化肥厂水处理控制系统设计

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1、东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 自控工程课程设计 题 目 化肥厂水处理控制系统设计 院 系 电气信息工程学院自动化系 专业班级 自动化11-班 学生姓名 学生学号 1106011401 指导教师 2014 年 11 月 21 日东北石油大学课程设计任务书课程 自控工程课程设计题目 化肥厂水处理控制系统设计专业 自动化 姓名 学号 1106011401 主要内容:1.掌握利用Auto-CAD绘制化肥厂水处理控制工艺流程图;2.掌握节流装置的计算方法和计算机辅助设计计算;3.掌握调节阀的选型及口径计算。基本要求:1.在工程设计中,必须严格贯彻执行一系列国家技术标准和规定;2.边学习标准

2、和规定边上机设计;3.必须按阶段完成任务;4.设计完成后交出一份包括上述三个部分符合撰写规范的设计报告。主要参考资料:1 史国生. 电气控制与可编程控制器技术M. 北京:化学工业出版社,2004. 2 王永华. 现代电气编程控制技术M. 北京:北京航空航天大学出版社,2002.3 邓则名. 电器与可编程控制器应用技术M. 北京:机械工业出版社,1997. 4 徐世许. 可编程序控制器原理M. 合肥:中国科学技术大学出版社,2001.5 廖晓钟. 自动控制系统M. 北京:北京理工大学出版社,2005.完成期限 2014.11.102014.11.21 指导教师 专业负责人 2014年 11 月

3、20 日目录第1章 工程实例11.1 工程背景及说明11.2 CAD流程图2第2章 控制系统方案设计32.1 污水处理工艺流程32.2 污水处理系统中的PLC42.3 PLC设计4第3章 控制系统仪表选型63.1 检测元件选型63.2 执行元件7第4章 课程设计心得14参考文献15附录16自控工程课程设计第1章 工程实例1.1 工程背景及说明在化肥厂要处理的水,因含杂物总量或浓度较高,达不到排放标准要求或不适应环境容量要求,从而降低水环境质量和功能目标时,必需经过人工强化处理的场所。一般要进行水处理,处理后可以进行使用。有时为了回收循环利用废水资源,需要提高处理后出水水质时则需建设污水回用或循

4、环利用污水处理厂。处理厂的处理工艺流程是有各种常用或特殊的水处理方法优化组合而成的,包括各种物理法、化学法和生物法,要求技术先进,经济合理,费用最省。设计时必须贯彻当前国家的各项建设方针和政策。因此,从处理深度上,水处理可能是一级、二级、三级或深度处理。污水处理厂设计包括各种不同处理的构筑物,附属建筑物,管道的平面和高程设计并进行道路、绿化、管道综合、厂区给排水、污泥处置及处理系统管理自动化等设计,以保证污水处理厂达到处理效果稳定,满足设计要求,运行管理方便,技术先进,投资运行费用省等各种要求。水处理自控系统可实现对污水的控制,可以减少大量人力,而且简单便捷的观测到你想要的结果,是对自动化发展

5、的一个进步体现。鉴于水的实际价值,从环境保护的角度出发,实现化肥厂水处理的自控对工厂生产具有重要的意义。为适应水处理行业的发展趋势,满足水处理行业对自控系统的需求,水处理行业的自控系统在未来发展主要方向包含以下几个方面:冗余的控制系统结构,PLC合理的通讯端口设置,组态软件丰富的驱动程序,专业程序模块,数据分析、技术支持,远程监控。随着供水事业的发展,人们对水量的需求越来越大,对水质的要求越来越高。提高水处理效率是城市发展和人民生活水平提高的需要,实现水处理自动化势在必行。混凝剂、消毒剂加注自动化则是水处理过程中最具经济效益和社会效益的一项措施。它具有稳定出水水质、节约净水资源、减轻工人劳动强

6、度、投入少产出高的特点。在系统投运时,首先根据江水的浑浊度设置每个滤池冲洗时间间隔,即设置计数器和计时器的计数和计时值。时间间隔过长易出现滤池大高液位现象,过短造成滤池冲洗过于频繁,风机启动频繁减少设备的使用寿命。投运时根据当时江水的状况设置时间间隔为12h,运行效果良好。因在软件设计时全面考虑了边界条件,可一次性将8个滤池的手动开关打到自动状态。环境保护问题日益成为影响和制约人类社会发展的因素之一。随着工业不断发展和城市人口急剧增加,大量工业和生活污水未经处理流入江河湖海,使环境和饮用水被严重污染。水处理是提供工业用水的常用办法,处理过程是通过滤池过滤,滤池工作一定时间就要进行反冲洗,反冲洗

