【導(dǎo)讀】近年來，隨著科技的發(fā)展，自來水廠測(cè)控系統(tǒng)也有了很大的提高。致使水廠對(duì)水質(zhì)檢測(cè)的要求更加嚴(yán)格。在自來水生產(chǎn)過程中需要對(duì)其中的壓力、流量、液位、PH值、渾濁度、余氯等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和控制。加藥控制是綜合考慮取水量和原水濁度的復(fù)合加藥控制方案。加氯控制分濾前加氯和濾后加氯，其中濾后加氯設(shè)計(jì)了前饋—反饋控制方案。另外，本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)還包括反應(yīng)池測(cè)控系統(tǒng)、沉淀池測(cè)控系統(tǒng)、濾池測(cè)控系統(tǒng)、清水池測(cè)控系統(tǒng)、恒壓供水測(cè)控系統(tǒng)等。制系統(tǒng)，使自來水廠的出水水質(zhì)符合國家的標(biāo)準(zhǔn)。

　　

【正文】 選用 S7— 200PLC。在 PLC 的輸出端，為了防止出現(xiàn)某臺(tái)電動(dòng)機(jī) 既 接工頻電，又接變頻電，設(shè)計(jì) 了電氣互鎖。比如在控制 M1 電動(dòng)機(jī)的兩個(gè)接觸器 KM KM0 線圈中，分別串入了對(duì)方的常閉觸點(diǎn)形成電氣互鎖。頻率的檢測(cè)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 信號(hào)通過 FMA 端子送給 PLC，作為 PLC 增泵、減泵控制信號(hào)。 ⑵ 變頻器 ① 變頻器 原理 變頻器是利用電力半導(dǎo)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?？煞譃榻?— 交變頻器，交 — 直 — 交變頻器。交 — 交變頻器可直接把交流電變成頻率和電壓都可變的交流電；交 — 直 — 交變頻器則是先把交流電經(jīng)整流器先整流成直流電，再經(jīng)過逆變器把這個(gè)直流電流變成頻率和電壓都可變的交流電。 PWM 是 按一定規(guī)律改變脈沖 列的脈沖寬度，以調(diào)節(jié)輸出量和波形的一種調(diào)值方式。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。 非同步 電動(dòng)機(jī) 的轉(zhuǎn)矩是 電機(jī)的 磁通 與轉(zhuǎn)子內(nèi)流過電流之間相互作用而產(chǎn)生的，在額定頻率下，如果電壓一定而只降低頻率， 那么 磁通就過大 ， 磁回路飽和，嚴(yán)重時(shí)將燒毀電機(jī)。因此，頻率與電壓要成比例地改變，即改變頻率的同時(shí)控制變頻器輸出電壓，使電動(dòng)機(jī)的磁通保持一定，避免弱磁和磁飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生。這種控制方式多用 于 風(fēng)機(jī)、 泵類節(jié)能型變頻器。 頻率下降 (低速 )時(shí) ， 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。 采用變頻器運(yùn)轉(zhuǎn)，隨 著 電機(jī)的加速相應(yīng)提高頻率和電壓，起動(dòng)電流被限制在 150%額定電流以下。用工頻電源直接起動(dòng)時(shí)，起動(dòng)電流為 6~7 倍，因此，將產(chǎn)生 機(jī)械 電氣上的沖擊。采用變頻器傳動(dòng)可以平滑地起動(dòng)。起動(dòng)電流為額定電流的 ~ 倍，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 70%~120%額定轉(zhuǎn)矩； 對(duì)于 帶有轉(zhuǎn)矩自動(dòng)增強(qiáng)功能的變頻器，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為 100%以上，可以帶全負(fù)載起動(dòng)。 頻率下降時(shí)完全成比例地降低電壓， 那么由于 交流阻抗變小而直流電阻不變 ， 將造成在低速下產(chǎn)生地轉(zhuǎn)矩有減小的傾向。因此，在低頻時(shí)給定 V/F， 要使輸出電壓提 高內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 一些 ， 以便獲得一定地起動(dòng)轉(zhuǎn)矩 ， 這種補(bǔ)償稱增強(qiáng)起動(dòng)?？梢圆捎酶鞣N方法實(shí)現(xiàn) ， 有自動(dòng)進(jìn)行的方法、選擇 V/F 模式或調(diào)整電位器等方法。 在 6Hz 以下仍可輸出功率，但根據(jù)電機(jī)溫升和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小等條件，最低使用頻率取 6Hz 左右，此時(shí)電動(dòng)機(jī)可輸出額定轉(zhuǎn)矩而不會(huì)引起嚴(yán)重的發(fā)熱問題。