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毕业设计论文自来水厂自动测控系统设计
毕业设计说明书
自来水厂自动测控系统设计
摘要
近年来，随着科技的发展，自来水厂测控系统也有了很大的提高。
由于水体污染，致使水厂对水质检测的要求更加严格。
在自来水生产过程中需要对其中的压力、流量、液位、PH值、浑浊度、余氯等参数进行测量和控制。
水处理控制技术是保证供水水质的关键，其中重要的控制系统主要包括加药控制和加氯控制。
加药控制是综合考虑取水量和原水浊度的复合加药控制方案。
该方案根据原水流量来控制计量泵的频率，根据流动电流检测仪反馈电流与设定值的偏差来控制计量泵的冲程。
加氯控制分滤前加氯和滤后加氯，其中滤后加氯设计了前馈—反馈控制方案。
该方案可以自动调节滤后加氯标准，无需人工干预，降低了人为误差的影响，实现了真正的自动化。
另外，本文所设计的控制系统还包括反应池测控系统、沉淀池测控系统、滤池测控系统、清水池测控系统、恒压供水测控系统等。
本文设计的是自来水厂测控系统，必须根据实际要求设计相应的水质检测和过程控制系统，使自来水厂的出水水质符合国家的标准。
关键词：
自来水厂；自动检测；自动控制；加药控制；加氯控制
Designforautomaticmonitoringsysteminwaterworks
Abstract
Inrecentyears,withthedevelopmentofscienceandtechnology,themonitoringsysteminwaterworkshasbeenimprovedalot.Becauseofwaterpollution,thewaterworkshasmademorestrictrulesfortestingwaterquality.intheprocessoftapwaterproduction,weshouldtestandcontrolitsforce,flow,level,PHvalue,turbidity,chlorineandotherparameters.
Watercontrolingtechnologyisthekeytotheguaranteeofwaterquality,amongwhihtheimportantcontrollingsystemsarecontrolsofdrugsandchlorination.drugcontrolisthecompounddrugcontrollingprogrammeofwateramountsandrawwaterturbidity.itcontrolsthefrequencyofmeteringpumpsinaccordancewhithwatercurrent,anditcontoolsthederiationofpumpstrokeaccordingtocurrentfromflowingdetectorandsettingmeasures.chlorinationcontrolcontainsprecedingandfollowingchlorinations.thelattermakesafed-feedbackprogramme,anditcancontrolthechlorinationstandardswithouthumaninterventionautomatically.Thiscanreducehumanerrorsandachieverealautomation.Inadditionthiscontrollingsystemalsoincludesmonitoringsystemsoftank,sedimentarytankfilteredtank.clearwatertankandsystemofconstantwatersupply.
Thispaperisdesignedforthecontrollingsystemofwaterworks.Wemustdesignitonthebasesofactualrequirementssoastomakethewaterqualityinwaterworksmeetthedemandsofourcountry.
