水处理自动化系统及其设计刍议

王贤

【摘要】 水处理过程中通常采用的工艺是将氯气加入水中，保证水中氯的含量维持在一定的数值范围内，但是对于某些场合要求精确控制水中氯的含量，显然，氯气负压添计系统很难对水中氯的含量进行精确控制，所以，需要采用一种新的方法来对系统进行改进。本文从实际工作出发，提出一项新的工艺及其控制系统，即用变频计量泵制成高浓氯水的氯气添加到水中。

【关键词】 水处理 自动化系统 设计

氯气消毒法在水处理消毒方法中是一种比较常用的方法，其优点在于价格便宜、货源充足以及设备操作容易。100多年前，人们就开始采用氯来对自来水进行消毒，时至今日，用氯对自来水进行消毒依然被大范围的使用。用氯对自来水进行消毒过程中，最重要的一个问题就是氯的添加量问题，必须要进行严格控制和及时调整。尽管高浓度的氯有利于杀菌消毒，但是会造成氯臭等问题，而水中含氯量过少时，则达不到杀菌消毒的目的，要根据不同水质进行调整。

一、水处理的基本流程

1.1 水厂基本工艺

深井泵将地下水运输到曝光塔中，水中的二价铁经机械输氧后被氧化成三甲铁离子，滤池降低了水中的铁和锰离子的浓度，然后运输到清水池中，之后水泵将其运输到氢离子交换器中，进行脱碱和软化处理，水中的二氧化碳被除碳器除去后，进行添加氢氧化钙工艺，之后进行PH和碱度调节，之后添加氯气进行消毒处理，然后活性炭过滤器进行处理，最后进行二次加氯工艺。具体的工艺流程如图1所示。

1.2 国内加氯系统现状

净水工艺中的一个重要环节就是加氯，尽管氯气的杀菌消毒效果好，但是氯气有毒，因此，为防止氯气泄漏通常采用真空加氯的方式进行处理，且加氯工艺设备简单，运行安全可靠。目前，我国一般使用的负氧加氯设备一般是德国或者美国生产的，尽管设备的生产厂家不同，但加氯过程大致相同，大体分为液氯汽化、调压、计量、投加四个部分。一般来说，先将液态的氯气转变为气态，之后输入管道内的氯气利用真空调压器从正压转变为负压，之后经过加氯机的计量，氯气和压力水的混合物通过水射器被投入水中。需要将氯气吸收装置设置在气源件来避免氯气泄漏而造成的环境污染和人体伤害问题。

1.3 改进后的系统

由于原系统的种种原因，使得水中剩余氯的控制品质不高，所以我们需要采用新的加氯系统对整个加氯系统进行改造。改造后的系统，采用事先将氯气配置成所需浓度的氯水而不是像改进前的系统氯气直接投加到水中的方式，之后氯水通过计量泵被投加到工艺管道中，在国内很少有这种加氯工艺。由于在此系统中投加的氯水是高浓度的加压氯水，因此，输送管道一般采用耐腐蚀和耐压的压力等级为PN16的加强UPVC管。还需要在计量泵的出口位置设置安全压力为Shar的安全阀，来避免因输送管道阻塞等问题所带来的高压破坏管道等问题。

二、现场总线

1、现场总线技术概念。在八九十年代就已经逐渐形成了现场总线的概念，主要用于制造的自动化、过程的自动化等相关领域，它属于是工厂当中数字通信网络的一个前提以及基础，对于控制设备以及生产过程现场的联系起到了一定的沟通作用。世界上很多实力雄厚的公司都对现场总线的相关产品以及技术进行了不同程度的开发。现场总线是一种安装在生产过程区域的数据总线，一般在控制室内的自动控制装置和现场设备之间，具有多点通信、数字式以及串行的特点。另外，生产过程有两类，一类是连续生产过程，另一类时断续生产过程。也可以这么说，现场总线就是用总线将网络节点，即单个的数字化智能测量和控制设备连接起来，最终实现信息交换以及网络系统和控制系统的自动控制。

