自来水厂滤池自动控制系统开题报告.doc

自来水厂滤池自动控制系统设计开题报告一、摘要水是生命之源。随着社会的发展和人民生活水平的提高，对城市供水提出了更高的要求，不仅要满足管网压力的需要、保证充足供水，还要求水质明显提高。滤池是水厂常规处理净水构筑物的最后一道工序，滤池运行得好坏直接影响到水厂的出水水质。滤池反冲洗工艺复杂，如果仍然沿用人工方式，劳动强度大，工作效率低，安全性难以保障，为此必须进行滤池自动化系统的改造。本文正是在这种背景，从单片机的基本结构入手，对单片机控制系统的通用设计方法和提高系统可靠性的一些基本措施的应用研究作了尝试，重点探讨了单片机控制系统硬件，软件的设计方法。根据系统的控制要求，进行了硬件设备的选型，设计了控制系统硬件配置图，I/O模块接线图，并编写了实现控制算法的程序。 关键词：水厂滤池，恒水位控制，自动反冲洗，协调控制二、课题研究背景 早期的水厂控制是单元式的。根据需要，各个工艺环节建立独立的控制设施。这些设施可以一次建成，也可以分别建设，相互之间没有联系。每个环节根据自身的情况进行工作，只能解决该环节局部的控制调节问题，环节之间的协调时难以自动实现的，需要人工加以干预 人类早在二千年前就开始对饮用水进行处理，但都是小规模的处理，针对的仅仅是某个人或者某个家庭。面对社会兴建水厂，工业化的对水进行处理不到200年。而这我国水厂的规模化建设更是在解放后，时间较短，但是我们已经取得卓越的成就，目前各个城市都兴建的自己的净水厂，基本普及自来水。而维持一个城市如此大规模的水厂运行，并且保证出厂水质，对处理工艺和自动化水平的要求都有很大的提高。水厂处理工艺发展至今，可以说已经比较成熟，基本上是吧混凝沉淀、过滤、消毒。混凝剂一般采用铝盐、铁盐。利用混凝剂去除水中的悬浮颗粒。再进行沉淀、过滤。消毒一般都采用氯化法。随着净水理论的发展，工艺设计和处理构筑物的形式不断变化，各类反应药剂也出现新的替代品，比如：以高分子化合物为混凝剂，臭氧或二氧化氯作为消毒剂等等。不过，基本的工艺过程没有根本性的改变。相比之下，水厂的现代化更主要的表现在自动化监控系统上。净水厂的生产过程采用自动化技术，不是单纯的为了节省人力，更主要的是加强各个生产环节的合理调度，难够保证水量，水压和水质。三、研究现状早期的水厂控制都是单元式的，只能解决该环节局部的控制调节问题，环节之间的协调时很难实现的，需要人工加以干预。这属于分散式控制。慢慢随着计算机及控制技术的发展，出现了集中式控制形式，由中心控制室的计算机对各个环节进行巡回检测、数据处理、控制运算，然后发出控制信号，直接控制被控对象。一台计算机往往同时控制多个回路，即多个水处理工艺环节。 当前水厂采用的控制系统，从自动控制的角度可以划分为SCADA系统、DCS系统、总线式工业控制构成的系统。在国内水厂自动化得到广泛的应用。 该系统有优点如下： 可以实现分级分布控制。 可以实现“集中管理、分散控制”的功能，将危险分散，大大提高了可靠性。 编程简便，周期短。 系统配置易调整 可以工业现场相连，实现机电一体化。四、研究目的改革开放以来，我国人民的生活水平得到大幅度的上升，人民对饮用水的质量越来越关注，自来水厂对处理工艺要求也不断提高，与之相反的是因为环境因素，水源的水质却每况愈下，欲使水厂的出水水质达标的话，水处理的每一个过程都很重要，滤池是自来水厂处理环节的关键之一，它运行的质量可以决定一个水厂生产质量的好与坏，并对全水厂的生产成本，效能产生重大影响。