自来水生产过程自动测控系统设计

1、毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子

2、版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交

3、论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日自来水生产过程自动测控系统设计摘 要根据水处理生产工艺和运行管理的需要, 简要分析了各个流程的控制特性，简述了水处理自动控制的国内外现状、设计思路和设计要求,并对水处理过程自动测控系统进行了设计,对系统的组成以及功能的实现作了初步的探讨。采用mcgs组态软件设计了水处理过程监控系统，该系统具有数据采集、显示、存盘及历史数据回放等功能。该系统以现场

4、控制层和管理控制层两个层次为主,形成集中监视、分散控制的非阶层性控制策略。关键词：自来水；生产过程；自动控制；mcgs；abstractaccording to the requirement of water treatment management and production processes, it is presented the present situation at home and abroad，design considerations and requirements of self-control system in water treatment, and the

5、treatment process measurement and control system was devised,and the system as well as the function of the realization of a preliminary did a preliminary discussion. mcgs configuration software is designed to monitor the treatment process systems,which has data acquisition, display, saving and playb

6、ack features such as historical data. this system by scene key-course and management key-course two levels primarily, is concentrated non-hierarchical control strategy of surveillance, decentralized control.key words：water；productting process； self-control；mcgs目 录摘 要iabstractii第一章 引 言11.1 研究背景及意义11.

7、2 本课题的任务2第二章 自来水处理工艺简介32.1 自来水处理工艺概述32.1.1 常规处理32.1.2 预处理和深度处理42.1.3 污泥处理52.2 自来水处理工艺流程62.2.1 进水及加药系统62.2.2 过滤系统72.2.3 加氯系统及出水系统9第三章 自来水处理过程自动测控系统设计123.1 自来水处理测控系统简介123.1.1 水厂生产过程检测133.1.2 水厂生产自动控制143.2 加药测控系统设计163.2.1 加药测控系统的设计173.2.2 加药系统测控仪表选型233.3 过滤测控系统设计283.3.1 过滤测控系统的设计283.3.2 过滤反冲洗测控系统的设计293

8、.3.3 过滤及其反冲洗系统测控仪表选型303.4 膜处理测控系统设计313.4.1 膜处理简介323.4.2 膜处理测控系统的设计333.4.3 反冲洗测控系统的设计333.4.4 膜处理系统测控仪表选型343.5 加氯测控系统设计343.5.1 加氯控制系统设计343.5.2 加氯系统测控仪表选型373.6 水箱液位测控系统设计373.6.1 水箱液位测控系统设计373.6.2 水箱液位测控系统仪表选型383.7 恒压供水测控系统设计383.7.1 恒压供水测控系统的设计393.7.2 恒压供水系统测控仪表选型45第四章 自来水处理自动测控系统的监控程序设计504.1 mcgs组态软件概述

9、504.1.1 mcgs软件简介514.1.2 mcgs软件功能和特点514.2 自来水处理自动测控系统的监控程序设计524.2.1 自来水处理自动测控系统的监控介绍544.2.2 监控的功能54结束语57参考文献58致 谢60附录a 自来水生产过程自动测控系统图61附录b 流量比值控制系统接线图62第一章 引 言1.1 研究背景及意义我国供水事业已有百余年的历史，随着经济的发展，供水规模越来越大，供水普及率越来越高。在现有众多的水厂中，既有运行上百年的水厂，也有新建的采用先进工艺的水厂，还有许多规模较小的城郊和农村水厂。多年来，水厂在运行技术管理方面已积累了不少经验，特别是大型水厂，工艺和设

10、备不断改进，自动监测和控制系统日趋完备，技术力量雄厚，运行管理先进，取得了明显的社会效益和经济效益。但是，我国各地水厂建设年限不同，规模不同，水源水质各异，水处理技术发展颇有不平衡，井水构建物的类型和效果差别很大，在自动化方面也有明显的差距。有些早期建成的水厂往往缺乏必要的检测仪表，管理水平相对不高，管理人员的技术知识还有待提高；有些水场技术力量不足，在水厂运行方面满足不了现代化的要求；还有些水厂的先进设备没有得到很好的利用，水处理的效果还不稳定，电耗、药耗和水耗指标还比较高。为此，水厂管理技术人员熟悉水处理技术，很好地掌握水厂的生产规律，并能够及时发现和解决生产出现的问题就显得极为重要。同时

11、进一步改进和完善水厂生产过程的自动控制系统，必将会对供水水质和企业经济效益的提高具有重要意义。水厂生产检测和自动控制的目的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。我国水厂从20世纪60年代开始采用继电器控制的水泵电机、电动阀门、真空泵的联动技术以及用半导体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，如水压、水位、流量、ph值、电导率的连续检测仪表，但因那时国产仪表的质量还存在问题，所以应用受到限制。随着晶体管和微电子技术的发展，结合电话专线实现泵站遥测、遥讯、遥控；而滤池控制

12、已采用集成电路逻辑控制方式，滤池的运行和反冲洗过程的控制都由程序控制器完成；在泵站采用工业计算机采集机泵运行参数，对机泵运行情况进行监测，并打印出生产报表和运行故障。80年代以来应用单板机和单片机于水厂二级泵站的数据处理，完成了打印和报表功能。到了20世纪90年代，我国计算机技术和自动化仪表技术迅速发展，国外先进技术和设备引进，形成了水厂集中检测、分散控制的集散型控制系统（dcs）。中央控制室对全厂生产情况进行实时监测并发布调度指令，各生产工序则采用独立控制。目前，我国大中城市特别是发达地区的水厂运行自动化程度有很大提高，大量国外先进技术的自动化控制技术和设备进入我国，在不少经济发达地区纷纷建