7、过程要求按一定的时序控制风机的启停及各类的开与关,阀门动作顺序要求严格。某水源工程设计8个滤池,每个滤池有6个控制阀,而滤池的反冲洗过程要求同一时间不能有两个滤池同时冲洗,采用手动控制时工人的劳动强度大,难免出现误动作,对此特定的过程选用一定的可编程控制器进行控制,经实践检验系统运行可靠,效果良好。1.2 CAD流程图图1-1 CAD流程图第2章 控制系统方案设计随着全球水资源供应的紧张和对自动化要求的增加,化肥厂水处理必然是向着高度自动化的方向发展。目前,PLC在其稳定性和高度自动化程度的不断加强,使PLC成为在化肥厂水处理自动化方面的首选。2.1 污水处理工艺流程首先从厂外污水泵站提升到污

8、水处理厂的污水,经过粗格栅,去除污水中较大的垃圾、漂浮物;通过5台100KW和3台54KW的污水泵将污水提升到细格栅,将较小的漂浮物去除;在沉砂池搅拌、除砂;然后进入生化池进行厌氧、耗氧处理,经沉淀池泥水分离,上层澄清液作为净化后的清洁排放水;沉淀下来的污泥一部分回流到生化池再生利用,一部分作为剩余污泥回流到污泥浓缩池,进一步浓缩,通过污泥处理系统,把泥浆态的污泥脱水、压滤,形成干污泥饼。该工艺流程简图如图2-1所示。砂搅拌器的自动运行通过进水电磁流量计控制,而抽砂泵的运行状态是由微机对其开、停时间的设置控制的。 生化池厌氧区的搅拌器、沉淀池的吸刮泥机、污泥回流泵房的阀门和回流泵都是由微机触发

9、指令通过PLC控制。图2-1 工艺流程简图脱水机房的设备主要担负由污泥提升泵将回流泵井的剩余污泥与污泥絮凝剂按比例混合进行脱水处理的任务。污水处理厂自控系统遵循“集中管理,分散控制,数据共享”的原则,设计选型先进,安全可靠,经济合理,并能保证系统长期稳定高效地运行。PLC控制系统满足污水处理厂运行管理和安全处理的要求,即生产过程自动控制和报警、自动保护、自动操作、自动调节、提高运行效率,降低运行成本,减轻劳动强度,对污水处理厂内各系统工艺流程中的重要参数、设备工作情况等进行计算机在线集中实时监测,重要设备进行计算机在线集散控制,确保污水处理厂的出水水质达到设计排放标准。污泥与溶解成一定浓度的絮

10、凝剂混合后,污泥中的固体颗粒被凝聚成絮团,并分离出自由水,然后被输送到带式污泥脱水机上,经顶脱水区、重力脱水区、楔形脱水区、压滤脱水区后形成滤饼排出。设备的控制思路是以时序的逻辑控制为主导,污泥和絮凝剂混合的比例通过污泥电磁流量计、清水流量计和投药泵投药量实现。该系统流程控制原理图如图2-2所示。 图2-2 污泥脱水系统流程控制图脱水机系统的联动控制时序: 条件:各设备准备就绪,无故障;空压机、自动配药池工作正常。 启动:皮带输送机运转 带式脱水机运转 投药泵运转 污泥泵运转。 停机:控制顺序与启动顺序相反。 时间:根据实际的运行状况,可在PLC中设置各设备联动间隔时间。污水处理厂自控系统遵循

11、“集中管理,分散控制,数据共享”的原则,设计选型先进,安全可靠,经济合理,并能保证系统长期稳定高效地运行。PLC控制系统满足污水处理厂运行管理和安全处理的要求,即生产过程自动控制和报警、自动保护、自动操作、自动调节、提高运行效率,降低运行成本,减轻劳动强度,对污水处理厂内各系统工艺流程中的重要参数、设备工作情况等进行计算机在线集中实时监测,重要设备进行计算机在线集散控制,确保污水处理厂的出水水质达到设计排放标准。2.2 污水处理系统中的PLC实用性:PLC系统其目的在于满足污水厂生产控制和管理要求,在保证先进的条件下,设备和系统应符合实际要求。可靠性:污水处理厂的生产过程要求PLC控制系统具有

