基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计

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 ?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） [1] 刘灿生.自动化是我国水厂的发展方向[J] .给水排水 1998，24（12）：1． [2] 丁亚兰.国内外给水工程设计实例[M]. 北京：化学工业出版社.2000：61～65． [3]丁桓如.工业用水处理工程[M].北京：清华大学出版社，2005：188-245 [4] 郭凤文．水工业自动化控制技术的发展趋势[J]．中国给水排水，2001，17(3)：32～35． [5] 胡晓春.水厂自动化及设计[J]．给水排水．2000． [6] 宋保民，张泾周.上位机与PLC组建分布式控制系统时串口通信的实现[J]．机械与电子，2005，(1)：31～33． [7] 常斗南．可编程序控制器原理、应用及通信[M]．北京：机械工业出版社，1997：68～96． [8] 周万珍，高鸿斌．PLC分析与设计应用[M]．电子工业出版社．2004,5：108～132. [9] 袁任光．可编程序控制器选用手册[M]．北京：机械业出版社，2002，381～402． [10] 廖常初．PLC梯形图程序的设计方法与技巧[M]．电工技术．1998，10：59～65. 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 ........................................................................................................................ 6 3.1 系统所需仪器设备 ............................................................................................................. 6 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 .......................................................................................................................... 7 3.3.3 净水处理系统主电路设计 .............................................................................................. 8 3.4 PLC选型 .............................................................................................................................. 9 3.5 PLC的I/O分配 ................................................................................................................ 10 4 软件系统设计 ...................................................................................................................... 11 4.1 总体流程设计 ................................................................................................................... 11 4.2 手动模式 ........................................................................................................................... 11 4.3 自动模式 ........................................................................................................................... 11 4.6 PID控制 ............................................................................................................................ 16 5 调试和运行结果 .................................................................................................................. 17 5.1 硬件系统的调试 ............................................................................................................... 17

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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 Key words ................................................................................................................................ 21 附录 .......................................................................................................................................... 21 致谢 .......................................................................................................................................... 23

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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PLC FX2N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

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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。

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（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

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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：

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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

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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]

初始化 滤后水余氯是否小于滤后水余氯是否大于上滤后水余氯是否大于上相关机构和复位信号 出水厂余氯报警信两次加氯间隔隔时 滤后水余氯是否小于下 图 3 漏氯报警和保护系统

出水 加氯机阀门开加氯机阀门开3s 加氯机阀门关加氯机阀门关3s 3 系统硬件设计

3.1 系统所需仪器设备

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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

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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：

显示面板 操作面板 液位差传感器输入信号 液位高度传感器输入 可编辑控制器PLC（FX2N-36mr） 泵类设备运行 各类电磁阀运行 加氯机 水浑浊度检测 变频器 图4 电气控制系统框图

电机

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

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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。 3.4 PLC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

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（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] 3.5 PLC的I/O分配

表 3-1 输入地址分配

输入地址 X0 X1 X2 X3 X4 X5

X6 X7

输入设备 启动开关SB1 格栅井低位液位计B1 格栅井高液位计B2 调节池低位液位计B3 调节池高位液位计B4 反应池低液位计B5 反应池高液位计B6 停止开关SB2