13、成了自动化程度较高的现代化水厂，长春自来水公司和北京水源九厂开了良好先例。由于多种因素，我国水厂自动化水平并不是很高，各地发展也不平衡，在中小城市和城镇水厂，自动化程度较低，有些还保持人工操作。另外，水孕育了生命，是人类赖以生存的最基本物质之一。随着人类文明的进步，人口的增加，饮用水源受到不同程度的污染。20世纪末期，世界范围的水资源短缺、水环境恶化与突发事件构成了饮用水供应的三大问题，严重威胁饮用水的安全性。所以我们有必要研究水处理技术，并且随着技术的发展，应好好研究水处理的自动化技术。1.2 本课题的任务为了更好实现自来水处理技术自动化，本文介绍了自来水厂的系统组成、工作原理、工艺参数、控

14、制要求以及相应的自动测控系统和自动保护系统。研究内容如下：查阅资料、熟悉课题并学习相知识；要进行控制系统方案的选择，并设计原理方框图；要设计自动检测系统、自动控制系统和自动保护系统，并设计监控程序；绘制原则系统图、控制系统方框图、接线图，并对所设计的内容做论文式说明。第二章 自来水处理工艺简介2.1 自来水处理工艺概述水处理工艺流程由不同的处理单元（混凝、沉淀/澄清、过滤、氧化、吸附、离子交换和膜技术等）组成，每一处理单元可以去除多种污染物，经适当的单元处理后，就可以将水源水处理成为达标的自来水。2.1.1 常规处理以地表水为水源时，常规处理主要是去除悬浮物质、胶体物质和病原微生物。在常规处理

15、工艺中，混凝是向原水中投加混凝剂，使水中难以自然沉淀的悬浮物和胶体颗粒相互凝聚，生成大颗粒絮体（俗称矾花），然后在沉淀池中沉淀下来，最后成为污泥排除。也可以在澄清池中同时完成混凝和沉淀过程。过滤是利用颗粒状滤料（如石英砂、白煤等）截留经过沉淀后水中残留的颗粒物，进一步去除水中杂质，降低水的浑浊度。消毒是水处理的最后一步，向水中投加消毒剂（一般用液氯）来灭水中活的病原微生物。常规处理工艺对水中的悬浮物、胶体物和病原微生物有很好的去除效果，对无机污染物，如某些重金属离子和少量的有机物也有一定的去除效果。地表水经过常规处理工艺后，出厂水的浑浊度可以降到1nut以下（运行良好的水厂，出厂水浑浊度可以降

16、到0.3nut以下）。对于未受污染的水源水，常规处理后能够达到生活饮用水的水质标准，其一般化学指标和毒理学指标可以满足对健康的要求。以地下水为水源时，常规处理工艺比较简单，主要是去除水中可能存在的病原微生物。对于不含有其他污染物（如铁、猛、氟、砷等）的地下水，只需消毒就可以达到饮用水水质要求。在原水浑浊度较低（一般在100度以下）、不受工业废水污染且水质变化不大的情况下，可省去混凝沉淀（或澄清），而是采用双层滤料或多层滤料直接过滤。相反，当原水浑浊度高或含沙量大时，应在水厂进水口处增设预沉池或沉沙池在进行常规处理。而在水源受到较严重的污染时，可以在沙滤池后增设生物活性炭滤池。特殊的水质需要特殊

17、处理。地下水一般无需经过常规处理，由泵提升后只经消毒即可作为饮用水，但如含有一定浓度的铁、锰、氟等时，必须专门的除铁、除锰、除氟处理设施。又如原水硬度过高时，须将硬水加以软化，含盐量不符合要求时，可采取除盐和咸水淡化等处理。目前水厂饮用水处理主要采用常规处理，即投药、混合、絮凝、沉淀、澄清或气浮、过滤和消毒的工艺流程。如图2.1所示的常规处理工艺目前仍为世界上大多数国家的水厂所采用，在我国约95以上的地表水源的自来水厂都采用常规处理工艺。 图2.1常规水处理工艺流程2.1.2 预处理和深度处理对于水源受到污染的一些水厂，常规处理已经难以解决水源水质不断恶化但饮用水水质标准不断提高所出现的矛盾，

18、为此需采用相应的处理工艺才能使处理后的水质符合标准。目前污染水源水处理的对象主要是有机污染物、氨氮和消毒副产物等，而有机污染是常规水处理所难以去除的，特别是溶解有机物根本无法去除。有机物中除了人工合成有机物、化肥和农药外，还有近年来发现的二噁英、环境激素等污染物质，怎样将其有效去除正在研究之中。腐殖酸和富里酸会和氯反应生成消毒副产物，如三卤甲烷、卤乙酸等，具有三致（致突变、致畸、致癌）特性，从自来水的致突变活性检测呈阳性结果可以说明这些物质对人体健康的危害，常规处理对此也无去除效果。水体受污染后，地表水中的氨氮浓度往往很高，过去许多水厂为去除氨氮，采用折点加氯的方法，即在取水口处投加大量的氯，

