水處理自動(dòng)化系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)芻議

王賢

【摘要】 水處理過(guò)程中通常采用的工藝是將氯氣加入水中，保證水中氯的含量維持在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，但是對(duì)于某些場(chǎng)合要求精確控制水中氯的含量，顯然，氯氣負(fù)壓添計(jì)系統(tǒng)很難對(duì)水中氯的含量進(jìn)行精確控制，所以，需要采用一種新的方法來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。本文從實(shí)際工作出發(fā)，提出一項(xiàng)新的工藝及其控制系統(tǒng)，即用變頻計(jì)量泵制成高濃氯水的氯氣添加到水中。

【關(guān)鍵詞】 水處理 自動(dòng)化系統(tǒng) 設(shè)計(jì)

氯氣消毒法在水處理消毒方法中是一種比較常用的方法，其優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格便宜、貨源充足以及設(shè)備操作容易。100多年前，人們就開始采用氯來(lái)對(duì)自來(lái)水進(jìn)行消毒，時(shí)至今日，用氯對(duì)自來(lái)水進(jìn)行消毒依然被大范圍的使用。用氯對(duì)自來(lái)水進(jìn)行消毒過(guò)程中，最重要的一個(gè)問(wèn)題就是氯的添加量問(wèn)題，必須要進(jìn)行嚴(yán)格控制和及時(shí)調(diào)整。盡管高濃度的氯有利于殺菌消毒，但是會(huì)造成氯臭等問(wèn)題，而水中含氯量過(guò)少時(shí)，則達(dá)不到殺菌消毒的目的，要根據(jù)不同水質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。

一、水處理的基本流程

1.1 水廠基本工藝

深井泵將地下水運(yùn)輸?shù)狡毓馑校械亩r(jià)鐵經(jīng)機(jī)械輸氧后被氧化成三甲鐵離子，濾池降低了水中的鐵和錳離子的濃度，然后運(yùn)輸?shù)角逅刂校笏脤⑵溥\(yùn)輸?shù)綒潆x子交換器中，進(jìn)行脫堿和軟化處理，水中的二氧化碳被除碳器除去后，進(jìn)行添加氫氧化鈣工藝，之后進(jìn)行PH和堿度調(diào)節(jié)，之后添加氯氣進(jìn)行消毒處理，然后活性炭過(guò)濾器進(jìn)行處理，最后進(jìn)行二次加氯工藝。具體的工藝流程如圖1所示。

1.2 國(guó)內(nèi)加氯系統(tǒng)現(xiàn)狀

凈水工藝中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是加氯，盡管氯氣的殺菌消毒效果好，但是氯氣有毒，因此，為防止氯氣泄漏通常采用真空加氯的方式進(jìn)行處理，且加氯工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，運(yùn)行安全可靠。目前，我國(guó)一般使用的負(fù)氧加氯設(shè)備一般是德國(guó)或者美國(guó)生產(chǎn)的，盡管設(shè)備的生產(chǎn)廠家不同，但加氯過(guò)程大致相同，大體分為液氯汽化、調(diào)壓、計(jì)量、投加四個(gè)部分。一般來(lái)說(shuō)，先將液態(tài)的氯氣轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)，之后輸入管道內(nèi)的氯氣利用真空調(diào)壓器從正壓轉(zhuǎn)變?yōu)樨?fù)壓，之后經(jīng)過(guò)加氯機(jī)的計(jì)量，氯氣和壓力水的混合物通過(guò)水射器被投入水中。需要將氯氣吸收裝置設(shè)置在氣源件來(lái)避免氯氣泄漏而造成的環(huán)境污染和人體傷害問(wèn)題。

1.3 改進(jìn)后的系統(tǒng)

由于原系統(tǒng)的種種原因，使得水中剩余氯的控制品質(zhì)不高，所以我們需要采用新的加氯系統(tǒng)對(duì)整個(gè)加氯系統(tǒng)進(jìn)行改造。改造后的系統(tǒng)，采用事先將氯氣配置成所需濃度的氯水而不是像改進(jìn)前的系統(tǒng)氯氣直接投加到水中的方式，之后氯水通過(guò)計(jì)量泵被投加到工藝管道中，在國(guó)內(nèi)很少有這種加氯工藝。由于在此系統(tǒng)中投加的氯水是高濃度的加壓氯水，因此，輸送管道一般采用耐腐蝕和耐壓的壓力等級(jí)為PN16的加強(qiáng)UPVC管。還需要在計(jì)量泵的出口位置設(shè)置安全壓力為Shar的安全閥，來(lái)避免因輸送管道阻塞等問(wèn)題所帶來(lái)的高壓破壞管道等問(wèn)題。