X8 X9 X10 X11 X12 X13

输入地址

输入设备 手动格栅池进水泵SB3

手动调节池进水泵SB4

手动反应池进水泵SB5

手动絮凝投放机SB6 手动活性炭变换机SB7

手动反应池排水泵

表 3-2 输出地址分配

输入地址 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6

输入设备

格栅池进水泵KM1 格栅池高液位报警灯HL1

调节池高液位计报警灯HL2

调节池进水阀KM2 水浑浊度检测器KM3 反应池高液位报警灯HL3

絮凝剂投放机KM4

输入地址 Y9 Y10 Y11 Y12 Y13 Y14 Y15 10

输入设备

活性炭机KM7

手动格栅池进水泵KM8

手动调节池进水泵KM9

手动反应池进水泵KM10

投氯机KM11 手动排泥机KM12 手动反应池排水电机

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Y7 Y8

排污机KM5 冲洗机KM6

KM13

根据控制系统的功能要求，设计污水处理控制系统外部连线图，如图6所示。

4 软件系统设计

采用三菱公司为FX2N系列PLC开发的SWOPC-FXGP作为编程软件，上面介绍了工业污水处理控制系统的工作原理、结构和电气控制部分。硬件结构的总体设计基本完成后，就要开始软件部分的设计，根据控制系统的硬件部分和控制要求的设计情况及PLC控制系统I/O的分配情况，进行软件编程设计。在软件的设计过程中，首先按照需要实现的功能要求做出流程图，其次按照不同的功能编写不同的功能模块，这样写出的程序条例清晰，便于调试。[9] 4.1 总体流程设计

根据系统的控制要求，控制过程可以分为自动运行和手动控制功能。在手动控制模式下，每个设备可单独运行，以测试设备的性能，如图4-1所示。

4.2 手动模式

在手动模式下，可以单独调试每个设备的运行，如图4-2所示。在此模式下，可以过按钮对格栅机、电动阀门、加氯机以及各类泵进行控制；对于曝气机的控制，可以通过按钮增大或减小变频器的频率来改变其速度，以检测调试性能。 4.3 自动模式

处于自动方式时，系统上电后，按下自动启动确认按钮后系统运行，系统开始工作，其工作过程包跨一下几个方面：

系统上电后，按下自动启动确认按钮，启动抽水泵；

开始 自动 手动控制 自动控制 图4-1 模式选择流程图

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图 6 污水处理控制系统外部连线图

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格栅池进 电机启动 调节池进水电机启反应池进水电排污泥电机启抽水机启停 手动控制 加氯机

图4-2 手动操作模式流程图

启动粗格栅系统； 启动调节池系统； 启动混凝池系统； 启动污泥脱水系统；

以上工作方式并不是顺序控制方式，而是按照PLC检测到传感器状态进行启动，如图4-3所示：

图4-3 自动操作模式流程图

启动格栅 启动调节系统 启动反应系统 启动排污系统 启动抽水泵 自动控制 启动消毒系统 在自动控制模式流程图中，调用了各个控制系统程序，主要包括格栅系统程序、调节系统、反应系统及杂质污泥脱水系统程序，以下分别介绍各个子程序的工作过程。

格栅系统程序主要控制格栅机和清杂质机的运行，其工作过程包括以下几个方面：

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（1)自动过程开始启动格栅机，定时20min； (2)定时到，停止运行格栅机2h;

(3)2h定时到，运行格栅机20min，循环进行； (4)同时检查液位差，若超过设定值则启动清杂质机； (5)液位差值低于设定值，停止清杂质机运行。 格栅系统工作流程图如图4-4所示。

格栅控制 N Y 自动过程开始 转手动控 检 查 液 面 N

格栅机启动 N 超过设定值 运 行 时 间 到？ Y Y 格 栅 进 水 机 停 N

止 启动格栅排水 机

Y N 停止时间到 低于设定值 停 格 栅 排Y 止

图 4-4 格栅系统工作流程图

调节反应系统主要控制絮状物沉淀情况，其工作过程包括以下几个方面： （1）自动过程开始启动絮凝机；

(2)检测液位高度和水的浑浊度，当氯的浓度和水浑浊度低于最低位传感器时，开始定时防止误判；；

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(3)定时到后，若仍低于最低位传感器，则投絮机继续运行，否则停止； (4)监测浑浊度处于中位和高位传感器之间时，开始定时防止误判； 定时到后，若浓度和浑浊度仍持续处于高位传感器，则输出报警信号。