19、使氯和氨氮完全反应，然后得到剩余的游离氯，但这样做会产生很多消毒副产物，同时增加了制水费用。当水源受到严重污染时，在常规处理技术外，可根据需要在增加预处理/深度处理。即在水厂流程的起端增加预处理（生物预处理、强化混凝、用氯、臭氧、高锰酸钾、过氧化氢等预氧化、投加粉末活性炭等）、或在快滤池以后增加深度处理，如增加臭氧-活性炭吸附或生物活性炭滤池等。图2.2所示表示了可能采用的预处理和深度处理，以及根据水处理需要，可能投加药剂的种类和投加点。图2.2水长流预处理和深度处理示意图2.1.3 污泥处理以往水厂排出的废水多数直接排入水源，如江河和湖泊，随着环境保护意识的提高，以及国家颁发了水资源保护法律

20、法规，要求水厂将废水进行回用或在排放前加以适当的处理。水厂中的污水和污泥来源于混凝时的铁、铝氢氧化物沉淀、石灰软化和除铁除锰工艺中的沉淀池排泥和快滤池冲洗。它是水厂生产合格水的同时生成的，实际上是原水中的悬浮物和有机物的浓缩产物。污泥中包括：滤池反冲洗废水中的固体颗粒，铝盐或铁盐混凝剂污泥，铁和锰沉淀物，软化时的污泥等。废水量约占产水量的3%6%。一般污泥处理方法可有下列几种，须根据当地有关部门的规定做出选择：直接排入天然江河中；排入城市污水系统中；排入固定的污水塘中；作为填土进行填埋；土地利用；废水部分和全部回收利用。 2.2 自来水处理工艺流程水厂从河里抽上的水源水中会有各种不同的杂质，例

21、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，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。水厂的水处理流程如下：原水箱反应器（投加絮凝剂、助凝剂）沉淀池多介质过滤装置活性炭过滤装置反渗透处理装置出水箱，如图2.3所示。图2.3水处理工艺流程2.2.1 进水及加药系统在整个过程中，首先要把水从水源处抽到进水房，之后再通过出水泵把水送入管道中，然后再在管道中加入混凝剂（投药系统）并通过静态混合器使其充分反应，即流程中的原水箱、反应器（投

22、加絮凝剂、助凝剂）。饮用水处理时，原水中杂质颗粒的大小，通常在0.01100m的范围内，其中比较大的颗粒很容易在沉淀和过滤时去除。但原水中许多产生浑浊度和色度的胶体很难自然下沉，只有投加混凝剂（如铁盐和铝盐）和助凝剂（如聚丙烯酰胺），再经过混合和絮凝过程，形成大颗粒的矾花，才可在沉淀和过滤时去除。在此过程，混凝剂和助凝剂必须先混和配成已定浓度的溶液，然后才按比例将溶液投加到水管中，进行混合和絮凝过程然后形成大颗粒的矾花并进行沉淀、过滤等操作。2.2.2 过滤系统过滤是原水（沉淀水）通过颗粒介质（如无烟煤、石英砂、硅藻土等，统称滤料）以去除水中悬浮杂质使水澄清的过程。在滤池中，颗粒介质的排列总是

23、上面细下面粗，滤料之间的孔隙尺寸也是从上向下越来越大。滤池进水中的絮凝后颗粒，在电解中和、吸附、架桥等作用下会黏附在滤料的表面上。当滤料层中截留了大量杂质，孔隙堵塞严重时，还有机械隔滤作用可以去除杂质。在本设计中，为了使其达到净化标准，所使用的过滤器依次为多介质过滤器、活性炭吸附和精密过滤器，最后并通过反渗透膜处理，使水质达到要求标准。其作用叙述如下：多介质过滤器是利用过滤器中所装填料来截留水中的悬浮物粘胶质颗粒，使水得到净化的水处理传统方法之一，它作为反渗透及离子交换系统前的预处理设备，结合投药进行化学凝聚，填料为无烟煤和石英砂，机械过滤器具有吸附和过滤两层作用，经加药后能除去水中的胶体有机

24、物、悬浮物、澡类等。活性炭是用烟煤、无烟煤、果壳或木屑等多种原料经碳化和活化处理制成的黑色多孔颗粒。活性炭的物理特性主要指孔隙结构及其分布，在活化过程中形成各种形状和大小的孔隙，因而形成了巨大的比表面积，与水的接触面极大，因而吸附能力很强。活性炭不仅能吸附水中的各种污染物，还可以吸附废气中的so2等污染物，因此在环保、水处理等领域有着广泛的用途。精密过滤器（保安过滤器）是用以去除极微小的颗粒。普通砂滤能够去除很小的固体颗粒，使出水浊度达到1nut左右，但出水仍然含有大量粒径在15m的颗粒，这些颗粒是砂滤无法去除的，虽然颗粒极小，可是如果直接进入反渗透主机，在ro膜的浓缩作用下，仍然会造成膜元件

25、的污染，要去除这些颗粒，就必须采用精密过滤。精密过滤器常设置在压力过滤器之后，有时也设置在整个预处理工艺的未端防止破碎的滤料、活性炭、树脂等进入反渗透系统，尽量做到不将上道工序产生的微粒带到下一道工序中去。滤孔孔径应与水中所含杂质的颗粒相匹配，避免过粗或过细。反渗透是渗透的逆过程。如图2.4所示，容器a中放入a溶液，b中放入纯水，中间用半透膜隔开。因为只能透过水和某些溶质，不能透过其他溶质和颗粒，这样，纯水就从b渗透到a，a中的水位就会一直上升，到等于渗透压时的高度为止，这时达到渗透平衡状态。如果在a的上面施加一个渗透压的压力p，则水的流动方向改变，于是水中的盐份被半透膜截留，达到去除效果，此

