一座1.75万吨自动化生产净水厂的建立和设计

摘要

　　随着科技与经济快速发展，国内外净水处理技术都已相对成熟，也相維出现了许多斷的净水技术，可从实际的发展使用上看，依旧是采用传统的"混凝-沉淀一-过滤-消毒"工艺流程。但净水技术发展的同时，城市的建设速度和人们生活水平的飞快提高，使得无论是城市还是乡镇，其需水量都在快速增大。因此某城市与日俱增的需水量，迫使该城市建设一座1.75万吨自动化生产的净水厂，以加大净水效率，提高供水质量。满足该城市经济建设发展与人们日常生活的用水需求。

　　因此，本文从该1.75万吨净水厂对自动化的实际需求出发，分析其水处理工艺对监控系统的具体要求。设计了由上位机系统，PLC系统。仪表检测系统等组成的监控系统的总体方案，并详细介绍系统的硬件设计。软件系统设计、网络系统设计与上位机组态。

　　系统设计。其中硬件设计主要包括；絮凝沉淀车间控制站、过滤及反冲洗车间控制站、加氯加药间控制站。网络设计部分介绍如何通过网絡系统实现各个控制站之间的通信及网络方案。软件设计部分主要介绍加氯加药控制程序、絮凝沉淀控制程序、过滤及反冲洗控制程序，针对净水工艺流程中恒液位控制与液位报警程序的工程技术优化问题创新提出设置"回差带"的控制思路，以实现优化控制。最后介绍监控系统的各主要人机界面的组态与设计。通过对监控系统的调试与运行结果分析。验证该监控系统稳定可靠，安全高效的优点。

　　关键词：净水厂；水处理；监控系统； PLC; 恒液位控制

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

目录

　　第一章绪论

　　1.1课题的研究目的及意义

　　近几年来，国内大部分水厂开始逐渐向自动化生产转变。自来水行业相关的自动化技术、监控系统设备以及机电仪表设备的发展。净水技术的发展进步，以及计算机的应。

　　用普及，都为国内水厂向自动化转型提供了良好的技术支持与设备基础。

　　本文作为机械电子工程方向专业学位硕士的毕业课题，其实际意义在于，以实际工程项目为背景，通过实地考察、认真研究、与现场工作人员、设备厂家、水厂其他标段设计人员等沟通协调，为该水厂设计-套切实可用、高效可靠的计算机监控系统。以解决该地区经济建设与居民日常生活的用水难圆。其学术意义在于作为该领城其他监控系统设计人员的实例参考，或为其他领域监控系统设计人员的设计工作起借鉴作用。

　　通过净水厂水处理的自动化控制系统，可以从根本上提升出水的水质。该系统主要是通过自动化技术控制净术处理过程中的加药、加氯、以及滤池过滤和反冲洗等环节。

　　从而达到保质。保量的监控净水过程的目的。同时自动化控制系统在保证水质的基础上。

　　还可提高人机交互的高效性，从而保证水处理的各个环节能够被有效的监控。数据保护、以及运行维护。采用这种方式方法来控制水厂的整个净水过程，可以在提高效率的同时。

　　很大程度上减少能源的损耗。因此，采用自动化控制系统是行之有效的重要举措。

　　一个地区的水厂建设质量与运行情况，切实关系到该地区人民的用水。如果净水厂的水质和净水效率不达标，将会直接影响到当地活民的生活质量，从而影响地区的发展与建设，该水厂实現净水工艺流程的自动化，能够在提高水处理过程稳定性的同时提高生产自来水的效率，并大大减少人力资源的浪费。而在水处理过程当中采用监控系统进行自动化控制能够使相关工作人员尽早发现生产过程中的安全隐患，这样就有一定的预留时间进行应急措施，一定程度 上避免了由生产故障引起的城市供水短缺的严重问题。以往的水处理开环控制系统有许多的缺陷，比如不能够智能的控制加氯和加药的剂量，对自来水的质量造成了一定程度上的影响。为解决上述问题，本文在水处理过程中采用闭环控制系统，根据水质和水量智能调节加氯和加药的剂量，从而实现一个高效的自动化控制系统。

