加氯处理工艺

鄂华自来水厂部分电控设计-加氯自动控制I1绪论1.1水厂加氯消毒背景水是人体必需的物质，人每天都需要保证自己的饮水充足来满足自己的身体机能所需。自来水作为我国广大城镇居民的主要饮用水，尤其是在习近平总书记在全面实行乡村规划的过程中，农村居民使用自然水源或者直接使用地下水的情况逐渐涅灭。自来水的使用变得愈加的普遍。从这个方面来说，自来水水质的好坏是关乎到广大居民生命健康的大事，是影响国家经济发展和社会稳定的重要因素。因此，保障自来水的用水安全是极其重要的[1]。解决自来水水质问题要从两部分进行考虑：加强水源水质的安全，减少工厂废水排放，避免大规模的水污染情况，从根本解决问题，以我国情来说，目前难以实现。加强自来水生产过程中的安全，在水质水源产生突变的情况下也能够进行应对，保障自来水厂供水达到国家饮用水标准。结合上面的两点来说，要保证水质达到要求最主要的方法就是对自来水原水进行消毒处理。在自来水厂中消毒环节最重要的环节，其最根本的作用是杀灭水中的藻类以及细菌病毒等及对人体有害的物质。1.2消毒方法的选用消毒方法分为化学法和物理法，物理法有加热法、冷冻法、机械过滤、紫外线法、声波法等。化学法是利用各种化学药剂进行消毒，其中主要为氯及其化合物、各种卤素、臭氧、重金属离子、阳离子表面活性剂及其他杀生剂等[2]。目前水厂常用的消毒方法有加氯消毒、紫外线消毒、臭氧消毒等形式，此外也可采用多种消毒剂进行组合消毒[3]。较为先进的组合消毒方法为氯气-臭氧消毒的方法。氯气消毒在历史上被使用至今。因为氯气消毒效果明显、成本较低、设备组装程度简单而被泛应用。因此，目前我国对于居民生活供水处理一般采用加氯消毒的方法。在使用氯气消毒的方法中使用液氯进行消毒是最为常见的，最主要的原因是使用液氯消毒成本较低，操作简单，设备的安装需求很低，不需要大量的精密仪器。但是，使用液氯会产生较多的副产物，如三卤甲烷、卤已酸等，且会造成水有很大的异味且具有毒性[4]。这也是为什么自来水会有一股氯酚味道的原因。这就要求我们对于氯气的含量添加有严格的控制来保证水中余氯含量。是现今新一代消毒新星，它不仅具有高效的氧化性杀毒效果超群，在原料方面的获取并不困难，正在逐渐取代饮用水氯消毒并有发展成为自来水消毒主流的趋势。与其他消毒剂相比，具有广谱、高效[5]，不受值的干扰和氨浓度的影响，最为显著的特点是不与水中的有机化学物产生消毒副产品，这对于后续工艺除去水中的副产物减少了不必要的操作。从而在消毒后水中三氯甲烷等副产物的含量大大降低，成为水处理安全高效的消毒产品。出水水质的安全情况不仅仅是依靠于消毒产品这一因素，还包含有对于消毒药品含量的准确投加与否。且由于加氯环节具有大惯性这一特点[6]，以及加氯过程中受到不只是单一因素的干扰，具体的控制过程会非常复杂会造成难以控制。因此，为提高水质，降低药耗，提高加氯系统准确性、稳定性、可靠性，减少不必要的人为操作来降低操作工人劳动强度，提高城市供水质量，供水厂采用自动控制投加系统是至关重要的。1.3国内外加氯消毒发展现状1.3.1国外工艺发展现状使用氯气消毒起源很早，最早可以追溯到著名的科学家科赫，其在1881年偶然间于实验室中发现的。在此后氯气并没有作为消毒药剂登上历史的舞台，最早是在1905年为了控制伤寒的爆发，伦敦在公共用水中采用了连续的氯化处理，受此启发，两年后，位于美国芝加哥的水厂首次将氯消毒作为常规水厂处理工艺。在同一时期，首次发表了他至今都广为传播的消毒理论。此后20世纪的20到30年代，加氯消毒在水处理中被广泛应用，一直被沿用至今且成为现在水处理中保障饮用水标准的最为重要的工艺[7]。在20世纪80年代的欧美发达国家，工业化集成度相当高，但是水污染程度却相当严重。意识到这一点后，采取了后治理的方式。由于相关环境保护工作较国内来说开展较早，现今水源的水质情况良好，水质在各种情况下变化的幅度并不算大，对于水处理过程中需要的检测仪器先进且准确度高，水流量稳定可测，影响水质的各种主要因素都可以通过仪器获得并能够在线查询，这些技术的先进使得消毒药剂的投加控制提供了基础。此外，消毒工艺也在逐渐进步当中，对落后的消毒工艺进行了许多改进。普遍使用成本较高但消毒效果较好的二氧化氯代替氯气作为消毒剂，在整个消毒过程中并不采用单一的投加和检测的方式，而是采用多点投加、多点检测来实时的确定消毒情况[8]。这种手段极大横渡降低了自动控制的难度，对于自动化消毒剂的投加有很重要的普及作用。1.3.2国内发展现状与之相较，国内水厂发展尚处于萌芽阶段还在60年代。在当时的环境下，受限制与经济条件和技术的匮乏。发展一直缓慢。液氯到至今仍然是我国使用最多最广泛的消毒剂，但是我国发展并不是踏步不前，作为示范，有少数水厂采用二氧化氯或次氯酸钠作替代消毒剂，还有一些水厂采用臭氧消毒与氯消毒结合的先进方式生产自来水。这种方式消毒彻底，无过多的程序操作，水处理后的水质质量极高。从控制角度来进行比较，国内水厂自动化、智能化发展整体起步较晚。