26、即反渗透原理。图2.4 渗透和反渗透原理图一般，进水压力增加时，膜技术去除作用会相应增大。反渗透装置用于处理苦咸水所需的进水压力，当总溶解固体在1g/l时可采用低压（0.862.07mpa），总溶解固体在5g/l时采用标准压（2.414.14mpa），海水淡化（总溶解固体大于35g/l）时为5.58.3mpa。反渗透法可以去除直径小于0.0001m的污染物或颗粒，包括盐类、致硬度物、致病微生物、浑浊度、合成有机物、农药以及绝大多数其他饮用水中的污染物，比其他处理工艺有更宽的去除范围。也去除了前边几个过滤器无法去除的其他污染物或颗粒。进而达到水处理水质要求。2.2.3 加氯系统及出水系统（1）加

27、氯系统饮用水处理中，加氯消毒以控制水致疾病已经取得很大成功。投加消毒剂后，流行病如霍乱和伤寒等早已完全绝迹，公共卫生状况明显改善。我国长期以氯为主要消毒剂，在灭活致病微生物、除铁除锰、除色度等方面取得了很好效果。消毒时水厂应达到的目标是，第一，去除水中致病微生物，称为主要消毒，通常在滤前或滤后投加消毒剂，第二，在配水管网保持余氯，以防止微生物再生。称为再次消毒，氯可以同时达到上述目标。如为了减少加氯消毒副产物，而以臭氧作为主要消毒剂时，则消毒工艺比较复杂，需要在滤后水中投加氯或二氧化氯再次消毒。本文的水源以黄河水为例，所选用的是滤后消毒，即水源经过絮凝、沉淀和过滤后，水中剩余的主要是细菌，所以

28、只需通过氯消毒，并保证留有一定量余氯，以防止微生物再生或有其他来源的细菌，确保水质安全。加氯系统由氯供应、氯存储、氯瓶、蒸发器、加氯机、管道和计量设备等组成。以前水厂中由人工操作的加氯设备，配有加氯机、氯瓶和称氯瓶质量的磅秤等，但人工加氯往往存在加氯量调节滞后、余氯量不稳定等问题。近年来，由于加氯自动化的发展，不少新建的大中型水厂引进了自动检测和自动加氯仪表设备，因此加氯系统除了自动加氯机和氯瓶外，还有余氯自动检测和自动控制装置，能随着流量、余氯的变化等自动调节加氯量，保证了出厂水的质量。（2）出水系统水泵和泵站是水厂的重要组成部分，是保证供水（包括水量和水压）的必要设施，除了水源有足够高可以

29、重力供水（如由高地蓄水库供水）的个别水厂外，从水源取水直至清水的输送，都是由水泵完成。水厂泵站需消耗大量能源，在满足用户需求的同时，我们要注意合理使用能源，节约用电，除了提高离心泵、轴流泵等的运行效率外，必要时也需要改造更新设备，合理设计并选用合适出水系统。要正确使用水泵，首先要合理选择水泵。选泵恰当既能保证供水水量和水压，又可节约能源，如选泵不当，不仅使机泵设备利用率降低，而且还浪费电能。选泵过大或扬程过高，这样会造成浪费能源的现象，一台效率较高的水泵，如果用在扬程过低的场合，就只能在低效率的状况下运行，导致动力单耗较高。因此，在选泵时，首先要了解供水的要求，主要是扬程、流量的范围以及变化情

30、况等。选泵时，不应只按最大供水量时达到最高效率为准，而应考虑经常供水量，水泵能在最高效率范围内运行，所以要注意选用高效区范围大的水泵，同时应选择效率高、损耗低的配套电动机。这是因为城镇用水量是随时变化的，不仅随年份、季节而异，即使在任何一天内，最大一小时的水量可为平均时水量的1.31.5倍，而小城镇用水时间比较集中，可以高达2.02.5倍，如果水泵运行不按平时变化的流量而只按最大流量考虑，必然要浪费电能。在城镇供水系统中，除了少数小型城镇或大型工厂采用水塔调节供水外，一般城市大多数用离心泵直接输水到配水管网，并用并联水泵的方法，随时增加或减少水泵的台数来调节流量。白天用水量大时，增加并联运行的

31、水泵台数，并联以后可以提高水泵扬程，从而满足城市用水量和水压要求。因此，根据本供水系统的情况，并为适应流量变化的需要，本设计选用离心泵直接输送水到配水管网，用并联水泵的方法来供水。使供水系统既能满足用户，又能使设施使用合理。第三章 自来水处理过程自动测控系统设计3.1 自来水处理测控系统简介为了优化水处理过程，可以将设备和工艺的检测以及工艺的控制结合起来，如图3.1所示。图3.1水处理的检测与控制水厂要进行最佳的运行控制，需要从过程变量变送器得到精确的工艺过程信号，而精确的信号需要高质量的电子仪表。无论水厂的规模大小如何，要顺序而及时地将过程参数或变量进行正确记录，必须配备计算机系统，以便相互