二、現(xiàn)場(chǎng)總線

1、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)概念。在八九十年代就已經(jīng)逐漸形成了現(xiàn)場(chǎng)總線的概念，主要用于制造的自動(dòng)化、過(guò)程的自動(dòng)化等相關(guān)領(lǐng)域，它屬于是工廠當(dāng)中數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)前提以及基礎(chǔ)，對(duì)于控制設(shè)備以及生產(chǎn)過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)的聯(lián)系起到了一定的溝通作用。世界上很多實(shí)力雄厚的公司都對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線的相關(guān)產(chǎn)品以及技術(shù)進(jìn)行了不同程度的開發(fā)?，F(xiàn)場(chǎng)總線是一種安裝在生產(chǎn)過(guò)程區(qū)域的數(shù)據(jù)總線，一般在控制室內(nèi)的自動(dòng)控制裝置和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間，具有多點(diǎn)通信、數(shù)字式以及串行的特點(diǎn)。另外，生產(chǎn)過(guò)程有兩類，一類是連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，另一類時(shí)斷續(xù)生產(chǎn)過(guò)程。也可以這么說(shuō)，現(xiàn)場(chǎng)總線就是用總線將網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，即單個(gè)的數(shù)字化智能測(cè)量和控制設(shè)備連接起來(lái)，最終實(shí)現(xiàn)信息交換以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

2、技術(shù)特點(diǎn)。第一，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)具有可集成性、互換性、互操作性以及開放性等特點(diǎn)。無(wú)論是總線標(biāo)準(zhǔn)還是產(chǎn)品檢驗(yàn)以及信息發(fā)布都是全公開式的，即面向所有的用戶的制造商開放，不同商家生產(chǎn)的設(shè)備可進(jìn)行連接并最終實(shí)現(xiàn)交換信息的功能，現(xiàn)場(chǎng)總線的開發(fā)者的目標(biāo)就是建立一個(gè)具有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的開放的工廠底層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第二，現(xiàn)場(chǎng)總線的互用性以及互操作性?；ビ眯允窃谛阅芟嗨频脑O(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)互用和互換。而互操作性是指互相連接的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)之間的信息傳送功能。第三，智能化和功能自治性。這是指現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以完成自動(dòng)控制功能并對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行隨時(shí)診斷。第四，適應(yīng)性。這是指現(xiàn)場(chǎng)總線支持多種線型，如電力線、紅外線、光纜、雙絞線等，且具有很強(qiáng)的抗干擾性能，以及安全防爆等功能。第五，現(xiàn)場(chǎng)總線的數(shù)字化信號(hào)傳輸?，F(xiàn)場(chǎng)地層和上層工作站在進(jìn)行信號(hào)傳輸和信息交換過(guò)程中均采用數(shù)字化信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)雙向高速的多變量及多站點(diǎn)之間的信息傳輸。第六，可靠性和可維護(hù)性良好?，F(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS將一對(duì)一連接替換為1/0連接，增加了接線點(diǎn)之間的可靠性同時(shí)，還具有監(jiān)控、報(bào)警、在線故障診斷等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備所具有的優(yōu)點(diǎn)。