絮凝池控制 Y 自动过程? 转手动控制

Y 絮凝启动 N 水浓度是否达 Y

关絮凝投放阀Y N

Y 沉淀时间到

Y 关投絮机 N Y 沉淀时间到

Y 开絮凝池排水阀

絮凝池低液位

关排水阀 图 4-5 水泵工作流程图

杂质污泥脱水系统程序主要控制离心式脱水机，启动定时；

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(1)自动过程开始首先启动离心式脱水机，启动定时； (2)定时到，启动聚合物泵，启动定时； (3)定时到，启动杂质污泥泵和切割机； 杂质污泥脱水机系统工作流程图如图4-6所示

杂质污泥脱

水控制

N 延时到 转手动自动控制开

控制 始

Y N

Y

自动离心式 延时到 脱水机

定 时 开 自 动 污 泥始 泵

N 延时

到？

Y 自 动 聚合 物泵

图 4-6 杂质污泥脱水机系统工作流程图

4.6 PID控制

PID是将经过反馈后得到的误差信号分别进行比例、积分和微分运算后再叠加得到控制器输出信号，对于工业控制过程，常规PID控制器有原理简单、使用方便、稳定可靠、无静差等优点，因此在控制理论和技术发展的今天，在工业控制领域有广泛应用。常规的PID控制器的描述如式（1-1）所示：

Un=KpEn+KiEn+KdEonCn 式（4-1） 式中各参数代表的意义是：

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En: 控制器偏差输入 Eon: 系统误差变化率 Kp: 比例增益 KI: 积分增益 KD： 微分增益

微分作用KD的作用使之能够根据偏差变化的趋势做出反应，它加快了对偏差变化的反应速度，能够有效的减小超调，缩小到最大动态偏差。但是，同时又会使系统收到高频干扰的影响。积分的作用KI是为了消除静态而引入的。但是，KI值的引入使得系统响应的快速性下降，稳定性变差。最明显的是在系统出现大偏差阶段时，积分往往使得系统的响应出现过大超调，从而使得调节时间变长。比例增益KP使控制器的输入输出成一一对应关系，只要输入输出有偏差，比例作用立即产生控制作用，比例控制是用来调节系统的静态增益的，它基于偏差进行调节，是有差调节。要减小偏差，同时也为了加快系统响应速度，缩短系统的调节时间，就需要增大KP值。但是因为KP值又受到系统稳定性的限制，所以KP值不能任意增大。在实际的系统设计中只有合理的整定上述三个参数，才能获得比较满意的控制性能。在污水自动控制中，氯气投加、絮凝剂投加和曝气环节由于过程的多变性、复杂性、非线性、和大滞后的特点，采用PID控制算法难以实现准确和高效的控制。为此在常规的PID控制基础上，采用模糊推理的方法，对PID控制参数进行在线整定，从而完善PID控制器的性能。[10]

5 调试和运行结果

工厂水净化自动控制系统设计、安装完成后，进行系统的调试和试运行，确定符合实际进水水量和水质的各项控制参数，发现并解决设备、仪表、程序、工艺等方面出现的问题，检验系统是否实现工艺设计目标，即出水各项指标达到设计要求。

5.1 硬件系统的调试

调试过程首先检查总供电及各设备供电是否正常，然后检查设备的电气控制是否正常，能否正常开机，检查仪表及控制系统是否正常，各种闸阀能否正常开启和关闭。在对系统进行必要检查后，开始进行具体的调试。

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硬件功能调试主要是测试硬件的功能是否正常，这部分的调试内容包括： (1) 供电线路的设置和检测，主要是用万用表检测电路的连通是否实现，以及保证接线的正确性，防止220V与24V线路的错位接线发生。

(2) 变频器进行单独调试，检测能否正常进行参数设置； (3) 电机直接加三相电源调试，检测电机的工作状态；

(4) PLC单独检测，检测能否正常进行变频调速，在外部控制模式下，控制端子是否能正常控制电机启动，调节电机转速等；

(5) 变频器加电机进行调试，检测能否正常进行变频调速，在外部控制模式下，控制端子是否能正常控制电机自动，调节电机转速等；

(6) PLC加变频器联机调试，检查PLC、变频器是否能实现对此系统控制。 5.2 软件系统的调试

在三菱SWOPC-FXGP_WIN-C编程软件中，通过编程，将编好的程序下载到PLC中进行运行调试，检查程序是否错误，是否能够实现相应的功能控制。调试时，根据功能模块分类分别调试，最后进行总体调试。在该控制程序中，需要根据外界输入的状态来控制格栅机，抽水泵，以及污泥回流泵的启停，因此需要按照液位传感器反馈来的信息进行判断处理，然后再进行输出控制。 5.3 运行结果