32、协调工艺和设备的检测以及实现工艺参数的控制。3.1.1 水厂生产过程检测（1）检测水厂中有许多工艺变量需要检测，这些变量可以分成物理量和化学量，前者如流量、水位、水压和水温，后者如ph值、混浊度、电导率和溶解氧等。为了保证水厂生产正常进行，在工艺流程中配置适当的检测仪表用以检测各项运行参数，对运行安全、保证水质、降低能耗和药耗都是必要的。水力、工艺和设备等方面都需要进行检测。所谓水力检测是指原水在从取水口进入水厂直到处理后水流出水厂的过程中，在水力条件上应加以精确的检测和控制，使水厂的产水能力随时满足城市和工业用水的需要。多数水厂在出厂水管上安装流量计以测定水厂的总产水量，而在生产过程中的不同

33、部位再安装流量计以测定各自的流量。例如，采用等速过滤的滤池，每一滤池用单独的流量计以控制流量，测定溶解化学药剂的水量则用较小的流量计。滤池进水渠和冲洗水箱中的水位用水位变送器测定，压力开关（继电器）用来控制空气压缩机等都属于水力检测。工艺检测是为了保证水厂生产的正常运行，而在各工艺过程中监测有关运行参数，以保证出水水质，降低药耗能耗，实现科学管理。水厂的检测参数包括：流量、水质、水位、水压、水温，机电设备和电气系统的温度等。以上各项的检测点，可以根据需要设置在取水构筑物、主要水处理构筑物、清水池、二级泵站等处以及机电设备上，并配有状态显示与报警系统、数据处理与记录系统等。近年来有许多新产品可以

34、进行各种生产工艺检测。例如余氯测定仪可以保证水厂出水中有足够的余氯；在线颗粒计数器可以将滤池性能和滤后水中悬浮固体的相对颗粒大小分步检测出来；浊度仪可以及时控制滤池冲洗，是滤池处于最佳状态。设备检测是在水厂中央控制室内设置图视屏或计算机系统，可以显示主要设备如泵、阀门、空气压缩机和鼓风机的工作状态。 较大和专门的电动机要有保护装置，如振动开关、相损失检测器和倒相检测器等。水厂电力供应方面应该检测的内容是：电压不足或电压过高、相损失、倒相、有效功率和无效功率以及断路情况。（2）检测仪表自动化检测仪表是自控系统中的一个主要子系统，它一般由传感器、变送器和显示器组成。传感器是应用各种信号以检测被测变

35、量（如流量、压力等），由于传感器输出的能量很小，经过变送器将所测信号转换为420ma的电流信号，并传送到可编程控制器（plc）中，显示器的作用是显示结果。水处理过程的监测与控制仪表包括：流量计、压力计、液位计、温度计、水质在线检测仪、变送器和显示仪表等。地表水自动检测仪表基本配置为:地表水取水口水位和水泵吸水井水位计；水厂进、出水的流量计；出厂水的压力计；带有上、下限报警装置的清水池水位计；带上限报警装置的滤池水头损失仪；冲洗水塔水位计；原水、絮凝池进水的ph计；原水、沉淀水、滤后水、出厂水的浊度连续测定仪等。3.1.2 水厂生产自动控制水厂的自动控制越来越复杂，这些系统及设备需要有自动化专业

36、知识的人员进行使用与维护，所有设计工作也需由自动化专业人员来完成，为了保证自动控系统的精确度和减少故障，每一细节都需仔细考虑，在这里先做一般介绍。水处理运行的控制系统应根据水厂规模、经济条件和技术力量，可以采用手动、半自动和全自动控制的组合，而自动控制可以是简单或复杂的。（1）开环控制这是水处理最简单最常用的自动控制方式，并不应用控制器，它是根据负荷变化进行调节，例如根据所处理的水量确定药剂的投加量，即药物流量和水厂流量成线性比例关系改变，这种方式当水质不变时可以得到满意的结果。这种由流量决定投加量的系统是前馈控制的一个例子。前馈控制是开环控制的一种特殊控制情况，因为控制系统并不检测由于控制而

37、使工艺过程变化所发生的影响。（2）双位/开关控制双位开关是最简单和最常用的自动反馈控制的一种方式。所谓反馈或闭环控制是以测定结果为依据，例如根据测定的水质参数（ph值、浑浊度、余氯等）来确定投加的化学药剂就是反馈控制。在投加化学药剂过程中，如水质参数发生变化，偏离了原先的设定值，就会自动调整投药量，以校正这一偏差，例如，吸水井中应用高、低液位浮球开关以控制定速泵的开和关，情况就是这样。（3）比值控制比值控制是保持两种控制量的比值为常数的控制方式，例如原水量为q混凝剂投加量为q，则比值k=q/q，运行可手动设置k值，自控系统会随着原水量的变化而按比例改变混凝剂投加量。（4）比例积分控制以吸水井水

38、位控制为例，目的是根据水位变化使水泵转速和吸水井流量相适应，水位是净进水量的时间积分。这里如只用积分控制，不仅反应很慢而且可能出现控制器的极限循环。只有在吸水井进水量增大持续一段时间以后，逐渐升高的水位才可检测出来，最终是延迟了水泵转速的改变，起先是抽水量不足，以后是泵水过量，产生长时间的水位波动。为此应利用比例积分控制，因为比例积分控制较积分控制动作更快，会获得更好的控制效果。（5）比例积分微分控制比例积分微分控制较比例积分控制多了一个微分控制项，可按过程变量的变化速率来调整控制器的输出。如果过程变量变化很快，可按变化量的大小，按比例使控制器输出达到峰值，它的作用是补偿积分型过程的滞后，正像