1980年以后，国内新建了一批较为先进的自来水厂，通过从国外购买设备和检测仪表，在氯气投加控制方面，逐步尝试采用人工投加结合加氯机多参数的复杂闭环控制，但是从实际效果来看这种尝试无异于是失败的，究其原因是当水流量、水厂水池建造结构出现较大幅度变动的情况下，出厂水的余氯值会受到这些情况的影响产生极大的波动，这些是没有能够对加氯控制中的余氯含量没有逐步的修正，造成控制不断偏移，迫不得已还要进行人工投加来保证消毒质量。除此之外，国内大多数自来水厂建于上世纪八十年代前后，工厂的基础建设十分落后，氯气投加设备智能化不足造成准确度普遍低，仪表对于流量、氨氨含量等重要参数无法在线测量，在加氯自动化结构设计方面存在明显的缺陷，系统在工作中波动起伏很大，在这种情形下不能够依靠设备进行智能化的调控，只能够依靠长时间积累的经验对加氯系统进行控制，这些情况造成国内自动化程度普遍较低。面对这些因素，试图完全对硬件设备完全更换替换掉老旧的仪器来进行改变是不太现实的。要实现在质量提高、经济成本降低、结构优化需要另找对策。面对这些复杂的情况，设计氯气投加自动控制方案时可以采取的种有效思路是:能硬件改造解决就硬件改造解决，然后通过软件进一步的完善控制系统；针对不能够对硬件进行升级或在硬件升级过程中经济成本过重，就只能够通过软件来弥补不足，将现今应用广泛的计算机技术和必不可少的自动化控制相结合，并依托于在水厂控制过程中人不断积累出来的经验，来最大程度的克服系统关键参数无法检测、干扰过多、扰动难以测量等诸多困难，从而保证出厂水达到国家标准。余氯含量在规定范围内。1.4本文主要内容投加氯在水处理过程中是极其重要的一环，实现自动加氯不仅仅能够节省人力和提高经济效益这两方面，还能够提升工作效率。在实现自动化方面，受到的影响是方方面面的，包含环境因素，自身的设计原因等，最后可能仍旧采用手动投加或简单的PID控制，再此，基于PLC控制来实现加氯系统的自动化。设计主要包括以下几点：在自来水厂水处理过程中，由水厂整体结构和工艺流程，了解加氯消毒环节过程，包括加氯含量，投加点，加氯使用的含氯药品，加氯消毒的原理，加氯流程和根据国家标准确定余氯值。从控制系统来说，得出控制系统设计的重点所在，并能够得到解决方案，设计出PLC程序，在PLC编程中思索实现自动化的可能性，不断调试来达到自己预期的控制效果。对系统自动控制编程内容进行仿真来模拟工作过程，从而根据结果来进一步的调节。对设计内容进行总结，得出自己所得所学，并思索不足，以便在将来的工程设计过程中吸取经验。2加氯处理工艺2.1水处理主要工艺在自来水的主要处理工艺中，主要包含混凝.沉淀.过滤和消毒等工艺流程，其主要工艺流程图如下图2-1所示。在一级泵房抽取原水后，水需要输送到净水车间进行一系列的处理来保证水质达到要求，主要包括絮凝、沉淀、过滤、消毒最为重要的几个步骤[9]。这些步骤都完成后就会到达二级泵房，经过二级泵房将水泵入供水管网，流入千家万户。处理水回流污泥搬运污水处理污水泵房后加氯投加絮凝剂.预加氯出水泵房管网絮凝过滤清水池沉淀混合取水泵房原水处理水回流污泥搬运污水处理污水泵房后加氯投加絮凝剂.预加氯出水泵房管网絮凝过滤清水池沉淀混合取水泵房原水 图2-1自来水处理工艺流程Figure2-1processflowoftapwatertreatment自来水厂的水处理过程是根据不同的情况来进行不同的处理。这主要是水资源不仅仅受环境影响更有人为因素造成的环境污染，天然水源都会含有不同程度的杂质，这些杂质主要分为非溶解物，以及溶解物。前者主要是主要影响是水的浑浊程度、颜色、味道以及水中微生物的含量。后者主要是化学物质，其中大多数是对人体有害的氰化物，重金属离子，硝酸盐等。这些物质必须进行消毒，降解或者完全除去才能够保证水资源的安全。由于原水中杂质的各种含量可能根据地理位置，人为污染情况等，对水处理的工艺可能会有所不同。虽然不同的，情况可能会有所不同，但是最经典的水处理方式还是如上所示。混凝。在天然水当中含有许多的悬浮物和胶状物。对水进行混凝处理就是在需要处理的水中加入絮凝剂，对其进行絮凝，这种絮凝主要是将杂质进行吸附处理，形成大的沉淀颗粒。在混凝剂的选择上要进行慎重的选择，如果选择不当可能会造成二次污染。目前使用的絮凝剂主要是聚合氯化铝和三氯化铁等药剂[10]。以聚合氯化铝为例其原理如下： （2-1） 聚合氯化铝其本身的结构会对水中的悬浮物进行吸附，当吸附到一定的程度会形成大颗粒的悬浮物，由于密度的原因会沉积在水底容易进行过滤。如果想要快速的完成这一环节就需要不断的进行搅拌促进药物和水中杂质的吸附过程。当絮凝工艺完成后会通过管道将水输送到沉淀池中进行沉淀工作。当然，在现在市场上也有利用活性炭的吸附作用来进行絮凝处理。在国外的文献中，有臭氧化可以非常有效的增加颗粒状活性炭中的生物活性，由此可以极大的提高活性碳去除水中杂质的能力，因此，结合臭氧进行消毒并利用活性炭孔隙饮能够培养出好氧细菌这一特点，在臭氧-活性炭工艺中能够更大程度的进行消毒，故此在饮用水处理中的使用影响在逐步的扩大。