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                        一座1.75萬噸自動化生產凈水廠的建立和設計

                        添加時間:2020/08/06 來源:大連交通大學 作者:周世超
                        本文從該1.75萬噸凈水廠對自動化的實際需求出發,分析其水處理工藝對監控系統的具體要求。設計了由上位機系統,PLC系統。儀表檢測系統等組成的監控系統的總體方案,并詳細介紹系統的硬件設計。軟件系統設計、網絡系統設計與上位機組態。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          隨著科技與經濟快速發展,國內外凈水處理技術都已相對成熟,也相維出現了許多斷的凈水技術,可從實際的發展使用上看,依舊是采用傳統的"混凝-沉淀一-過濾-消毒"工藝流程。但凈水技術發展的同時,城市的建設速度和人們生活水平的飛快提高,使得無論是城市還是鄉鎮,其需水量都在快速增大。因此某城市與日俱增的需水量,迫使該城市建設一座1.75萬噸自動化生產的凈水廠,以加大凈水效率,提高供水質量。滿足該城市經濟建設發展與人們日常生活的用水需求。

                          因此,本文從該1.75萬噸凈水廠對自動化的實際需求出發,分析其水處理工藝對監控系統的具體要求。設計了由上位機系統,PLC系統。儀表檢測系統等組成的監控系統的總體方案,并詳細介紹系統的硬件設計。軟件系統設計、網絡系統設計與上位機組態。

                          系統設計。其中硬件設計主要包括;絮凝沉淀車間控制站、過濾及反沖洗車間控制站、加氯加藥間控制站。網絡設計部分介紹如何通過網絡系統實現各個控制站之間的通信及網絡方案。軟件設計部分主要介紹加氯加藥控制程序、絮凝沉淀控制程序、過濾及反沖洗控制程序,針對凈水工藝流程中恒液位控制與液位報警程序的工程技術優化問題創新提出設置"回差帶"的控制思路,以實現優化控制。最后介紹監控系統的各主要人機界面的組態與設計。通過對監控系統的調試與運行結果分析。驗證該監控系統穩定可靠,安全高效的優點。

                          關鍵詞:凈水廠;水處理;監控系統; PLC; 恒液位控制

                        凈水廠計算機監控系統

                        Abstract

                          With the rapid development of science and tchnology and economy. domestic and foreign  net water treatment technology has been relatively mature, but also appeared a lot of new water  purifieation tchnology, can be seen from the sctual development, is still the use of the  traditional cogultiop-eipipiofiaionidisinfectionr" process. However, while the  development of water purification technology, the speed of urban construction and the rapid  improvement of people's living standards. s0 that both urban and township. the water demand  is increasing raidly As a resut, the inreasing water demand in a city has forced the city to  build a 17,500-ton automated water purification plant to increase water purification efficiency,  improve the quality of water supply, and meet the urban ecnomice development and people's  daily life needs for water.

                          Therefore, starting from the actual demand for automation in the 17,500 ton water  purification plant, this paper analyzes the specife requirements of the water treatment process  for the monitoring system, designs the overall scheme of the monitoring system composed of  the upper computer system, PLC system, instrument detection system, etec, and introduces the  hardware design, sofware system design, Network systen design and upper unit State system  design. The hardware design mainly includes: Flocculation Precipitation Workshop control  station, filration and Backwash workshop control stution, chlorination plus iner drug control  station. The network design part introduces how to realize the communication and network  scheme between each control statio through the network system. The sofware design part  mainly introduces the chlorination control program, flocculation precipitation control progrnm,  filtration and Backwash control program, aiming at the innowation of the Engineering  technology opimizaion poblem of constant level control and liquid level alam procedure in  the water purification process,., puls forward the control idea of stting u the "Back Diference  belt" in order to realize the optimal control, Finally, the configuration and design of the main  human- machine interfaces of the monitring system are introdoced, and the advanlages of  stable, rliable, safe and eficient mnitoring system are veified by analyzing the debugging  and running results of the monitoring system.

