【正文】 科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 工藝的基礎(chǔ)上，重點研究自來水廠的自動測控系統(tǒng)以及自動保護系統(tǒng)，根據(jù)要求設(shè)計相應的水質(zhì)檢測和過程控制系統(tǒng)，使自來水廠的出水水質(zhì)符合國家的標準。 80 年代已應用單板機和單片機于水廠二級泵房的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理，完成了打印和報表的功能 。 自來水處理 工藝 流程 自來 水廠的任務就是對 原 水進行加工處理，使水質(zhì)符合生活或部分工業(yè)用水的各種要求。 混凝是在原水中投加混凝劑，在反 應池中與水中膠體顆粒生成絮凝顆粒，即通常所說的礬花，以去除水中的膠體顆粒和微細懸浮物。 但是要使渾濁度和其他水質(zhì)指標達到生活飲用水衛(wèi)生標準，只是沉淀是不夠的，任何一個取用地表水的水廠，濾池是決不可能省的。 為了使過濾后的水達到生物學標準，會在清水池入口處對過濾后的清水再一次進行加氯消毒處理， 消毒的目的是消滅有害的致病微生物和細菌 。 水廠的工藝環(huán)節(jié)眾多，不可能都詳細 地 介紹 。 而 在這些控制系統(tǒng)中 又 涉及到液位控制、流量控制 和 壓力控制等，各個 控制 系 統(tǒng)都相互關(guān)聯(lián)，相互依靠， 在它們的共同作用下最終 使出廠水符合飲用水的 標準 。液位控制是根據(jù)反應池的水位高低進行控制的，而反應 池 的水位高低又與一級泵房的送水量有關(guān)， 故 在 此 也對一級泵房進行介紹。采取技術(shù)措施，合理地調(diào)節(jié)水泵、管道系統(tǒng)工況，保證用戶的用水要求，并最大限度地節(jié)約能耗、降低費用，是十分重要的。由變頻器來改變水泵的轉(zhuǎn)速，根據(jù)用戶用水的多少，以一定的水壓力向自來水廠輸送 原水，使輸送給自來水廠的原水符合控制系統(tǒng)的要求。 液 位 控 制 器 執(zhí) 行 器 反 應 池液 位 變 送 器s pP Ve池 水 圖 液位控制系統(tǒng)方框圖 反應池 液位控制系統(tǒng) 從實際情況出發(fā)可采用單回路反饋控制系統(tǒng)，單回路控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點 [4]： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） ① 一個單回路反饋控制系統(tǒng)是由一個測量變送器、一個控制器、一個控制閥和相應的被控對象組成。具體接線參考附 錄 B。 伺服放大器將來自調(diào)節(jié)器的電流信號和位置反饋信號進行綜合比較，并將差值放大，以足夠的功率去驅(qū)動伺服電機旋轉(zhuǎn)。 反應池測控 儀表選型 反應池 控制 過程中的 主要檢測 參數(shù)有 濁度、 PH 值 、電導率 和 液位等。所含雜質(zhì)如溶解于水中（雜質(zhì)顆粒大小在 106mm 以下，呈離子和低分子狀態(tài)時），將不影響水的透明度。降低水濁度，最大限度地提高制水質(zhì)量，是保障人民健康所急需解決的問題。 ⑵ PH 值 檢測 [11] ① PH 值檢測 原理 PH 值 檢測就是為了檢測原水的酸堿度，看原水的酸堿度在那一個范圍內(nèi)，這樣可以為以后的控制 提供 依據(jù)。 ② PH 值測量 儀表 PH 測量儀表包括 PH 計和 PH 變送器（也稱工業(yè) PH 計）。輸出信號為電壓（ 0~5V 或0~10V）和電流（ 0~10mA 或 4~20mA）。測定水的電導，可以了解水被雜質(zhì)污染的程度，電 導率是水質(zhì)監(jiān)測的常規(guī)項目之一。待測水樣在測定槽中連續(xù)流過，電導電極產(chǎn)生的信號通過放大器被調(diào)制為標準信號（電流或電壓），然后輸出。