通过系统调试，能够实现PLC在系统控制中的手动、自动模式的控制。启动电源后按下自动或手动模式选择按钮。挡在手动模式时，可通过通过各个控制按钮实现对河水净化处理系统中各电机的控制运行。

当在自动模式时，在自动方式下进行闭环控制，系统根据检测到外部传感器的状态对各设备进行启动和停止控制。自动控制系统过程包括：粗格栅系统、调节系统、投放系统和污泥脱水系统。启动自动运行按钮后，自动过程开始，启动格栅电机和调节池电机进行间歇运行，即运行一段时间然后停止一段时间，循环进行。（1）当闭合开关，辅助继电器接通，检测液位格栅池低液位接通，格栅进水电机运行，当格栅液位到达高液位时，高液位检测计接通，高液位报警灯接通，，然而格栅池停止进水（2）当调节池处于低位时，调节池进水阀接通，调节池进水。当调节池到达高液位时，高液位检测计接通，高液位报警灯接通，调节池停止进水。（3）辅助继电器M0接通富足继电器M1也接通，反应池定时器

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T1开始计时，当液面没有超过高液位警戒时，反应池进水电磁阀进水。当T1计时结束时，反应池停止进水，（4）当T1计时结束时，投放机定时器T2开始计时，在T2计时的时间段中，投放机运行，向反应池中进行投放。（5）当T2计时结束后，投放机停止投放，反应池排水机定时器T3开始计时，在T3这段时间中排水机运行，排出清液（6）当T3计时结束时，排水机停止，同时排泥泵T4开始计时这段时间中，排泥泵开始运行（7）当T4计时结束时，进行重置定时器，反应池重新运行（8）当反应池中液位到达高液位时，反应池高液位报警接通，反应池停止进水。（9）当反应池的液位到达低液位时，排水电磁阀关断，反应池停止排水（10）当浓缩次液位到达高位时，浓缩次高液位报警灯接通，反应池停止排水，脱水机开始运行，当浓缩池液位处于低液位时，反应池排泥泵运行，

在手动控制模式下，分别手动按下控制柜上格栅池电机、调节池进水电机、反应池进水电机、投放机、反应池排水机、反应池排泥泵以及浓缩池脱水机按钮时，相应每个自动程序的电机关断，然后启动手动各个电机进水、排污、投放等程序。

6 总结与展望

本文通过分析国内外净水厂及其计算机自动控制系统现状的比较，针对水厂的控制要求设计了一套自动化控制系统。经试验室调试和现场运行试验，系统能很好地完成调节任务，不论取水浊度在哪个范围系统都能在较短时间自动将加矾量调节到合适位置，保证成品水质浊度在2～5的技术要求。其它通讯、显示、操作、报警及历史曲线等各项功能工作正常，达到了客户提出的系统要求。

水厂生产实现自动化控制，改变了传统的生产运行管理方式，促进了净水处理技术水平的提高。采用PLC来实现自来水自动加药控制的过程，可使控制方案简洁化，设计和施工周期缩短，整个系统可靠性较高，维护又方便。同时将落后的手工操作方式改成全自动控制，不仅有利于操作人员的身体健康，而且大大提高了生产效率和制水质量，这套控制系统可广泛适用于各种工艺流程和不同的水质，实用价值较高。

在应用方面，中小型自来水厂的自动化系统有着广泛的前景。依靠现代化技术手段对生产过程进行控制和管理，提高设备运行效率和可靠性，节省宝贵的水、

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电资源，是技术发展的必然趋势，也是适合我国国情的较好做法。