39、上面提到的吸水井水位一样。这种控制系统既加强了抗干扰能力又增加了系统的稳定性。微分控制通常用于温度控制和水质分析控制，当惯性引起明显的过程滞后时，而应考虑加入微分控制。pid控制也称为三工况控制。（6）模糊逻辑控制水处理中模糊逻辑的应用范围可以是：根据输水压力、水泵流量、水泵转速、水泵效率、水泵特性曲线和运行人员的经验，优化水泵的选择；根据水质和运行经验使投药达到优化。模糊逻辑控制是以人们的经验为基础，并不需要精确模型，先确定各个参数和控制规则，以后在运行中再行调整。控制系统的核心是模糊控制器，由控制规则库和推理运算器组成。应用技术时，首先需分析研究对象，取得试验控制经验，然后确定控制规则，进

40、行控制试验，最后总结修改控制规则。（7）可编程逻辑控制器（plc）可编程逻辑控制器（plc）是工业级专用计算机，有输入/输出(i/o)子系统，用以检测和控制生产工艺和设备。plc在水厂自动控制中有广泛应用，多台plc可实现高速数据网络化，并与计算机工作站相连。本设计中滤池反冲洗控制采用了该控制方式。3.2 加药测控系统设计在自来水生产过程中,一般都要经过由原水加入药物(混凝剂)反应、沉淀、过滤、加氯气消毒的工艺流程。在这一系列的处理过程中,药物的投加是一个十分关键的环节。因为自来水的最终水质、生产成本等直接关系到药物的投加量及其反应效果。目前,全国大多数自来水企业的药物投加还停留在传统的手工方

41、式上,实际生产中完全凭借工作人员的经验来观察判断出水水质,然后根据具体情况采用手工投入药物。在原水的加药处理中,水厂采用的药剂一般是fecl3或者al2(so4)3,由于药物有较强的腐蚀性,不利于工作人员的身体健康,而且手工操作难以保证制水水质。为此设计了可编程序控制器自动控制加药处理系统,以改变传统的手工操作生产方式,实现药剂的自动投加,达到节省药剂、稳定水质、提高管理水平、减轻劳动强度、改善劳动环境的目的,取得了很好的效果。3.2.1 加药测控系统的设计（1）混凝剂投加的自动控制长期以来，水厂的混凝剂投加量，有的由人工凭经验运行，有的采用烧杯试验，根据原水水质进行不同的混凝剂投加量试验，最

42、后求得与要求的沉淀池出水浑浊度相等的混凝剂量。这些方法在原水水质变化不大时是可行的，但有些水源的水质瞬时变化，水厂制水量也有波动，如果由人工确定投药量，往往会降低水质合格率并增加药耗。为此不少水厂引进国外技术进行投药的自动化控制，近年来国内混凝剂自动投加的技术也有所提高。混凝剂投加的自动控制方法如下：数学模型法 根据原水水质参数（浑浊度、水温、碱度、氨氮、耗氧量）和流量对投药量的影响，建立数学模型，通过计算机控制以改变投药量。控制投药量时通常有前馈控制和反馈控制法。前馈控制可由模拟沉淀池或滤池，或用流动电流法确定投药量；而反馈控制是根据沉淀池或滤池的出水水质，对前馈投药量加以微调，达到提高水质

43、和降低药耗的效果。前馈控制并未考虑后续净水工艺和各种参数变化时对净水效果的影响。有的数学模式则是采用前馈和反馈控制相结合，既考虑原水水质和产水量的变化，又考虑沉淀池或滤池的出水水质，实行优化控制。目前一般采用的是前馈和反馈共同控制方法。由于各地水源水质不同，所选用的水质参数也有各地的特点，可靠的原始水质资料年限有长短，以致所建立的数学公式不可能相互套用。再者，为了简化前馈控制的数学模型，往往其中不可能包括影响混凝的许多因素，所得出的投药量必须加以反馈修正，使得使用并不方便。特性参数控制法 除了烧杯搅拌混凝实验外，混凝评价的其他方法有电位和流动电流检测法，可用以估计颗粒表面的电荷和实现自动控制。

44、通过由胶体颗粒电位原理制成的流动电流检测器，将影响投药量的各种因素用流动电流表示，只要控制流动电流在最佳范围，就可以实现自动控制。还有用光电原理测定絮凝颗粒特性等，对加药量进行控制。应运电位法时，最佳混凝条件通过在电位为0时，但去除浑浊度和去除有机物的最佳电位是有差别的。例如，去除浑浊度的最佳条件是稍负的电位；而去除有机物的最佳条件经常是接近零电荷点，即电位为0时。流动电流检测仪是一种在线检测装置，如图3.2所示，可以连续地获得水处理工艺性能的资料。当然每种测定方法随原水水质而异，并且季节性的水质变化也会影响最佳的混凝剂投加量。图3.2流动电流法自动投药系统流动电流检测仪（scd）使用时，需先

45、设定基准值。基准值的设定需通过试验，即在稳定的原水水质和水量条件下，投加不同混凝剂量，其中沉淀水浑浊度符合要求的一种剂量，其基准值为0。运行时，随着水量和水质的变化，流动电流检测仪会偏移0而显示不同的值，即可输出信号到投药控制器，自动调整投药量。投药控制仪设定了正负投药量幅度，在这范围内投药泵的加药量不变，可无需频繁的调整。采用这一方法时，应了解其他水厂的使用情况，注意是否适用于当地的原水水质和混凝剂品种，例如，原水中盐类、ph值、油类、农药、表面活性剂等可使scd测定结果发生偏差，甚至失效。投加高分子絮凝剂也不适用，即使同一水源在不同季节，scd的测定效果也相差很大。在开启或停用一台原水泵时

