié)。2污 水 回 收自動控制在河 東水 廠清水泵房、流量計井、風機房及反沖洗泵機房均安裝了自

15、動排污控制系統(tǒng)?？蓪崿F(xiàn)現(xiàn)場自動控制，亦可進行PLC遠程控制。當現(xiàn)場自動控制時，液位達到一定液位后，自動起動四臺污水泵;當PLC遠程控制時，液位達到0.7米時，先啟動3臺污水泵，液位達到1.5米后，再啟動第四臺污水泵，液位降到0.2米時，污水泵全部停止運行。3清 水 泵 子站監(jiān)控和信息傳送要求(1 )監(jiān) 視 所 有 高壓柜有關工作狀態(tài)。(2 )監(jiān) 視 進 線 高壓柜的電流、電壓、有功、無功、累計電量。(3 )監(jiān) 視 每 臺 泵的電流、功率、壓力、累計運行時間。(4 ) 監(jiān)視 出廠 水的壓力、濁度、余氯、PH值、流量、累計流量。(5 )監(jiān) 控 變 頻 電機的頻率。(6 ) 控 制 回 收池的每一臺

16、泵及出口蝶閥。(7 )將 以 上 信 息送回中控，從而實現(xiàn)在中控室對清泵站、污水回收池的監(jiān)控。第三章水處理遠程監(jiān)控系統(tǒng)模型設計3. 1用于過程控制的戶比3. 1. 1 PLC原理及特點可編 程 控 制器(ProgrammableL ogicController)是60年代末在繼電器控制系統(tǒng)的基礎上開發(fā)出來的。隨著超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，使PLC向大規(guī)模，高性能方向發(fā)展，形成了多種系列化的產品。PLC不僅能實現(xiàn)繼電器控制所具有的邏輯判斷，計數(shù)、計時等順序控制，同時還具有執(zhí)行算術運算，對模擬量進行控制等功能。隨著PLC軟硬件功能的進一步加強，PLC己經發(fā)展規(guī)律成為一種可提供諸多功能的成熟的控制系統(tǒng)

17、，它能與其他設備通信，生成報表，調度產出，可診斷自身故障及機器故障。這些改進使PLC符合今天對高質量產出的要求。盡管PLC功能越來越強，但還是保留了向前簡單與易于使用的特點。無疑，PLC將在今后的工業(yè)自動化領域扮演重要的角色。在未來的工業(yè)生產中，PLC技術和機器人、CAD/CAM將成為實現(xiàn)工業(yè)生產自動化的三大支柱。PL C可 以簡單的視為具有特殊體系的工業(yè)計算機，只不過它比一般的計算機具有更強的的與工業(yè)過程相連的接口，具有更加適用于控制要求的編程語言。由于有特殊的接口器件及監(jiān)控軟件，因此其外形不象計算機，編程語言甚至工作原理與一般的計算機也有一定的差別。PLC的特點表現(xiàn)為以下幾個方面:1. 硬

18、件 的 可靠性高PL C 專 為 在 工業(yè)環(huán)境的惡劣條件下應用而設計。一個設計良好的PLC能置于有很強的電噪聲、電磁干擾、機械振動、極端文檔和濕度很大的環(huán)境中。為了及時診斷故障，有的公司研制了智能可編程I/O系統(tǒng)或故障檢測程序，供用戶了解I/O組件狀態(tài)和監(jiān)測系統(tǒng)的故障，近來還發(fā)展規(guī)律了公共回路遠距離診斷和網絡診斷技術。2. 編 程 簡 單和 使用方便PL C 采 用面向過程、面向問題的”自然語言”編程，容易掌握.。目前大多數(shù)PL C均采用梯形圖語言的編程方式，既繼承了傳統(tǒng)控制線路的清晰直觀感，又顧及 大多數(shù)電氣人員的讀圖習慣及應用位機的水平，很容易被電氣人員所接受，易于編 程.，序改變時也容易

19、修改，很靈活方便。3. 接 線 簡 單 和通用性好PL C 的 接 線 只需要將輸入信號的設備與PLC輸入的端子連接.將接受輸入信號執(zhí) 行控制任務的執(zhí)行元件與PLC輸出端子連接.PLC的編程邏輯提供了能隨要求而改變的”接線連接”這樣生產線的自動化過程就能隨意改變，這種性能使PLC有很高的經濟效益.4 強 大 的控制網絡功能PL C 可 連成功能很強的網絡系統(tǒng)。PLC可組成的網絡的傳輸距離可達幾千米，傳輸速率可達1M-IOMbps，網絡節(jié)點可達上千個。網絡之間可以級連，網上可以兼容不同類型的可編程控制器和計算機，從而組成控制范圍很大的局部網絡，并且可通過INTERNET和外部網絡連接。從 以上

