论文总字数：14371字

摘 要

随着社会和经济的不断快速的飞速发展，现代社会的人们对供水的质量，和供水系统的安全性和可靠性的要求的不断提高，由于目前国内外水资源比较紧缺，所以科学家采取了最新的自动化技术和控制技术来设计了性能较高、节能性能较好，并且可以适应不同的领域的供水系统。

本论文主要研究冷却水动态模拟试验的工艺流程，并根据提出的要求设计出具体的硬件电路，并编写相应的软件程序。核心是掌握动态模拟试验的一些控制过程，检测进出口温度、加热温度、电导率、PH、腐蚀率，实现污垢热阻、浓缩倍数、污垢沉积率和垢层厚度的计算，熟悉电子与计算机技术的应用。

关键词：MCGS PLC 动态模拟 软件程序

Design Kunlun state MCGS based dynamic simulation apparatus

Abstract

Along with the rapid social and economic rapid development, the people of modern society, about the quality of the water supply and water supply system of the continuous improvement of safety and reliability requirements, due to the shortage of water resources at home and abroad to compare, so scientists take the latest automation technology and control technology to design the high performance and energy saving performance is good, and can adapt to different in the field of water supply system.

This thesis mainly studies technological process of the cooling water dynamic simulation test, according to the demands and design the specific hardware circuit, and write the corresponding software program. Core are some of the control process, to master the dynamic simulation test to detect the import and export temperature, heating temperature, electrical conductivity, PH, corrosion rate, realize the fouling resistance, concentration ratio, the dirt deposition rate and the scale layer thickness calculation, familiar with the application of electronic and computer technology.

Key words: MCGS;PLC；Dynamic simulation;Software program

目录

摘 要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究缘起 1

1.1.1 研究意义 1

1.2 循环冷却水处理技术及循环冷却水系统 1

1.2.1 循环冷却水技术及发展状况 2

1.2.2 冷却水动态模拟试验的工艺流程 2

1.2.3 循环冷却水系统运行中存在的问题 3

1.2.4 动态模拟试验装置的功能 4

第二章PLC 、MCGS的技术发展介绍及运用 5

2.1 PLC技术的发展介绍与应用 5

2.1.1 PLC基本介绍 5

2.1.2 PLC技术发展新动向 5

2.2 MCGS的技术发展介绍及运用 6

2.2.1 MCGS基本介绍 6

2.2.2 MCGS应用领域 6

2.2.3 MCGS发展新动向 6

2.2.4 MCGS的强大功能 6

第三章 系统工艺流程及硬件电路图的设计 8

3.1系统的工艺流程及技术要求 8

3.2 系统硬件结构及部分电路设计 9

3.2.1 监控系统结构 9

3.2.2电气原理图 9

3.2.4接线端子图 10

4.1 控制程序设计 12

4.1.1 自动加酸控制系统软件设计 13

4.2具体的控制功能 13

4.3模糊PID 13

4.4 污垢热阻计算 15

4.5 PLC编程要求 17

4.6上位机和触摸屏要求 18

4.7 MCGS组态监控设计 19

4.7.1 MCGS界面概略 19

第五章 总结与展望 25

5.1论文总结 25

5.2展望 26

致谢 28

第一章 绪论

1.1 研究缘起

1.1.1 研究意义

水是生命之源。存在地球上的任何一种生物都离不开水的滋润，他们的新陈代谢都必须依靠水，然而我们知道，水并非取之不尽，用之不竭的。现代社会的飞速发展，经济发展比较迅速，人们的生活水平也不断提高，人们不断提高供水的质量和供水系统的可靠性的要求。我们应用了新的自动化技术，先进的控制技术以及先进的网络技术到供水领域，对供水系统有了新的要求。

水，确切的说是淡水，是生物所需的。而水占了地球表面大约70%的面积，而我们知道，其中绝大部分是海水，大约占了总数量的97%，剩下的3%里，除了冰川及不可用水之外，我们可以发现就只剩下2%的水资源是真正可利用的淡水资源。这迫使着我们必须开发新的技术来拯救水资源，其实也是在拯救我们人类自己！