　　1.2国内外水厂监控系统研究发展概况

　　相对于国外的发展状况，我国净水行业的自动化控制研究和发展起步相对较晚。20世纪90年代，伴随蓍可编程控制器（PLC） 的广泛应用，专家们针对PLC与水处理技术进行理论与实际的结合，使自动化控制系统走入水厂，为水处理系统开发了现代化控制的新时代。随着工业控制计算机被不断的推广应用，自动化控制技术又进一步完善， 净水厂自动化程度提高，并可建立大规模高质量的净水系统。国外的自动化控制系统起步早，并且技术相对成熟。因此，近几十年来国内众多净水厂大量引进国外的先进技术，比如： ifix 工控组态软件； SCADA系统： GIS 系统等等，用来提高我国的自来水厂的自动化系统建设。尽管如此，开发出适应我国发展需要的自动化控制系统仍是当务之急。

　　而现如今，我国水监控系统的发展已是日新月异。由我国水利部门建立井监测的水质监测网络体系，切实贯彻到全国的各大城市，为人民用水问题提供了有力保障。该系统目前处在仅能监测水环境阶段，距离针对饮用水标准的水质监测阶段仍有一段路要走。中国是一个人口大团，能够解决饮用水问题是迫在眉睫的，是具有实质性价值的。

　　目前，我国众多学者致力于饮用水水质检测体系的研究，例如：为了能够有效的收集、处理监测过程中的数据，并以更多样化的形式方便人们解读，卢文华等人通过采用单片机主机和数据采集机，以及设立PC机的方式来实现：针对监测采样点数和频率等问题， .

　　李欣等人研发了一种基于Labview仿真软件的水质監测慮拟仪器，该仪器能够实时并且有效观察水溶液中的氯离子、溶解氧以及氟离子等成分。

　　尽管近年来我国净水处理的建设与发展相对稳定，但大部分净水厂选择引进进口水处理设备与仪表，以实现水处理工艺的自动化控制。保障城市供水的稳定性。究其原因，我国在自动化方面的研究已经紧追西方国家，但质量方面仍存在较大的差距，仍需要我国学：者继缕努力探索研究。从而扩大我国各地区净水厂为了有效的提高净水厂的自动化水平，加大生产规模。

　　目前许多西方国家通过使用计算机控制技术在水处理方面已经基本实现了全自动化模式，并且可以实现水厂之间互通信息，分质供水。例如：澳大利亚，大部分净水厂实行了水处理实时监控系统，实时记录并处里水处理数据信息，实现了水处理的优化配置"l在俄罗斯，针对净水厂的加药环节。实施徼机自动化控制保证净水质量P|在英国，净水厂建立城市饮用水管理监控系统。从而严格控制城市供水水质。国内应该吸取国外先进的饮用水管理理念，积极结合国内的自动化水处理发展状况，将水质监控技术推上一个新的台阶。

　　美国、日本等其他国家水质监测技术的研究和应用工作也早已取得部分成就。日本学习研究国际领先技术，在大阪地区设置了多个区城监测系统，以监测当地主要水域水质，并将监测结果与标准水质数据比对，以分析各区域饮用水的质量B.而美国发展到现在不仅形成了完备的计算机管理系统。还在水质监控体系中应用了卫星技术使水质监测体系更加完善。而这都要归功于美国早在上世纪70年代就已经针对地表术的实时监测研发出了水质监测系统并投入使用，井在当时就已建立起了符合水质需求的监测网络体系41.如今美国、日本等发达国家已广"泛采用卫星技术，无线通信网络以及计算机技术，建立起了无线分布式监测系统5,这些先进的技术值得我国学习和借鉴，从而将我国的净水系统以及监测系统发展的更好。

　　1.3监控系统方案

　　提出根据城市发展的规模及居民生活生产的需要，设计智能高效的净水厂。该净水厂设计总规模3.5万吨，其中-一期工程规模 1.75 万吨，本文设计的是该净水厂"的一。期工程，其工艺流程：管道混合器-配水井一网格絮凝治-平流沉淀池→V型滤池- 清水池。净水厂处理后的水储存在清水池。再通过恒压供水设备输送至城市配水管网。净水厂一期工程t要构筑物有配水井、网格絮凝平流沉淀池、V型滤池。废水回收池：净水厂- -期工程主要建筑物包括综合慢、门卫室、加药加氟间、机修间仓库、变配电闸。本工程设计了由PLC、工业计算机、现场仪表、视频监控等组成的实时多任务、开放式自动化控制系统。并为今后二期工程建设留有充分扩展的空间间。该系统具有诸多优良特性。如：