46、，因流量突然增大或减少，这时投药效果将较差，出水浑浊度可能超标。改正的方法可采用以原水流量为前馈，scd值为反馈的投药方式。颗粒计数仪是评价混凝过程的另一种方法，因为应用浑浊度仪测定时，对于水中大于1m的颗粒，测定的精度和灵敏度都会下降，测定结果经常偏低。由于水中的病原微生物都大于1m，而隐孢子虫和贾第虫的大小都为210m，所以用浑浊度仪检测水质，难以保证出厂水的生物安全性。而颗粒计数仪不仅可以测定水中杂质颗粒的数量和大小，还可以看出混凝以后颗粒大小增加的程度，特别适用于不设沉淀池而直接过滤时，滤后水中颗粒的测定。（2）混凝剂的投加量根据原水水质的测定结果，了解其变化情况后，及时调整混凝剂投加

47、量，做到既能保证出水水质，又节约混凝剂用量，也是运行管理的重点。混凝剂投加量一般是由化验室通过搅拌试验决定，但生产运行情况同试验结果总有差异，所以加药量还需根据生产运行情况适当调整。投药控制化学药剂的投加对滤池过滤性能的影响是水处理时应该注意的问题。投药时会有不少问题，如投加那些药剂，投加量的多少，在哪点投加等，尽管投药可以控制整个水处理工艺的效果，但也是最易出问题的水处理环节。投药后的混凝会影响到过滤的性能，为了有效地混凝和过滤，需要注意以下几点。 需加足够数量的混凝剂，用以中和原水中胶体颗粒的电荷，并产生氢氧化物沉淀，达到网捕和卷扫水中胶体的作用，有些混凝剂如聚合氯化铝和某些集合电解质，混

48、凝时比较多的是电荷中和作用，而硫酸铝、三氯化铁和硫酸亚铁则兼有电荷中和与网捕和卷扫的作用。 混凝时控制水的ph值非常重要，例如许多铝盐混凝剂，去除浑浊度时的最佳ph值范围为67。运行过程中，水的ph值最好能稍低些，目的是多去除些产生色度和消毒副产物母体的天然有机物，使用其他混凝剂也是这样。 投加混凝剂时应有适当的条件，例如在混合之前投加时，溶液池中的硫酸铝浓度不低于1%，否则在溶液池中会出现预絮凝现象而影响效果。硫酸铝投加到水中后，应尽快分散到水中，这样效果最佳，否则如随意混合就会浪费药剂。 许多混凝剂如硫酸铝、三氯化铁和硫酸亚铁是酸性的，可以明显降低水的ph值，混凝剂投加量越多，所降低的ph

49、值和碱度越多。如果所处理水的碱度很低，投加硫酸铝以后，ph值会下降到最佳混凝所需ph值以下，这时可适当补充加碱；如果所处理的是高碱度水，则可加酸使ph值在最佳混凝的范围。但这种ph值补偿措施国内应有还不多。投药经验有些水厂根据生产上的矾花絮凝和沉淀情况，来判断投药量和沉淀池的运行情况，其经验如下。原水浑浊度为200度左右时，在絮凝池进口处如已能看到细小密集的矾花颗粒，随着絮凝池内流速的逐渐减小，矾花越结越大，到了絮凝池的出口处，矾花已经结大，水中矾花清晰分离，看上去像秋天的成堆云块在水里流动。进入沉淀池后，矾花与水分离而下沉，池内的水就逐步变清。到沉淀池出口处，水的浑浊度可以满足进入虑池的浑浊

50、度要求时，说明运行正常，混凝剂投量适宜。至于沉淀水的浑浊度是多少才合适，要由当时的饮用水水质标准决定，比如过去设计时，沉淀水浑浊度采用10度以下，现在有了新的水质规范，沉淀水浑浊度可能需要降低到23ntu甚至小于1ntu,才可进入滤池，要求更高了。如果絮凝池后部已经出现泥水分离，并且在进入沉淀池后矾花很快沉淀，说明混凝剂投加过量。反之，如果絮凝池中可看到细小矾花，但在沉淀池进口处还没有泥水分离现象，说明混凝剂投加量不足。原水浑浊度在50度以下时，因为水中胶体颗粒的数量较少，结成的矾花一般像小雪花，密度小，颗粒不结实。在絮凝池进口处不能清楚看到矾花，直到絮凝池中段和出口处才看到有小雪花般的矾花。

51、进入沉淀池后，矾花随沉淀池水的流动而逐步下沉，表明运行正常，混凝剂投量适宜。但这种矾花下沉慢，受到风浪或低温影响时，会有少量矾花从沉淀池流出，但因数量较少对沉淀池出水浑浊度影响不大。如沉淀池进口处已看到矾花和水分离，水路分明，而出口处却有大量矾花带出，出水浑浊度较高，表明投药量过大。如在絮凝池出口处和沉淀池进口处见不到小雪花状的矾花，同时也没有泥水分离现象，说明投药量不够。原水浑浊度低于10度时，不能直接过滤，还是需要投加少量混凝剂，否则沉淀水的浑浊度增高，会因此缩短过滤周期，增加冲洗水量和制水成本。有时过滤效果不好，甚至虑后水的浑浊度几乎和虑前相等。虽然这时降低虑速能使出水浑浊度达到要求，但

