基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计.doc
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毕业论文（设计）
论文（设计）题目：
基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计
系别：
物理与机电工程学院
专业：
机械设计制造及其自动化
学号：
2010105602
姓名：
陈政
指导教师：
陆正杰
时间：
2014年06月
河池学院
毕业论文（设计）开题报告
系别:
物理与机电工程学院专业:
机械设计制造及其自动化
学号
2010105602
姓名
陈政
论文（设计）题目
基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计
命题来源
þ教师命题□学生自主命题□教师课题
选题意义（不少于300字）:
中国是一个干旱缺水严重的国家，淡水资源总量为28000亿立方米，占全球水资源的6％，仅次于巴西、俄罗斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1／4、美国的1／5，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。
我国水资源短缺、水污染严重、水土流失严重、水价严重偏低、水资源浪费严重。
而且南方水多，北方水少。
西部水少，沿海水多。
据统计，我国目前缺水总量估计为400亿立方米，每年受旱面积200万~260万平方千米，影响粮食产量150亿~200亿千克，影响工业产值2000多亿元，全国还有7000万人饮水困难。
缺水对环境和人的身心健康都有着严重的影响。
随着社会经济的发展，水对人民的生活与生产的影响越来越重要，人们对供水的质量与安全保障的要求不断提高。
加强供水系统的监控是一项重要而有效的节水降耗措施，同时又能降低供水系统的能耗。
因此加强水处理厂的各个工艺环节的自动监测与控制具有重要意义。
由于历史现实的原因，我国水厂自动化的总体发展水平还不高，发展也不平衡。
大中城市的水厂特别是发达地区的大型水厂，自动化程度较高，而小城市和城镇的水厂特别是落后地区的小型水厂，自动化程度较低，有些甚至还是空白。
并且，在一些已实现自动化的水厂中，虽然其自动化系统和设备与其它行业如化工、电力等相比不差甚至更先进，但是，其功能并未充分发挥出来。
有的自控系统从未运行过，一直处于闲置状态；有的运行一段时间后变为了手动，甚至处于瘫痪状态，造成了自动化系统和设备的极大浪费。
因此,对水净化处理控制技术的研究具有极其重要的现实意义。
PLC作为一种新型的工业控制器,以其通用性好、安装灵活、扩展方便、可靠性高、性能价格比高等一系列优点,在工业控制中得到越来越广泛的应用,在自来水处理中也得到广泛的推广，近年来随着科技的发展，工业控制的稳定性、自动化程度不断提高，使得其成为城市自来水处理自动化方面的首选。
研究的目标和主要内容（不少于400字）
（1）查阅各种资料，了解水厂净水处理的基本工作原理；
（2）研究基于PLC控制的自动系统设计
（3）研究该系统的实用性及经济作用
深入了解和分析被空控对象的工艺条件和控制要求。
系统完成的动作，自动工作循环的组成，必要的保护和联锁等。
拟采用的研究方法
1、PLC的选型。
通过操作，设计一个PLC水净化处理控制系统装置。
按控制要求选择外部设备，确定系统所需的用户输入，输出设备（常用的输入设备有按纽、选择开关、行程开关、传感器等，常用的输出设备有继电器、接触器、指示灯等等），设计PLC外部电路的接线图。
根据已确定的拥护I/O设备,统计所需的输入信号和输出信号的点数,选择合适的PLC类型。
2、熟悉PLC主机的结构，熟悉编程器的功能和编程语言。
进一步熟悉编程器，掌握输入\输出、定时器\计数器、微分、保持继电器等常用指令的功能和编程方法。
设计应用系统梯形图程序，编写控制程序。
将程序输入PLC，进行软件测试。
3、本次毕业设计的研究内容主要是通过网络、图书馆查阅各种相关资料。
研究工作的进度安排
2014.2.20-3.10收集相关资料，与指导老师取得联系，确定毕业设计题目，上交开题报告
2014.3.12-3.20查询课题资料，编写控制程序并设计流程图
2014.3.21-3.30开始毕业设计作品制作
