基于ABPLC在卢龙县自来水厂滤池1.docx

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1、基于ABP1C在卢龙县自来水厂滤池自动控制系统设计摘要供水是关乎民生的重要产业之一，本次设计为卢龙县自来水厂自动控制系统中，滤池过滤控制环节，文中首先对于整个卢龙县自来水厂的工作机制进行了概述，其次介绍了本文应用的主要理论PID控制理论。随后根据该理论设计卢龙县滤池自动控制系统，完成该系统的理论部分，从理论上阐明该系统的可行性以及系统优势。随后选择相应的执行硬件，进行进一步设计，从硬件以及软件两个角度对于该系统设计进行了详细说明。此外由于P1D调节需要进行相关整定，故在硬件设计部分，给出了参数整定计算的详细过程。软件部分则分为恒水位控制以及反冲洗控制两个方面来实现，其中恒水位控制为主程序，当系

2、统达到反冲洗的相关条件时（包含人工强制反冲洗件）,反冲洗系统为子程序。关键字：P1C；PID；卢龙县水厂1引言31.1絮凝沉淀31.2滤池过滤、反冲31. 3消毒杀菌42. 4恒压供水42 .PID控制算法42.1 PID控制原理42.2 现场滤池控制器63 .系统硬件设计以及整定83.1 硬件设备清单83.2 系统的硬件配置设计93.3 控制参数整定1()4软件总体方案的设计134.1 控制方案流程图134.2 系统实现14结论14参考文献161引言供水是关乎民生的重要产业之一，卢龙县水厂水源地是县城西侧的青龙河，经取水泵站及输送管线提升至厂区，其流程大致为，经过絮凝池絮凝后，通过滤池过滤，

3、然后经过加氯再次净化最终生产出合格的自来水。然后经由送水泵放增压系统供给整个卢龙县城区居民用水。其中传统滤池都是经由人工来调整以满足工艺需求。但是由于人工操作对于工作人员工作经验要求较高，因此人力成本支出相对较高，为了降低人力成本，利用机械替代人工控制，是卢龙县水厂现阶段面对的主要问题之一。X.1絮凝沉淀卢龙县自来水厂根据当地水质，最终选用的絮凝剂为聚合氯化铝，其投放处为沉淀池的入口处。聚合氯化铝可以吸附水中杂质形成较大颗粒的絮凝体，水厂工作者通常称其为矶花部分矶花在此处沉淀，其余部分则在平流沉淀池中随着水流放缓，沉入水中。沉淀池工作的难点在于絮凝剂投放剂量的控制。该处需要控制系统根据进水量、

4、初始浑浊程度、絮凝剂浓度等相关因子计算投放絮凝剂的投加量。同时，采用P1D控制调整絮凝剂泵频率，实现闭环控制。1.2滤池过滤、反冲自来水厂经过沉淀池处理后，较大颗粒均已去除，但是其无法保证沉淀池出来的水质可以满足国家标准，因此需要进行进一步过滤。故卢龙县自来水厂采用V型过滤池，该处设备原理为，通过时时调整出口处阀门的开度，保证滤池中进出水量的动态平衡。1. 3消毒杀菌根据2007年7月1日我国标准委和卫生部联合发布的生活饮用水卫生标准，卢龙县自来水厂，选用氯气消毒的方式，消除水肿微生物。该种消毒方式的原理为，利用氯气与水反应生成次氯酸，利用次氯酸的强氧化性杀死水中微生物，从而达到消毒杀菌的目的

5、。但是由于次氯酸本身具有毒性，因此投放量需要严格控制。2. 4恒压供水由于卢龙县管网的用水量处于不断变化状态，具有极强的不确定性。因此目前卢龙县自来水厂一般采用恒压供水的方式，进行输送。该种输送方式是通过改变变频泵的频率，以保持出水压力恒定，满足卢龙县官网用水需求。3. PID控制算法3.1 PID控制原理PID调节英文名称为proportiona1Integra1Differentia1,是比例积分微分调节的英文缩写方式，是我国目前比较成熟的经典闭环控制，也是现阶段我国运用最为成熟的调节方式。其实质为，根据输入的偏差，按照比例微分积分的函数关系进行相关计算，并且将运算结果用于输出控制。在实际

