水處理自動化系統及其設計芻議

王賢

【摘要】 水處理過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值范圍內，但是對于某些場合要求精確控制水中氯的含量，顯然，氯氣負壓添計系統很難對水中氯的含量進行精確控制，所以，需要采用一種新的方法來對系統進行改進。本文從實際工作出發，提出一項新的工藝及其控制系統，即用變頻計量泵制成高濃氯水的氯氣添加到水中。

【關鍵詞】 水處理 自動化系統 設計

氯氣消毒法在水處理消毒方法中是一種比較常用的方法，其優點在于價格便宜、貨源充足以及設備操作容易。100多年前，人們就開始采用氯來對自來水進行消毒，時至今日，用氯對自來水進行消毒依然被大范圍的使用。用氯對自來水進行消毒過程中，最重要的一個問題就是氯的添加量問題，必須要進行嚴格控制和及時調整。盡管高濃度的氯有利于殺菌消毒，但是會造成氯臭等問題，而水中含氯量過少時，則達不到殺菌消毒的目的，要根據不同水質進行調整。

一、水處理的基本流程

1.1 水廠基本工藝

深井泵將地下水運輸到曝光塔中，水中的二價鐵經機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，然后運輸到清水池中，之后水泵將其運輸到氫離子交換器中，進行脫堿和軟化處理，水中的二氧化碳被除碳器除去后，進行添加氫氧化鈣工藝，之后進行PH和堿度調節，之后添加氯氣進行消毒處理，然后活性炭過濾器進行處理，最后進行二次加氯工藝。具體的工藝流程如圖1所示。

1.2 國內加氯系統現狀

凈水工藝中的一個重要環節就是加氯，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行處理，且加氯工藝設備簡單，運行安全可靠。目前，我國一般使用的負氧加氯設備一般是德國或者美國生產的，盡管設備的生產廠家不同，但加氯過程大致相同，大體分為液氯汽化、調壓、計量、投加四個部分。一般來說，先將液態的氯氣轉變為氣態，之后輸入管道內的氯氣利用真空調壓器從正壓轉變為負壓，之后經過加氯機的計量，氯氣和壓力水的混合物通過水射器被投入水中。需要將氯氣吸收裝置設置在氣源件來避免氯氣泄漏而造成的環境污染和人體傷害問題。

1.3 改進后的系統

由于原系統的種種原因，使得水中剩余氯的控制品質不高，所以我們需要采用新的加氯系統對整個加氯系統進行改造。改造后的系統，采用事先將氯氣配置成所需濃度的氯水而不是像改進前的系統氯氣直接投加到水中的方式，之后氯水通過計量泵被投加到工藝管道中，在國內很少有這種加氯工藝。由于在此系統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為PN16的加強UPVC管。還需要在計量泵的出口位置設置安全壓力為Shar的安全閥，來避免因輸送管道阻塞等問題所帶來的高壓破壞管道等問題。

二、現場總線

1、現場總線技術概念。在八九十年代就已經逐漸形成了現場總線的概念，主要用于制造的自動化、過程的自動化等相關領域，它屬于是工廠當中數字通信網絡的一個前提以及基礎，對于控制設備以及生產過程現場的聯系起到了一定的溝通作用。世界上很多實力雄厚的公司都對現場總線的相關產品以及技術進行了不同程度的開發。現場總線是一種安裝在生產過程區域的數據總線，一般在控制室內的自動控制裝置和現場設備之間，具有多點通信、數字式以及串行的特點。另外，生產過程有兩類，一類是連續生產過程，另一類時斷續生產過程。也可以這么說，現場總線就是用總線將網絡節點，即單個的數字化智能測量和控制設備連接起來，最終實現信息交換以及網絡系統和控制系統的自動控制。