沉淀。沉淀顾名思义就是将水中的杂质通过一定的方法进行聚合后在重力增大的情况下会进行下沉到水底。一般的自来水厂都有专门的沉淀池进行这一工艺，对水处理中沉淀要考虑很多的因素，如水流过快会造成沉淀不彻底，水流过慢会影响经济效益。此外沉淀还跟水质有一定的关系，沉淀池的长度也会对沉淀造成一定的影响。过滤。过滤一般而言就是通过网孔形状的过滤层将口径过大的颗粒筛选出来，而水流会到达下一步工艺。过滤层常用的材料为石英砂。当添加了吸附物的水在经过絮凝后到达铺有石英砂的沉淀池，通过水力学规律来实现过滤。在过滤过程当中水流主要是通过层流的方式通过的，在此过程当中，水流速度的变化会让水产生对流，对流所造成的影响就是产生我们肉眼看到的小漩涡，增加石英砂和水的接触极大程度的促使石英砂吸附。另外，当到达沉淀池后水会有一段时间的静置，在静置的过程中会最大程度的降低水的浑浊程度。由于在加药过程中添加有少量的消毒药剂，也会减少水中微生物含量。（4）消毒。消毒最根本的目的就是使水中的微生物失去活性，并且要出去水中含有的各种有毒化学物质。我国大部分的自来水厂都是采用含氯的消毒剂对水进行消毒处理。含氯的消毒剂能够通过次氯酸对细菌进行灭杀。采用含氯消毒剂的主要特点就是在当需要的消毒计量很大情况下会节省经济成本。而且，氯对水的消毒作用不是暂时的，具有一定的持续性，能够提升消毒效果。通过含氯消毒剂消毒因为从作为消毒剂到至今已经有一百多年的历史，从技术上来说会很成熟，操作起来会留有极大的空间。但是，使用氯消毒会产生相应的副产物。在另外的发展趋势来看，臭氧消毒可能是将来的主要方式，在国外，臭氧技术开发已经达到了一定的技术层面。臭氧是一种强氧化剂，与氯相比具有更强的消毒能力，可以有效的去除颜色、味道，杀病毒，杀孢子的能力比氯快[11]，消毒过后不会和氯一般会有反应产生的氯酚味道，但是现在仍有很大的弊端，臭氧极其不稳定，易分解，这一特点就造成无持久的杀伤病菌的能力。再者，我国目前对于臭氧技术的发展较之国外来说，还不太完善。对于自来水厂来说，投入很大，并且技术的不成熟也是一个限制。2.2加氯工艺的流程及原理2.2.1加氯工艺流程由于氯消毒操作方法十分简单，方便控制，消毒的持续性好，余氯检测也十分容易，并且作为原材料的氯也相当便宜，这就使得氯气消毒在自来水厂的净水工艺中使用相当普遍。在目前看来，加氯消毒的工艺是目前最为经济有效工艺，在这种条件下应用必然最为广泛。虽然活性炭-臭氧工艺，以及现在十分先进的紫外线消毒和超声波消毒发展都较为迅速，但是受技术限制和经济条件的影响，在自来水厂中并为能够大面积的采用。对于加氯系统来说，选择加氯点是相当重要的，总的来说，主要分为前氯和后加氯两种方式，其中，前加氯主要是根据原水流量进行计算得到氯气的添加，在加药过程中就混含有氯，其主要的目的是杀灭水中的微生物，细菌，氧化水中的有机物并增加消毒时间，另一方面，也可以起到助凝和助滤的作用。，对于污染严重的水源，里面含有大量的重金属离子，比如铁锰等，其强大的氧化作用能够降低水中的色度（主要大部分的金属离子含有颜色，比如铜离子，铁离子等）。前加氯还可以延长滤池的工作周期，沉淀池的底部可能含有大量的淤泥，微生物在滤池中生长繁殖会造成腐烂发臭的情况出现，滋长青苔等真菌，会在成滤池的建筑结构发生改变，寿命会降低，减少工作时间[12]。在前加氯环节来说，过滤和沉淀需要的氯含量会很大，而在前加氯过程中投加的含量会较少，在经过过滤池后的水中一般都不会含有氯。后加氯主要原因是为了弥补前加氯的不足，在经过过滤池后，虽然部分的微生物已经被除去，但是仍然还是有大部分的病原体存在，一旦达到一定的温度，还是会有细菌滋生，如果没有进行加氯处理，直接经过二次泵房输送给各个用户，当到达人体后，会造成人腹泻或者其他症状，总之，后加氯并不是仅仅为了消毒，而是造成一种环境，造成病原体，细菌等不能够繁殖，使得水质情况达到国家的标准要求，能够安全。同时，少量的氯加入，经过清水池后产生的强氧化剂会杀灭绝大部分的细菌和病毒。由于前加氯对于自来水厂并不是必须具备的，要根据具体的情况来进行设计，比如，水质情况可能污染情况十分的严重，一次加氯并能够让原水达到安全标准，这时候，可以采取二次加氯或者采用前加氯以及后加氯的方法也是可以的。2.2.2消毒原理氯气在被投放到水中后会产生一系列的复杂反应，主要经历水解，氧化反应，在清水池中停留，流出清水池等几个步骤。氯气消毒的根本原因是氯气于水发生水解反应，公式如下： （2-2）次氯酸具有极强的氧化性，次氯酸会再次分解成新生态氧,新生态的氧的极强氧化性会造成细菌和病原体的蛋白质发生变质，使得细胞失去活性，从而杀死病原体，达到消毒的效果。但是，在化学较浅显的层次来说，次氯酸具有强氧化性，次氯酸在水中再次发生电离作用，化学方程式如下： （2-3）而水解反应是一种可逆反应。这于水中的酸碱度是有一定的关系的，从化学方程式上来看，当水中的越多，可逆反应会变成 （2-4）水中的次氯酸含量越多，消毒的效果就会更好。