而滤池最大的特点就是运行参数多，阀门位置分散，且运行环境恶劣。因此为了做到安全可靠的生产，应采用自动控制系统。五、研究的意义采用可编程控制器进行水厂滤池的自动化控制，可以缩短设计周期，并便于安装调试，对于水厂这样的不便于停产的生产单位来讲，这一点是尤其重要的。由于单片机自动控制的灵活性，可在现场改变某些工艺参数和动作顺序，增加系统的功能，并取代传统的继电器控制，使设备运行更加平稳、可靠，提高了经济效益。六、系统分析与方案设计1、 V开型滤池工艺应用及过程 滤池有多种形式，以石英砂作为滤料的普通滤池使用史悠久。在此基础上，人们从不同的工艺角度发展了其它形的滤池。V型滤池就是在此基础上由法国德利满公司在70年代发展起来的。V型滤池采用了较粗、较厚的均匀颗粒的石英砂滤层；采用了不使滤层膨胀的气、水同时反冲洗兼有待滤水的表面扫洗；采用了气势分布空气和专用的长柄滤头进行气、水分配等工艺。它具有出水水质好、滤速高、运行周期长、反冲洗效果好、节能和便于自动化管理等特点。因此70年代已在欧洲大陆广泛使用。80年代后期，我国南京、西安、重庆等地开始引用这种滤不工艺，特别是广东省新建的净水厂几乎都采用了V型滤池。 水厂生产的基本工艺右分分为加药、反应、沉淀、过滤、消毒、储存、送水等几个相关过程。其中过滤过程又可分为正常过滤和滤池反冲洗两个过程，这两个子过程交替运行，相互之间间隔一定时间（24H），图2.1表示滤池工艺过程简图。滤池正常过滤过程滤池反冲洗过程24小时监控图2.1 滤池工艺过程2、 V型滤池的结构、工作原理、工艺特点滤池是水厂净水工艺中的重要环节，而滤池过滤能力的再生，是滤池稳定高效运行的关键。若采用较好的反冲洗技术，使滤池经常处于最体优下工作，不仅可以节水、节能，还能提高水质，增大滤层的截污能力，延长工作周期，提高产水量。而V型滤池过滤能力的再生，就采用了先进的滤池延长75%左右，截污水量可提高118%，而反冲洗水的耗量比单纯水冲洗的滤池可减少40%以上。滤池在气冲洗时，由于用鼓风机将压入滤层，因而从以下几个方面改善了滤池的过滤性能：（1） 压缩空气的加入增大了滤料表面的剪力，从而使得通常水冲洗时不易剥落的污物在气泡急剧上升的高剪力下得以剥落，从而提高了反冲洗效果。（2） 气泡在滤层中运动产生混合后，可使滤料的颗粒不断涡旋扩散，促进了滤层颗粒循环混合，由此得到一个级配较均匀的混合滤层，其孔隙率高于级配滤料的分级滤层，改善了过滤性能，从而提高了滤层的截污能力。（3） 压缩空气的加入，气泡在颗粒滤料中爆破，使得滤料颗粒间的碰撞摩擦加剧，在水冲洗时，对滤料颗粒表面的剪切作用也得以充分发挥，加强了水冲清污的交通。（4） 气泡在滤层中的运动，减少了水冲洗时滤料颗粒间的相互接触的了阻力，使水冲洗强度大大降低，从而节省冲洗的能耗。综上所述，气、水反冲洗时，由于气泡的激烈运动作用，大加强了污物剥落能力及截污能力。在滤池实际反冲洗时，我们观察到：当反冲时间约5分钟时的滤层污物剥落高达95%以上，国此V型滤池的反冲洗效果是肯定的。此外反冲洗时，原水通过与反冲洗排水槽相对的两个V型槽底部的小孔进入滤池，它扫洗滤层的表面，并把滤层反冲上来的污物、杂质推向排水槽，同时扫洗了水平速度等于零的一些地方，在这此地主漂起来的砂又重新沉淀下来。此外滤池的表面扫洗，也节约了冲洗水量。养活冲洗水量是原水表面清扫的一个特别优点，事实上，它还起到了在一个滤池反冲洗时防止其它滤池最大输出负荷下运行的作用。