2、技术特点。第一，现场总线系统具有可集成性、互换性、互操作性以及开放性等特点。无论是总线标准还是产品检验以及信息发布都是全公开式的，即面向所有的用户的制造商开放，不同商家生产的设备可进行连接并最终实现交换信息的功能，现场总线的开发者的目标就是建立一个具有统一标准的开放的工厂底层网络系统。第二，现场总线的互用性以及互操作性。互用性是在性能相似的设备之间可实现互用和互换。而互操作性是指互相连接的设备之间可实现一点对多点、点对点之间的信息传送功能。第三，智能化和功能自治性。这是指现场设备可以完成自动控制功能并对设备的运行状态进行随时诊断。第四，适应性。这是指现场总线支持多种线型，如电力线、红外线、光缆、双绞线等，且具有很强的抗干扰性能，以及安全防爆等功能。第五，现场总线的数字化信号传输。现场地层和上层工作站在进行信号传输和信息交换过程中均采用数字化信号，来实现双向高速的多变量及多站点之间的信息传输。第六，可靠性和可维护性良好。现场总线控制系统FCS将一对一连接替换为1/0连接，增加了接线点之间的可靠性同时，还具有监控、报警、在线故障诊断等现场设备所具有的优点。

3、现场总线优点。第一，现场总线节约了硬件的数量以及成本。因为分散在设备前端的智能设备具有计算、报警、控制、传感等多种功能，因此，不再需要使用计算单元和控制器等，变送器的数量大大减少，另外，工控PC机的使用使得硬件投资成本大幅度降低。同时，控制设备数量的减少使得总占地面积减小。第二，维护费用的减少。因为现场控制设备的自我诊断功能以及事故处理功能，且相关信息可通过数字通讯等设备传输到控制室，由用户接收查询，便于早期故障发现和排除。另外，简单的系统结构和简单的连线过程使得维护工作量减少，因其费用也随之降低。第三，安装费用的减少。因为多个设备可挂接在一条电缆或双绞线上，很大程度上减少了桥架、槽盒、端子以及电缆的使用量，相应的接头校对和连线设计的工作量也随之减少。另外，当现场控制设备需要添加新设备时，可将新设备连接在原有的电缆上而不需要增设新的电缆，在节省成本费用的同时也减少了设计和安装的工作量。第四，能够对系统的可靠性以及准确性进行有效的提高。相比于模拟信号，现场总线相关设备的数字化以及智能化可以在很大程度上对控制以及测量的准确性进行提高，可以有效减少传送方面的一些误差。第五，用户有着系统的高度集成的主动权。在系统当中，用户能够多厂商提供的设备进行自由选择并对系统进行集成，让主动权在集成系统的实际过程中能够真正的掌握在用户的手中。

三、控制电路设计方案

可将此系统分为两部分，一部分是现场自动检测仪表先采用自动连续检测方法对生产中的各个参数进行检测，之后，现场自动检测仪表将检测出的信号传输到中心控制室计算机一级现场PLC，并通过计算机显示器进行显示。另一部分是PLC依据设定的工艺参数，对设备的工作状况进行自动调节，保证生产过程的自动满足。模糊控制采用余氯和流量这两个输入量以及采用电机频率这个输出量来进行电机转速的模糊控制过程，实现投加高浓度氯水的量随着供水流量的变化而变化，保证快速调节与铝含量。模糊控制的缺点在于当温度变化时会影响余氯的稳定控制能力，所以，需要添加PID调节来增加变频计量泵冲程，水中的余氯值通过在线余氯检测仪不断的被传输到PID调节器的输入端，并不断地比较余氯的给定值，确保余氯值被准确地控制在给定的范围内。另外，可以限制PID的输出范围来保持PID调节的稳定性。将PID的细调作用和模糊回路控制的粗调作用相结合，能够提升控制的质量，系统需要对扰动进行克服，还需要对系统工作的频率进行提升，促进过渡过程的进度。整个系统分为工艺设备、电器设备、仪表以及外部接线四个硬件部分。

四、结束语

本文简单介绍了一个新型加氯工艺的几个环节，通过计量泵添加高浓氯水解决了负压加氯工艺过程中产生各种问题，例如投氯量和自来水之间混合不均匀、氯气泄漏但泄漏点寻找困难以及控制精度不能被满足等。其中，总线安装过程中不仅节省了安装时间还节省了安装费用和维修费用，另外，设备还能够进行自我诊断。采用模糊控制的方法进行加氯，不仅使系统的控制能力增强，还保证了其安全性。