　　稳定性好、效率高、能源损耗少且系统维护便捷。

　　相比其他领域，由于净水处理涉及到的工艺流程较多，因此净水处理具有明显的受控设备多，仪表检测量大，工艺处理分布广的特点。为实现整个净水厂的分散控制和集中管理，该净水厂监控系统采用由可编程逻辑控制器与工业计算机组成的分布式控制结构，在各个净水厂的不同工艺段及车间，分别布置了现场控制站对各车间受控设备实施监控，同时又将各工段信息传送至中央监控室，接受中央监控室的统-指令 与监控7.

　　1.4课题研究的主要内容及结构安排

　　在整个净水环节中，加氯加药、过滤以及对滤池的反冲洗很大程度上决定了出水水质能否达标，因此针对这三个环节的自动控制至关重要。本文重点围绕加氯加药车间、滤池反冲洗车间以及过滤车间的现场PLC控制站进行硬件设计。并在软件设计中分别针对各车间控制系统进行程序设计，重点围绕过滤系统中液位控制程序与反冲洗系统中液位越限报警程序设计展开说明。

　　接下来的章节安排如下：

　　第二章主要针对净水厂"净水工艺流程进行分析，总结得到对监控系统的技术要求，继而进行监控系统的总体方案设计。

　　第三章主要介绍继总体方案设计完成之后对系统中各主要车间PLC控制站的硬件设计，以及将各个控制单元连接的网络系统设计。

　　第四章介绍监控系统各车间控制站的软件设计和系统的组态设计，重点分析液位控制与报警程序。

　　第五章介绍监控系统的调试，说明调试中发现的问题与处理方法，并对净水厂的实际运行数据进行分析。

　　第六章阐述净水厂监控系统总结与未来展望。

　　第二章監控系统的总体方案设计
　　2.1净水处理指标分析
　　2.2净水处理工艺分析
　　2.2.2沉淀
　　2.2.4消毒

　　2.3监控系统的技术要求及实现功能
　　2.4.1分布式控制系统（DCS, Distributed Control System） …
　　2.4.2现场总线控制系统（FCS,Fieldbus Control System）
　　2.4.3工业PC和PLC构成的分布式控制系统
　　2.4.4本文监控系统总体方案
　　本章小结

　　第三章监控系统的硬件设计
　　3.1硬件设计总体方案
　　3.1.1主要设备选型
　　3.1.2主要仪表的
　　3.1.3 中央控制室的设计
　　3.2.1加氯加药间10点分配
　　3.2.2控制模块选型
　　3.2.3控制站模块组态
　　3.2.4计量泵控制电路分析

　　3.3反冲洗车间控制站的硬件设计
　　3.3.1滤池反冲洗间I0点分配
　　3.3.2控制模块选型
　　3.3.3反冲洗风机控制电路分析
　　3.4过滤车间控制站的硬件设计
　　3.4.1滤池过滤间I0点分配
　　3.4.2控制模块选
　　3.4.3电动调节阀控制电路分析
　　3.5通讯网络
　　3.5.1通讯组网
　　3.5.2通讯协议

　　第四章 监控系统的软件设计
　　4.1软件设计总体方案
　　4.2 加氯加药控制程序
　　4.3絮凝沉淀控制程序
　　4.4过滤及反冲洗联合控制程序
　　4.5 液位控制程序与液位报警程序设计
　　4.6净水厂监控系统的组态设计
　　4.6.1组态软件
　　4.6.2 WinCc 7.0组态软
　　4.6.3净水厂的组态界面开发
　　本章小结

　　第五章监控系统现场调试
　　5.1PLC监控站的调试
　　5.2通信的调试
　　5.3环网通讯系统实时性分析…
　　5.3.2现场数据上行倍息时间计算
　　5.4监控系统抗干扰分析
　　5.4.1电源抗干扰问题分析与对策
　　5.4.2模拟量输入通道抗干扰问题与对策
　　5.5运行结果分析