比例控制器多用于就地控制和 允許有余差存在的場合，因為反應池中的液位控制系統(tǒng)不需要嚴格的控制，只要反應池不滿溢或抽干，比例控制器就 是 特別適用的。根據(jù)開環(huán)放大倍數(shù)為負的要求，因此控制器采用反作用。從自來水的反應池的基本情況來看，選擇電容式液位傳感器比較合適。 由于電容式液位計適用于渾濁度高的液體，并且靈敏度高的特點，因此在此選用電容式液位計。 可以做調(diào)節(jié) ， 比較耐電壓沖擊。沉淀池的運行控制，主要是沉淀池排泥的控制 ， 沉淀池底的積泥必須及時排出，才能保證沉淀池的正常運行，否則就會導致出水濁度 升高，發(fā)生水質(zhì)事故。 排泥控制的基本內(nèi)容就是根據(jù)池內(nèi)積泥量的多少，來決定排泥的周期排泥的歷時等等。 在此選用平流式沉淀池，原水經(jīng)投藥、混合與絮凝后，水中懸浮雜質(zhì)已形成粗大的絮凝體，要在沉淀池中分離出來以完成澄清的作用。 平流式沉淀池為矩形水池，上部為沉淀區(qū)，下部為污泥區(qū)，池前部有進水區(qū)，池后部有出水區(qū)。必須在沉淀池的底部設(shè)置 存泥區(qū)，利用沉淀池的斗形底、污泥自身的重力以及池水的沖力作用，將污泥排出沉淀池 [6]。 濁 度 控 制 器 電 動 控 制 閥 排 泥 管 道沉 淀 池 水 濁 度 圖 排泥控制系 統(tǒng)方框圖 沉淀池在排泥過程中要求不是很嚴格 ,并且要以濁度作為檢測信號來控制排污管道的閥門。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 排泥 測控 儀表選型 ⑴ 濁度計 [11] 濁度是用一種稱作濁度計的儀器來測定的。任何真正的濁度都必須按這種方式測量。 利用透光率測量容易受到顏色吸收或顆粒物吸收等干擾的影響。可以廣泛應用于發(fā)電廠、純凈水廠、自來水廠、生活污水處理廠、飲料廠、環(huán)保部門、工業(yè)用水、制酒行業(yè)及制藥行業(yè)、防疫部門、醫(yī)院等部門的現(xiàn)場在線濁度測量。 ⑵ 濁度控制器 在沉淀池中， 當檢測到 濁度 達到 一定的度數(shù)，就會讓控制器開啟閥門，排除池中的泥沙。變送器的放大倍數(shù)符號為正。 ML C L T進 水 管 道沉淀池 圖 液位控制系統(tǒng) ⑵ 系統(tǒng)方框圖 沉淀池 液位 控制 的 設(shè)定值是根據(jù)自身的水位高低來進行設(shè)定的， 規(guī)定在沉淀池處于安全狀態(tài)下的液位高度。在濾池中，顆粒介質(zhì)的排列總是上面細下面粗，濾 料之間的孔隙尺寸也是從上往下越來越大。過濾時，在整個濾層中，雜質(zhì)顆粒的去除過程就是這樣一層層地進行下去，直到表層濾料中的孔隙逐漸被堵塞，甚至濾料層表面形成了泥膜，這時過濾阻力增加，等到濾池水頭損失達到極限值或出水水質(zhì)不合格時，過濾過程即行結(jié)束，濾料層需進行沖洗，以恢復過濾能力。濾 后 水濁度必須達到飲用水標準。 濾池有多種形式。 L T進 水 支 管 1P L C排 水 支 管 3SSSS濾 池清 水 支 管 2沖 洗 水支 管 4 圖 濾池控制系統(tǒng)圖 ⑴ 過濾 過濾時，開啟進水支管 1 與清水支管 2 的閥門。渾水流經(jīng)濾料層時 ，水中雜質(zhì)即被截留。過濾周期后期，當濾池水位上升到反沖洗水位時，液位檢測裝置發(fā)出反沖洗信號，由控制裝置控制執(zhí)行機構(gòu)完內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 成此格濾池反沖洗過程。開啟排水閥 3 和沖洗水管 4 的閥門。沖洗一直進行到濾料基本洗干凈為止。 浮 球（ 溢 流 水 位 ） 1 Y W（ 反 沖 洗 水 位 ） 2 Y W（ 反 沖 洗 開 始 水 位 ） 3 Y W 圖 水位檢測裝置 對圖中各控制信號說明如下： 1YW： 溢流水位信號，反沖洗裝置失靈或其他原因引起濾池水位上升到此水位時，控制裝置發(fā)出聲、光報警信號，告誡值班人員須進行事故處理操作。 