简单来说，当水中的值在一定的范围内时，即5.0到9.5情况下，越低，那么消毒效果就会越强。但是，原水中都会含有一定的杂质，当水中有能够和氯气发生反应的物质时，消毒的效果就会有所影响。在各种杂质中影响最大的就是氨氮，氨氮可于次氯酸反应会产生一类胺的化合物，主要为一氯胺和二氯胺，主要的反应如下： （2-5） （2-6）在大多数情况下，和是同时存在的，并且两个反应都是可逆反应，从化学的角度来进行理解，当值低时，化学反应会正向进行，由于含有正价的具有氧化性。所以，以及中都含有正价的，都具有杀菌能力。且越低，消毒越强。这是和无杂质的情况下相同的。在原水中还含有其他的杂质，但是他们与氯的反应过于复杂，且对于消毒的影响并没有那么大，另外消耗的氯气含量稳定。2.3余氯值设定在氯气进行消毒的过程中，对于余氯的设定是必不可少的。氯易溶于水，（和时，溶解度为）.余氯可以保持一种微生物难以生存的环境，但是当余氯过多时，虽然能够造成微生物和病菌的减少，氯气具有毒性，对人体会有一定的危害，所以国家对于自来水的要求越来越严格。在2007年7月1日，由国家标准委和卫生部联合发布的《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）强制性国家标准和13项饮用水卫生检验标准正式实施。常规指标如图2-2所示在此后的时间内，国家对于自来水的要求在不断严格，这是关于居民安全的重大事情。我国在饮用水标准中规定出厂游离性余氯在接触三十分钟0.3，在管网末梢不低于0.05，后者的余氯量仍然具有杀菌能力，但是对于再次消毒的能力不足，只是作为水源再次被污染的信号。一般在水厂加氯量投加都是事先按照先确定的出水余氯值的最高和最低值，来进行操作控制和调整，最低值是按照国家规定的标准，而最高值则是根据水流量进行计算得来。计算公式如下所示： （2-7）其中是过滤后水余氯值；为出厂水流量，H为清水池的水位；为清水池面积；K为曲线斜率；为出水厂余氯设定值。的计算公式如下 （2-8）其中为两个出厂流量计之和；为本次检测的水位；为上次检测的水位；为两次检测时间差；为清水池水面面积。图2-2部分自来水常见毒物国家标准Figure2-2nationalstandardsforcommonpoisonsintapwater常见毒理指标含量硝酸盐（以N计算）10亚氯酸盐（使用氯消毒）0.7氯酸盐（使用氯消毒）0.7溴酸盐（使用臭氧时）0.01氟化物1.03硬件设计在工业设计中硬件选择是工业真正工作的躯干，软件设计就是我们可以通称的“大脑”，在设计前需要根据完整的工业设计的电路图进行器件挑选，选择出合适本设计的器件类型。这是极其重要的一部分。其图参考附录3。3.1前加氯硬件设计前加氯就是根据水的流速来进行计算加氯量，在本次设计中。决定利用对原水进行前氯点的消毒。具有高效、广谱性。对水质不会造成污染，在设计中产生的药品通过计量泵流入原水中，不会产生对过分使用浪费的情况。另一方面，在前加氯过程中，添加的消毒产品量是很少的，这是对后续消毒没有太大的影响。最为重要的是，使用这种药品，相对于氯气消毒来说，价格相对昂贵，在前加氯过程中添加，对后加氯无影响同时对经济费用不会有太多的损失。虽然使用氯气进行前加氯系统的药品便宜，方便，但是不能排除对于后加氯的影响。在前加氯中使用两种溶液进行反应来生成,这两种溶液分别被装在两个溶液罐中，通过计量泵流入反应罐内，反应后的溶液经过放料阀进入到出料泵1和出料泵2中，在进行消毒添加药品时会打开电磁阀注入沉淀池中。在这些所使用的泵所要说明的是都为计量泵。这样可以保证在生成需要的药品时能够按照一定的配比来进行反应，不会造成两种溶液会出现一种过多的情形，流入沉淀池后会造成一系列问题，同时还要考虑进一步对反应溶液去除的问题。出料泵使用计量泵更为重要，在消毒过程中要时刻记得保持一定的余氯值。虽然，前加氯在消毒过程中可能会消耗完全，但是仍然要使用计量泵。另外要说明的是，在对计量泵进行使用前要进行一定的设定。其控制图如图3-1所示图3-1前加氯控制图Figure3-1controldiagrambeforeaddingchlorine3.2后加氯硬件设计在上文中已经提到，前加氯并不是每个水厂都包含的，要根据季节、地理位置、环境影响、人为污染等各种情况来进行考虑，但是后加氯系统是每个水厂所必备的，后加氯除了进行消毒外，还要有一定的余氯值来保证水质不会被细菌和病原体所污染，对人体造成危害。总的来说，后加氯系统的氯含量高，选用的成本会加高，因此选用氯气进行后加氯的原料。且使用液氯进行消毒的技术成熟，经济实惠。后加氯控制流程图如3-2所示：图3-2后投氯控制原理图Figure3-2schematicdiagramofpost-chlorineinjectioncontrol当流量计检测到清水池中水的流速，加氯机根据的到的信号和设定的加氯值进行氯气添加，当余氯检测仪检测到出水管口处的余氯值达到要求后，发出氯信号，并将氯信号转变成电信号传送给控制中枢，控制中枢发出信号控制加氯机停止加药。