第六章总结与展望

　　6.1 全文总结

　　本人在仅两年的研究生学习及论文研究阶段，对该1.75万吨净水厂监控系统的研发与设计基于实际解决城乡用水不足问题的课题研究通过对净水厂各工艺的详细了解，本文对净水厂的自动控制系统做了一个比较完整的设计，其中包括对控制器及扩展模块、设备、仪器仪表，通信组网和通信协议的硬件设计以及各PLC控制站程序、组态的软件设计。本人作为机械电子工程方向专业硕士，工作内容主要有以下几方面：

　　（1）在该系统中采用变频调速来计量泵输出药液流量，在保证消毒质量的同时，很好的节约了能源。

　　（2）过滤是整个净水工艺中非常关键的环节，而该环节要求滤池中液位保持恒定。

　　因此，本文在保证控制液位恒定的前提下，设计了能够减少阀门开闭频率，从而延长其寿命的液位控制程序。

　　（3）本文为解决反冲洗蓄水池液位报警程序频繁报警的问题，设计了越限报警程序。

　　（4）监控系统采用了WinCC组态软件对各个工艺过程进行实时的监控，且能够以组态画面的方式显示出来，是操作人员对运行状况一目了然，同时还具有故障报警、历史记录、报表打印等功能。

　　6.2未来展望

　　随着科学技术的日益发展，净水工艺以及控制系统也在不断的进步，国内很对水厂已经实现了自动化控制，从而保证用户饮用水的安全。但是不论在工艺上还是在自动控制上仍然存在着一些问题， 需要我们对进- -步的研究：

　　（1）相比于自动加氯在原水的水质发生改变时，水中的氨氮含量也会随之改变，水中的氨氮会消耗一部分氣， 导致自动检测加氯量存在较大误差。人工加氯采用定期根据原水水质进行试验以确定加氯量，更加安全、可靠、经济，但自动化程度低，耗费人力物力，生产效率低，且放眼长期生产成本较高。因此如何实现自动根据原水水质变化精确测的加氣量是需要进-步探讨的问题。

　　（2）反冲洗流程中如何实现四个滤池根据滤池停工和工作时间确定反冲洗时的启停顺序，比如某滤池停工时间较长，则其余三个滤池中某- -个进 行反冲洗而不能工作时，应优先启用该滤池，延长其工作时间，均衡四个滤池的工作强度，以延长滤池寿命。

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　致谢

　　"新竹高于旧竹枝，全凭老干为扶持。下年再有新生者，十丈龙孙绕凤池。"这两句诗句正如我们613的传统：师兄师姐们带着师弟师妹们做项目，带领着他们成长，而当师弟师妹们成长起来，613 也又被灌输了新的血液。就这样，- 届带着-届，而谭晓东老师又带领着613这个大家族- -步一个脚印向前迈进，613 这支队伍也在不知不觉间渐渐壮大了起来。

　　- -年的课程学习，不足-一年的课题研究，- -共两年的研究生生涯转瞬即逝。时光荏苒，目送泰师兄与宋师姐们毕业，如今我也即将修成正果。回想刚进入实验室时，我也和如今的师弟师妹们一样，对一切感到陌生，但又对未来充满期待。而入学两年来，我在613与师兄师姐们的指导与关心下不断成长，学到了很多知识，也明白了很多道理。

　　因此在研究生阶段，我要感谢谭晓东老师- -直以来对我的谆谆教诲与关爱，为我指明方向。还要感谢作为大师兄的凯哥-直以来对我在学习上指导和生活上的关心。在学习上，侯师兄教会我用ANSYS做仿真，黄师兄带着我- -边做项目-边教我电气专业的知识，鲁师兄和红兵又一遍遍在我遇到难题时为我答疑解感，而许师兄即使人在北京也为我解答了很多困惑与我分享学习心得和学习资料…千言万语，道不完师长与同窗们对我的帮助，一封致谢， 言不尽我对大家与613的感谢和不舍。

　　在此，唯有送上我对谭老师及613全体成员的祝愿以了表心意：祝老师、师母身体健康、康强逢吉，愿师兄、师姐锦绣前程、程鹏万里，赠同窗及师弟师妹文件夹一个，里面都是毕业要用的东西。

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