水厂加氯控制系统的研究与设计毕业论文.docx
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水厂加氯控制系统的研究与设计毕业论文
毕业设计（论文）
水厂加氯控制系统的研究与设计
姓名
学院
专业电气工程及其自动化
指导教师
职称工程师
2011年6月2日
摘要
本文简单介绍了西门子S7-200系列PLC在水处理中的运用，以及自来水处理的简单工艺过程及原理。
介绍了水厂PLC控制系统的构成与硬件设备，着重阐述了PLC在自动加氯系统中的运用，最终将出厂水余氯含量控制在一定范围内。
加氯系统分为前加氯、后加氯、补加氯。
前加氯采用与水流量成比例投加，后加氯与补加氯根据余氯值采样值与设定值构成闭环系统，采用PID控制规则，输出模拟量对加氯机的调节阀进行开度控制从而达到控制目的。
并且利用STEP7编程软件对自动加氯程序进行了梯形图的设计，实现了对加氯系统的自动控制，以实现水处理过程中的无人化与智能化。
关键字：
自来水厂；自动加氯；PLC梯形图；PID控制
ABSTRACT
ThisthesissimplyintroducesSiemensS7-200PLCapplicationinwatertreatment,andwatertreatmentofsimpleprocessesandprinciples.ThisthesisintroducesthewaterworksPLCcontrolthestructureofthesystemandhardwareequipment,emphaticallyelaboratedthePLCautomaticfeedingsystemintheuseofchlorine,willeventuallyeffluentresidualchlorinecontentcontrolwithinacertainrange.Addingchlorinesystemisdividedintoformeraddchloride,addafterchloride,addchlorine.Beforeusingandflowwithchlorineproportionaladditive,addafterchlorideandaddchlorineaccordingtoresidualchlorinevaluesamplevalueandvalueconstituteaclosedloopsystem,PIDcontrolrules,outputanalogquantitiesonaddchlorinemachineregulatorforopeningcontrolsoastoachievethecontrolaim.STEP7programmingsoftwareanduseofautomaticprocedurewithchlorineladderdiagramdesignwithchlorine,realizetheautomaticcontrolsystem,inordertoachievewatertreatmentprocessofhumanizedandintelligencewithout.
Keywords：
Waterworks;Automaticaddchlorine;PLCladderdiagram;PIDcontrol
前言
在我国目前给水行业中，对自来水处理一般采用氯气消毒。
很大一批水厂还处在人工投加的阶段，加氯系统的自动化程度较低。
而国外主要的自来水处理厂己经实现了全面自动控制。
为了改善出厂水水质，许多水厂在常规处理工艺中加大了氯的投加量，增加了出厂水中有害化学物质的含量。
面对这种状况，研究新的水处理工艺，利用先进的自动化控制技术，改善出厂水水质，已成为国内水处理界的共识。
投加氯气消毒工序是给水处理中至关重要的一个环节，其目标是要控制出厂水中的余氯含量在一个规定的范围之内。
余氯太低无法起到在管网中持续杀毒的效果，太高则易与杂质生成致癌物质，这就要求必须要有一种可靠的氯气投加控制方式来确保出厂水余氯含量的稳定。
在一般的自来水厂中，加氯工艺包含两个部分：
滤前水加氯环节（前加氯）和滤后水加氯环节（后加氯）与出水厂加氯环节（补加氯）。
前加氯一般采用原水流量配比加氯方式，而后加氯与补加氯采用复合闭环加氯方式即根据余氯反馈控制方式。
本论文对自来水处理工艺进行了研究，寻求基于西门子S7-200系列PLC的水处理自动化。