2、技術特點。第一，現場總線系統具有可集成性、互換性、互操作性以及開放性等特點。無論是總線標準還是產品檢驗以及信息發布都是全公開式的，即面向所有的用戶的制造商開放，不同商家生產的設備可進行連接并最終實現交換信息的功能，現場總線的開發者的目標就是建立一個具有統一標準的開放的工廠底層網絡系統。第二，現場總線的互用性以及互操作性。互用性是在性能相似的設備之間可實現互用和互換。而互操作性是指互相連接的設備之間可實現一點對多點、點對點之間的信息傳送功能。第三，智能化和功能自治性。這是指現場設備可以完成自動控制功能并對設備的運行狀態進行隨時診斷。第四，適應性。這是指現場總線支持多種線型，如電力線、紅外線、光纜、雙絞線等，且具有很強的抗干擾性能，以及安全防爆等功能。第五，現場總線的數字化信號傳輸。現場地層和上層工作站在進行信號傳輸和信息交換過程中均采用數字化信號，來實現雙向高速的多變量及多站點之間的信息傳輸。第六，可靠性和可維護性良好。現場總線控制系統FCS將一對一連接替換為1/0連接，增加了接線點之間的可靠性同時，還具有監控、報警、在線故障診斷等現場設備所具有的優點。

3、現場總線優點。第一，現場總線節約了硬件的數量以及成本。因為分散在設備前端的智能設備具有計算、報警、控制、傳感等多種功能，因此，不再需要使用計算單元和控制器等，變送器的數量大大減少，另外，工控PC機的使用使得硬件投資成本大幅度降低。同時，控制設備數量的減少使得總占地面積減小。第二，維護費用的減少。因為現場控制設備的自我診斷功能以及事故處理功能，且相關信息可通過數字通訊等設備傳輸到控制室，由用戶接收查詢，便于早期故障發現和排除。另外，簡單的系統結構和簡單的連線過程使得維護工作量減少，因其費用也隨之降低。第三，安裝費用的減少。因為多個設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，相應的接頭校對和連線設計的工作量也隨之減少。另外，當現場控制設備需要添加新設備時，可將新設備連接在原有的電纜上而不需要增設新的電纜，在節省成本費用的同時也減少了設計和安裝的工作量。第四，能夠對系統的可靠性以及準確性進行有效的提高。相比于模擬信號，現場總線相關設備的數字化以及智能化可以在很大程度上對控制以及測量的準確性進行提高，可以有效減少傳送方面的一些誤差。第五，用戶有著系統的高度集成的主動權。在系統當中，用戶能夠多廠商提供的設備進行自由選擇并對系統進行集成，讓主動權在集成系統的實際過程中能夠真正的掌握在用戶的手中。

三、控制電路設計方案

可將此系統分為兩部分，一部分是現場自動檢測儀表先采用自動連續檢測方法對生產中的各個參數進行檢測，之后，現場自動檢測儀表將檢測出的信號傳輸到中心控制室計算機一級現場PLC，并通過計算機顯示器進行顯示。另一部分是PLC依據設定的工藝參數，對設備的工作狀況進行自動調節，保證生產過程的自動滿足。模糊控制采用余氯和流量這兩個輸入量以及采用電機頻率這個輸出量來進行電機轉速的模糊控制過程，實現投加高濃度氯水的量隨著供水流量的變化而變化，保證快速調節與鋁含量。模糊控制的缺點在于當溫度變化時會影響余氯的穩定控制能力，所以，需要添加PID調節來增加變頻計量泵沖程，水中的余氯值通過在線余氯檢測儀不斷的被傳輸到PID調節器的輸入端，并不斷地比較余氯的給定值，確保余氯值被準確地控制在給定的范圍內。另外，可以限制PID的輸出范圍來保持PID調節的穩定性。將PID的細調作用和模糊回路控制的粗調作用相結合，能夠提升控制的質量，系統需要對擾動進行克服，還需要對系統工作的頻率進行提升，促進過渡過程的進度。整個系統分為工藝設備、電器設備、儀表以及外部接線四個硬件部分。

四、結束語

本文簡單介紹了一個新型加氯工藝的幾個環節，通過計量泵添加高濃氯水解決了負壓加氯工藝過程中產生各種問題，例如投氯量和自來水之間混合不均勻、氯氣泄漏但泄漏點尋找困難以及控制精度不能被滿足等。其中，總線安裝過程中不僅節省了安裝時間還節省了安裝費用和維修費用，另外，設備還能夠進行自我診斷。采用模糊控制的方法進行加氯，不僅使系統的控制能力增強，還保證了其安全性。