變頻器實(shí)際輸出頻率 (起動(dòng)頻率 )根據(jù)機(jī)種為 ~3Hz。 通常情況下 ,在 50Hz 以上電壓不變，大體為恒功率特性，在高速下要求相同轉(zhuǎn)矩時(shí)，必須注意電機(jī)與變頻器容量的選擇。 給所使用的電機(jī)裝置設(shè)速度檢出器 (PG)，將實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋給控制裝置進(jìn)行控制的 ，稱為 “ 閉環(huán) ” ，不用 PG 運(yùn)轉(zhuǎn)的就叫作 “ 開環(huán) ” 。通用變頻器多為開環(huán)方式，也有的機(jī)種利用選件可進(jìn)行 PG 反饋。 開環(huán)時(shí)，變頻器即使輸出給定頻率，電機(jī)在帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)差率的范圍內(nèi) (1%~5%)變動(dòng)。對(duì) 于 要求調(diào)速精度比較高，即使負(fù)載變動(dòng)也要求在近 于 給定速度下運(yùn)轉(zhuǎn)的場(chǎng)合，可采用具有 PG 反饋功能的變頻器。 具有 PG 反饋功能的變頻器，精度有 所 提高。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。 如果給定的 加速時(shí)間 過短，變頻器的輸出頻率變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過轉(zhuǎn)速的變化，變頻器將因流過過電流而跳閘，運(yùn)轉(zhuǎn)停止 ，這就叫作失速。為了防止失速 ,就要檢出電流的大小進(jìn)行頻率控制 ,當(dāng)加速電流過大時(shí)適當(dāng)放慢加速速率。減速時(shí)也是如此。兩者結(jié)合起來就是失速功能。 電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中如果降低指令頻率，則電動(dòng)機(jī)變?yōu)榉峭?電動(dòng)機(jī) 狀態(tài)運(yùn)行，作為制動(dòng)器而工作，這就叫作再生（電氣）制動(dòng)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 從電機(jī)再生出來的能量貯積在變頻器的濾波 電容器 中，由 于 電容器的容量和耐壓的關(guān)系，通用變頻器的再生制 動(dòng)力 約為額定轉(zhuǎn)矩的 10%~20%。如采用選用件制動(dòng)單元，可以達(dá)到 50%~100%[18]。 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(hào) 輸 入到變頻器中，由變頻器經(jīng)過一定的調(diào)制，對(duì)抽水泵進(jìn)行控制。 在壓力控制中，由于壓力信號(hào)有的快，有的慢，并且過程非常迅速，因此必須選用 PI 控制。 在此選用富士變頻器 ， 其主要參數(shù)列舉如下： H21 反饋選擇，可以選擇設(shè)定值的 0，功能是控制端子 12 正動(dòng)作（電壓輸入 0~10V） 。 P 動(dòng)作：操作量（輸出頻率）和偏差之間有比例關(guān)系的動(dòng)作，稱為 P 動(dòng)作。因此 P動(dòng)作即是輸出和偏差成比例的操作量。 H22 為 P 增益，設(shè)定范圍為： ~ 倍，在實(shí)際應(yīng)用中，一般選用為 。這是決定 P 動(dòng)作對(duì)偏差反應(yīng)程度的參數(shù)。增益取大時(shí)，反應(yīng)快 ，但過大將產(chǎn)生振蕩；增益取小時(shí)，反應(yīng)遲緩。 I 動(dòng)作：操作量（輸出頻率）的變化速度和偏差成比例關(guān)系的動(dòng)作，稱為 I 動(dòng)作。因此， I 動(dòng)作即是輸出按偏差積分的操作量。因此，能 達(dá) 到使控制量（反饋量）和目標(biāo)值（設(shè)定頻率）一致的效果，可是，對(duì) 變化急劇的偏差，反應(yīng)變差。 H23 積分時(shí)間，設(shè)定范圍： 不動(dòng)作， ~3600s。用積分時(shí)間參數(shù) I 決定 I 動(dòng)作效果的大小。積分時(shí)間大時(shí)，反應(yīng)遲緩，另外，對(duì)外部的控制能力變差，積分時(shí)間小時(shí)，反應(yīng)速度快，過小時(shí)，將發(fā)生振蕩。 PI 控制：僅用 P 動(dòng)作控制，不能完全消除偏差。為了消除偏差，一 般采用增加 I 動(dòng)作的 P+I 控制。用 PI 控制時(shí)，能消除由改變目標(biāo)值和經(jīng)常的外來干擾的引起的偏差。但是， I 動(dòng)作過強(qiáng)時(shí)，對(duì)快速變化偏差反應(yīng)遲緩。對(duì)有積分元件的負(fù)載系統(tǒng)，也可以單獨(dú)使用 P 動(dòng)作控制。