系统应用PID算法对各个加氯机的调节阀进行开度控制从而达到控制目的。
前加氯加氯控制器根据原水流量的变化以及设定的投加率自动调节加氯量。
后加氯与补加氯控制器根据投氯后取样水中余氯值和设定的余氯值，采用PID控制规则，输出一个控制量来控制加氯机的调节阀开度，形成一个闭环控制，使余氯值向设定值逼进，确保出厂水余氯指标的稳定达标。
第一章水厂加氯系统的工艺原理
我国大部份自来水厂净水工艺流程都包括取水、加矾、沉淀、过滤、加氯、出水等过程自来水的生产通常经过一级泵站取水、加矾、消毒、混凝、沉淀、过滤、蓄水以及二级泵将自来水送入城乡自来水管网等工艺流程。
消毒工艺是净水处理过程中至关重要的环节，通过消毒杀死对人体有害的病原菌和致病微生物，从而达到饮用水的标准。
消毒的方法有很多，基本上分为物理、化学两大类。
物理法有加热、紫外线、超声波等；化学法有加氯、漂白粉、次氯酸钠、臭氧或其它氧化法等，加氯是较为常用的一种。
一般需要设置3个加氯点：
进水管入口处（也称一次加氯点、前加氯）、清水池（也称二次加氯点、后加氯）和出厂水补加氯点【1】，如图1-1所示。
图1-1加氯点设置工艺流程
前加氯主要是杀灭水中的微生物、细菌、氧化有机物及延长加氯消毒的接触时间，同时可起到助凝、助滤作用；滤后加氯主要是补充第一次原水加氯（前加氯）后的余氯不足，保证余氯量达到规定指标。
为了杀灭原水中的藻类，前加氯要在原水进入沉淀池之前进行，以防止其在沉淀池或滤池中滋生繁殖。
由于前加氯环节中投加的氯气并不是非常多，而沉淀池和滤池对氯的消耗量较大，使得滤后水中一般无剩余氯的存在，因此前加氯对出厂水的余氯含量基本上没有影响。
后加氯在滤后水进入清水池前进行，其目的是通过氯气与水在清水池中充分接触后水解生成的强氧化剂次氯酸杀灭水中的各种细菌和病毒。
对自来水进行消毒时，一般采用氯气消毒，为了有比较好的消毒效果，必须保证氯气和水一定的接触时间；另外这样自来水在城市管网中还具有持续杀菌和消毒作用，因此必须在经过氯与水的充分接触之后，出厂水中还要有一定的余氯含量【2】。
氯气杀菌效果好，但氯气有巨毒，所以加氯系统能否安全稳定、可靠运行，将直接影响安全稳定供水工作。
我国《生活饮用水卫生标准》中明确规定集中式给水用氯消毒时，在与水接触30分钟后，水中游离性余氯应不低于0.3mg/L，管网末梢应不低于0.0smg/L。
自来水公司会依据其制定出相应的出厂水余氯指标作为各个自来水厂加氯环节的考核标准。
加氯系统的目标就是通过控制氯气的投加量来保证出厂水中的余氯含量在自来水公司的考核标准要求的范围之内。
1.2余氯变化规律
氯气被投加到水中之后，会发生一系列化学反应，主要要经历水解、与杂质反应、在清水池中停留、流出清水池几个过程。
以下重点从机理上分析余氯在这几个过程中的变化规律：
氯气水解规律
氯气投加到水中后，首先水解生成盐酸HCL和次氯酸HCLO，如公式1-1：
（1-1）
氯气的溶解度很大，所基本上投入水中的氯气都能迅速生成次氯酸和盐酸，并且次氯酸会进一步部分水解生成次氯酸根离子和氢离子。
次氯酸和次氯酸离子由于其中的CL都是+1价的因而具有很强的氧化性，可以杀死细菌，因此它们都是有效氯。
一般余氯分析仪测得的都是具有强氧化性的次氯酸和次氯酸根离子。
氯气与水中杂质反应
实际的原水中由于水源的原因，总是不可避免的存在其他杂质，有效氯会因为与杂质的反应而大量减少。
在各种杂质中影响比较大的便是氨氮（
），氨氮与次氯酸的反应生成一氯胺（NH2CL）和二氯胺（NHCL2），如公式1-2和1-3：
（1-2）
（1-3）
但是上面的两个反应存在区别：
式2的反应只需要1秒钟左右即可完全完成，基本上在氯气投入水中后立刻完成；而式3的反应是一个可逆反应，其反应程度若达到要求至少需要经过几个小时，也就是说该反应会一直在清水池中持续进行，相当于对余氯的“二次干扰”。
原水中一般还含有一些有机物和其它类型的杂质，它们与氯的反应较为复杂，但是一般都认为在初始的很短时间内很快就能发生反应，井且其消耗的氯量不多而且相对比较稳定。
折点加氯
在氯气投加工艺中，必须考虑“折点加氯”的影响。
折点加氯是当水中含较多氨氮时，若氯气投加量低于一定量时，有效氯与氨氮只会发生式2和式3的两个反应。
后者是一个可逆反应，此时水中还会存在一定量的有效氯，继续增大氯气投加量会导致水中有效氯含量持续增加。
但当继续增大氯气的投加量时，会导致前面生成的一氯胺不称定，发生分解，如公式1-4：