Keywords:
waterworks;automaticdetection;automaticcontrol;drugcontrol;chlorinationcontrol
第一章引言
一.1研究背景及目的
水源污染是当今世界范围所面临的普遍问题,特别是有机物的污染。
在农业上使用的化肥、农药、除草剂、杀虫剂等的流失，进入水源中，加剧了水质的恶化。
当水厂从河里抽上的原水中,会有各种不同的杂质，例如常会含有粘土、砂、水草、腐殖质、某些盐类，还有细菌、病毒、寄生虫、有机污染物等对人体有害物质，这些有害物质如果不处理，很大部分通过水源进入人体，会造成对人体的严重伤害。
生活饮用水对水质的要求是无色、无嗅、无味、不浑浊、无有害物质、不含传染病菌，所以水在送往用户前，必须经过澄清、消毒等工艺环节的处理，使之符合用户对水质的要求。
目前，我国已全面进入建设小康社会，并加快推进现代化建设的新阶段，这也要求和必将带动饮用水处理行业迅速发展。
因此，在我国要求建设现代化先进水平的自来水厂，这对于提高供水水质、保障人们健康、提高生活质量和推动给水工业发展都有重要的现实意义。
同时，随着我国加入世界贸易组织，给水工业与世界接轨之势已不可阻挡，为适应在此领域中的国际竞争，建设现代化先进水平的自来水厂也是十分必要的。
一个现代化的自来水厂最终目的就是为用户提供优质的符合健康要求的安全饮用水。
因此，在自来水厂的测控系统设计之前就应该确定该水厂的出水水质目标，这个目标应主要根据现行的水质标准来确定。
随着微量分析和生物检测技术的进步，以及流行病学数据的统计积累，人们对水中微生物的致病风险和致癌、致畸、致突变有机物、无机物对健康危害的认识不断深化。
采用传统的饮用水处理工艺已经不能满足当前人们的饮水安全要求，新的处理工艺和技术（包括预处理和深度处理在内）不断涌现[14]。
一.2研究本课题的意义
实现水厂生产过程自动控制，主要是提高生产过程的可靠性和安全性，实现优质、高效和低耗供水，降低运行人员的劳动强度，提高管理水平和劳动生产率，最终取得良好的经济效益和社会效益[10]。
具体表现在以下方面[16]：
⑴水质优化
通过自动控制系统的调节，提高供水水质的安全可靠性，并降低水处理系统的运行费用。
例如在加氯控制系统中，可以根据出水的水质情况来控制加氯量的多少，根据余氯仪检测出水的余氯的含量，来对投加氯进行合理的控制，使之符合标准。
⑵能耗优化
水厂是耗能大户。
通过自动控制系统的调节，可以最大限度地节约能耗。
例如通过对取水泵站和送水泵站水泵电机的调速控制，使之按恒定流量或恒定压力方式运转，避免能量浪费，即实现能耗优化。
又如可以根据滤池液位情况，控制系统自动调节滤池反冲洗，在保证出厂水水质合格的前提下，实现水处理系统运行的总费用最低。
⑶单体构筑物运行优化
可以根据系统总体运行条件要求（原水水质、产水量等），各控制单元可对各个水处理构筑物的运行工况进行自动调节，通过改变投药量、排泥工况、反冲洗周期及时间等实现单个构筑物在最优工况下运行。
一.3本课题的任务
在水处理过程中，原水来自江河湖泊，受自然条件等因素的影响，原水水质是不断变化的，有时变化幅度是很大的。
如来自同一条河流的原水浊度可能在几十度到几千度之间变化根据水质情况对水处理过程加以控制，使最终达到规定的水质标准。
在本次的毕业设计中，主要进行自来水厂自动测控系统设计。
在了解自来水厂生产工艺的基础上，重点研究自来水厂的自动测控系统以及自动保护系统，根据要求设计相应的水质检测和过程控制系统，使自来水厂的出水水质符合国家的标准。
第二章自来水处理工艺简介
二.1自来水处理工艺发展概述
从人类最初的简单沉淀净水方法到传统的水处理工艺，乃至发展到现在的饮用水深度净化，每次饮用水处理技术的发展与进步，都与水源污染的加重、人们生活水平的提高对饮用水质的要求以及相应的标准不断提高密切相关。