在今后的发展中，我们可以扩展更高端的功能，比如在线视频控制，远程质量监测等，采用该技术后，可将全区、市各自来水厂的数据实时入网，方便各监测部门实时监督，并自动生成报表，有很大的发展前景和空间。在设计中预留接口，可以方便以后将电机等主要设备的运行、报警数据如过流、过压、缺相等纳入本监控系统，集中显示记录，进一步提高整体运行的可靠性，数据记录的自动化以及完备性。在程序中还可以用到比例/积分/微分（PID）回路控制指令，通过PID调节，可以更精确的控制加矾量。但是在本系统中程序里面设置的延时时间较长，运用PID调节，容易形成振荡，并且在本系统中PID调节的参数整定很难，需要花费很多的时间和经历，因此本程序设计中没有采用这个控制方法。 参考文献

[1] 刘灿生.自动化是我国水厂的发展方向[J] .给水排水 1998，24（12）：1． [2] 丁亚兰.国内外给水工程设计实例[M]. 北京：化学工业出版社.2000：61～65． [3]丁桓如.工业用水处理工程[M].北京：清华大学出版社，2005：188-245

[4] 郭凤文．水工业自动化控制技术的发展趋势[J]．中国给水排水，2001，17(3)：32～35． [5] 胡晓春.水厂自动化及设计[J]．给水排水．2000．

[6] 宋保民，张泾周.上位机与PLC组建分布式控制系统时串口通信的实现[J]．机械与电子，2005，(1)：31～33．

[7] 常斗南．可编程序控制器原理、应用及通信[M]．北京：机械工业出版社，1997：68～96．

[8] 周万珍，高鸿斌．PLC分析与设计应用[M]．电子工业出版社．2004,5：108～132. [9] 袁任光．可编程序控制器选用手册[M]．北京：机械业出版社，2002，381～402． [10] 廖常初．PLC梯形图程序的设计方法与技巧[M]．电工技术．1998，10：59～65.

Design of Water Plant Water Purification Processing

Control System Based on PLC

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Major：Mechanical Design, Manufacturing and Automation CHEN Zheng

Supervisor：LU Zheng-jie

[Abstract] Water is related to an important resource of national life, along with the

improvement of people's living standard, people on the quality of water requirements are increasingly high, so it is very important in water purification. This topic through the comparison of the present situation at home and abroad have built water plant automation control system of the understanding, development trend and equipment more intelligent, and present status of less developed city water plant, a set of PLCFX2N as the main controller of the tap water automatic control system design, the system can real-time monitor water in every aspect of treatment, including automatic alum, chlorine, detection of the pH value of water,water velocity and water turbidity on the charge, and automatic data storage. The system not only system reduces the energy consumption, improve the management level, and a manual on the drug, its accuracy is more accurate, greatly improving the water quality and save manpower cost. It has the important practical significance to promote the development of China's gap between central Waterworks in process and decreases with the advanced level. By running the situation that, the system is economical and practical, complete function, stable and reliable performance, worthy of promotion.

[Key words] the small and medium PLC;automatic control system;PC monitoring system

附录

X0 X7

0 M0

M0

M0 X1 YI X10

4 Y0 M0 X2 Y2 Y11

9 Y1

M0 X4

14 Y2

21

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M0 X6

22

河池学院2014届毕业论文（设计）

86 Y5 M1 X5

89 Y3

M0 X8

92 Y10

M0 X9

95 Y11

M0 M10

98 Y12

致谢

经过一段时间的忙碌和学习，本次毕业设计已经接近尾声了。作为一名本科学生，由于经验的缺乏，我在设计过程中难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及同学们的支持，我想要完成这个设计任务是难以想象的。