（1-4）
该反应要消耗一些有效氯，使得水中残留的有效氯又开始不断减小。
当氯气投加量达到水中氨氮浓度的8-10倍时（理论比值是7.6）即到达“折点”时，所有的不稳定的一氯胺被分解，进一步增大加氯量，就会使水中的有效氯开始继续上升。
在实际进行氯气投加时，都必须要保证氯气的投加量超过折点，以保证水中的有效氯含量能保持稳定【3】。
氯在清水池中的停留过程
当滤后水经过加氯后，就进入清水池了。
水厂的清水池一般为了保证水的停留时间，为了防止存在水流死角和保持各部分水流停留时间的均衡，一般都在清水池中建有弯弯曲曲的水道。
在清水池的整个停留过程中，氯在水中除了发生种种反应和消耗之外。
由于扩散作用，水中不同浓度的氯之间还会发生混合。
混合程度受本身的余氯含量、水的流速等因素的影响，另外，对于不同的季节所导致的水电温度和PH值得不同，水中余氯的混合情况差别很大。
氯气投加过程的影响因素
在氯气投加的过程中，氯气通过加氯机投加到水中，单位水中的加氯量越大，氯的浓度也越大。
加氯量是该系统中唯一的可控量。
另外，整个加氯环节受到众多因素的干扰，其主要的几种因素的特点及其影响如表1-1：
表1-1各因素对加氯系统的影响
因素
对加氯的影响程度
变化规律
相关检测仪表
加氯量
大
可控量
有
清水池进水量
大
由滤池人工控制，变化较频繁，无规律
无
水中氨氮含量
大
平时含量少且稳定，遇暴雨，上游污染等情况会突变
无
清水池出水量
中等
有自来水公司统一调度，不经常变化且水量稳定
有
清水池水位
偏小
变化较频繁，但一般在一个范围内，且不会突变
有
温度浊度PH值等
小
一般情况下变化不大
无
从表1中可以知道，加氯系统最主要的影响因素是加氯量、清水池进水量、水中氨氮含量、清水池出水量，而其他因素相对来说影响比较小。
要实现氯气投加过程的自动控制，对于其中影响氯气投加过程较大、变化较快的因素必须要有相应的设备检测。
1.3工艺控制要求
整个流程的控制目标是二泵房的余氯含量（即出厂水余氯含量），可以控制的量为加氯机的加氯量。
由于含氯的水要在清水池中停滞较长的时间，必然会发生混合及与杂质反应等现象，因此二泵房出水余氯含量受很多因素的影响，包括滤后水的流量、清水池水位、清水池出水量、水质（水中氨氮含量、PH值、水温、滤后水浊度、其他杂质等）等等因素，其中有很多因素对余氯含量的干扰影响很大，并且这些干扰因素往往变化很快。
由于种种因素的影响，氯气投加在一般的水厂中都是最难控制的一个环节。
为了既能满足自来水厂出水水质指标的要求，达到预期的消毒效果，又不造成氯气的浪费，必须根据原水流量的变化及时调整加氯量的大小，如果用人工调节是很难实现的。
采用先进的控制技术，实现加氯过程的自动化是很有必要的。
加氯包括前加氯、后加氯于补加氯。
前加氯一般采用原水流量配比加氯方式，而后加氯与补加氯采用复合闭环加氯方式即根据余氯反馈控制方式。
前加氯方式控制原理为：
加氯控制器根据原水流量的变化以及设定的投加率自动调节加氯量。
后加氯与补加氯方式控制原理为：
加氯控制器根据原水流量以及投氯后取样水中余氯值和设定的余氯值，采用PID控制规则，输出一个控制量来控制加氯机的调节阀开度，形成一个闭环控制，使余氯值向设定值逼进，确保出厂水余氯指标的稳定达标【4】。
加氯系统的主要设备包括气源切换装置、加氯机、漏氯报警系统和吸氯装置等3个部分。
控制系统根据各种生产参数的检测，完成自动加氯、气源的自动切换和漏氯报警及吸氯等功能。
加氯工艺流程图如图1-2所示：
图1-2加氯工艺流程图
1.4人工投加方式及其中存在的问题
为人工控制投加氯气方式如图1-3所示。
由图1-3可知，首先操作人员根据经验确定初始氯气投加量，含氯的水混合进入清水池，经过一定的停留时间后出厂。
在清水池出口处安装有余氯仪，指示当前余氯值，仪表集中于加氯间，操作人员根据其读数与期望值的偏差来手动操作加氯机，相应改变氯气投加量。
图1-3原人工加氯控制框图
对于氯气投加这样一个复杂过程而言，仅仅依靠人工经验是很难取得良好的控制效果的。
人工加氯主要存在以下不足之处：
（1）人工投加过程存在很大的滞后，系统响应慢，容易产生震荡。
由于含氯的水在该清水池中的停留时间长，新的投加量是否得当也就需要一段时间后才能观测到以便再次调整，这样系统响应速度较慢，易导致出厂水余氯超标情况发生。
氯气的投加量原则上应该与进水流量成正比，但由于缺乏清水池进水流量仪（清水池的特殊结构造成流量仪的安装在施工上较困难），操作人员无法实时知道准确的流量数据，从而无法准确调节氯气的投加量，将导致清水池出口余氯之偏离期望值。