我国自来水厂从20世纪60年代开始采用继电器控制水泵电机、电动阀门、真空泵的联动技术以及半导体原件组成的液位自动控制装置。
到了70年代，自动化仪表逐渐引入水厂，但那时质量较差，没有得到及时的推广。
80年代已应用单板机和单片机于水厂二级泵房的数据采集和数据处理，完成了打印和报表的功能。
到了90年代以后的自来水处理工艺,主要依靠现代化的控制系统,并且由先进的控制仪器组合而成。
利用PLC、变频器、各种先进的检测仪器以及利用现代化的网络系统有机结合而成。
各个环节相互关联、相互协调，最终生产出符合标准的生活用水[21]。
二.2自来水处理工艺流程
自来水厂的任务就是对原水进行加工处理，使水质符合生活或部分工业用水的各种要求。
常见制取自来水的过程主要分为几个步骤：
混凝、沉淀、过滤、消毒和存储，工艺流程图如图2.1所示。
图2.1自来水厂工艺流程图
从以上工艺流程图可以看出,整个水厂制水工艺按功能分成许多不同的环节,如:
反应池、沉淀池、滤池、清水池，还有一级泵房和二级泵房等等。
自然沉淀是利用池塘、湖泊、水库等在该处停留较长的时间，大量的悬浮物就沉到底部，改善水质。
混凝是在原水中投加混凝剂，在反应池中与水中胶体颗粒生成絮凝颗粒，即通常所说的矾花，以去除水中的胶体颗粒和微细悬浮物。
通常的混凝剂是铁盐和铝盐，助凝剂是氯气。
沉淀是使反应池中形成的矾花在沉淀池中去除，出水送往滤池，为使反应池的矾花在进入沉淀池时不致破碎，两池通常建造的很近，沉淀池的水力停留时间通常为1~3h。
绝大部分的泥粒、杂质等悬浮颗粒和矾花将依靠重力作用，从水中分离出来并沉淀于池底，因此水将变的清澈。
但是要使浑浊度和其他水质指标达到生活饮用水卫生标准，只是沉淀是不够的，任何一个取用地表水的水厂，滤池是决不可能省的。
过滤主要是去除沉淀池出水中的微小悬浮物颗粒，并进一步降低水中的浑浊度，过滤后的水浊度基本可稳定在1NTU以下。
滤池在使用一段时间后需对滤料进行反冲洗，清除滤料中截留的污物，使滤池恢复过滤能力。
过滤水中含有的微生物还必须经过消毒，使细菌和病毒等符合水质卫生标准。
为了使过滤后的水达到生物学标准，会在清水池入口处对过滤后的清水再一次进行加氯消毒处理，消毒的目的是消灭有害的致病微生物和细菌。
加氯是按照水的需氯量、剩余氯要求（出厂水不低于0.3mg/L，管网末梢水不低于0.05mg/L）和接触时间（30min）确定。
保证充分的接触时间和加氯量，对于去除病毒是很重要的。
最后，经过多重处理的符合国家饮用水标准的出厂水供给广大市民饮用。
水厂的工艺环节众多，不可能都详细地介绍。
由于在水厂制水工艺中，加药和加氯控制系统是整个工艺的重点，对降低水厂运行成本和提高供水水质安全更是至关重要的。
第三章自来水厂测控系统设计
对于自来水厂应根据其生产规模和经济条件来确定比较合理的测控系统。
一般而言，自来水厂的控制系统包括反应池的控制、沉淀池的控制、滤池的控制、清水池控制及恒压供水控制。
而在这些控制系统中又涉及到液位控制、流量控制和压力控制等，各个控制系统都相互关联，相互依靠，在它们的共同作用下最终使出厂水符合饮用水的标准。
三.1反应池测控系统
在水处理方面引入反应池后推动了水处理工艺的发展。
反应池作为化学反应的容器，促进反应的快速进行。
加药控制系统将在第四章中做详细的介绍，在此只介绍液位控制系统。
液位控制是根据反应池的水位高低进行控制的，而反应池的水位高低又与一级泵房的送水量有关，故在此也对一级泵房进行介绍。
管道系统是给水排水工程的重要组成部分，水泵更是极为常见的给水排水设备。
在自来水控制系统中，一级泵房担任着输送和分配水的任务，它的造价占水处理系统总造价的主要部分。