此时，后加氯过程结束。3.3.漏氯吸收装置硬件设计使用液氯进行消毒虽然简单，且技术成熟，但是当发生氯气泄漏时会产生严重的环境影响，并可能会对水厂员工造成身体伤害，所以设置漏氯吸收装置是十分有必要的。漏氯吸收装置有几种不同的方法，但是最为简单且经济的方法是使用氢氧化钠溶液作为与氯气反应的药剂。氯与氢氧化钠反应后，产生较稳定的次氯酸、氯化钠和水，其化学反应式如下4-2所示： （3-1） 虽然使用氢氧化钠来进行氯气的吸收处理是相当简便的，且较为经济实惠，但是这样就相当于一部分的氯气白白的损耗，造成了一些不必要的经济损失，工业上通常要求使用溶液能够进行回收再次利用，这样不仅仅是经济上的要求，同时实现了可持续循环利用，这是绿色工业的要求，也是响应国家的号召。更是未来自来水厂工业化的必然要求。其主要原理如下：当有氯气泄漏情况发生时，循环泵开启，将溶液送至吸收塔的上部，同时风机开启，将泄漏的氯气吸收进吸收塔，这时向下流，经过填充物与氯气进行反应后进行吸收氯气，此时，化学反应方程式如下： （3-2）生成的继续向下流，当到达底部后和铁粉发生还原反应，其反应方程如下： （3-3）重新生成的可以再次利用，在进行氯气吸收的过程中并没有造成消耗，所以，不需要在氯气消耗后进行再次加入的情况，只需要在较长的一段时间后检查溶液的情况，看溶液是否有泄漏，或者可能有部分损耗的情况进行溶液补充即可。综上来说选择溶液是较为完美的选择。漏氯吸收装置原理图如图3-3所示图3-3漏氯吸收装置原理图Figure3-3schematicdiagramofchlorineleakageabsorptiondevice3.4器件选型3.4.1PLC选择PLC从产生发展到现在，实现了从接线逻辑到储存逻辑的飞跃，从功能控制到数字控制，其应用的领域从实现单体设备的简单控制到胜任运动控制，以及过程控制等各种任务跨越，体现出PLC在应用中的特点[13]。1）编程简单2）控制灵活3)功能强，可扩展性好，性价比高4)可维护性好5)可靠性高6)体积小，能耗低3.4.2PLC的分类由于PLC产品在市场上种类纷多，为了区分选择PLC在不同场合的适用情况，人们一般会进行特定的分类进行区别。按照输入输出点数进行分类可以分为：小型PLC的口点数小于256点，以开关量为主，具有体积小，价格低廉等优点。一般用来开关量的控制、定时/计数的控制、顺序控制及少量模拟量的控制场合，代替繁重的继电器及其接触器控制。中型PLC的口点数在256及1024间，功能比较丰富，兼有开关量和模拟量的控制能力，适用于较为复杂系统的逻辑控制和闭环过程的控制。大型PLC的口点数在1024点以上。用于大规模工程控制，集散式控制和工厂自动化网络。当然PLC也可以按照其他的方法分类，比如按照结构形式分类等。我国市场流行的有几家PLC产品；1)施耐德公司，目前有、、等产品。2)罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有、、等产品。3)西门子公司产品，目前有等产品。4)公司的产品5)日本的欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品，使用较多的是三菱、等产品。在本次设计中采用西门子公司系列中C。如下图3-1图3-4PLCS7-300Figure3-4PLCS7-3003.4.3取样泵取样泵：主要是用来采取或是收集气体和液体的小型泵，在加氯环节中，主要是采样水样并将液体送给余氯检测仪，余氯检测仪检测余氯含量是否达到。取样泵本次选择了宁波环测实验器材公司型号为SP208-1000PUAL具体参数如下：流量显示：流量设置范围：精度：在以内在以内输出量：模拟输出同时也可以PWM波的数字信号输出3.4.4余氯检测仪自家水厂以氯消毒，主要是次氯酸具有强氧化性，在水中称之为有效余氯，有效余氯在消毒中扮演重要角色。余氯含量在类别上分为两类，它们分别是游离性余氯和化合性余氯。化合性余氯是指水中氯与氨的化合物，在自来水中主要是、和这三种，以较为稳定，杀菌效果好。游离性余氯是指水中的、及等，杀菌能力强，杀菌迅速，但是相反来说它不稳定，消失速度很快。在自来水厂检测余氯通常检测的是游离性余氯，游离性余氯我们利用余氯检测仪进行测量得知是否达到国家标准。检测原理主要是利用渗透膜的选择透过性，渗透膜将电解液和水进行分隔开来，在电解过程中让穿透；在两个电极之间产生一个固定的电位差，稳定的电位差和电子的移动生成的电流，电流强度大小可以换算成余氯浓度。利用化学方程表示在阴极上： （3-4）在阳极上： （3-5）由于在一定的温度和下，可以通过公式（3-4）知晓、和余氯之间存在固定关系，通过这种方式可以测量余氯值。在设计中需要检测在送水泵房出水管道处的余氯值，对余氯检测仪要有一定的要求：测量范围：分辨率：防尘防水设计：防护等级,事宜户外使用。