流量某些时候波动很大，如果仅仅按照出口余氯情况频繁调整氯气投加
量，反而会加剧出口余氯值的震荡。
（2）不同操作人员的经验不相同对氯气的投加也会产生影响。
将会导致在同样外界情况下却出现不同的控制结果，系统工作状况缺乏规律性和一致性。
（3）清水池的出水量的变化将导致余氯的损耗变化。
因此需要投加的氯气量
也不相同，增加了人工控制的难度。
第二章水厂加氯系统硬件设计
2.1水厂加氯系统硬件构成
加氯机
加氯机是水厂加氯系统中的核心装置，是现代化水处理系统中必不可少的设备之一。
它主要由水射器、调节阀、流量计和压差控制器等主要部分组成。
在加氯系统的运行时，根据PLC发出的调节阀的开度信号来控制真空调节阀的开度。
并可通过将传感器连接到PLC监测系统实现自动系统中故障的检测。
差压式流量计
差压式流量计是根据安装于管道中流量检测件产生的差压,已知的流体条件和检测件与管道的几何尺寸来计算流量的仪表。
差压式流量计由一次装置（检测件）和二次装置（差压转换和流量显示仪表）组成。
通常以检测件形式对差压式流量计分类，如孔板流量计、文丘里流量计、均速管流量计等。
余氯分析仪
余氯分析仪，采用类似于化学实验室的滴定法，精确的测量水中的余氯值,这种方法成为余氯控制或监控系统中的最佳选择。
余氯值会即时被读出而不再需要取样和等待的过程，使得在控制系统中的延迟时间最短。
连续的4～20mA输出信号用于余氯控制系统。
漏氯报警仪
漏氯报警仪是用氯单位用来监测空气中氯气浓度，确保人员安全及设备安全的必备仪器。
当氯气泄漏到空气中的浓度超过仪器报警设定值时，仪器将自动报警并输出控制信号，启动安全保护设备，改善现场环境。
氯气传感器输出电流值与环境中氯气浓度成正比。
漏氯中和装置
本装置能确保将泄漏出来的氯气及时吸收，并进行无害化处理，当有氯气泄漏时，安装在氯库中的漏氯报警仪开始报警，PLC将漏氯信号传递给泄氯吸收安全装置，控制装置自动运行，风机和泵开始运转。
风机将含氯气体由下往上送入吸收塔，泵抽取吸收液由上往下喷淋，含氯气体在吸收塔内接触反应,反应结束后，尾气返还至加氯间。
2.2PLC的配置与选型
2.2.1PLC的配置
目前PLC种类多，功能和指令系统也都各不相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专用计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件和微机相似。
主要包括CPU、存储器、输入输出接口电路、电源、I/O扩展接口、外部设备接口等。
（1）CPU
CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每套PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。
CPU的控制器控制CPU工作，由它读取指令、解释指令及执行指令。
CPU速度和内存容量是PLC的重要参数，它们决定着PLC的工作速度，I/O数量及软件容量等，因此限制着控制规模。
（2）I/O模块
PLC与电气回路的接口，是通过输入输出部分（I/O）完成的。
I/O模块集成了PLC的I/O电路，其输入暂存器反映输入信号状态，输出点反映输出锁存器状态。
I/O分为开关量输入（DI），开关量输出（DO），模拟量输入（AI），模拟量输出（AO）等模块。
开关量是指只有开和关（或1和0）两种状态的信号，模拟量是指连续变化的量。
（3）电源模块
PLC电源用于为PLC各模块的集成电路提供工作电源。
同时，有的还为输入电路提供24V的工作电源。
电源输入类型有：
交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（常用的为24VAC）。
（4）底板或机架
大多数模块式PLC使用底板或机架，其作用是：
电气上，实现各模块间的联系，使CPU能访问底板上的所有模块，机械上，实现各模块间的连接，使各模块构成一个整体。
PLC控制系统有输入量—PLC—输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算，处理后送到输出端子，
作为PLC的输出量对外围设备进行各种控制。
由此可见，PLC的基本结构由控制部分、输入和输出部分组成。
2.2.2PLC的选型