管道系统往往是由水泵加压供水的有压系统，与水泵及水泵站的关系密切，它的运行费用（包括电费）在给水系统运行费用构成中占第一位。
采取技术措施，合理地调节水泵、管道系统工况，保证用户的用水要求，并最大限度地节约能耗、降低费用，是十分重要的。
蓄水池中的水由一级泵房提供给自来水厂。
在设计其测控系统时，为了保证自来水厂反应池中的水位在一定的高度波动，因此采用PLC和变频器共同控制的系统。
采用三个水泵为一组，并且由接触器来连接控制。
由变频器来改变水泵的转速，根据用户用水的多少，以一定的水压力向自来水厂输送原水，使输送给自来水厂的原水符合控制系统的要求。
在本次设计中，给自来水厂供水控制系统与第三章要介绍的恒压供水测控系统采用的控制方案一致，因此可参考恒压供水控制系统的原理与设计图，这里不再介绍。
三.1.1反应池液位控制系统设计
⑴液位控制系统原理
为防止反应池中液位过高而引起大量池水溢出，不但造成水源浪费，而且引起不必要的麻烦，在设计反应池中控制系统时，必须考虑液位的影响，利用液位计检测的信号与控制器的设定值进行比较，去控制原水阀门的开度，其控制系统如图3.1所示。
图3.1液位控制系统
⑵系统方框图
液位控制系统方框图如图3.2所示，该系统是一个简单的单回路控制系统，通过反馈回路来控制整个系统，并通过对该系统的控制来达到合理控制整个系统的目的。
图3.2液位控制系统方框图
反应池液位控制系统从实际情况出发可采用单回路反馈控制系统，单回路控制系统具有以下优点[4]：
①一个单回路反馈控制系统是由一个测量变送器、一个控制器、一个控制阀和相应的被控对象组成。
②该系统中的控制器是根据被控变量的测量值和给定值的偏差来进行控制的。
③单回路系统结构比较简单，所需自动化设备少，投资比较低，操作维护也比较方便，而且一般情况下都能满足控制质量的要求。
⑶液位控制系统接线图
根据反应池液位控制系统的原理，设计相应的实物接线图。
具体接线参考附录B。
在附录B中，有配电器、液位变送器、调节器、记录仪、伺服放大器、操作器等。
由于电流信号适于远距离传输，并且液位变送器是用于现场的仪表，因此变送器的传输信号一般用4~20mADC的电流信号。
配电器对两线制变送器进行供电，并把变送器的4~20mADC的电流信号转换成1~5V的电压信号，传递给记录仪和调节器，以便记录记录和调节之用。
伺服放大器将来自调节器的电流信号和位置反馈信号进行综合比较，并将差值放大，以足够的功率去驱动伺服电机旋转。
操作器用于实现控制系统的自动操作和手动操作的相互切换。
当操作器的切换开关切向“手动”位置时，可由面板按钮直接控制电机的电源，以实现执行机构输出的正转和反转，进行遥控手动操作。
同时操作器接收位置发送器的反馈信号，并将其传递给伺服放大器。
三.1.2反应池测控仪表选型
反应池控制过程中的主要检测参数有浊度、PH值、电导率和液位等。
其中的一些参数检测结果，还是控制加药量和加氯量的依据。
⑴浊度检测
纯净的水在普通条件下为无色、无味、无嗅的透明液体。
在自然界中没有纯净的水，天然水中皆含有杂质。
所含杂质如溶解于水中（杂质颗粒大小在10-6mm以下，呈离子和低分子状态时），将不影响水的透明度。
若所含杂质颗粒大小超过10-6mm，如各种有机物质、细菌、藻类、油脂、金属氢氧化物、粘土、砂、砾石等不溶解物，则会影响水的透明度，造成光学的综合现象，使人视觉上呈有浑浊的现象。
对这一光学现象的度量指标就是浊度。
浊度的高低直接关系到供水水质，它不仅与工业产品的质量直接相关，更影响到人民身体健康。
降低水浊度，最大限度地提高制水质量，是保障人民健康所急需解决的问题。
浊度检测的原理详见3.2节的浊度计原理。
中国《生活饮用水水质卫生规范》（2001）规定出水水质不超过lNTU，特殊情况下不超过5NTU。