                          Key Words: Water Puriflcation Plant; Water Treatment; Monitoring System; PLC;Constant Liquid Level Control

                        目錄

                          第一章緒論

                          1.1課題的研究目的及意義

                          近幾年來,國內大部分水廠開始逐漸向自動化生產轉變。自來水行業相關的自動化技術、監控系統設備以及機電儀表設備的發展。凈水技術的發展進步,以及計算機的應。

                          用普及,都為國內水廠向自動化轉型提供了良好的技術支持與設備基礎。

                          本文作為機械電子工程方向專業學位碩士的畢業課題,其實際意義在于,以實際工程項目為背景,通過實地考察、認真研究、與現場工作人員、設備廠家、水廠其他標段設計人員等溝通協調,為該水廠設計-套切實可用、高效可靠的計算機監控系統。以解決該地區經濟建設與居民日常生活的用水難圓。其學術意義在于作為該領城其他監控系統設計人員的實例參考,或為其他領域監控系統設計人員的設計工作起借鑒作用。

                          通過凈水廠水處理的自動化控制系統,可以從根本上提升出水的水質。該系統主要是通過自動化技術控制凈術處理過程中的加藥、加氯、以及濾池過濾和反沖洗等環節。

                          從而達到保質。保量的監控凈水過程的目的。同時自動化控制系統在保證水質的基礎上。

                          還可提高人機交互的高效性,從而保證水處理的各個環節能夠被有效的監控。數據保護、以及運行維護。采用這種方式方法來控制水廠的整個凈水過程,可以在提高效率的同時。

                          很大程度上減少能源的損耗。因此,采用自動化控制系統是行之有效的重要舉措。

                          一個地區的水廠建設質量與運行情況,切實關系到該地區人民的用水。如果凈水廠的水質和凈水效率不達標,將會直接影響到當地活民的生活質量,從而影響地區的發展與建設,該水廠實現凈水工藝流程的自動化,能夠在提高水處理過程穩定性的同時提高生產自來水的效率,并大大減少人力資源的浪費。而在水處理過程當中采用監控系統進行自動化控制能夠使相關工作人員盡早發現生產過程中的安全隱患,這樣就有一定的預留時間進行應急措施,一定程度 上避免了由生產故障引起的城市供水短缺的嚴重問題。以往的水處理開環控制系統有許多的缺陷,比如不能夠智能的控制加氯和加藥的劑量,對自來水的質量造成了一定程度上的影響。為解決上述問題,本文在水處理過程中采用閉環控制系統,根據水質和水量智能調節加氯和加藥的劑量,從而實現一個高效的自動化控制系統。

                          1.2國內外水廠監控系統研究發展概況

                          相對于國外的發展狀況,我國凈水行業的自動化控制研究和發展起步相對較晚。20世紀90年代,伴隨蓍可編程控制器(PLC) 的廣泛應用,專家們針對PLC與水處理技術進行理論與實際的結合,使自動化控制系統走入水廠,為水處理系統開發了現代化控制的新時代。隨著工業控制計算機被不斷的推廣應用,自動化控制技術又進一步完善, 凈水廠自動化程度提高,并可建立大規模高質量的凈水系統。國外的自動化控制系統起步早,并且技術相對成熟。因此,近幾十年來國內眾多凈水廠大量引進國外的先進技術,比如: ifix 工控組態軟件; SCADA系統: GIS 系統等等,用來提高我國的自來水廠的自動化系統建設。盡管如此,開發出適應我國發展需要的自動化控制系統仍是當務之急。

                          而現如今,我國水監控系統的發展已是日新月異。由我國水利部門建立井監測的水質監測網絡體系,切實貫徹到全國的各大城市,為人民用水問題提供了有力保障。該系統目前處在僅能監測水環境階段,距離針對飲用水標準的水質監測階段仍有一段路要走。中國是一個人口大團,能夠解決飲用水問題是迫在眉睫的,是具有實質性價值的。

                          目前,我國眾多學者致力于飲用水水質檢測體系的研究,例如:為了能夠有效的收集、處理監測過程中的數據,并以更多樣化的形式方便人們解讀,盧文華等人通過采用單片機主機和數據采集機,以及設立PC機的方式來實現:針對監測采樣點數和頻率等問題, .