对PLC的正确选择是非常重要的，一般基于以下原则：
（1）工作量
这一点尤为重要。
在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%~30%的PLC。
（2）工作环境
工作环境是PLC工作的硬性指标。
自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。
一定要选择适应实际工作环境的产品。
（3）通信网络
现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题，但各厂家制定的通信协议千差万别，兼容性差。
（4）输出形式
PLC的各种机型都有多种输出形式，包括继电器输出、三端双向可控硅开关元件输出、晶体管输出等。
各种输出对应的驱动负载是不同的，由于本设计为继电器控制，所以选用PLC的继电器输出机型。
（5）I/O点数
I/O点数是PLC的一个简单明了的性能参数，也是应用设计中的最直接的参数。
在选型时，首先确定系统所需要的输入输出点数以及是模拟量还是数字量。
另外还要考虑I/O点数的余量，在系统硬件设计中，要留有充分的I/O点数作为备用。
（6）指令系统
由于PLC应用的广泛性，从工程应用角度看，有些场合仅需要逻辑运算，有些场合需要复杂的算术运算，而有些特殊场合还需要专用的指令功能。
在选择机型时，要注意指令系统的总语句数、指令系统的种类、指令系统的表达方式[4]。
因此，综合整体要求，本系统选取西门子S7-200PLC来完成水处理过程中的自动加氯。
2.3PLC的输入与输出
加氯系统的主要设备包括气源切换装置、加氯机、漏氯报警系统和吸氯装置3个部分【5】。
控制系统根据各种生产参数的检测，完成自动加氯、气源的自动切换和漏氯报警及吸氯等功能。
整个加氯系统程序分配如图2-1所示。
原水流量1瓶电动阀开
1瓶气压是否达到下限2瓶电动阀开
1瓶电动阀是否关到位1瓶电动阀关
2瓶气压是否达到下限2瓶电动阀关
2瓶电动阀是否关到位1瓶电动阀故障
1瓶电动阀是否开到位2瓶电动阀故障
2瓶电动阀是否开到位排风扇开
漏氯报警吸氯装置开
风机是否运行吸氯装置故障
漏氯信号是否消除1号加氯机开度
出厂水流量2号加氯机开度
清水池余氯3号加氯机开度
出厂水余氯
图2-1PLC控制器输入与输出配置
根据加氯系统的控制要求可以确定系统的输入输出的性质和数量，共有11点开关量输入，9点开关量输出，5点模拟量输入，3点模拟量输出。
因此选用西门子S7-200系列PLC。
在S7-200CN系列PLC可提供4个不同的基本型号的8种CPU中，本系统采用CPU224XP型号的CPU。
具体PLC的I/O表如表2-1所示。
表2-1输入信号及PLC地址分配
名称
I地址
启动
停止
1#瓶气压是否到达下限
1#瓶电动球阀是否关到位
2#瓶气压是否到达下限
2#瓶电动球阀是否关到位
1#瓶电动球阀是否开到位
名称
I地址
2#瓶电动球阀是否开到位
漏氯报警（是/否）
碱泵、风机是否运行
漏氯信号是否消除
原水流量
AIW0
出水厂流量
AIW2
原水PH值
AIW4
清水池余氯
AIW6
出水厂余氯
AIW8
表2-2输出信号及PLC地址分配
名称
Q地址
1#瓶电动球阀开
2#瓶电动球阀开
1#瓶电动球阀关
2#瓶电动球阀关
1#瓶电动球阀故障
2#瓶电动球阀故障
排风扇开/关
吸氯装置开/关
吸氯装置故障
1#加氯机开度
AQW0
2#加氯机开度
AQW2
3#加氯机开度
AQW4
2.4自动加氯系统电气原理图
考虑到自动加氯系统的设计要求，系统有11点开关量输入，9点开关量输出，5点模拟量输入，3点模拟量输出，选择西门子的S7-200系列CPU224。
由于本系统选用的是CPU224，其有14个模拟量输入点，10个模拟量输出点【6】。
要实现系统的控制要求，则需要选用2个模拟量输入输出模块EM235，和一个模拟量输出模块EM232,它们的具体连接图分别如图2-2、图2-3、图2-4所示。
图2-2CPU224接线图
图2-3模拟量输入输出模块接线图1
图2-4模拟量输入输出模块接线图2
图2-5模拟量输出模块接线图
水厂自动加氯系统S7-200外部接线图如图9所示：
图2-6自动加氯系统S7-200外部接线图
第三章水厂加氯系统软件设计
3.1PID算法
在
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