2014.4.1-4.30毕业设计的撰写
2014.2-4月根据导师意见，进一步修改论文
2014.5月答辩。
参考文献目录（作者、书名或论文题目、出版社或刊号、出版年月日或出版期号）
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清华大学出版社，2005：
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指导教师意见
该同学毕设选题“基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计”在生活用水净化领域中被广泛应用。
前景广阔，选题具有一定的实用价值。
选题研究目标明确，内容定位准确。
前期准备充分，研究进度计划合理，具有可行性。
同意开题。
签名：
年月日
教研室主任意见
同意开题。
签名：
年月日
目录
摘要 1
关键词 1
引言 1
1净水处理的总体介绍 2
2各控制环节的具体操作 3
2.1取水泵的选择和控制 3
2.2絮凝剂的投放控制 3
2.3沉淀过滤淤泥的清理控制 4
2.4活性炭的定时更换 4
2.5加氯消毒控制 5
2.5.1系统结构 5
2.5.2控制特点 5
3系统硬件设计 7
3.1系统所需仪器设备 7
3.2电气控制系统 7
3.3净水处理系统的工作原理 7
3.3.1控制系统总体框图 7
3.3.2工作过程 8
3.3.3净水处理系统主电路设计 8
3.4PLC选型 9
3.5PLC的I/O分配 10
4软件系统设计 12
4.1总体流程设计 12
4.2手动模式 12
4.3自动模式 13
4.6PID控制 16
5调试和运行结果 17
5.1硬件系统的调试 17
5.2软件系统的调试 18
5.3运行结果 18
6总结与展望 19
参考文献 20
Abstract 21
Keywords 21
附录 22
致谢 24
河池学院2014届毕业论文（设计）
基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计
机械设计制造及其自动化专业陈政指导教师：
陆正杰
[摘要]水是关系到国民生计的一项重要资源，随着人们生活水平的提高，人们对水的质量要求也越来越高，因此水厂的水净化处理方法就显得尤为重要。
本课题通过了解对比国内外已建水厂自动化控制系统的现状，器具设备越来越智能化的发展趋势，以及现今我国欠发达城市水厂现状，设计了一套以PLCFX2N作为主控制器的自来水自动控制系统，该系统能实时监控水处理的每一个环节，包括自动投明矾、加氯，检测水的PH值，水的流速大小和水的浑浊度投放药量等，并自动储存数据。
该系不仅统降低了能耗，提高了管理水平，而且和人力手动投放药相比，其精确度更准，大大提高了供水质量和节约了人力成本。
对推进我国中心型水厂给水工艺的发展和减小与先进水平的差距都具有重要现实意义。
通过运行的情况表明，该系统经济实用，功能齐全，性能稳定可靠，值得推广。
[关键词]中小型PLC；自动控制系统；上位机监控系统；自来水净化；
引言
随着社会经济的发展，水对人民的生活与生产的重要性日益突出，人们对供水的质量与安全性的要求也越来越高。
加强供水系统工作的监测是一项重要而有效的节水降耗措施，因此加强水处理厂的各个工艺环节的自动监测与控制具有重要意义。
水厂自动化的主要目的不仅是节省劳动力，降低成本，减少维修危险性，更主要的是实现优质、可靠、高效的供水保证。
过程生产的自动检测、调整、控制和事故报警可确保设备在设定状态下运行，实现不间断的可靠供水。
过滤、投药、消毒等过程实施闭环控制，实现随着水的流量、水的浑浊度变化及时调节工艺参数，确保出水水质的达标。
凭着现代化技术手段对生产过程进行管理和控制，提高设备的可靠性和运行效率，是技术发展的必然趋势。
[1]
现代水处理厂采用计算机控制技术已经非常普遍。
欧美大部分国家净水处理厂早就完全用计算机进行数据记录和运行过程控制，像美国、英国、法国这些国家大部分已经实现全自动化无人值守控制模式。
在厂区内设有相关数量的现场计算机，对整个水处理过程实现多环路控制，其中包括沉淀、过滤和反冲洗、化学药剂投放等。
设在中心控制室内的计算机主机从各个现场计算机中搜集数据，并入提供图表显示、曲线、各个设备动作记录。
[2]
由于中国的实际国情，我国水厂自动化发展的总体水平相对落后，发展也不平衡。