                          李欣等人研發了一種基于Labview仿真軟件的水質監測慮擬儀器,該儀器能夠實時并且有效觀察水溶液中的氯離子、溶解氧以及氟離子等成分。

                          盡管近年來我國凈水處理的建設與發展相對穩定,但大部分凈水廠選擇引進進口水處理設備與儀表,以實現水處理工藝的自動化控制。保障城市供水的穩定性。究其原因,我國在自動化方面的研究已經緊追西方國家,但質量方面仍存在較大的差距,仍需要我國學:者繼縷努力探索研究。從而擴大我國各地區凈水廠為了有效的提高凈水廠的自動化水平,加大生產規模。

                          目前許多西方國家通過使用計算機控制技術在水處理方面已經基本實現了全自動化模式,并且可以實現水廠之間互通信息,分質供水。例如:澳大利亞,大部分凈水廠實行了水處理實時監控系統,實時記錄并處里水處理數據信息,實現了水處理的優化配置"l在俄羅斯,針對凈水廠的加藥環節。實施徼機自動化控制保證凈水質量P|在英國,凈水廠建立城市飲用水管理監控系統。從而嚴格控制城市供水水質。國內應該吸取國外先進的飲用水管理理念,積極結合國內的自動化水處理發展狀況,將水質監控技術推上一個新的臺階。

                          美國、日本等其他國家水質監測技術的研究和應用工作也早已取得部分成就。日本學習研究國際領先技術,在大阪地區設置了多個區城監測系統,以監測當地主要水域水質,并將監測結果與標準水質數據比對,以分析各區域飲用水的質量B.而美國發展到現在不僅形成了完備的計算機管理系統。還在水質監控體系中應用了衛星技術使水質監測體系更加完善。而這都要歸功于美國早在上世紀70年代就已經針對地表術的實時監測研發出了水質監測系統并投入使用,井在當時就已建立起了符合水質需求的監測網絡體系41.如今美國、日本等發達國家已廣"泛采用衛星技術,無線通信網絡以及計算機技術,建立起了無線分布式監測系統5,這些先進的技術值得我國學習和借鑒,從而將我國的凈水系統以及監測系統發展的更好。

                          1.3監控系統方案

                          提出根據城市發展的規模及居民生活生產的需要,設計智能高效的凈水廠。該凈水廠設計總規模3.5萬噸,其中-一期工程規模 1.75 萬噸,本文設計的是該凈水廠"的一。期工程,其工藝流程:管道混合器-配水井一網格絮凝治-平流沉淀池→V型濾池- 清水池。凈水廠處理后的水儲存在清水池。再通過恒壓供水設備輸送至城市配水管網。凈水廠一期工程t要構筑物有配水井、網格絮凝平流沉淀池、V型濾池。廢水回收池:凈水廠- -期工程主要建筑物包括綜合慢、門衛室、加藥加氟間、機修間倉庫、變配電閘。本工程設計了由PLC、工業計算機、現場儀表、視頻監控等組成的實時多任務、開放式自動化控制系統。并為今后二期工程建設留有充分擴展的空間間。該系統具有諸多優良特性。如:

                          穩定性好、效率高、能源損耗少且系統維護便捷。

                          相比其他領域,由于凈水處理涉及到的工藝流程較多,因此凈水處理具有明顯的受控設備多,儀表檢測量大,工藝處理分布廣的特點。為實現整個凈水廠的分散控制和集中管理,該凈水廠監控系統采用由可編程邏輯控制器與工業計算機組成的分布式控制結構,在各個凈水廠的不同工藝段及車間,分別布置了現場控制站對各車間受控設備實施監控,同時又將各工段信息傳送至中央監控室,接受中央監控室的統-指令 與監控7.