我国有数百座城市，均存在不同程度的缺水，这当中有超过100多座城市存在严重缺水的现象，特别是北方的绝大部分城市都普遍严重缺水，水资源紧缺渐渐限制了这些城市的经济发展，也成为他们可持续发展的限制性因素之一，当今社会污水的循环利用很有必要，水资源本就紧缺，所以我们必须要采用先进的技术来循环利用水资源，这个工作必须会引起每个相关部门的重视。因此，为了节水，人们对循环冷却水系统渐渐认可。冷却水系统是工业生产中不可缺少的一部分，我们使用的循环冷却水系统既可以有效地节约用水，减少淡水资源的浪费，又可以减少污水的大量外排，从而保护了环境不被污染，良好的水质也可以的延长生产设备的使用寿命，保护了设备，节约了资源。所以，循环冷却水处理技术在生产实践当中起着十分重要的意义。然而冷却水在循环使用的过程当中，我们发现这个过程必然会带来很多金属污垢附着在设备的表面，时间久了这会严重影响生产的效率和质量。所以，我们必须采用合理有效的处理方法来提高冷却水的水质。

1.2 循环冷却水处理技术及循环冷却水系统

1.2.1 循环冷却水技术及发展状况

我国工业用水的利用率很低，根据调查发现工业水利用率平均下来几乎达不到50%，远远达不到某些发达国家的水利用率水平，循环冷却水的浓缩倍数绝大多数仅仅在2～3 倍，离发达国家的水平还有很远，这是资源的极大浪费，不能起到节能减排和节约用水的目的，同时在生产过程中会存在大量的污水外排，这将会严重影响了人们的生活环境，所以我们必须提高水的利用率，保护环境不被污染，现如今这已经成为工业废水处理的一大重要课题。根据目前的现状，我国科学家也已经研究出很多循环水的处理方法，并取得了很好的成效。

1.2.2 冷却水动态模拟试验的工艺流程

在工业循环冷却水系统中一般包括敞开式（图1-1）、旁流式两种系统。至于采用什么系统需要我们根据水量、预算和成本等因素来确定。敞开式的模式是我们目前在工业生产中比较常用的一种模式。工艺流程其实很简单，一目了然，如图所示，我们可以在换热设备中将将冷却水与工艺所需要的物料进行热交换，升高温度后靠压力压回冷却塔进行冷却，最后到达塔底水池中，最后通过管网由水泵升压送回工艺装置当中去。循环冷却水在使用过程中必然会有水的蒸发，风吹，残质的渗漏等损失，所以在冷却过程中要想保持冷却水中正负离子的浓度，我们就要向系统中补水或者向系统外排出一定量的污水。

图1-1 敞开式循环冷却水系统结构

下面一种方法是旁流式，这种方法可以去除水中绝大部分悬浮物、固体杂质、微生物细菌、黏泥等等，但是这种方法却不能降低水的硬度和含盐量，由于

反洗水中杂质浓度比排污水高得多，系统排出的杂质多而消耗的水量少，旁滤式循环冷却水系统结构如图1-2 所示

图1-2 循环冷却水系统结构图

1.2.3 循环冷却水系统运行中存在的问题

经过研究发现，冷却水在循环使用的过程中会有一系列现象发生，比如冷却水会在冷却的过程中不断发生蒸发和风化的现象，继而水中的盐含量也会随之增加，在冷却的过程中，在水中的钙离子就会从水中析出来，生成微溶的碳酸钙、等沉积物就会附着在换热设备上，这样长此以往就会影响设备的换热效率，从而降低了设备的使用寿命，导致换热器效率降低，这样会影响正常生产对循环冷却水进行处理，我们在过程中主要就是要解决结垢问题、腐蚀问题、和微生物滋生这三个问题，这样就能保证冷却水系统在循环过程中能够长期稳定地运行，在这过程中我们还要注意节约水资源，提高水的重复利用率。