大城市的供水厂特别是发达地区的大型水厂，自动化程度早较高，而小城市和县级的水厂，自动化程度就低了很多，甚至有些还是空白。
并且，在一些已经实现自动化的水厂中，虽然其设备和自动化控制系统与其它行业如电力、化工等相比不差甚至更先进，但是，其功能并未充分发挥出来。
有的自控系统为了应付上级检查只是安装在那里，一直处于闲置状态；有的运行一段时间后，又变为了手动，甚至处于瘫痪状态，造成了资源的极大浪费。
因此设计一套以PLC为主的控制系统来控制净水的各个主要环节，不仅降低运行成本，提高了效率，且用科学的方法保证了水的质量，具有很高的研究价值。
[4]
1净水处理的总体介绍
图中主要分为以下几个工艺过程：
（1）取水：
用多台抽水泵将河流、水库、地表等处的水抽入净水厂储水池。
图1净水系统流程图
（2）加絮凝剂：
刚取的水有很多杂志，漂浮物等，这时就需要加絮凝剂混合后进行反应，并清理反应后沉淀的污泥。
（3）平流池沉淀：
和混凝剂反应后的水从栅格低速流过平流沉淀池，让悬浮颗粒等杂质沉淀，并排出沉淀的污泥。
（4）过滤沉淀：
平流池的沉淀后水还有颗粒杂质在里面，这时就要通过颗粒介质（活性炭）来去除其中悬浮杂质使水澄清，并定时更换活性炭。
（5）药剂的投加：
经过活性炭吸附后，按工艺要求投入氯气，达到消毒的目的。
（6）送水：
多台水泵将自来水以一定的流量和压力送入供水管网。
过去的自来水厂净水过程简单且操作麻烦，精度又不是很高，不能很好地确保水的质量。
为此，我根据上述的净水流程图，在相关环节设置了一套以PLC为主的自动控制系统。
[3]
2各控制环节的具体操作
2.1取水泵的选择和控制
水泵是给水系统中的主要升压设备。
较多采用离心式水泵。
水泵的吸水方式分水泵直接从室外管网抽水和水泵从贮水池抽水两种。
水泵的选择原则，应是既满足给水系统所需的总水压与水量的要求，又能在最佳工况点（水泵特性曲线效率最高段）工作，同时还能满足输送介质的特性、温度等要求。
生活给水系统的水泵，宜设一台备用机组。
生产给水系统的水泵备用机组，应按工艺要求确定。
每组消防水泵应有一台不小于主要消防泵的备用机组。
不允许断水的给水系统的水泵，应有不间断的动力供应。
当采用设水泵、水箱的给水试时，通常水泵直接向水箱输水，水泵的出水量与扬程几乎不变，选用离心式恒速水泵即保持高效运行。
对于无水量调节设备的给水系统，在电源可靠的条件下，可选用装有自动调速装置（变频调速器）的离心式水泵，其工作原理是在水泵出水口或管网末端安装压力传感器，将测定的压力值，转换成电信号输入压力控制器，再与控制器内根据用户需要设定的压力值比较。
2.2絮凝剂的投放控制
投药混凝剂是水质净化最重要的环节，准确投加所需要的混凝剂量是获得较好混凝效果及经济效益的最关键问题。
本系统由“液位仪”、“计量泵”组成,可手动或自动控制。
“液位仪”自动检测当前加药箱中的药液高度，当液位低于设定值时，液位仪的报警铃启动，提示工人组织药液向加药箱中加药，当液位到达设定值时，报警铃停止报警。
“计量泵”当源水泵启动时，加药控制部分控制空压机启动搅拌混凝剂。
计量泵根据源水流量计或源水变频器的信号调节加药量，向源水管道或源水泵中加药，并在仪表上显示。
絮凝剂从药粉仓中输出后，经过一个射流混合器在溶解箱中混合。
运行时，射流混合器顶端的喷嘴喷出的水流形成了一层转动的水膜，干粉物质从上端落到水膜上，并随着水膜旋转下落。
在此过程中粉状絮凝剂粉末被润湿。
由底端喷嘴喷水形成的一个强力冲击的横断水流层使絮凝剂进一步被溶解，而部分从中间落下的干态物质也被溶解。
在加药箱里有三个液位检测开关，分别为高液位、低液位和极低液位。
正常工作状态在高、低液位之间，到低液位时系统自动开启进水电磁阀，同时开启干粉喂料电机。
喂料电机的运行由PLC程序发出的时序脉冲信号来控制，这种运行方式可以很好的保证配制药液的浓度。
当出现异常情况时，系统将自动停止运行并发出报警信号。
当溢流信号出现时系统将报警并显示故障原因；当极低液位动作时，系统将自动停机并报警，这一设计是为了在断水的情况下保护加药泵，防止加药泵干抽。
2.3沉淀过滤淤泥的清理控制
当河水等经过沉淀过滤后会产生一些淤泥之类的沉淀物，这时就要求及时清理干净，保证水的清洁度。
因此，我选择淤泥泵来清理。
淤泥泵为干式下泵型，电机采用油室密封方式，内部设计有机械密封装置，能有效防止杂质和高压水进入电机内腔。