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 第四章 加藥、加氯 測(cè) 控系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 加 藥 測(cè)控 系統(tǒng) 在國內(nèi)外的常規(guī)地表水處理工藝中，皆以除濁澄清作為主要目標(biāo)之一，即采用混凝、沉淀（或澄清）、過濾這樣一個(gè)基本工藝。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。在工藝一定的條件下，混凝效果由混凝劑的投加情況所決定。通常所 用的混凝劑都是屬于電解質(zhì)物質(zhì)，在水中與膠體雜質(zhì)發(fā)生電中和，壓縮膠體的雙電層，降低ζ電位 ,使之脫穩(wěn)凝聚。若混凝劑投量偏少，膠體雜質(zhì)達(dá)不到應(yīng)有的脫穩(wěn)程度，自然混凝效果不好；相反若投量過多，使膠體表面吸附過量的反電荷，改變電性而使ζ電位重新升高，膠體發(fā)生再穩(wěn)定而不能聚結(jié)，同樣達(dá)不到混凝的目的。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。另外，目前所用的混凝劑多為鋁鹽。研究表明，水中鋁離子濃度過高會(huì)影響人的身體健康，并對(duì)水質(zhì)及輸水系統(tǒng)產(chǎn)生不良的影響。從這個(gè)角度講，也應(yīng)防止混凝劑投加過量。另一方面 ， 凈水的 藥劑費(fèi)僅次于電費(fèi)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(jià)。因此 ， 在保證處理效果的前提下，節(jié)約混凝劑的消耗，是降低成本的重要措施，經(jīng)濟(jì)意義十分重大。因此，投藥混凝是水質(zhì)凈化最重要的環(huán)節(jié)，而準(zhǔn)確投加所需要的混凝劑量則是獲得較好混凝效果及經(jīng)濟(jì)效益的最關(guān)鍵問題。所謂混凝控制事實(shí)上主要就是混凝劑投加量的控制 [9]。 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。高濁度水的典型代表是黃河水。黃河是我國泥沙含量最大的河流， 也是 世界上罕見的多沙河流，年輸沙量和年平均含砂量均居世界大江河的首位。因?yàn)槲覀兊靥幇^， 處于黃河邊內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 緣， 人們的生活用水主要是黃河 水。因此在 設(shè)計(jì)時(shí)，要以黃河水為 例。 1967 年 8 月平均含砂量為 622kg/m3， 8 月 1 日的日平均含砂量高達(dá) 1090kg/ m3[8]。 另外，地區(qū)不同，高濁度水流中泥砂濃度及顆粒級(jí)配差別很大。高濁度水中的大部分泥砂屬粗分散系。高濁度水流中的細(xì)顆粒泥砂，由于本身固有的特性，自然沉降時(shí)在上部清水與下部渾水之間形成界面，即渾液面。渾液面以下有一段泥砂濃度基本不變的渾水層稱為均渾水層，將組成均濃渾 水層的細(xì)小泥砂稱為穩(wěn)定泥砂；將顆粒較粗，在自然沉降過程中不斷由均濃度渾水層中沉降除去的泥砂稱為非穩(wěn)定泥砂。 高濁度水的混凝特性與常規(guī)濁度水相比有很大不同。常規(guī)濁度水的混凝多以固體顆粒的電中和作用為主，表現(xiàn)為膠體雜質(zhì)的脫穩(wěn)混凝過程，使水中原來不易下沉的雜質(zhì)聚集成具有一定沉速的絮凝體。高濁度水對(duì)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。因此，在高濁度水處理中通常使用以吸附架橋作用為主的高分子絮凝劑。高分子絮凝劑用于高濁度水處理時(shí)絮凝速度快，一般僅需幾秒至幾十秒就可 形成粗大的絮凝體。 高濁度水混凝以吸附架橋作用為主和絮凝速度快，是有別于常規(guī)濁度混凝的兩個(gè)重要特點(diǎn)。由此，在混凝控制技術(shù)上，也產(chǎn)生了重要的差別。 ⑵ 混凝劑 在飲用水處理的混凝劑應(yīng)符合以下基本條件：混凝效果好 、 對(duì)人體健康無害 、 使用方便 、 貨源充足 、 價(jià)格低廉。 混凝劑種類很多，據(jù)目前所知，不少于 200~300 種。按化學(xué)成分可分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。無機(jī)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。有機(jī)混凝劑品種很多，主要是高分子物質(zhì)，但在水處理中的應(yīng)用比無機(jī)的少。 水廠原水是從黃河直接取 出的， 原水水質(zhì)受各種因素的影響在不同的時(shí)期不同的情況下變化很大。水溫對(duì)加藥量有明顯的影響，冬季加藥量往往比夏季多，有時(shí)甚至高出內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 1~2 倍。投加硫酸鋁時(shí)，水溫產(chǎn)生的影響比投加鐵鹽時(shí)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]。 