(1)沉积率、垢层厚度问题

在工业冷却水系统中我们可以发现，污垢沉积的问题也不能避免，这会影响循环水的质量，继而就会影响循环水系统的正常运行。一般情况下，我们把水系统中的所有沉积物称作污垢，这当中包含污泥水垢等杂质。在温度较高的热交换器表面上是水垢的主要形成的地方，由于存在腐蚀等的原因，我们对比可以发现，炭钢表面比较粗糙，铜和不锈钢表面比较光滑，所以由此看来碳钢表面更容易结垢，在实验中，我们可以发现，在同一个热交换器中，循环水温度较高出口端的污垢厚度要比其他部位的垢层厚度要厚些。还有在循环冷却水系统中的污泥主要来自于空气中的杂质及微生物的繁殖以及各种药剂的水解产物等等各个方面。而降低传热效果的原因主要就是系统中沉积的大量污垢，诱发局部性的设备腐蚀和穿孔，继而就会导致水的流动速度减小甚至阻塞水流导致设备损坏。

1. 腐蚀率问题

在循环冷却水系统中，金属设备的腐蚀是不可避免的，在金属表面，比如碳钢，长期与污垢水接触，而污垢当中的CO2 等各种会腐蚀金属的各种杂质会跟金属发生电化学反应，化学反应的主要原因就是因为电位差，因此导致金属表面发生腐蚀而损坏。从而就会导致水循环设备的损坏，然而设备腐蚀后，一方面会导致设备寿命的渐渐缩短；腐蚀产物会形成污垢，从而降低装置的换热效率；经过研究我们可以发现，所以在这个时候，我们需要在循环水中添加一定量的缓蚀剂，这样就可以有效地降低中设备的腐蚀速度。保证设备的正常运行，不影响工业生产。

(3)pH及微生物滋长问题

在循环冷却水的系统中，我们可以发现，在微生物生长发育的环境比较有利的情况下，微生物的浓度就会大大增加，这个时候就比较容易滋生细菌，所以我们可以发现在黏液内会聚集大量微生物的死后的残体和代谢产物，从而附着在管壁上，继而会形成污泥，然而污泥又为微生物的繁殖提供了有利的生长条件。时间久了，管壁上的生长繁殖的微生物就会越来越多，就会导致水质恶化，在系统中就会减慢了水流的速度，导致管道的堵塞，继而导致换热效率的严重降低，最严重的情况会造成管道的穿孔，设备就会报废，发生停产检修的现象等。

1.2.4 动态模拟试验装置的功能

针对目前循环水系统中存在的问题，动态模拟试验装置是评价水质并筛选配方，并评价且控制水质稳定的专用设备，能够对水质稳定剂的缓蚀，阻垢效果及操作工艺进行综合评定。根据动态污垢监测结果，选择几种配方不同的药品加入装置中，以便选出最经济合理的配方，从而达到最佳的效果。

第二章PLC 、MCGS的技术发展介绍及运用

2.1 PLC技术的发展介绍与应用

2.1.1 PLC基本介绍

PLC ——可编程逻辑控制器，俗称编程的存储器，主要功能有：存储用户所要用的程序、顺序的控制、定时计算、等等，从而面向用户，并通过模拟式输入、输出控制各类的机械生产过程。

2.1.2 PLC技术发展新动向

1. 产品规模向大、小两个方向发展。
2. PLC在闭环过程控制中应用日益广泛
3. 不断加强通讯功能
4. 编程工具比较多，功能渐渐提高，编程语言趋向标准。
5. 目前我们追求标准化的软件和硬件。