6、工业生产过程中，由于P1D调节不需要明确控制系统的数学模型即可进行相关调节，并取得令人满意的结果，因此PID调节在工业生产中应用较为广泛。此外，P1D控制具有典型的结构，可以根据被控制对象，采用各种P1D的变种，具有极强的灵活性以及广泛的适用性，故本次设计采用传统的P1D调节方式。由于本次设计对于工作系统的稳定性要求较高，因此控制系统采用美国A1en-Brad1ey公司的P1C。同时硬件上辅助配备A/D转换模块、D/A转换模块。同时软件方面有两条方案可以选择：方案一、购买成套PIDM模块，根据供应商提供数据手册，只需设定好P1D功能参数即可运行相关PID指令。方案二、自行设计系统梯形图。对比两

7、种方案，方案一虽然看似简洁方便，但是由于供应商只提供标准的P1D算法，应用于卢龙县水厂时，灵活性以及实用性较差。故只能采用供应商提供的各种PID控制的变种。但是由于不完全微分P1D控制、积分分离P1D控制的相对复杂，工程量较大。故本次采用方案二，自行设计系统梯形图程序。其原理框图如图2.1所示：图2.1模拟PID系统原理框图本次设计PiD控制器为一种线性控制器，其根据给定值R(O与实际输出值c(。构成控制偏差:(公式2.1)E(t)=R一C(t)通过组合P1D控制器，其最终控制规律为：U(t)=KpE(t)+1Edt+&磬11。 dt(公式2.2)式中:KP表示比例系数Ti表示积分时间常数Td

8、表示微分时间常数E(t)表示系统设定值和被控量之差U(t)为整个控制器的输出2.2现场滤池控制器滤池控制器的首要控制目标为滤池的液位，即将滤池中的液位稳定在固定值范围内，从而达到维持相对稳定过虑速度的目的。本次设计中，卢龙县水厂的液位控制有调节阀来完成。其反馈信息来自液位计的液位信号，P1C作为核心控制处理器，调节阀作为执行器，从而形成一个典型的闭环控制系统，其原理如图2.2所示。在该闭环控制系统中，将液位计测定值与设定值进行比较，利用比例积分环节进行相关计算，并将计算结果送至调节阀的执行器，控制原理简单，效果可以满足设计目标，液位控制精确。图2.2滤池液位控制框图本次设计的基本原理为双位调节

9、控制，当滤池中液位高于设定值是，打开阀门；当滤池中液位低于设定值时，关闭阀门。虽然理论如此，但是在实际应用中，有股频繁的开关动作，系统的执行器（阀杆、阀芯等相关设备）受到频繁的摩擦作用，损坏频繁，在无形中会大大增加自来水厂的运作成本，因此处于成本考虑，该方法需进一步改进。个：1、系统震荡加强从极端角度考虑，双位调节可以看做为一个比例系数极大的比例控制，任何偏差都会导致饱和与满载两种不同的工作状态。根据比例环节对于系统的影响，可以推断出导致执行器频繁动作的因素大致可以分为两，系统稳定性下降管；2、系统工作频率提高，工作周期减少。因此如果较少相关比例系数，即可较少阀门的冗余动作，从而增加系统的稳定

10、性,其流程如下：图2.3出水阀的液位控制流程3,系统硬件设计以及整定3.1 硬件设备清单本次设计所需的主要硬件设备如下表3.1所示：。表3.1滤池自控硬件设备清单序号设备名称设备型号数量IP1C1OGIX5550I756-11A92P1C机架17S1OTSCHASSIS1756-A17B93P1C电源POWERMODU1E(AC)I756-PA75A94开关量输入模块D1MODU1EI756-IB3295开关量输出模块DOMODU1E1756-OB16E96模拟量输入模块AIMODU1EI756-IF897模拟量输出模块AOMODU1E1756-OF6CI98P1C与PC通信模块RS-2329