12、连续可靠性。经济性:PLC系统的技术含量高,设备复杂,因此,在设计时应进行技术经济比较。先进性:网络技术、信息技术、PLC控制技术发展迅速。 生产工艺过程以工艺流程图方式显示,图形可以取出每幅图的局部进行放大,便于分幅,分组组展示,流程上有相关的实时生产过程的动态参数值显示。当动态显示值显示改变时,随之改变图形的数值。2.3 PLC设计在厂区电气自控的总体设计上,应在允许的条件下,提高污水处理厂的自动化程度。尽量做到无人值守。这一点对减少小型污水处理厂的单方经营成本有很重要的意 义。因为,尽管污水厂较小,如果没有自动化程度较高的自控系统,往往需要按岗定员,这样3000-20000吨/日的污水处

13、理厂也需要10-30人。实际 上,对于规模稍大的污水厂,定员也不过如此,所以相对人力成本很高。在条件允许的情况下,尽量提高污水厂的自动化程度。有条件时,还可在反应池等重要地方 安装摄像头,以监视污水厂的运行状况。 PLC构成的控制系统流程图如图2-3所示。图2-3 PLC构成的控制系统设计步骤此种设计方法与常用的继电器控制逻辑设计比较,组件的选择代替了原来的部件选择,程序设计代替了原来的硬件设计。我们采用一台PLC控制多台监测仪器的集中控制系统。该系统用于监测对象(仪器)所处的地理位置比较接近,且相互之间有一定联系的场合,如图2-4所示。 图2-4 集中控制系统第3章 控制系统仪表选型在现代化

14、的净水厂中,每一个生产过程总是与相应的仪表及自控技术有关。仪表能连续检测各工艺参数,根据这些参数的数据进行手动或自动控制,从而协调供需之间、系统各组成部分之间、各水处理工艺之间的关系,以便使各种设备与设施得到更充分、合理的使用。同时,由于检测仪表测定的数值与设定值可连续进行比较,发生偏差时,立即进行调整,从而保证水处理质量。根据仪表检测的参数,能进一步自动调节和控制药剂投加量,保证水泵机组的合理运行,使管理更加科学化,达到经济运行的目的。由于仪表具有连续检测、TodayHot越限报警的功能,便于及时处理事故。仪表还是实现计算机控制的前提条件。所以在先进的水处理系统中,自动化仪表具有非常重要的作

15、用。3.1 检测元件选型 1、检测仪表选配的一般要求:(1)精确度:是指在正常使用条件下,仪表测量结果的准确程度,误差越小,精确度越高。生产过程物理检测仪表的精确度为1%,水质分析仪表的精确度为2%(测高浊水的浊度仪的精确度为5%)。(2)响应时间:当对被测量进行测量时,仪表指示值总要经过一段时间才能显示出来,这段时间即为仪表的响应时间。一只仪表能不能尽快反应出参数变化的情况,是很重要的指标。对水质分析仪表要求的响应时间应不超过3min。水处理系统技术中自动化仪表的应用(3)输出信号:仪表的模拟输出应是420mADC信号,负载能力不小于600。(4)仪表的防护等级应满足所在环境的要求,一般应不

16、低于IP65,用于药剂投加系统的检测仪表要求能耐腐蚀。(5)四线制的仪表电源多为220VAC、50Hz,两线制的仪表电源为24VDC。(6)现场监测仪表宜选用数显仪。(7)仪表的工作电源应独立,不应和计算机共用电源,以保证发生故障和检修时电源互不干扰,使各自都能稳定可靠地运行。(8)为使计算机能检测到电压互感器和电流互感器的异常信号并报警,设计选配的电压及电流变送器的输入信号应比电流及电压互感器大,即分别为06A及0120V。应选择能够提供可靠服务和有丰富经验的仪表生产厂商。 2、水位测量 选择液位计时应考虑以下因素:测量对象,如被测介质的物理和化学性质,以及工作压力和温度、安装条件、液位变化

17、的速度等;测量和控制要求,如测量范围、测量(或控制)精确度、显示方式、现场指示、远距离指示、与计算机的接口、安全防腐、可靠性及施工方便性。 3、流量测量 流量测量分为两种,一种用于流量检测,参与过程控制,以达到提高生产自动化水平,改善生产工艺条件,提高产品质量和产量的目的。另一种用于流量的计量,不仅计量产品的产量,还是供水企业主要技术经济指标计算的依据。在供水企业最主要的8项经济指标中,有3项指标是以流量计测量的数据为基础的。流量计的选型应考虑以下因素:(1)任何型号的流量计都必须有国家计量部门检定的证书方可选用。(2)流量计本身的压力损失要小。(3)根据行业要求,流量计的准确度应不低于2.5