由于本水厂滤池控制部分系统设计包含恒水位过滤控制和自动反冲洗控制，而本滤池的自动反冲洗控制只需设计出气、水的反冲洗过程便能够百足之虫到控制要求，帮本系统并未对滤池的表面扫洗技术进行深入的研究与技术上的实现。从而在满足系统功能的前提下避免了系统设计的复杂性。所谓滤池的正常过滤过程就是通过滤料层将待滤水去除杂质颗粒、细菌的过程，其主要目的是使滤后水的浑浊度达到国家饮用水的卫生标准。面滤池的反冲洗，就是先后运行气洗、水洗两种清洗方式去除滤料层中的杂质，是滤池自净的工艺措施。现将滤池的基本的工艺结构简图绘制如图2.2所示。水冲洗气冲洗超声波进水阀排污阀清水阀图2.2 滤池工艺结构简图3、 滤池控制系统的组成及其控制任务滤池控制系统一般由受控设备、电气执行机构、控制器和上位组成。其中受控设备可以分为两个部分：滤池阀门和反冲洗系统。常见滤池都有5个：进水阀：控制水流入滤池集水渠的阀门。清水阀：控制滤后水流出滤池进入清水管的阀门。气冲阀：反冲洗时允许气流对滤层进行冲洗的阀门。水冲阀：反冲洗时允许清水对滤层进行冲洗的阀门。反冲洗系统一般包括：鼓风机：用于产生强劲气流对滤层进行冲洗。反冲水泵：用于帛取清水对滤层进行反冲洗。电气执行机构负责控制的具体实施，它从控制器接收控制命令，然后相关的器接点闭合或断开，电路导通，设备获得动力继而进行动作。如果控制器故障，操作人员也可以通过电气执行机构的控制面板，对设备进行手动操作。控制器是实现自动控制的关键，所有自动控制的内容都由控制器编程实现。滤池的控制与其它车间略有不同，它的设备较多且重复，每个小池的控制内容都是相同的。为了降低控制器故障的风险性，可以采取主、多多个控制器共同工作的方式，这是滤池控制系统发展的一种趋势。滤池控制系统的控制任务就是控制过滤、反冲洗和两者的交替，目的就是保证滤后水的浊度符合要求。过滤时要求维持一定的滤速，这通过控制滤池的液位实现，即过滤时液位控制在一定范围之内。当过滤进行一段时间后，滤料吸收的悬浊物积累到一定数量，对滤后水浊度的稳定有不利影响，需要进行反冲洗。反冲洗就是对滤层的清洗，需要控制鼓风机、水泵等冲洗设备，以及滤池相关阀门的开、关。反冲洗与过滤是交替进行的，反部过后 进入过滤，过滤一段时间后也需要启动反冲洗。反冲洗的启动有两种方法：人为命令和控制器依条件判断是否启动。判断的条件可以有很多，比如：是否到达设定时间、过滤已经进行的时间、水头损失大小、以及滤后出水的浊度决定是否反冲洗。本设计水厂滤池部分由8个V型滤池组成，每个滤池尺寸为6Mx6Mx6M,滤池的滤料采用单层1.4M加厚均粒石英砂滤料。每格滤池设置一个现场控制器，主要功能是完成滤池自动反冲洗和恒水位过滤控制。在正常过滤条件下，生产工艺要求将水位的波动限制在2CM的范围内实现等速恒水位过滤。当滤池运满足了反冲洗的条件（运行周期到、水头信号或强冲信号），需要进行反冲洗，以去除滤料层的杂质。按要求，每次只有一格滤池进行反冲洗，当多格滤池同时要求进行反冲洗时，系统自动按照先进先出的原则排除进行。滤池正常过滤时，为实现恒水位过滤，设计以水流量为控制参数的滤池液位PID控制系统。当系统接收到手动强制冲洗信号、水头损失信号、定时冲洗信号中的任何一个指令时，进行单格滤池反冲洗。首先关闭进水阀，滤池内部的存留水经出水冷阀继续过滤排除，当水位降至设定的反冲洗水位时（0.35M），关闭出水阀并打开排