该机除了主叶轮外，还有搅拌叶轮，能将沉淀于水底的淤泥搅拌成湍流后抽取出来。
电机放入水下，吸渣率高，不受吸程限制，清淤更彻底。
整体设备简单，不需配备辅助搅拌装置或喷射装置，操作也简便，机组总投资降低，是最佳选择。
2.4活性炭的定时更换
活性炭可采用湿式投加和干式两种方法。
经过综合考虑，本设计采用干式投
加法。
干法工艺采用直接由给料设备将炭粉投入到水射器中，通过水射器将炭粉投加到投加点中，粉炭的计量是通过给料设备来完成的。
干式投加采用的主要设备是干粉投加机，通过料仓给料、投加机螺杆输送，并利用水射器将粉末炭投入水中。
干式投加运转可靠、给料均匀、驱动功率和占地面积小、操作管理又方便、
容易实现自动控制，水射器设备简单、工作可靠，使用起来也方便。
因此，本设计经过权衡对比决定采用干式投加方式并组成自动投加成套设备。
其自动投加原理如下：
图2
2.5加氯消毒控制
2.5.1系统结构
双回路加氯、独立后备设备、自动称重、漏氯报警、自动压力保护。
PLC与加氯机通过智能口通讯连接，相互联系。
水质参数均测入PLC，通过PLC传输至加氯机；PLC有完整的控制方案，当加氯机控制器故障或有其它缺陷时，PLC能够自动控制，精确加氯。
2.5.2控制特点
氯气输送管道配备了隔膜压力仪表，PLC与压力表相连接，监控中心实时监控氯瓶压力。
双供气系统自动切换控制，PLC与自动切换控制器相连接，监控中心实时监测供气状况，确保连续不断的向加氯机供气。
PLC对前加氯机加氯量进行自动比例控制。
其控制比率值可以预设定（根据经验和季节的不同）；通过监控中心的计算机随机更改和设定。
进行流量配比控制，根据源水浊度调节比例系数，进行智能控制。
PLC对后加氯机采用复合环加氯控制方式，根据滤后水流量及余氯分析仪的反馈值对加氯量进行复合环控制。
采用智能PID算法，对余氯值进行高精度控制，使出厂水始终达到标准。
前后加氯机共备用一台加氯机，PLC将据其工作方式施加控制方案实现计算机远程自动控制、就地手动控制和加氯机本身自动控制多功能。
加氯机本身和PLC对加氯量均能进行闭环控制，根据现场特点通过加氯机能够进行经典的闭环控制，通过PLC更能进行模糊智能控制，提高制水质量，降低耗氯量。
PLC对投加量、故障、设备运行情况及重要参数自动记录、存档、分析，并定期给出报表；计算机自动记录切换时间及每一氯瓶的供气时间与供气量，以备生产管理和成本分析。
[5]
加氯机阀门关5s
加氯机阀门关3s
出水
加氯机阀门开5s
加氯机阀门开3s
滤后水余氯是否小于下限值
相关机构和复位信号
滤后水余氯是否小于下限值
滤后水余氯是否大于上限值
滤后水余氯是否大于上限值
两次加氯间隔隔时间
出水厂余氯报警信号
初始化
图3漏氯报警和保护系统
3系统硬件设计
3.1系统所需仪器设备
本系统包括中控室、取水井、加矾加氯间、反应池、过滤池、清水池、送水泵房、管网等各环节组成，各子系统由PLC站控制，中控室有2台分别用于生产管理与监控的算机，中控计算机可实时显示各PLC单元控制的仪表、机电、加矾、加氯设备和滤池在内的工作情况，可对系统的所有设备进行远程操作和控制。
PLC接收流量、浊度、压力无线远传信号，控制加氯、加矾量；管理计算机用于显示、存储视频信号，以便于管理。
仪器仪表的分布主要设置在三个地段：
取水口处检测水源各项指标，保证最快地决策投矾量，避免由于延迟带来的投矾量误差；滤池后检测的各项指标起到反馈调节的作用，自动微调投矾加氯量，使整个系统成为一个闭环调节系统，保证实现最佳控制；在自来水出厂之前再对所有指标做一次检测，一方面这个数据上报管理机构存档，可以直接打印报表，另一方面是为防止特殊环境下清水池污染等突发事件发生时可以及时报警。
3.2电气控制系统
电气控制系统主要包括操作面板，电气控制柜等单元。
由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，根据设定的程序进行数据处理后，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格按照检测信号的输入进行控制。
[6]
（1）操作面板：
操作面板主要包括手动、自动、各类设备的启动按钮等。
（2）显示面板：
显示面板由于要显示较多的数据，因此一般采用触摸屏或者人机界面
（3）电气控制柜：
电气控制柜是电气控制的核心设备，主要包括各类传感器的输入信号、PLC及其扩展模块等。