但一般情况下，进入反应池的水浊度一般情况下都在100NTU以下。
⑵PH值检测[11]
①PH值检测原理
PH值检测就是为了检测原水的酸碱度，看原水的酸碱度在那一个范围内，这样可以为以后的控制提供依据。
PH是氢离子活度的负对数：
PH=-lga（3—2）
式中，a—氢离子活度；
PH—PH值。
PH值的检测常用电极电位法，该方法是基于两个电极上所发生的电化学反应。
用电极电位法测量溶液PH值，可以获得较准确的结果。
②PH值测量仪表
PH测量仪表包括PH计和PH变送器（也称工业PH计）。
PH计和PH变送器在功能或结构上的差异在于是否具有信号隔离作用。
在自来水检测中用的仪表，必须使用具有信号隔离作用的PH检测仪表，否则可能造成外参比电极极化，造成显示不稳定，使测量误差增大。
目前使用的PH仪表分辨率大都为0.01PH或者0.1PH。
输出信号为电压（0~5V或0~10V）和电流（0~10mA或4~20mA）。
中国《生活饮用水水质卫生规范》（2001）规定，出厂水的PH在6.5~8.5范围内。
PH值的检测点请参考附录A自来水厂测控系统过程检测及控制流程图。
⑶电导在线检测[11]
由于电解质在水溶液中以带电离子的形式存在，因此溶液具有导电的性质，其导电能力的强弱称为电导度，简称为电导。
测定水的电导，可以了解水被杂质污染的程度，电导率是水质监测的常规项目之一。
测量电导用的仪器是电导仪，电导仪中的主要测量元件是电导电极，它是将惰性金属封接在玻璃或塑料管中制成的。
一般用铂金做电极。
电导率的连续测定是在测定槽中进行的。
待测水样在测定槽中连续流过，电导电极产生的信号通过放大器被调制为标准信号（电流或电压），然后输出。
⑷液位控制器[4]
在反应池中，要求液位维持在一定的高度，即要求液位在一定的高度波动。
对只需要实现平均控制的地方，宜用纯比例，并且比例度也要大。
比例控制器的优点：
一是简单；二是调整方便。
比例控制器多用于就地控制和允许有余差存在的场合，因为反应池中的液位控制系统不需要严格的控制，只要反应池不满溢或抽干，比例控制器就是特别适用的。
根据安全考虑，控制阀采用了电动控制阀，其放大倍数符号为正。
被控对象为反应池的液位，当阀门开大时，反应池液位升高，因此被控对象放大倍数为正。
变送器的放大倍数符号为正。
根据开环放大倍数为负的要求，因此控制器采用反作用。
⑸液位传感器[3]
液位的测量在工业自动化生产中占有很重要的地位。
液位测量是利用液位传感器将非电量的参量转变为可测量的电量信号，通过液位传感器输出的电信号的计算和处理，可以确定液位的高低。
液位传感器的种类很多，按照测量原理可分为电容式、静压式、超声波式、微波式、光纤式等等。
从自来水的反应池的基本情况来看，选择电容式液位传感器比较合适。
电容式液位计由电容液位传感器和检测电容的测量线路组成。
他适用于各种导电、非导电液体的液位或粉装料未的远距离连续测量和指示，也可以和电动单元组合仪表配套使用，以实现液位和料位的自动记录、控制和调节。
电容式传感器的特性：
①性能参数
温度范围：
-20~1000℃；压力范围：
50Mpa以下；测量范围：
0~20m；精度：
0.1~2%
②应用范围
限位点设置的控制和报警；连续测量物位及储量；用于各种不同性质的液体及固体散粒；用于易爆区及粉尘易爆区。
由于电容式液位计适用于浑浊度高的液体，并且灵敏度高的特点，因此在此选用电容式液位计。
⑹电动控制阀[3]
用电机带动阀芯。
电动阀一般是管径大，应用于流体的流通、截止、流量、压力等控制。
电动阀的驱动一般是用电机，开或关动作完成需要一定时间的模拟量。
可以做调节，比较耐电压冲击。
电动阀的开度可以控制，可以控制管道中介质的流量。