只能開或關(guān) ，開關(guān)時動作時間短 。電磁閥只能控制全開 、 全 關(guān) 。 動作頻率要求高時，結(jié)構(gòu)應優(yōu)選直動式電磁閥 。 1720D 的測量范圍為0~100NTU。 1720D 不需要用樣品池，這樣可減少雜散光，提高測量準確度。由于在濾池控制中，需要模擬量的輸入，因此需要擴展一塊 EM231 模擬量輸入模塊 ， EM231要接受模擬量的液位變送器送來的信號。反沖洗過程需要在編程時根據(jù)特定情況設(shè)定一定的時間，等反沖洗時間到達時就會關(guān)閉閥門 3 和閥門 4，打開閥門 1 和閥門 2，循環(huán)進行下一過程。特別是世界范圍內(nèi)對消毒副產(chǎn)物控制的重視，使清水池設(shè)計的改進成了減少消毒副產(chǎn)物的重要手段。其貯水量由水位計表征，運行人員根 據(jù)水位信號調(diào)節(jié)入口水流量使水位在一定限制內(nèi)運行，從而確保工業(yè)水和生活水的連續(xù)供給?？刂葡到y(tǒng)圖如圖 所示。 液 位 控 制 器 電 磁 閥 清 水 池液 位 變 送 器s pP Ve池 水 圖 系統(tǒng)方框圖 清水池 測控 儀表選型 ⑴ 液位計 清水池水位測量由于受到被測被測介質(zhì)的性質(zhì)和工作條件的影響。 浮子式液位計的浮標 置于被測介質(zhì)中，當液位變化時，浮標隨著浮動，通過指針便可以直接指示出液位的高度。按控制精度的高低，恒壓給水控制技術(shù)包括如下兩大類 [11]。這種控制方式精度低，水壓波動較大，是較為傳統(tǒng)的給水技術(shù)。 按壓力控制點的設(shè)置位置，還可以將 恒 壓給水控制系統(tǒng)分為泵出口處恒壓控制與用戶最不利點處恒壓控制兩類。變內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 頻調(diào)速恒壓供水系統(tǒng)可以通過自動控制實現(xiàn)上述調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)水泵工作電源頻率的方式，改變水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變了水泵的工況，構(gòu)成閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速及工作水泵臺數(shù)，實現(xiàn)恒壓變量供水。 如果水壓過低，而變頻器已經(jīng)達到上限設(shè)定值，變頻器發(fā)出頻率上限的動作信號，PLC 啟動增泵程序； PLC 通過這個上限信號將 KM1 斷開 KM2 閉合，電機 M1 由變頻運行變?yōu)楣ゎl運行，（即 1泵有變頻運行變?yōu)?工頻 運行），同時 KM3 吸合變頻啟動 2水泵。 若再次收到下限信號就斷開 KM KM2，吸合 KM1，只剩 1泵變頻工作。 1 變 + 1 定1 變 1 變 + 2 定1 Q2 Q 3 QHQ 圖 變頻調(diào)速系統(tǒng)運行過程示意圖 恒壓供水測控 儀表選型 ⑴ PLC 控制器 根據(jù)恒壓供水的實際情況，在此選用 S7— 200PLC。 ⑵ 變頻器 ① 變頻器 原理 變頻器是利用電力半導體 器件的通斷作用將工頻 電源 變換為另一頻率的 電能 控制裝置。PAM 是按一定規(guī)律改變脈沖列的脈沖幅度，以調(diào)節(jié)輸出量值和波形的一種調(diào)制方式。 頻率下降 (低速 )時 ， 如果輸出相同的 功率， 則電流增加 ， 但在轉(zhuǎn)矩一定的條 件下 ，電流幾乎不變。起動電流為額定電流的 ~ 倍，起動轉(zhuǎn)矩為 70%~120%額定轉(zhuǎn)矩； 對于 帶有轉(zhuǎn)矩自動增強功能的變頻器，起動轉(zhuǎn)矩為 100%以上，可以帶全負載起動。 