18、级。(4)安装现场条件应满足所选流量计对直管段的要求。(5)所选流量计应能适应安装现场环境条件如温度、湿度、电磁干扰等。(6)所选流量计应能适用于待测的液体介质。 4、显示仪表的选用一般净水厂工程多选用智能化显示仪表,其功能齐全,能进行数字信号处理,实现控制功能,而且测量值以液晶显示,操作方便,可以保存数据,具有自诊断功能。虽然与计算机系统联网后,它的优势没有完全发挥出来,而被计算机系统所取代,但在目前净水厂的建设中,使用智能化的显示仪表作为在计算机系统未调试投运阶段或发生故障时的辅助仪表,也能满足现场控制、显示的要求。在某些情况下,同时需要本地显示与远程传送,此时不宜采取信号串联方式,而应采

19、用信号分配器,即1路输入,两路输出,一路输出送显示仪表,另一路输出可输入PLC,如常用的WS15242。3.2 执行元件执行元件在系统中有着不可忽略的作用,在该系统中,流量阀和调节阀发挥着重要作用,两个阀的设计和计算也成为极其重要的一部分。在厂区电气自控的总体设计上,应在允许的条件下,提高污水处理厂的自动化程度。尽量做到无人值守。这一点对减少小型污水处理厂的单方经营成本有很重要的意 义。因为,尽管污水厂较小,如果没有自动化程度较高的自控系统,往往需要按岗定员,这样3000-20000吨/日的污水处理厂也需要10-30人。实际 上,对于规模稍大的污水厂,定员也不过如此,所以相对人力成本很高。在条

20、件允许的情况下,尽量提高污水厂的自动化程度。有条件时,还可在反应池等重要地方 安装摄像头,以监视污水厂的运行状况。 1、标准节流装置设计及计算程序设计 所谓“标准节流装置”就是他们的结构、尺寸和技术条件都有统一标准,有关计算步骤和方法都经过系统试验而有统一规定。按统一标准规定进行设计制造的节流装置,不必经过个别标定就可以使用。在GB/T2624-1993中规定的标准节流装置有以下几种: (1)标准孔板:角接取压;法兰取压;径距取压(D-D/2)。 (2)标准喷嘴:ISA1932喷嘴;长颈喷嘴。 (3)文丘里管:文丘里喷嘴;经典文丘里管。 标准节流装置程序框图如下图3-1所示:D20,P,qmP

21、,t, ,e, DD=D201+D(t-20)ReD= 令:AZ=ReD设:Xn=Az/(eC) (当n=1,2时)1=X12/(1+ X12)0.25 C用公式18e用公式19 D=Az-XnCXm=Xm+1-e-1Xm+1-Xm-2/m+1-m-2=5*10-10d=D()d20=图3-1 标准节流装置程序框图标准节流装置设计计算原始数据如下所示:位号:FR2010工作介质:脱盐水 取压方式:法兰取压孔板操作温度:32 工况密度:956.45Kg/m3工作压力:0.7MPa 工况粘度:19910-6 Pa.S管道内径:80mm 最大流量:7800 kg/h管道材质:20#钢 节流件材质:1

22、CR18NI9TI (1)辅助计算1 求工况下的管道直径 管道内径 管道材料热膨胀系数 被测介质温度2 计算差压上限再根据公式计算其中C=0.6,=1,=0.5,d=,代8.3000Kg/s,全部代入得=58121.29因国产差变的系列值为1.0,1.6,2.5,4.0,6.010n ,取=100000.003 求雷诺数最大质量流量工作状态下粘度4 求P=0.1MPa (2)初值计算求设: 求求精确度判断所以 =0.17888 (3)进行迭代计算,设定第二个假定值X2 X2= =0.2541489676 = =0.4963047208 =1 =0.5959+0.03120.1840 +0.00

23、29 =0.6041854730因此 = =-0.0000051122所以 (4)进行迭代计算,设定第三个假定值,利用快速收敛弦截法公式(n=3起用)=0.2541405981 =0.4962970445=1=0.6041852546因此 =0.0000000002所以 由于 =0.0000000005精确度达到要求。2、调节阀的选型及设计(1)调节阀的选型调节阀又称控制阀,是执行器的主要类型,通过接受调节控制单元输出的控制信号,借助动力操作去改变流体流量。调节阀一般由执行机构和阀门组成。如果按其所配执行机构使用的动力,调节阀可以分为气动、电动、液动三种,即以压缩空气为动力源的气动调节阀,以电

24、为动力源的电动调节阀,以液体介质(如油等)压力为动力的电液动调节阀,另外,按其功能和特性分,还有电磁阀、电子式、智能式、现场总线型调节阀等。一般来说阀是通用的,既可以与气动执行机构匹配,也可以与电动执行机构或其它执行机构匹配。提供调节阀的优选次序为: 全功能超轻型调节阀蝶阀套筒阀单座阀双座阀偏心旋转阀 球阀角形阀三通阀隔膜阀。 在这些调节阀中,我们认为应该尽量不选用隔膜阀,其理由是隔膜是一个极不可靠的零件,使其隔膜阀也成为了可靠性差的产品。(2)调节阀的口径计算调节阀的口径选择时由调节阀流量系数C值决定的。流量系数C的定义为:在给定的开度下,当调节阀两端压差为0.1MPa,流体密度1g/cm3