                          1.4課題研究的主要內容及結構安排

                          在整個凈水環節中,加氯加藥、過濾以及對濾池的反沖洗很大程度上決定了出水水質能否達標,因此針對這三個環節的自動控制至關重要。本文重點圍繞加氯加藥車間、濾池反沖洗車間以及過濾車間的現場PLC控制站進行硬件設計。并在軟件設計中分別針對各車間控制系統進行程序設計,重點圍繞過濾系統中液位控制程序與反沖洗系統中液位越限報警程序設計展開說明。

                          接下來的章節安排如下:

                          第二章主要針對凈水廠"凈水工藝流程進行分析,總結得到對監控系統的技術要求,繼而進行監控系統的總體方案設計。

                          第三章主要介紹繼總體方案設計完成之后對系統中各主要車間PLC控制站的硬件設計,以及將各個控制單元連接的網絡系統設計。

                          第四章介紹監控系統各車間控制站的軟件設計和系統的組態設計,重點分析液位控制與報警程序。

                          第五章介紹監控系統的調試,說明調試中發現的問題與處理方法,并對凈水廠的實際運行數據進行分析。

                          第六章闡述凈水廠監控系統總結與未來展望。






                         

                          第二章監控系統的總體方案設計
                          2.1凈水處理指標分析
                          2.2凈水處理工藝分析
                          2.2.2沉淀
                          2.2.4消毒

                          2.3監控系統的技術要求及實現功能
                          2.4.1分布式控制系統(DCS, Distributed Control System) …
                          2.4.2現場總線控制系統(FCS,Fieldbus Control System)
                          2.4.3工業PC和PLC構成的分布式控制系統
                          2.4.4本文監控系統總體方案
                          本章小結

                          第三章監控系統的硬件設計
                          3.1硬件設計總體方案
                          3.1.1主要設備選型
                          3.1.2主要儀表的
                          3.1.3 中央控制室的設計
                          3.2.1加氯加藥間10點分配
                          3.2.2控制模塊選型
                          3.2.3控制站模塊組態
                          3.2.4計量泵控制電路分析

                          3.3反沖洗車間控制站的硬件設計
                          3.3.1濾池反沖洗間I0點分配
                          3.3.2控制模塊選型
                          3.3.3反沖洗風機控制電路分析
                          3.4過濾車間控制站的硬件設計
                          3.4.1濾池過濾間I0點分配
                          3.4.2控制模塊選
                          3.4.3電動調節閥控制電路分析
                          3.5通訊網絡
                          3.5.1通訊組網
                          3.5.2通訊協議

                          第四章 監控系統的軟件設計
                          4.1軟件設計總體方案
                          4.2 加氯加藥控制程序
                          4.3絮凝沉淀控制程序
                          4.4過濾及反沖洗聯合控制程序
                          4.5 液位控制程序與液位報警程序設計
                          4.6凈水廠監控系統的組態設計
                          4.6.1組態軟件
                          4.6.2 WinCc 7.0組態軟
                          4.6.3凈水廠的組態界面開發
                          本章小結

                          第五章監控系統現場調試
                          5.1PLC監控站的調試
                          5.2通信的調試
                          5.3環網通訊系統實時性分析…
                          5.3.2現場數據上行倍息時間計算
                          5.4監控系統抗干擾分析
                          5.4.1電源抗干擾問題分析與對策
                          5.4.2模擬量輸入通道抗干擾問題與對策
                          5.5運行結果分析

                        第六章總結與展望

                          6.1 全文總結

                          本人在僅兩年的研究生學習及論文研究階段,對該1.75萬噸凈水廠監控系統的研發與設計基于實際解決城鄉用水不足問題的課題研究通過對凈水廠各工藝的詳細了解,本文對凈水廠的自動控制系統做了一個比較完整的設計,其中包括對控制器及擴展模塊、設備、儀器儀表,通信組網和通信協議的硬件設計以及各PLC控制站程序、組態的軟件設計。本人作為機械電子工程方向專業碩士,工作內容主要有以下幾方面:

                         。1)在該系統中采用變頻調速來計量泵輸出藥液流量,在保證消毒質量的同時,很好的節約了能源。

                         。2)過濾是整個凈水工藝中非常關鍵的環節,而該環節要求濾池中液位保持恒定。

                          因此,本文在保證控制液位恒定的前提下,設計了能夠減少閥門開閉頻率,從而延長其壽命的液位控制程序。

                         。3)本文為解決反沖洗蓄水池液位報警程序頻繁報警的問題,設計了越限報警程序。

                         。4)監控系統采用了WinCC組態軟件對各個工藝過程進行實時的監控,且能夠以組態畫面的方式顯示出來,是操作人員對運行狀況一目了然,同時還具有故障報警、歷史記錄、報表打印等功能。

                          6.2未來展望

                          隨著科學技術的日益發展,凈水工藝以及控制系統也在不斷的進步,國內很對水廠已經實現了自動化控制,從而保證用戶飲用水的安全。但是不論在工藝上還是在自動控制上仍然存在著一些問題, 需要我們對進- -步的研究:

                         。1)相比于自動加氯在原水的水質發生改變時,水中的氨氮含量也會隨之改變,水中的氨氮會消耗一部分氣, 導致自動檢測加氯量存在較大誤差。人工加氯采用定期根據原水水質進行試驗以確定加氯量,更加安全、可靠、經濟,但自動化程度低,耗費人力物力,生產效率低,且放眼長期生產成本較高。因此如何實現自動根據原水水質變化精確測的加氣量是需要進-步探討的問題。

                         。2)反沖洗流程中如何實現四個濾池根據濾池停工和工作時間確定反沖洗時的啟停順序,比如某濾池停工時間較長,則其余三個濾池中某- -個進 行反沖洗而不能工作時,應優先啟用該濾池,延長其工作時間,均衡四個濾池的工作強度,以延長濾池壽命。

                          參考文獻
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                         致謝

                          "新竹高于舊竹枝,全憑老干為扶持。下年再有新生者,十丈龍孫繞鳳池。"這兩句詩句正如我們613的傳統:師兄師姐們帶著師弟師妹們做項目,帶領著他們成長,而當師弟師妹們成長起來,613 也又被灌輸了新的血液。就這樣,- 屆帶著-屆,而譚曉東老師又帶領著613這個大家族- -步一個腳印向前邁進,613 這支隊伍也在不知不覺間漸漸壯大了起來。

                          - -年的課程學習,不足-一年的課題研究,- -共兩年的研究生生涯轉瞬即逝。時光荏苒,目送泰師兄與宋師姐們畢業,如今我也即將修成正果;叵雱傔M入實驗室時,我也和如今的師弟師妹們一樣,對一切感到陌生,但又對未來充滿期待。而入學兩年來,我在613與師兄師姐們的指導與關心下不斷成長,學到了很多知識,也明白了很多道理。

                          因此在研究生階段,我要感謝譚曉東老師- -直以來對我的諄諄教誨與關愛,為我指明方向。還要感謝作為大師兄的凱哥-直以來對我在學習上指導和生活上的關心。在學習上,侯師兄教會我用ANSYS做仿真,黃師兄帶著我- -邊做項目-邊教我電氣專業的知識,魯師兄和紅兵又一遍遍在我遇到難題時為我答疑解感,而許師兄即使人在北京也為我解答了很多困惑與我分享學習心得和學習資料…千言萬語,道不完師長與同窗們對我的幫助,一封致謝, 言不盡我對大家與613的感謝和不舍。

                          在此,唯有送上我對譚老師及613全體成員的祝愿以了表心意:祝老師、師母身體健康、康強逢吉,愿師兄、師姐錦繡前程、程鵬萬里,贈同窗及師弟師妹文件夾一個,里面都是畢業要用的東西。

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