2.1.3 PLC的应用领域

目前，PLC在国内外已广泛应用于各大领域各个行业，主要使用情况大致可以归纳为以下几类：

1. 逻辑控制开关

基本用于控制单台设备，也基本上用于自动化的流水线上。这也是PLC应用比较广泛的地方。

1. 模拟量控制

其主要进行的就是模拟量和数字量的转换（A/D转换及D/A转换)。

1. 运动控制

广泛用于世界上的各种PLC产品几乎都有运动控制功能,比如机械设备制造、机床加工生产、机器人等场合。

1. PLC能在冶金、化工等场合编制各种各样的控制算法程序，完成闭环控制过程。

（5）通信及联网

新近生产的PLC都具有通信接口，在工厂自动化网络发展十分迅速，通信很方便。

2.2 MCGS的技术发展介绍及运用

2.2.1 MCGS基本介绍

MCGS是一种基于Windows平台的操作系统，可以用于快速构造以及生成上位机监控系统，运行较方便快捷。

2.2.2 MCGS应用领域

MCGS 强大的作用就是可以为用户在实际工程问题的完整方案中，解决和提供平台。可以在现场采集数据、处理实时和历史数据、对存在的新问题报警和保护设备安全、控制装置、用动画进行显示、最后以曲线和报表的形式输出，方便企业现场监控。MCGS 的突出特点有操作非常简便、可视性比较好、方便维护、性能比较高、可靠性强等等，目前在社会上已经得到了广泛的应用。

2.2.3 MCGS发展新动向

MCGS组态软件主要包括三个版本，常用的为通用版、嵌入版、网络版。现在，用户只需通过简单的模块组态就可以构造自己的应用系统，作用是可以组态各种智能仪表、采集各种数据模块，在现场站采集搜集数据并监控。

2.2.4 MCGS的强大功能

1. 简单的可视化操作界面
2. 丰富、生动的多媒体画面
3. 可以实时控制并处理

4、完善的安全机制

5、用户可以很方便的在实时数据库当中实行分步组态

6、多样化的报警功能

7、分布组态实时数据库

8、可以在多种硬件设备当中运用

9、控制方便复杂的运行流程

10、既可以维护也可以扩充

11、管理数据库，并加以存储，性能强大

系统工艺流程及硬件电路图的设计

3.1系统的工艺流程及技术要求

循环水处理的工艺装置流程大体上可以分为下面几点。其中检测点及量程：进水流量（0 ～3000 L/h）腐蚀率（0 ～9.999 mm/a）、进水温度（0 ～120 ℃）、回水温度（0 ～120 ℃）、出水温度（0 ～120 ℃）、蒸汽温度（0 ～120 ℃）。

要求如下：1.控制和调节流量，采用转子流量计。2．稳定进口温度。3．实现无触点控制蒸汽温度值。4．当出现回差值时排污阀可以实现直接控制，当电导率的上限值小于电导率的模拟量采集值时，排污阀自动打开；当电导率的下限值大于电导率的模拟量采集值时，排污阀自动关闭。5．进口温度的回差控制，当进口温度上限值小于进口温度模拟量采集值时，降温风机就会启动；当进口温度下限值时大于进口温度模拟量采集值时，降温风机就会关闭。6．冷凝温度的回差控制，当冷凝温度模拟量采集值大于冷凝温度上限值时，加热棒开始加热；当冷凝温度模拟量采集值小于冷凝温度下限值时，加热棒停止加热。7．PH的回差控制，当PH的上限值时小于PH模拟量采集值时，加酸泵开启；当PH模拟量采集值小于PH的下限值时，加酸泵关闭。

图3-1 动态模拟装置工艺流程图

3.2 系统硬件结构及部分电路设计

3.2.1 监控系统结构

窗体顶端

主要有两部分的监控系统：硬件和软件，主要用于控制现场设备的PLC和扩展模块和热交换器。以及在线监测，监测内容是：腐蚀监测和在线监测，触摸屏控制，水的质量监测传感器控制。整个系统主要由工业控制计算机与MCGS的触摸屏和上位机监控系统。

窗体底端

3.2.2电气原理图

电气电路图包括几个电机连接，PH仪，电导仪等仪表的接线，具体接线图如3-2

图3-2 电气原理图 1

图3-2 电气原理图 2

3.2.3 PLC接线图

图3-3是PLC接线图，作为监测换热器的核心处理器，PLC的I/O口需要明确。EM231是作为PLC的模拟量转换模块。

图3-3 PLC接线图

3.2.4接线端子图

终端PLC对应输入和输出,终端是控制面板图。控制面板共有10个开关和按钮,分别PLC电源按钮,仪器电源按钮,浊度的开关电源,功率流开关,手动加热开关,加热开关,自动报警电源和控制氯残留物等。控制柜面板顶端是几个测量显示仪表。如图3-4