自動(dòng)加藥 控制 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) ⑴ 加藥系統(tǒng) 黃河高濁度水的含沙量達(dá)幾十千克∕立方米，懸浮物含量很高，一般都要經(jīng)過天然蓄水池、水庫或預(yù)沉池。經(jīng)過初步的處理后一般水的濁度在 100NTU 以下，隨后進(jìn)入混凝等常規(guī)處理。 要將原水制成高質(zhì)量的自來水必須精確控制制水過程中要?jiǎng)┑耐都恿?，使加藥量適應(yīng)原水水質(zhì)的改變，控制加量的過程由加藥系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。 目前， 國內(nèi)大中型 自來 水廠的自動(dòng)化水平越來越高，通過對(duì)給水凈化工藝配套進(jìn)行自動(dòng)控制，對(duì)保證設(shè)備運(yùn)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(jì)效益和社會(huì)效益。在自來水自動(dòng)化運(yùn)行中投加混凝劑的自動(dòng)控制是生產(chǎn)和水質(zhì)管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，自動(dòng)加礬（ ALSO4）系統(tǒng)就是完成混凝劑的投加。 系統(tǒng)圖如圖 所示。 在該項(xiàng)目中 ， 目前國內(nèi)外較先進(jìn)的 自來 水廠都使用 SCD 檢測(cè)儀表來控制投藥量 。 在水處理工藝中，根據(jù)混凝機(jī)理，加藥的主要作用是使水中的膠 體粒子脫穩(wěn)。膠體粒子的穩(wěn)定度可用 ζ 電位來描述， ζ 電位越高，穩(wěn)定性越好，欲達(dá)到應(yīng)有混凝效果的加藥量就越多。由于直接檢測(cè) ζ電位的技術(shù)非常復(fù)雜，所以研制出 SCD 儀表，間接測(cè)定 ζ電位，用以反映水中膠體粒子的穩(wěn)定度 [11]。 本設(shè)計(jì)中 用原水流量與 SCD 儀 組成前饋 — 反饋 控制 系統(tǒng) 。 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]。如果先將投藥量控制成按原水流量成比例，則混凝有了基本保證，然后再根據(jù) SCD 來修正投加量，這 樣對(duì)水質(zhì)的控制內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 也可獲得一定效果 。 根據(jù)此設(shè)想，本方案以 SCD 為主要參數(shù)形成負(fù)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(duì)于沖程和速度都能調(diào)節(jié)的計(jì)量泵可組成 加藥控制系統(tǒng)。 S C D 儀計(jì) 量 泵變 頻 器F T進(jìn) 水 管 道投藥管道出 水 管 道反應(yīng)池 圖 加藥控制系統(tǒng) ⑵ 系統(tǒng)方框圖 加藥控制系統(tǒng)方框圖如圖 所示。 變 頻 器S C D 儀反 應(yīng) 池 投 藥 管 道速度沖 程計(jì) 量 泵 流 量 計(jì)原 水出 水 管 道 圖 加藥系統(tǒng)方框圖 所謂前饋控制，實(shí)質(zhì)上是一種按擾動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的開環(huán)控制系統(tǒng) 。 其特點(diǎn)是當(dāng)擾動(dòng)產(chǎn)生后，被控變量還未顯示出變化以前，根據(jù)擾動(dòng)作用大小進(jìn)行調(diào)節(jié)，以補(bǔ)償擾動(dòng)作用對(duì)被控變量的影響。這種前饋控制作用運(yùn)用的恰當(dāng)，可以使被控變量不會(huì)因擾動(dòng)作用而產(chǎn)生偏差，比反饋控制要及時(shí)，并且不受系統(tǒng)滯后的影響。如果補(bǔ)償?shù)卯?dāng)，對(duì)于某一特定內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（畢業(yè) 論文 ） 擾動(dòng)，前饋控制系統(tǒng)的品質(zhì)十分理想，明顯優(yōu)于反饋控制系統(tǒng)。但是，要實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償并非易事。因?yàn)橐玫焦I(yè)過程的精確數(shù)學(xué)模型是十分困難的；同時(shí)，擾動(dòng)也往往不止特定的一種或數(shù)種，為了保證有更大的適應(yīng)性，因此把前饋控制和 反饋控制結(jié)合起來，構(gòu)成前饋 — 反饋控制系統(tǒng)。前饋克服主要擾動(dòng)的影響，反饋控制克服其余擾動(dòng)及前饋補(bǔ)償不完全部分。這樣，系統(tǒng)即使 在大而頻繁的擾動(dòng)下，依舊可以獲得優(yōu)良的控制品質(zhì)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 、 使用方便，盡管 SCD 檢測(cè)值一般情況有 2mi