3、現(xiàn)場(chǎng)總線優(yōu)點(diǎn)。第一，現(xiàn)場(chǎng)總線節(jié)約了硬件的數(shù)量以及成本。因?yàn)榉稚⒃谠O(shè)備前端的智能設(shè)備具有計(jì)算、報(bào)警、控制、傳感等多種功能，因此，不再需要使用計(jì)算單元和控制器等，變送器的數(shù)量大大減少，另外，工控PC機(jī)的使用使得硬件投資成本大幅度降低。同時(shí)，控制設(shè)備數(shù)量的減少使得總占地面積減小。第二，維護(hù)費(fèi)用的減少。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的自我診斷功能以及事故處理功能，且相關(guān)信息可通過(guò)數(shù)字通訊等設(shè)備傳輸?shù)娇刂剖?，由用戶接收查詢，便于早期故障發(fā)現(xiàn)和排除。另外，簡(jiǎn)單的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單的連線過(guò)程使得維護(hù)工作量減少，因其費(fèi)用也隨之降低。第三，安裝費(fèi)用的減少。因?yàn)槎鄠€(gè)設(shè)備可掛接在一條電纜或雙絞線上，很大程度上減少了橋架、槽盒、端子以及電纜的使用量，相應(yīng)的接頭校對(duì)和連線設(shè)計(jì)的工作量也隨之減少。另外，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備需要添加新設(shè)備時(shí)，可將新設(shè)備連接在原有的電纜上而不需要增設(shè)新的電纜，在節(jié)省成本費(fèi)用的同時(shí)也減少了設(shè)計(jì)和安裝的工作量。第四，能夠?qū)ο到y(tǒng)的可靠性以及準(zhǔn)確性進(jìn)行有效的提高。相比于模擬信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)總線相關(guān)設(shè)備的數(shù)字化以及智能化可以在很大程度上對(duì)控制以及測(cè)量的準(zhǔn)確性進(jìn)行提高，可以有效減少傳送方面的一些誤差。第五，用戶有著系統(tǒng)的高度集成的主動(dòng)權(quán)。在系統(tǒng)當(dāng)中，用戶能夠多廠商提供的設(shè)備進(jìn)行自由選擇并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行集成，讓主動(dòng)權(quán)在集成系統(tǒng)的實(shí)際過(guò)程中能夠真正的掌握在用戶的手中。

三、控制電路設(shè)計(jì)方案

可將此系統(tǒng)分為兩部分，一部分是現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)儀表先采用自動(dòng)連續(xù)檢測(cè)方法對(duì)生產(chǎn)中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，之后，現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)檢測(cè)儀表將檢測(cè)出的信號(hào)傳輸?shù)街行目刂剖矣?jì)算機(jī)一級(jí)現(xiàn)場(chǎng)PLC，并通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示器進(jìn)行顯示。另一部分是PLC依據(jù)設(shè)定的工藝參數(shù)，對(duì)設(shè)備的工作狀況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，保證生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)滿足。模糊控制采用余氯和流量這兩個(gè)輸入量以及采用電機(jī)頻率這個(gè)輸出量來(lái)進(jìn)行電機(jī)轉(zhuǎn)速的模糊控制過(guò)程，實(shí)現(xiàn)投加高濃度氯水的量隨著供水流量的變化而變化，保證快速調(diào)節(jié)與鋁含量。模糊控制的缺點(diǎn)在于當(dāng)溫度變化時(shí)會(huì)影響余氯的穩(wěn)定控制能力，所以，需要添加PID調(diào)節(jié)來(lái)增加變頻計(jì)量泵沖程，水中的余氯值通過(guò)在線余氯檢測(cè)儀不斷的被傳輸?shù)絇ID調(diào)節(jié)器的輸入端，并不斷地比較余氯的給定值，確保余氯值被準(zhǔn)確地控制在給定的范圍內(nèi)。另外，可以限制PID的輸出范圍來(lái)保持PID調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性。將PID的細(xì)調(diào)作用和模糊回路控制的粗調(diào)作用相結(jié)合，能夠提升控制的質(zhì)量，系統(tǒng)需要對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行克服，還需要對(duì)系統(tǒng)工作的頻率進(jìn)行提升，促進(jìn)過(guò)渡過(guò)程的進(jìn)度。整個(gè)系統(tǒng)分為工藝設(shè)備、電器設(shè)備、儀表以及外部接線四個(gè)硬件部分。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單介紹了一個(gè)新型加氯工藝的幾個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)計(jì)量泵添加高濃氯水解決了負(fù)壓加氯工藝過(guò)程中產(chǎn)生各種問(wèn)題，例如投氯量和自來(lái)水之間混合不均勻、氯氣泄漏但泄漏點(diǎn)尋找困難以及控制精度不能被滿足等。其中，總線安裝過(guò)程中不僅節(jié)省了安裝時(shí)間還節(jié)省了安裝費(fèi)用和維修費(fèi)用，另外，設(shè)備還能夠進(jìn)行自我診斷。采用模糊控制的方法進(jìn)行加氯，不僅使系統(tǒng)的控制能力增強(qiáng)，還保證了其安全性。