在 6Hz 以下仍可輸出功率，但根據(jù)電機溫升和起動轉(zhuǎn)矩的大小等條件，最低使用頻率取 6Hz 左右，此時電動機可輸出額定轉(zhuǎn)矩而不會引起嚴重的發(fā)熱問題。通用變頻器多為開環(huán)方式，也有的機種利用選件可進行 PG 反饋。但速度精度的 值 取決 于 PG 本身的精度和變頻器輸出頻率的 精 度。兩者結(jié)合起來就是失速功能。 ② 變頻器的控制 在恒壓供水控制系統(tǒng)中，要用壓力變送器 將壓力控制信號 輸 入到變頻器中，由變頻器經(jīng)過一定的調(diào)制，對抽水泵進行控制。因此 P動作即是輸出和偏差成比例的操作量。 I 動作：操作量（輸出頻率）的變化速度和偏差成比例關(guān)系的動作，稱為 I 動作。用積分時間參數(shù) I 決定 I 動作效果的大小。用 PI 控制時，能消除由改變目標值和經(jīng)常的外來干擾的引起的偏差。能否使水中的渾濁物質(zhì)聚結(jié)形成具有一定粒度及表面特性的絮凝體，為沉淀或過濾去除創(chuàng)造良好的條件，關(guān)鍵就是混凝效果如何。投加適量的混凝劑，保障混凝效果，是使處理水質(zhì)合格的前提。另一方面 ， 凈水的 藥劑費僅次于電費而構(gòu)成制水成本的第二大要素，混凝劑投加量直接影響到制水成本以至水價。 高濁度水混凝控制技術(shù) ⑴ 高濁度水的混凝特性 高濁度水指泥沙含量很高，能形成均濃渾水層，以界面形式沉降的天然原水。因此在 設(shè)計時，要以黃河水為 例。高濁度水流中的細顆粒泥砂，由于本身固有的特性，自然沉降時在上部清水與下部渾水之間形成界面，即渾液面。高濁度水對混凝劑的要求，除了要有較高的聚合度外，還要有一定的分子鏈長度，以便發(fā)揮較好的吸附架橋作用。由此，在混凝控制技術(shù)上，也產(chǎn)生了重要的差別。無機混凝劑品種較少，目前主要是鐵鹽和鋁鹽及其聚合物，在水處理中用的最多。投加硫酸鋁時，水溫產(chǎn)生的影響比投加鐵鹽時大，所以夏季用硫酸鋁，冬季用鐵鹽或另一種助凝劑是一種好辦法 [17]。 目前， 國內(nèi)大中型 自來 水廠的自動化水平越來越高，通過對給水凈化工藝配套進行自動控制，對保證設(shè)備運行的可靠性 、 節(jié)約降耗 、 優(yōu)質(zhì)供水 和 提高精確度 具有重要意義，并 具有明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。 在水處理工藝中，根據(jù)混凝機理，加藥的主要作用是使水中的膠 體粒子脫穩(wěn)。 使用 SCD 來控制投藥量，根據(jù)一般水廠生產(chǎn)操作情況看，在眾多影響混凝劑投加量的因素中，變化頻繁、影響最直接的是原水流量．投藥量與原水流量基本上成正比 [7]。 變 頻 器S C D 儀反 應 池 投 藥 管 道速度沖 程計 量 泵 流 量 計原 水出 水 管 道 圖 加藥系統(tǒng)方框圖 所謂前饋控制，實質(zhì)上是一種按擾動進行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng) 。但是，要實現(xiàn)完全補償并非易事。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 、 使用方便，盡管 SCD 檢測值一般情況有 2min 。前饋克服主要擾動的影響，反饋控制克服其余擾動及前饋補償不完全部分。這種前饋控制作用運用的恰當，可以使被控變量不會因擾動作用而產(chǎn)生偏差，比反饋控制要及時，并且不受系統(tǒng)滯后的影響。 根據(jù)此設(shè)想，本方案以 SCD 為主要參數(shù)形成負反饋控制的外環(huán)，以原 水流量和 投藥 濃度為參考值形成前饋控制模型，對于沖程和速度都能調(diào)節(jié)的計量泵可組成 加藥控制系統(tǒng)。由于直接檢測 ζ電位的技術(shù)非常復雜，所以研制出 SCD 儀表，間接測定 ζ電位，用以反映水中膠體粒子的穩(wěn)