信号输出：值检测：分辨率：检测：分辨率：根据要求来说，余氯检测仪不仅要检测余氯，在消毒的过程中的变化是影响消毒的一个重要因素，故还要兼顾变化。经过仔细的筛选，选择了上海仪表公司的型号为在线氯气检测仪，其主要优点是可以满足各种的工况条件，并能够进行历史查询。3.4.5液位仪液位仪主要是在溶液池中，氯气并不是直接添加的，而是经过化学物质反应后产生的，液位仪主要是放置在发生器中。保证溶液能够达到一定的裕度。液位仪可以分为很多种，主要有投入式液位仪、浮球式液位仪、超声波液位仪等。各有各的优缺点。如表格3-1所示：表3-1各种液位仪优缺点比较Table3-1comparisonofadvantagesanddisadvantagesofvariousliquidlevelinstruments优点缺点投入式液位仪安装简单，价格低廉，维护方便精度不太高超声波液位仪精度极高安装复杂，价格昂贵，维护不易。浮球式液位仪安装简单精度低综上三者考虑，投入式液位仪虽然精度并不是极高，但是也能够达到要求，且安装简单，维护方便，相较其他类型的液位仪是最好的选择。投入式液位仪原理：根据液体静压与其高度正比例的原理制成的投入液位仪，一般采用硅敏感传感器或者压力传感器，当放入溶液中会产生水压，将水压转换为电信号，再转化为标准电信号。利用反应压力与电压的关系。因此，在考虑种种因素后选择了上海万沃仪表厂的投入式液位仪，型号为。具体参数情况如下，信号输出：测量范围：分辨率：防护等级：，适用于户外这种型号的液位仪应用于各个工业领域液体测量，尤其是水处理行业。3.4.6流量计流量计指被测流量和在选定的时间间隔内流体总量的仪表。流量计同样分为多种类型，主要包括：差压式流量计、转子流量计、电磁式流量计、超声波流量计等，在本设计中选用电磁流量计。电磁流量计相较于其它流量计来说，其主要优点是它对流量的测量与导电介质没有太大的关联，因此，测量结果一般不受物理量的影响，包括温度、密度、粘度等。电磁流量计的选择一般考虑到工况条件，有一套自己的选型原则。具体如下：电磁流量计一般选择流量口径等于工艺管道口径，可以满足大部分的工况需求，而且在这种情况下安装方便、没有压力上损失。且能够连续测量较宽流量范围内的流量，在规定流量（流速）范围（）内，可以任意调整测量流量量程。流量、流速与口径三者关系如下式： （3-6）式中：——流量，；——流量计公称通径，；——流体介质流速，。仪表的口径可以与工艺口径不同，但是要根据以下原则进行挑选:（1）工艺管道内流速要求不高，其流速偏低，工艺流量能够稳定在规定流量内，能够允许存在一定的流量损失，可以选择流量计口径小于工艺口径。（2）针对于大口径工艺管道，在工艺管道内流速较低，工艺流量也能够达到要求，保证其稳定而无流量损失，可以选择电磁流量计与工艺管道存在细微差别的口径。但是，从经济性、准确性和耐用性来说，推荐使用的流速范围为，。在这个范围内，流量计的测量精度高、线性好，耗能小，对于流量计磨损来书相当低。能够极大限度的延缓流量计的寿命，提高了经济需求方面要求。根据以上流量计选择要求，流量计测量的是清水池和出水处的流量。选择德国公司型号为电磁流量计参数如下:精度：测量范围：()输出形式：数字输出防护等级：3.4.7电动调节阀在氯气产生中，我们要考虑到配比溶液在不同的高度时会进行两种溶液的添加，其开关是有电动调节阀控制的，而电动调节阀的关断是由PLC控制。电动调节阀在我们熟知的认识中是将电机执行机构和阀门开关组合起来，经过一定的组合和不断磨合试验使其成为电动调节阀，电动阀顾名思义就是用电源接通电机进而驱动阀门，实现阀门的开关，调节动作。由于配药容器并不是大型器件，所以在选型时考虑到经济性，选择了天津贝尔自动化仪表技术有限公司单座调节阀，具体如下：型号：压力等级：防护等级：智能型输出信号：3.4.8计量泵计量泵还可以叫做比例泵，还被称作定量泵，计量泵十分广泛，应用范围从化工、石化、电力、水处理、到制药等各个领域对各类化学药品来进行定量添加。计量泵在市场上有多种类型，根据不同的分类方法有不同的叫法。以过流方式分类分为柱塞、活塞式，机械隔膜式，液压隔膜式。电机、传动箱、缸体等三部分主体构成了泵。工作原理是：电机通过联轴器动蜗杆进行带动，从而使得蜗轮减速造成主轴和偏心轮带动弓形连杆的滑行调节座作往复运动。吸入阀打开才能够吸入液体，其工作状态是柱塞向死点后移时泵腔内逐渐形成真空；吸入阀要满足关闭情况，同时排除阀打开，就必须让柱塞向死点前移动；柱塞再向前一步运动就会排出液体。在泵的往复循环工作中通过压强的原理，可以按照设定的需求量对液体进行排放。在柱塞和隔膜式中来说，隔膜式计量泵具有绝对不泄漏，安全性能高，计算精确，输送液体稳定，流量能够在规定范围内进行从零到最大范围调节，压力可以从常压到最大范围内任意选择。在根据工艺要求的情况下，机械隔膜式和液压隔膜式中选择液压隔膜式，主要是因为虽然价格较高，但是维护简单、寿命长、精度高。