液位控制器经PID运算后的信号可直接控制电动阀门，免去伺服放大器，可选择是否指示阀门开度，实现自动调节的目的。
三.2沉淀池测控系统
沉淀池是水处理工艺中去除水中絮凝体及粗大杂质的构筑物。
沉淀池的运行控制，主要是沉淀池排泥的控制，沉淀池底的积泥必须及时排出，才能保证沉淀池的正常运行，否则就会导致出水浊度升高，发生水质事故。
排泥水耗量较大，是水厂自用水的重要组成部分。
在良好排泥的前提下，节约排泥用水是水厂经济运行的重要内容。
排泥周期过短或者排泥历时过长都会造成浪费[15]。
排泥控制的基本内容就是根据池内积泥量的多少，来决定排泥的周期排泥的历时等等。
在去包钢给水厂参观时，发现该厂用5分钟沉淀比来决定该沉淀池是否需要排泥。
而每次取水的时间也是由经验来确定的，排泥的时间同样用5分钟沉淀比来决定是否需要关闭排泥管道，进行正常沉淀。
在去参观之后了解到该给水厂的自动化程度偏低，以至于接近不用的地步，所以饮用水质量也很难达到指标。
在此选用平流式沉淀池，原水经投药、混合与絮凝后，水中悬浮杂质已形成粗大的絮凝体，要在沉淀池中分离出来以完成澄清的作用。
对某些工业用水，允许浑浊度较高，经混凝沉淀后即可使用。
但对于城市水厂，出厂水要求浑浊度在3NTU以下，今后的趋势，出厂水浊度还将进一步降低（目前不少水厂出厂水浊度已达1NTU以下，甚至0.5NTU以下），故必须经过澄清工艺中的过滤处理。
混凝沉淀池的出水浑浊度一般宜在10NTU以下，甚至更低[9]。
平流式沉淀池为矩形水池，上部为沉淀区，下部为污泥区，池前部有进水区，池后部有出水区。
经混凝的原水流入沉淀池后，沿进水区整个截面均匀分配，进入沉淀区，然后缓慢地流向出口区。
水中的颗粒沉于池底，沉积的污泥连续或定期排出池外。
三.2.1排泥量控制系统设计
3.2.1.1排泥量控制系统
⑴系统原理
平流式沉淀池排泥的方式有多种，在此采用斗形底排泥的方法进行控制。
必须在沉淀池的底部设置存泥区，利用沉淀池的斗形底、污泥自身的重力以及池水的冲力作用，将污泥排出沉淀池[6]。
利用浊度计检测池中存泥区与池水区的浊度，检测点是两者的界面的一部分水的浊度，然后把信号传送给PID控制器去调节排泥管道的阀门的开度。
其系统结构如图3.3所示。
图3.3排泥管道控制系统
⑵系统方框图
浊度控制系统采用开环控制，其方框图如图3.4所示。
图3.4排泥控制系统方框图
沉淀池在排泥过程中要求不是很严格,并且要以浊度作为检测信号来控制排污管道的阀门。
因此可采用开环控制系统，若系统的输出量对系统的控制作用不产生影响（即无检测反馈单元），则称为开环控制系统。
开环控制系统的控制精度完全取决于各单元的精度，因此，它主要使用在精度要求不高并且不存在内外干扰的场合。
但开环控制系统结构简单，且一般不存在稳定性的问题。
3.2.1.2排泥测控仪表选型
⑴浊度计[11]
浊度是用一种称作浊度计的仪器来测定的。
浊度计发出光线，使之穿过一段样品，并从与入射光呈90°的方向上检测有多少光被水中的颗粒物所散射。
这种散射光测量方法称作散射法。
任何真正的浊度都必须按这种方式测量。
浊度计既适用于野外和实验室内的测量，也适用于全天候的连续监测。
浊度也可以利用色度计或分光光度计测量样品中颗粒物的阻碍作用造成的透射光强衰减程度来估计。
然而，管理机构并不承认这种方法的有效性，这种方法也不符合美国公共卫生协会对浊度的定义。
利用透光率测量容易受到颜色吸收或颗粒物吸收等干扰的影响。
而且，透光率和用散射光测量法测得的结果之间并无相关性。
尽管如此，在某些时候色度计和分光光度计的测量结果可以在水处理系统或过程控制中用于测定浊度的大幅度变化。
浊度计用于在线测量悬浮于
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