PLC在水厂滤池自动反冲洗改造中的应用

PLC在水厂滤池自动反冲洗改造中的应用

吴金雄

三亚中法供水有限公司海南三亚572000

摘要：随着科技的不断发展，目前PLC的发展已经比较成熟，而且形成了小、中、大各种规模的系列化产品，可用于各种规模的工业控制场合。此外，PLC的功能单元大量涌现，使PLC渗透到了位置控制、温度控制等各种工业控制中，并且PLC在原来的逻辑处理功能基础上，完善了其数据运算能力，可用于各种数字控制领域。本文分析了PLC在水厂滤池自动反冲洗改造中的应用。

关键词：PLC；水厂滤池；自动反冲洗；改造应用；

随着社会的发展和科技的进步，PLC控制在水厂滤池自动化控制中占有很重要的地位。水厂滤池的过滤效果及使用年限的长短,与滤池反冲洗效果有直接关系。因此需要一套有效的反冲洗工艺及相应的控制方式。

一、原概况

1.系统整体概况。全厂DCSPLC控制系统分为一期和二期工程，在反冲洗过程中，每个滤池的Compact984紧凑型PLC控制系统都配备一个现场HMI，它们之间通过协议连接，通过HMI可以对组态的参数进行实时监视和修改等。全厂的PLC控制系统和上位SCADA监控系统通过MB+网络连接在一起，实现实时数据传送。

2.滤池PLC的控制功能,每一个滤池PLC主要完成两个控制功能。一是正常过滤状态下，工艺上要求PLC完成滤池恒水位控制，使水位保持在砂面以上1.2m，原系统采用了常规PID控制算法；二是进行滤池的反冲洗过程控制。22个滤池反冲洗的调度则由公共站PLC5完成，采用了一种基于优先级的排队算法，手动安排的顺序具有最高优先级，排在队列前面，使用自动排序则根据每格滤池水头损失（差压变送器数值大小）的大小由大到小排序。由于三个通道共用1台风机，三个通道不是同步开始反冲，而是按照一定的次序先后进行。当A开始气水反冲时，B开始进行反冲洗准备，A完成气水反冲进入水冲时，B开始气冲，A完成水冲B进入气水反冲时，C开始反冲洗准备，A完成反冲洗后，第四个滤池进入A通道，到C开始气水反冲时，A又开始进行反冲洗准备，如此周而复始，直到反冲洗的不仅仅是独立的逻辑操作，需要跟主站PLC进行通信，协调配合各个滤池PLC的执行动作才能完成功能。

二、改造应用

水厂的正常供水关系到千家万户的日常生活，如有不畅，容易产生不良的社会影响，因此改造必须实现如下要求：一是不能影响正常的供水生产及供水质量；二是逐个对旧的PLC设备升级改造，只有试运行的PLC与旧系统能在同一个自动控制系统和通讯网络共同使用中没有任何兼容问题之后才能全部更换；三是滤池控制系统改造只是全厂集散控制系统升级改造工程中的一部分，除了与现有集散系统无缝对接运行之外，必须对今后进一步的升级改造留有接口，免于多次改造。为了满足厂方继续使用原通讯网络及不改变上位机监控组态软件的要求，施耐德公司新一代的PLC产品已经逐步取消了对MB+总线的直接支持。采用了一台M340PLC配备一台MB+网关接入原MB+总线的方案。只要保证新接入PLC完成原来的逻辑功能，与总线通信的接口一致，通信变量的逻辑意义与原PLC一致，就可以无缝升级到新的设备。

1.M340PLC与M340EGD协议转换器M340系列PLC是施耐德公司近年推出的中端控制器平台，采用模块化设计，包括机架、电源、集成有Modus，以太网或CANopen的CPU模块、离散和模拟输入输出模块、计数模块等种常见模块，用户可根据现场需要选择合适的模块组合。在本项目中，离散和模拟输入输出模块与984PLC完全兼容，硬件升级很方便，根据IO点数选择PLC模块就可以。但是M340PLC不支持MB+网络，要接入该网络目前必须选用M340EGD网关。M340EGD是一个针对将M340集成到MB+网络的协议转换器。利用该转换器，可以将M340PLC中基于标准的变量映射成MB+变量，从而将新PLC接入MB+网络。M340与M340EGD通过以太网接口连接，再通过M340EGD配有MB+总线接口与全厂MB+总线联网。通过M340EGD的面板旋钮设置MB+设备地址及IP地址，再使用PC机通过以太网接口以http网页形式访问M340EGD则可以进一步设置与之连接的M340PLC的IP地址、变量对应地址的偏移量等参数。

2.PLC程序的移植。为了使新PLC无缝嵌入到旧系统，必须做到控制逻辑与原PLC一致、现场数据与组态监控变量一致。M340PLC的编程语言符合IEC61131-3标准，原PLC程序不符合该标准，在程序变量定义，指令设计上不相同，但是原PLC采用的梯形图编程与因此大部分程序段可以方便的移植到M340PLC下程序的移植主要有下面几个方面工作。一是根据地址映射关系，将原PLC的绝对地址变量替换为%Mx变量。二是增加一个新程序段，使原PLC中跟IO相关的变量与IO变量进行数据交换，比如第一步中，网关将100001映射为%M2048，因为跟输入有关，再根据该输入对应M340硬件组态中的输入通道。三是根据原PLC梯形图程序，经过上面两步变量重映射的操作后大部分程序可以直接转换为对应的M340程序。四是一些不能直接对应的编程元素，根据功能逻辑，改用为M340的方式，通过增加一些中间变量，可以方便转换。原PLC程序中需要转换的编程元素有定时器、计数器的使用及数据类型转换等。五是重新编写恒水位控制部分程序，采用模糊PI控制算法，取得了更好的控制效果，水位平稳，阀门动作总的变化减少，延长了清水阀工作寿命。

3.恒水位控制的带智能积分的模糊控制。滤池正常过滤工作时，工艺上要求水位控制在砂面1.2m，为了增加清水阀工作寿命，清水阀动作不宜过于频繁。通过观察发现，一般滤池反冲洗完成后，液位初始达到设定液位稳态值后，液位的变化波动不大。因此采用了带智能积分的模糊控制算法来进行液位控制，并且将采样控制周期设为3s。该算法的思想是，当系统调节开始时，系统误差较大，系统积分系数较小，系统的控制主要由模糊控制来实现，当系统误差较小时积分作用增强，控制输出为积分作用与模糊控制作用的和，模糊控制使得误差较大时能快速响应，误差较小时积分作用增强，对变化敏感度减少，从而既满足了系统响应速度要求，又有效减少了清水阀门动作频率，系统采用双输入单输出的模糊控制器，液位高度（液位范围[-30mm,30mm]）及其变化率（范围[-30mm,30mm]）作为两个输入量，控制清水阀门开度，论域都定为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]，根据现场整定，可以确定量化因子0.2，Kec=0.2，经现场使用，采用带智能积分的模糊控制器较好地兼顾了动、静态特性，具有超调小，响应快、稳态精度高等优点，并且避免了常规模糊PD控制在稳态值附近会发生小幅值振动的弱点。

PLC控制在水厂滤池自动化控制中有着很重要的作用，通过PLC控制，各运行设备能够按预先设计的时序运行。相信在不久的将来，PLC会越来越完善，功能越来越齐全，在水厂滤池自动控制中的应用将会越来越广泛。

参考文献：

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