20、各 點可見，在工業(yè)應用中使用PLC的好處很多，用戶可獲得高性能、高可靠性帶來的高質量和低成本。3.1. 2 P LC的模塊化結構分析世界 上 各 個公司的可編程控制器都采用的是模塊化的設計思想，模塊化可編程控制器采用搭積木的方式組成系統(tǒng)。即把CPU、信號的采集和輸出都做成一個一個相對獨立的模塊，模塊之間需要用機架(主機架，擴展機架)將各模塊聯(lián)成整體;有多塊機架，由于PLC的主機架所能裝納的I/O模塊數(shù)量有限，故常用I/O擴展機架來裝納控制系統(tǒng)所需要的I/O模塊。在一個機架上插上CPU、電源、I/O模塊及特殊功能模塊，就構成一個總I/O點數(shù)很多的大規(guī)模綜合控制系統(tǒng)。在某個特定的工程項目中，用到什

21、么模塊，就使用什么模塊。這種結構形式的好處是:(1 )可根據工程的實際需求，選用不同檔次的CPU及各種I/O模塊，靈活組織一個PLC，為工程節(jié)省不必要的開支。(2)其模塊尺寸統(tǒng)一，安裝整齊，對于I/O點數(shù)很多的系統(tǒng)造型，安裝調試，擴展，維修等都非常方便。在這個設計之中我們所使用的thyseen公司的可編程控制器也是屬于這個類型。模板可根據不同的功能分為電源、CPU, CP通信模板、IM擴展模板、信號處理模板等等;同一類型模板中，還根據處理信號的能力，處理信號的種類不同，分成不同種類的模板。一個 PL C系統(tǒng)可包括以下幾種模板類型:I， 電 源 模板現(xiàn)代 PL C一般都配有開關式穩(wěn)定電源，可供內

22、部電路使用，也有一部分電源還可以向外提供24V的直流電源，給開關量輸入單元連接的現(xiàn)場無源開關使用，或給外部傳感器供電，應當說明的是，要用多大功率的電源是根據內部電路和外部供電的電流數(shù)之和來決定的。即先確定模板的個數(shù)和種類，也就確定它們所消耗的電流之和，從而才能確定使用什么樣的電源。2. 中 央處 理器模板(CPU)CP U 板 是整個PLC的中央處理單元，是PLC的運算控制中心。CPU板由微處理器、存儲器、系統(tǒng)控制電路、I/O控制接口電路、編程器接口電路及通信借口電路組成，其中存儲器包括系統(tǒng)存儲器和用戶存儲器。系統(tǒng)存儲器用于存放PLC_的系統(tǒng)程序和系統(tǒng)工作參數(shù)。用戶存儲器用于存放用戶編制的程序

23、和工作數(shù)據，一般來說，系統(tǒng)存儲器的內容是隨PLC產品的制造要求，有PLC制造廠在產品出廠前設定，用戶不能訪問或更改。用戶存儲器一般分為兩類，一類用于存放用戶編制的控制程序，一般不變動，除非生產工藝變動使得用戶重新編寫控制程序;另一類是PLC控制程序的工作數(shù)據存儲器，它在PLC工作過程中，不斷存放計算結果和狀態(tài)數(shù)據。通常，CPU按照系統(tǒng)程序所賦予的功能完成以下任務:(1) 接 收 并 存 儲以編程器輸入的用戶程序和數(shù)。(2 )診 斷 電源 .PLC內部的工作狀態(tài)和編程的語法錯誤。(3 )用 掃 描 方 式接收輸入信號，送入PLC的數(shù)據寄存器保存起來。(4 )P L C 進 入運行狀態(tài)后，根據存放

24、的先后順序逐條讀取用戶程序，進行解釋。(5 )將 用 戶 程 序的執(zhí)行結果送至輸出。3. 通 訊 處 理 器(CP)模板當今 較 為 先 進 的PLC的結構基本都是屬于總線形結構。即無論是上位機還是下位機都被看作總線上一個一個處理單元。他們都是通過通信處理器(CP)串聯(lián)在總線上的?？偩€上的大量的數(shù)據都是通過通信處理器來進行通信。4. 信 號 模板和輸 出 控 制 量 的轉換接口，輸入單元接收操作指令和現(xiàn)場的狀態(tài)信息，如控制按鈕，操作開關和限位開關，光電管，繼電器觸點，行程開關，接近開關等信號，并通過輸入電路的濾波，光電隔離和電平轉換等將這些信號通過輸出電路的光電隔離和功率放大等轉換成現(xiàn)場需要的強電信號輸出，以驅動接觸器、電磁閥、執(zhí) 行元件。實際 生 產 中 的 信號電平多種多樣。外部執(zhí)行機構所需的電平也是多種多樣的，而可 編程控制器的CPU所處理的只能是標準電平，正式通過I/O接口實現(xiàn)了這種信 號電平的轉換。為了適應各種各樣的過程信號，有許多種I/O接口模塊與之對應 ，其中主要包括的模塊有:(1) 數(shù) 字 量 輸 入1輸出模塊數(shù) 字 量 輸 入 /輸出采用光點禍合器或隔離脈沖變