在这里首先要感谢我的导师陆正杰老师。陆老师平日里工作繁多，但在我做毕业设计的这段期间内，无论是从查阅资料到现场调试，还是设计草案的修改和确定，以及中期检查和后期详细设计等每个阶段都给予了我悉心的指导。每当在设计中遇到困难时，陆老师总会耐心地帮助我解决一道道难题，并且鼓励我要勇于实践，这对我接下来能够顺利地完成设计工作起到了良好的铺垫作用。除了敬佩陆老师的专业水平外，他严谨治学的态度和对工作充满热情的精神也是我永远

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学习的榜样，并将会积极影响我今后的学习和工作。

再次，要感谢在毕业设计过程中帮我提供一些资料的同学们，如果没有他们的帮助，此次设计的完成将变得非常困难。

最后，还要感谢我的母校——河池学院四年来对我的大力栽培；正是因为有了你们的支持和鼓励，我的毕业设计才会顺利地完成。

衷心感谢在百忙中评阅论文和参加答辩的各位老师！

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河 池 学 院

毕业论文（设计）指导教师评阅表

系别：物理与电子工程系 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 指导教师 评分项目 论 文 ︵ 设 计 ︶ 评 分 学习与工作态度 选题的价值与意义 基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计 陆正杰 分值 优 20 18 10 9 9 职称或学位 讲师 评分 总分 18 8 8 24 16 7 81 评分参考标准 良 中 及格 不及格 16 14 8 8 7 7 12 6 6 18 12 6 12分以下 6分以下 6分以下 18分以下 12分以下 6分以下 文献资料检索与运用能力 10 研究水平与设计能力 语言文字表达能力与论文规范 成果的价值与创新性 30 27 20 18 10 9 24 21 16 14 8 7 指 导 教 师 评 语 该生研究、学习态度端正，能按时按量完成毕业设计，能全面收集相关资料，综合运用知识能力强。设计规范，选题具有较高的学术价值。撰写论文的格式合理，符合相关要求，文章条理清晰层次分明，逻辑性强。 综合该同学所做的工作，其毕业论文（设计）已经达到学士学位论文（设计）水平，同意其参加学士学位论文答辩，并拟评定为良好等级。 是否同意参加答辩 同意参加答辩 指导教师签名： 陆正杰 2014年 06 月1 日

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毕业论文（设计）评阅教师评阅表

系别：物理与电子工程系 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 评阅教师 论 文 ︵ 设 计 ︶ 评 分 评 阅 教 师 评 语 是否同意参加答辩 评分项目 选题的价值与意义 基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计 分值 优 职称或学位 评分参考标准 良 中 及格 不及格 10.5 7 21 21 10.5 9 6 18 18 9 9分以下 6分以下 18分以下 18分以下 9分以下 评分 总分 12 8 24 27 10.5 81.5 15 13.5 12 9 8 24 24 文献资料检索与运用能力 10 研究水平与设计能力 语言文字表达能力与论文规范 成果的价值与创新性 30 27 30 27 15 13.5 12 该生选题现实意义较强，该生论述较全面，能全面收集相关资料，综合运用知识能力强。设计规范，选题具有较高的学术价值。撰写论文的格式规范合理，符合相关要求，文章条理清晰层次分明，逻辑性强。 综合该同学所做的工作，其毕业论文设计拟评定为良好等级。 同意参加答辩 评阅教师签名： 陆正杰 2014 年 6 月 1 日 注：评阅教师至少1人。

河 池 学 院 毕业论文（设计）答辩记录

系别：物理与电子工程系 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 答辩情况记录： 记录员签名 答辩小组成员签名 答辩小组组长签名

基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计 年 月 日 年 月 日 年 月 日

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毕业论文（设计）答辩情况评价表

系别：物理与电子工程系 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 评分项目 答 辩 小 组 评 分 选题的价值与意义 基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计 分值 优 10 9 9 评分参考标准 良 中 及格 不及格 8 8 7 7 6 6 12 12 6 18 6分以下 6分以下 12分以下 12分以下 6分以下 18分以下 评分 总分 文献资料检索与运用能力 10 研究水平与设计能力 语言文字表达能力与论文规范 成果的价值与创新性 20 18 20 18 10 9 16 14 16 14 8 7 答 辩 小 组 评 语 答辩效果 30 27 24 21 （对学生自述情况和回答提问情况等进行评价） 是否同意通过答辩 答辩小组成员 同意通过答辩 答辩小组组长签名： 20 年 月 日