3.3净水处理系统的工作原理
3.3.1控制系统总体框图
净水处理系统的电气控制系统总框图如图4所示，PLC为核心控制器，通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入，以及相关信号的输入，完成相关设备的运行、停止和调速控制。
3.3.2工作过程
在手动状态下，各类设备的控制使根据操作面板上的按钮输入来控制，没有逻辑控制，可以不根据传感器状态进行控制，在自动方式下进行控制，系统根据
检测到外部传感器的状态对设备进行启动、停止控制，其工作过程如下：
操作面板
液位差传感器输入信号
可编辑控制器PLC（FX2N-36mr）
显示面板
液位高度传感器输入
水浑浊度检测
变频器
加氯机
各类电磁阀运行
泵类设备运行
电机
图4电气控制系统框图
接通电源，自动控制方式启动。
运行粗格栅，进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行；
（1）根据反馈回来的液位差状态控制清水机运行与停止；
（2）进行泵房中的潜水泵根据液面高低进行运行和停止；
（3）投药机根据水的浑浊度和流速反馈的模拟量经PLC运算后进行控制。
（4）在净水系统中，投药机的启动采用顺序控制方式，依次启动设备。
[7]
3.3.3净水处理系统主电路设计
主电路是由各个电机、泵与电网的连接。
如图5所示，为主电路连线图。
三台电机分别为排淤机（M1）、投放电机（M2）、水泵电机（M3），接触器MK3、KM2、KM6分别控制M1、M2、M3、的工频运行；接触器KM5、KM9分别控制M1、M3变频运行；QF1为主电路的开关；FU1为主电路熔断器；FR1、FR2、FR3
排淤电机投放电机水泵电机
图5主电路接线图
分别为三台电机过载保护的热继电器；选MM430变频器是用来控制电机M1、M3变频运行的。
3.4PLC选型
PLC是可编程控制器的简称，在本系统中PLC代替了原先的硬接线的控制逻辑电路，实现了生产的自动控制；
PLC比先前的继电器控制具有如下优点：
（1）可改变控制程序：
在水厂生产流程或工艺改变的情况下，不必改变PLC的硬件设备，只要改变相应的程序就可满足用户要求。
（2）适用于工业环境，可靠性高：
PLC产品的平均无故障时间达5年以上，因此它是一种高可靠性产品，大大提高了生产设备的工作效率。
3）PLC功能齐全：
一般PLC具有开关量和模拟量输入/输出、计数、定时、逻辑和算术运算、顺序控制、PID调节、通讯等功能。
除了应用于开关量控制系
（统外，也可用于连续的流程控制系统，从而使净水处理设备的控制水平大大提高；
（4）易掌握，便于维护：
使用人员只要掌握工程上通用的梯形图语言就可进行用户程序的编程和调试，又由于PLC具有自诊断功能，因而较容易进行维护，查出故障原因。
本文采用日本三菱公司的FX2N系列中的FX2N-32MR型号系列PLC，其型号位32X，本文使用一个8位的I/O扩展模块。
PLC通过各种模块接口采样电信号；控制信号由PLC输出后以4-20mA电流形式送到执行机构，控制执行机构的动作。
[8]
3.5PLC的I/O分配
表3-1输入地址分配
输入地址
输入设备
输入地址
输入设备
X0
启动开关SB1
X8
手动格栅池进水泵SB3
X1
格栅井低位液位计B1
X9
手动调节池进水泵SB4
X2
格栅井高液位计B2
X10
手动反应池进水泵SB5
X3
调节池低位液位计B3
X11
手动絮凝投放机SB6
X4
调节池高位液位计B4
X12
手动活性炭变换机SB7
X5
反应池低液位计B5
X13
手动反应池排水泵
X6
反应池高液位计B6
X7
停止开关SB2
表3-2输出地址分配
输入地址
输入设备
输入地址
输入设备
Y0
格栅池进水泵KM1
Y9
活性炭机KM7
Y1
格栅池高液位报警灯HL1
Y10
手动格栅池进水泵KM8
Y2
调节池高液位计报警灯HL2
Y11
手动调节池进水泵KM9
Y3
调节池进水阀KM2
Y12
手动反应池进水泵KM10
Y4
水浑浊度检测器KM3
Y13
投氯机KM11
Y5
反应池高液位报警灯HL3
Y14
手动排泥机KM12
Y6
絮凝剂投放机KM4
Y15
手动反应池排水电机KM13
Y7
排污机KM5
Y8
冲洗机KM6
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