图3-4 接线端子图

第四章 循环冷却水水质监测系统的软件设计

4.1 控制程序设计

本文所设计的循环冷却水处理系统主要采用的软件为：西门子S7-300PLC ，同时还有多种智能仪表进行监控，利用传感器等技术来完成对循环冷却水的自动控制，在线监测腐蚀率、在线监测热换器，等一系列的监测与控制。系统主程序流程图如图4-1 所示。

图4-1 系统主程序流程图

系统在编程结时主要考虑的问题有：①结构上采用模块化编程；②对一些出现次数相对较少的信号不用太过着急去处理，在需要的时候再处理；③注重完善对异常和错误的处理。

4.1.1 自动加酸控制系统软件设计

1.模拟量数据采集

根据工艺处理的要求，设置为给水pH、给水电导率、补水流量、排污流量回水流量、进水流量腐蚀率、腐蚀率、进口温度、回口温度、蒸汽温度。

1. 自动调节PH

精确控制药剂的投加量才能自动调节pH,才能使循环冷却水中的pH浓度稳定在生产工艺要求的范围内。PLC 程序控制实现自动加药的过程。

4.2具体的控制功能

1.控制和调节流量，采用转子流量计。2．保证进口温度稳定，实现无触点控制。3．保证蒸汽温度稳定，实现无触点控制。4．当出现回差值时排污阀可以实现直接控制，当电导率的上限值小于电导率的模拟量采集值时，排污阀自动打开；当电导率的下限值大于电导率的模拟量采集值时，排污阀自动关闭。5．进口温度的回差控制，当进口温度上限值小于进口温度模拟量采集值时，降温风机就会启动；当进口温度下限值时大于进口温度模拟量采集值时，降温风机就会关闭。6．冷凝温度的回差控制，当冷凝温度模拟量采集值大于冷凝温度上限值时，加热棒开始加热；当冷凝温度模拟量采集值小于冷凝温度下限值时，加热棒停止加热。7．PH的回差控制，当PH的上限值时小于PH模拟量采集值时，加酸泵开启；当PH模拟量采集值小于PH的下限值时，加酸泵关闭。

4.3模糊PID

PID控制顾名思义，就是是由P（比例）控制、I（积分）控制和D（微分）控制这三种控制组成。模糊控制是靠人们的经验的一种控制，是一个典型的非线性控制过程。

本系统中使用模糊PID，是针对于系统中的流量、电流来进行有效控制的。由于存在噪声、摩擦等外部干扰因素，所以我们一般采用模糊PID来进行调节，而在自动控制系统中我们使用传统的PID调节，因为输入量是非线性的，扰动较大，所以会发生频率发生振荡和超调量偏大的现象，从而导致控制的效果不太明显，而且系统中会出现滞后现象。模糊控制的优点有很多，比如，在建立比较复杂的数学计算模型上能节约很多时间，同时还能够具有非线性和时滞，可以显著提高控制水平。

以流量控制为例，将实际流量的测定值和流量的人工设定值之间的偏差设为，该偏差变化率设定为，和两值模糊化后得到的模糊量为和。如图4-11的原理图所示：

图4-11流量控制模糊PID控制器原理图

在系统中，将总的流量的设定值设为，总的流量实际测量值则设为，所以，即得到设定和流量之间的偏差，是用来表示流量的变化，设它的基本论域为[-60, 60]，它的量化因子设为3/60即0.05。

将控制变化和流量变化率分别设为和，它们的基本论域分别限定在[-10, 10]和[-15, 15]。用和表示两者的离散论域，前者是{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}，后者是{-3，-2，-1，0，1，2，3}，其中的的量化因子设为2.5，的量化因子设为0.2。

用表示很小，表示较小，表示偏小，表示适中，表示偏大，表示较大，表示很大。如表1所示。

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