11、9PC机1ENOVO奔月2000PIII/8661该套设备爱中，以1OGIX5550作为主控制器，其主要功能为与各个现场P1C通信、收集执行器的开关信号量，协调滤池反冲洗。其余8台P1C用于各格滤池的工作,每个滤池分别由一台P1C以及配套的I/O设备组成o3.2 系统的硬件配置设计根据硬件选型，电源模块为各个子模块提供稳定电源。上位机通过自带RS-232串口与各个下位机进行通信，并且监控下位机工作状况；P1C的CPU模块负责相关的数据处理以及通信；模数转换模块，负责将收集到的模拟信号转换为P1C可识别的数字信号；数字量输出模块，负责对于各个执行器的具体控制，其硬件配置如图3.2所上位机7示:图

12、3.2硬件配置图3.3 控制参数整定本次设计为了使系统更加稳定的运行，除了选择符合卢龙县水厂设计要求的方案外，在控制算法方面必须进行必要的参数整定。由于本次设计采用的是P1D调节，即比例积分微分调节，其优势在于控制原理简单，系统设计容易实现，适用性较为广泛,同时各个参数相对独立。而相较于传统的“一阶惯性+纯滞后”系统等惯性系统加滞后系统的组合，P1D调节也更为灵活，节约相关资源。但是相较于传统方法，P1D调节需要对于相关参数进行整定计算。本次设计参数整定方法选用PID调节中较为常用的方法动态特性参数法。该种方法是根据系统的开环广义过程阶跃响应，进行近似计算的一种方法。如图3.3所示，在调节阀W

13、V(S)处加入一阶阶跃信号，记录变送器Wm(S)的输出相应曲线，更具曲线求出掉膘广义过程的动态参数，然后根据改参数值，应用相应的计算公式计算出整个PID调节器的整定参数。图3.3广义过程方框图由于本次设计主要为滤池也为的自平衡系统，故其节约响应以及传递函数可用下表中相关数据表示：表3.2自平衡过程阶跃响应曲线及其传递函数控制对象的阶跃响应曲线控制对象的近似传递函数给定的被控过程传递函数为：35,由于0.2,故采用衰减度等于0.75时的自衡过程整定计算公式便可以整定调节器的参数。表3.3自平衡过程整定计算公式参数控制规律KTiTdP1pTPI1.1-PT3.3rPID0.85-PT22由自平衡过

14、程整定计算公式可以算出：=0.8510.1667=0.1417,71=2x5=10s,Tb=0.55=2.55PID调节器的传递函数:/、八一八1CU、252+15+1We(S)=0.1417(14F2.55)=IOSIOS用mat1ab软件仿真，编程如下:s1=tf(1,30,1,Td5);s2=tf(25,10,1,10,1);sk=s1*s2;spk=pade(sk,20)s=feedback(spk,1);step(s)运行后得到的仿真波形图如图3.4所示。图3.4系统的仿真波形由于本次仿真中feedback命令不能用于带延时环节的系统，故把延时环节近似为多项式，程序中Pade命令，就

15、是利用20阶多项式来替代延时环节，也可以获得比较好的仿真结果。4软件总体方案的设计4.1 控制方案流程图本次设计软件采用RS1ogix50001来实现，该软件可以实现对于AB-P1C的编程与写入。此外该软件还可以提供极其完整的调试支持持，可以在顺序控制的同时完成运动控制。因此利用该软件可以完全实现对于各个模块设置的控制与监视。本次设计控制过程可以分为恒水位控制以及反冲洗控制两个控制过程。其中正常水位恒水位控制采用主程序控制，利用主程序来实现，反冲洗过程则选用子程序来实现。由于P1C的工作原理为，采用循环扫描的方式执行程序，这种控制方式更能节约系统资源。恒水位控制模块为，利用现场P1C的控制，根据相关传感器（一般为液位检测传感器）检测到的滤池液位变化信息，通过控制出水阀的开度来保证每个滤池处于恒水位状态；当滤池达到反冲洗条