所以本设计中选择淮安威力泵业液压隔膜计量泵，其主要参数如下：流量：19泵速：输入信号：防护等级：这种型号的计量泵接口无特定的要求，一般的类型基本都能够满足。且可以输送易燃、易爆、易腐蚀的液体。具体器件如图3-5所示：图3-5液压计量泵Figure3-5hydraulicmeteringpump4加氯系统软件部分设计4.1.前加氯PLC控制流程混料罐在进料以前，先将放料泵打开，出料泵1和出料泵2同时运行，电磁阀1和2同时打开。必须保证混料罐、出料罐内均无任何原料。进料时，当一种原料到达某一设定液位时，另一种原料才能够进入混料罐，两种原料必须单独放进混料罐内。搅拌时间设定为20s。出料时，同时对两个出料泵进行出料，当混料罐内的液位到达最低水平时，延迟10S关闭。此时电磁阀1和电磁阀2仍然工作。4.2前加氯系统程序设计根据已知的工业流程和系统控制流程制定出程序流程图，以实现整个液体搅拌控制的过程，如图4-1所示在本系统中，PLC设计的主要任务是对于外部的开关量输入信号对系统进行控制，根据输入情况来判断当前的系统状态，从而利用输出信号去控制接触器，继电器等器件以完成相应的控制工作。将5个输入信号和11个输出信号按各自的工作情况进行确定，并与PLC的口端一一对应。确定好各个的位置，列出外部信号并与PLC的地址编号一一对应其表4-1所示4.2.1前加氯程序说明（1）按下启动按钮后，放料阀先打开，出料阀和电磁阀1和电磁阀2后续打开（工作时间为），排空放料阀内的混合反应液。当定时的时间结束后，注入液体A（此时泵1和进料阀1工作）到达中液位以后，中液位的指示灯亮，然后关闭液体A的注入，液体B开始注入（此时泵2和进料阀2工作），当到达高液位以后，高液位指示灯亮，同时液体B也会停止注入。（3）当溶液A和溶液B混合完成后，为了能够使反应能够迅速和反应完全，在之后的20S内，启动搅拌机，当反应完全后，电机停止运转。（4）当搅拌机停止运转后，此时打开出料阀，使得反应溶液流出，再次打开电动阀1和电动阀2.同时还有出料泵1和出料泵2。便于反应后的溶液能够通过出料泵，当出料泵的电动阀打开时，反应溶液进入到原水，参加消毒工作。（5）当反应溶液进入到出料泵以后，反应溶液在逐渐减少，但是当到达最低的溶液高度后，会有最低液面的指示灯亮起，同时在延时10S后关闭出料阀。按下停止按钮后，所有的工作将停止。整体程序主要是产生的过程，在反应后流入到计量泵中，在计量泵上已经根据设定好的氯值注入到原水中，当然，在设计中没有过多的考虑计量泵的大小，简而言之就是反应器内的溶液是否超过计量泵的容量这点没有过多的考虑，一般来说，不太存在这个问题。因此，也就没有刻意的考虑。另外，由于搅拌和反应还有进入计量泵的时间并没有过长的时间延迟，在前加氯的过程中，对于第一次启动机器的短暂时间内未进行前加氯，其余都满足设计需求。图4-1系统控制流程图Figure4-1systemcontrolflowchart表4-1口地址分配表Table4-1portaddressallocationtable启动按钮I0.1泵1，进料阀1Q4.0停止按钮I0.2泵2，进料阀2Q4.1高液位开关I0.3搅拌机MQ4.2低液位开关I0.4泵3Q4.3中液位开关I0.5泵4Q4.4放料阀Q4.5电磁阀1Q4.6电磁阀2Q4.7高液位指示灯Q5.1低液位指示灯Q5.2中液位指示灯Q5.34.2后加氯过程设计在本设计部分，接收到清水池信号后，控制中心就会使得加氯机加药，实现全自动的控制。从而实现以下几点的要求：（1）当到达余氯值以后，系统会有警示灯亮起，防止系统发生故障会造成余氯增多，对人体产生危害。（2）液氯能够实现自动添加；出现故障后能够关闭。根据后加氯工艺流程和控制系统流程得到程序流程图，从而实现后加氯的控制过程，如图：在本设计部分，接收到清水池信号后，控制中心就会使得加氯机加药，实现全自动的控制。从而实现以下几点的要求：（1）当到达余氯值以后，系统会有警示灯亮起，防止系统发生故障会造成余氯增多，对人体产生危害。（2）液氯能够实现自动添加；出现故障后能够关闭。在本系统中，PLC系统根据系统的输入判断当前的系统状态以及输出信号，并控制各种器件来实现加氯过程，在设计中有共有三个输入信号和两个输出信号，按各自的功能类型分好，并与PLC的口端一一对应。编排好位置，列出外部信号并与PLC的地址编号，其表格如4-2所示：表4-2后加氯过程口地址分配表Table4-2mouthaddressallocationtableafterchlorineaddition变量名输入端子说明输入地址分配输出端子说明输出地址分配流量计I1.0加氯机Q1.0SB1启动按钮I1.2取样泵Q1.1SB2停止按钮I1.1余氯检测仪Q1.24.2.1后加氯程序在后加氯控制中，当检测到原水的流速信号后，开启加氯机进行加氯，为了检测余氯值，查看余氯是否达到要求，要将原水进行抽取到取样泵中，因此，在启动加氯机的同时要启动取样泵中，取样泵将水输送到余氯检测仪中，余氯检测仪根据检测结果发出信号传送给,控制系统根据输入信号判断是否进行加氯。