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毕业论文（设计）总评成绩评定表

系别：物理与电子工程系 专业：机械设计制造及其自动化

学 号 论文（设计）题目 指 导 教 师 评 分 人 指 导 教 师 评 阅 教 师 专业答辩小组 评分 2010105602 姓 名 陈政 基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计 陆正杰 所占比例 40% 25% 35% 职称或学位 分数 等级 讲师 初评成绩 评分 (整数计) 系（院）答辩委员会意见（限重新组织答辩的毕业论文或设计）： 分数： 等级： 系（院）答辩委员会负责人签名： 年 月 日 系（院）答辩委员会审定结论： 最终分数： 等级： 系（院）答辩委员会主任签名（公章）： 年 月 日

注：1. 初评成绩由答辩小组评定。 成绩等级：优秀：90－100分；良好：80－89分；中等：70－

79分；及格：60－69分；不及格：60分以下。

2. 需重新组织答辩的毕业论文（设计）只限于由答辩小组提出的优秀和不及格毕业论文（设计）。 其他毕业论文（设计）不需要通过系（院）答辩委员会重新组织答辩 3. 重新组织答辩的毕业论文（设计）由系（院）答辩委员会评定成绩。

4. 系（院）答辩委员会主任对初评成绩或系（院）答辩委员会的意见及成绩做最后审定。

附件1

2013届本科生毕业论文（设计）中期检查表

姓 名 论文题目 陈政 班 级 10机械1班 指导教师 陆正杰 基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计 1.原计划目前应完成的任务（截至11周）：基本完成初稿，向导师咨询不足地方 2.现已完成的任务：已经完成流程图，硬件设计 3.遇到的困难和存在的问题：软件的编写和运行不知如何下手 4.拟解决的办法： 去图书馆查找资料，网上搜索，不懂就问老师、同学 5.指导教师意见： 注： 1．此表1－4栏由学生填写。学生填写完后交教学系秘书处。

2．指导教师填写第5栏。

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毕业论文（设计）指导记录表

系别：物理与电子工程系 专业：机械设计制造及其自动化

学 号 论文（设计）题目 2010105602 姓 名 陈政 基于PLC的自来水厂净水处理控制系统设计 第一次指导记录（主要填写指导内容及学生存在问题） 主要指导了怎么规范格式、摘要、引言怎么写，写什么。学生存在的问题是格式不规范，字体没有按照要求写，引言太长 指导时间： 2014 年 3 月 10 指导教师学生陆正杰 陈政 日 签 名 签 名 第二次指导记录（主要填写指导内容及学生存在问题） 指导其自来水厂水控制的过程及改怎么控制。该生本末倒置，重点的几句话带过，无关紧要的写一大堆 指导时间： 2014年 4 月15 指 导教师学生陆正杰 陈政 日 签 名 签 名 第三次指导记录（主要填写指导内容及学生存在问题） 主要是编写程序是否正确，能否运行成功，整体逻辑性怎么样。改同学在软件方面有待加强，平时要多看书，并动手实践才行 指导时间：2014 年4 月28 指导教师学生陆正杰 陈政 日 签 名 签 名 第四次指导记录（主要填写指导内容及学生存在问题） 基本上检查其内容、格式、字体、排版等方面是否正确。该生存在问题有数字字体格式不对，排版也有些问题，要抓紧改过来 指导时间：2014 年5 月20 指 导教师学生陆正杰 陈政 日 签 名 签 名 注：1. 本表由指导教师填写。指导形式包括与学生见面、电话、网络指导等。 2. 指导教师至少指导3次。本表不够填写，可续页。 3. 此表填写一式一份，由学生所在系（院）保存。

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