52、因水厂运行需满足产水量等原因，并不允许随意降低虑速。因暴雨等原因使原水浑浊度突然升高，如发现絮凝池后部的矾花很少，而沉淀池进口处表层水很清，可是水面下1m处却看到浑水进入，这是沉淀池水质即将变坏的预兆。上清下浑是因为后来进池的浑水比沉淀池内的水重，产生了异重流。如不及时增加投药量很好混凝，等到沉淀池的上层清水逐渐流光，池水将全部变浑。这时除了立即投加过量混凝剂外，还要分析原水碱度够不够，是否需要加石灰以提高碱度等。投加过量混凝剂的时间要延续到原水水质好转时为止本设计中的自动控制加药系统的设计，要根据地区和水质不同，例如混凝剂品种、流量、水温、ph值、溶解氧和咸度等都会影响混凝效果，熟练的运行人

53、员凭自身的经验进行现场观察，就能很好进行控制。如臭味、氨氮和耗氧量较大时，可先做混凝搅拌试验，再总结运行经验，进而设计控制系统。本设计所选用的水源是黄河水，它的ph值、溶解氧、色度和咸度等基本不变，所以在加药之前，通过实验或者多年经验决定混合比例。水温平时基本没有变化，只随季节变化，并且由于之前经过了原水箱，所以它的变化不会太大。其变化因素基本忽略不计。如有时随季节变化太大时，会根据经验或试验适当人为改变混合比例。所以主要影响加药量的因素为流量。所以选用了流量比值控制，其详细设计如下。首先是混凝剂的选定，在所有混凝剂中，聚合氯化铝是一种无机高分子混凝剂，简称pac。聚合氯化铝的投加方式与一般混

54、凝剂相同，投加的溶液浓度不应低于5%。投加后能够生成高价聚合阳离子，在电性中和及架桥作用下使水中胶体相互絮凝。并且聚合氯化铝溶液的腐蚀性小，产生的矾花颗粒大，沉淀性能良好，产生污泥量少，混凝效果优于硫酸铝，投药操作方便，成本较低，适用的ph值范围为59，其范围较广，并且适应低温、高色度水的处理。由于本设计中以黄河水为原水，并且是北方的水厂，所以温度较低，色度较高，所以选用聚合氯化铝，成本不仅低并且能够达到工艺要求。其次是投药过程中所涉及的控制系统，其中，首先是将聚合氯化铝配成一定浓度溶液，在配溶液的过程中，第一，控制的是混合器的液位，选用的是单闭环控制，而在此配合的过程中，为了使溶液浓度一定，

55、应使稀释水和药的投加量成比例加入，并进行不断的搅拌，使其混合（如图3.3所示）。第二，在配溶液的过程中还应有比值控制，即以加药量随着稀释水的流量变化而变化。其次是药物混合液的投加，由于药物混合液的投加是随着原水流量而变，所以，此处选用比值控制（如图3.4所示），从而达到控制效果。 图3.3 配药控制系统图图3.4 加药控制系统图3.2.2 加药系统测控仪表选型该测控系统包括一个串接控制系统、两个比值控制系统。这三个控制系统，共涉及工艺参数三个（流量、液位、速度），其控制方框图分别如图3.5、图3.6和图3.7所示。图3.5 液位流量串接控制图3.6 配药开环比值控制图3.7 加药流量单闭环比值

56、控制在这些控制系统中，涉及到了两个工艺过程参数，即流量、液位，具体有液位的检测、原水流量的检测、稀释水流量检测以及控制、溶液管道流量检测以及控制。在这些检测和控制中，关于仪表选型等，如下所述。（1）流量检测仪测定流量用的仪表叫做流量计，它是水厂进行生产管理、计量和经济核算的必须仪表。水厂中使用的水和药剂的流量计类型非常多，在费用、可靠性、精确度和维护保养等方面各有其优缺点。对于流量计形式的选择，要考虑本身水头损失小，耗能也小，价格适宜，经久耐用，计量准确和稳定可靠，类型不要过多以便于维修。流量计有不同形式，有些只能指示某一瞬时的流量，有些可以指出一段时间内的累计流量，也就是在该段时间内通过的总

57、水量。水厂使用的流量计大致有文氏管流量计、电磁流量计、超声波流量计、插入式涡轮、涡街流量计等，分述如下：差压流量计 差压（dp）流量计是根据管道中的流量和节流装置俩侧压力差的平方根成正比的原理来测定流量，节流装置有文丘里管、孔板和喷嘴等。差压式流量计由节流装置量出压差，差压变送器把压差转换成电信号，运算器计算流量，然后在显示器中显示流量值。所有差压流量计所测的流量，由变送器发出420ma的直流电（dc）信号，通过电子装置转换为流量读出。新型的差压变送器采用微处理器，有很高的精确度。差压式流量计的特点是结构简单，价格较低。电磁流量计 电磁流量计可用于测定含有大量悬浮固体的水，或适用于在很大流量范围内有高测量精度要求时。只要水的电导率大于520s/cm,测量值更不受水压、温度、黏度、密度和电导率的影响。电磁流量计是根据管道中的流速来测定流量，在管道内装一对电极，使管道在磁场作用范围内，能导电的水在管