当然，当发生其他情况时，如果自动控制不能够正常工作的情况下，要满足工作需求，设置了手动按钮，按下按钮后，后加氯装置能够进行正常工作。当取样泵启动后，为了能够使得取样泵无其他异样情况，设置了延时时间为，当到达延时后，启动余氯检测仪，这样余氯检测仪将抽取样本进行与设定值进行对比，发出电信号。在工作过程中，可能会发生各种情况，在仪器设备不能够进行正常工作时，要能够及时的关闭后加氯系统，进行检查维修，另，在正常情况下，也考虑到各种仪器是需要进行定期的检修来保证控制系统各部分仪器能够正常运转，故在这些因素下，设置手动的关闭按钮，手动关闭后，各部分的仪器，无论出于什么什么工作状态，都会停止运转。在本部分的设计中，根据滤池中的水的流速仅仅只是开启加氯的信号，而加氯的值是已经设定好的，并没有通过控制系统的算法来进行精准的控制，这是因为在自来水厂中采用的是变频恒压调速的供水控制，所以水的流速情况并不会产生过大的影响，所造成的加氯过程中加氯值的影响是非常小的，故此在设计中并没有过分强调这一部分。另外设计中没有使用计量泵来进行系统的设计，主要是因为添加的主要是液氯，而加氯机能够将液氯进行气化并变成溶液，同时它还有计量泵的作用。操作方便，简化了设计过程。4.3.漏氯装置软件设计4.3.1漏氯装置控制流程当检测到氯气泄漏时，氯气报警装置响起，此时计时器在后启动水泵，启动信号灯亮起。此时进入计时，计时后开启风机和漏氯吸收装置。工作时间持续，报警灯熄灭，工作停止。当漏氯检测装置发生故障后，可以手动按下按钮手动开启漏氯装置。根据余氯的工艺流程得到控制流程图，从而实现控制过程，图如下所示：在本系统中，控制系统根据得到的输入信号来判断出现在的输出信号状态，从而通过继电器、控制接触器等来实现控制。在本工艺设计中，共有两个输入和四个输出信号，按各自的功能类型分好，并与PLC的口端一一对应。表4-3漏氯吸收装置口地址分配表Table4-3addressdistributiontableofchlorineleakageabsorptiondeviceport变量名输入端子说明输入地址分配输出端子说明输出地址分配漏氯检测仪1I0.1漏氯报警灯Q1.1漏氯检测仪2I0.2循环泵Q1.2启动按钮I0.3启动灯Q1.3停止按钮I0.4抽风机Q1.4漏氯吸收装置Q1.54.3.1漏氯吸收装置程序1)在进行漏氯检测过程中，设置有两个漏氯检测仪，当检测到余氯后，余氯检测仪发出信号，此后，余氯报警灯亮起，提示氯气泄漏情况。为了防止漏氯检测仪可能发出错误信号，添加定时器进行一段时间的检测，定时时间设置为，另外，当氯气发生泄漏后，此时漏氯检测仪没有发出信号，使得漏氯回收装置工作，还添加了可以手动按钮，按下按钮后，漏氯回收装置同样可以再次正常工作。（2）当报警装置启动后，在经历的定时检测后，启动循环泵，能够将反应溶液，自下而上的抽送到顶部，从而与氯气在在余氯吸收装置的中部相遇，发生反应。于此同时，亮起余氯吸收装置的工作灯（即启动灯）。从而进行下一步的程序运行工作。当循环泵工作后，为了循环泵能够完全启动而无影响，在经过5S的延时后启动风机，风机工作后将漏氯进行抽取，进入到漏氯吸收的装置中进行吸收处理的工作，同时将信号传送给，控制中心根据信号判断出漏氯装置启动的信号。漏氯装置启动后进行漏氯的回收工作，但是漏氯工作时间是有一定的时间限制的，当漏氯装置将氯完全吸收后要进行关断，这里为了氯气能够完全的进行进行吸收，设置延时时间为，当时间到达后，漏氯回收装置会准时关断。这样减少工作仪器的工作时间，同时还能够保证漏氯能够完全的吸收，增加了工作仪器的寿命，同时还能够节省相应的资源。在漏氯吸收装置进行工作时，可能因为种种的突发情况会造成漏氯不能够能够完全吸收的情况，也有可能会发生延时没有作用一直进行工作的情况。或者当机器发生损坏无法正常工作时，我们往往需要将漏氯装置进行关断，能够及时的进行检修，同时还要考虑到要进行定期的维护，特意添加了手动关断按钮，当按钮按下后，无论装置处于什么工作情况下，都要停止工作。在设计过程中，要考虑到氯气吸收装置的关断时间，但是这个时间是要根据具体的情况进行设置的，可能有时候泄漏情况并不严重，有时候泄漏的情况可能会很严重，如果设置为泄漏情况为最轻微时候可能在当情况严重的时候会吸收不完全，造成环境的污染，甚至会对人造成危害，所以，为了预防这种情况要考虑把时间设置时间相对长久一点，甚至要考虑到极端情况下，氯气完全泄漏。这时候可能使用氯气回收装置并不能够解决实际情况，还要添加排气扇进行人为操作，打开排气扇，能够使得氯气吸收的同时，将无法及时吸收的氯气排出，防止造成自来水厂工人的安全。图4-2漏氯吸收装置流程图Figure4-2flowchartofchlorineleakageabsorptiondevice5经济技术分析在控制的硬件方面，选择的器件型号较多。但是要保证器件的实用性和耐久性，以及精准性。其中主要的器件包括流量计、计量