25、时,流经调节阀流体的体积流量数即位在该开度下流量系数,其单位为3m/h。同理,在上述条件下,在调节阀最大开度下流经调节阀流体的体积流量数即为最大开度下的流量系数。该流量系数即为该调节阀的额定流量系数。由制造厂作为调节阀的基本参数提供给用户。调节阀系数C表示调节阀容量的大小,是一个表示调节阀流通能力的参数。因此,调节阀流量系数C又称为调节阀的流通能力。从调节阀的流量系数C的具体计算到阀的口径确定,一般需经以下步骤:1) 最大体积流量或质量流量2) 正常体积流量或质量流量3) 正常情况下调节阀上的压降4) 阀前压力5) 正常情况下的阀阻比6) 液体密度7) 液体的运动粘度8) 介质临界压力9) 阀

26、入口温度下介质饱和蒸汽压力10) 阀上游管道直径和阀下游管道直径调节阀计算原始数据位号:LRC105工作介质:脱盐水 单座阀: 操作温度:32 工况密度:956.45Kg/m3阀前压力:0.8MPa 工况粘度:19910-6 Pa.S阀后压力:0.7MPa 最大流量:7800 kg/h管道内径:80mm 饱和蒸汽压力P=0.016MPa 调节阀的流量系数kv,是调节阀的重要参数,它反映调节阀通过流体的能力,也就是调节阀的容量。根据调节阀流量系数kv的计算,就可以确定选择调节阀的口径。为了正确选择调节阀的口径,必须正确计算出调节阀的额定流量系数kv值。调节阀额定流量系数kv的定义如下,在规定条件

27、下,即阀的两端压差为10pa,流体的密度为1g/cm,额定型城市流经调节阀以m/h或t/h的流量数。 选定调节阀的类型并以此查表得到压力恢复系数,根据已知条件可选但做法,压力恢复系数=0.90;判别式:P()经此判断此液体为非阻塞流体计算公式:Kv =式中:压力恢复系数 流体临界压力比系数,0.960.28=0.68 阀入口温度下,介质的饱和蒸汽压(绝对压力),kPa 流体热力学临界压力(绝对压力),kPa 液体流量 液体密度 阀前压力(绝对压力)kPa 阀后压力(绝对压力)kPa计算出Kv后,通过查表就可求出调节阀的口,也可通过: 式中: Q流体体积流量被测介质工况密度根据需要对C值进行雷诺

28、数修正计算调节阀雷诺系数:式中: Q-液体体积流量V-运动粘度由,则结论:选定单座阀(JP),取为选定口径245mm,非阻塞工况,不作噪声预估,气开阀。第4章 课程设计心得通过自动控制原理课程设计,加强了我们动手、思考和解决问题的能力。我觉得做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强,由于课本上的知识太多,平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个原理的功能,而且考试内容有限,所以在这次课程设计过程中,我们了解了很多原理的功能。平时看课本时,有时问题老是弄不懂,做完课程设计,那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。认识来源于实践,实践是认识的动力和最终目的,实践是检验真理的唯一标准。所以这个

29、期末的课程设计对我们的作用是非常大的。我想说,设计确实有些困难,但苦中也有乐,在如今单一的理论学习中,很少有机会能有实践的机会。也许有人不喜欢这类的工作,也许有人认为设计的工作有些枯燥,但我认为无论干什么,只要认真去做,一定会有好结果的。对我们而言,知识上的收获重要,精神上的丰收更加可喜。挫折是一份财富,经历是一份拥有。虽然不是第一次做课程设计了,但是设计的过程中遇到问题,可以说得是困难重重,难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固。这次课程设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多专业知识问题,通过这次课程设计使我懂得了

30、理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。参考文献1 史国生. 电气控制与可编程控制器技术M. 北京:化学工业出版社,2004. 2 王永华. 现代电气编程控制技术M. 北京:北京航空航天大学出版社,2002.3 邓则名. 电器与可编程控制器应用技术M. 北京:机械工业出版社,1997. 4 徐世许. 可编程序控制器原理M. 合肥:中国科学技术大学出版社,2001.5 廖晓钟. 自动控制系统M. 北京:北京理工大学出版社,2005.附录STARTbit01H Mi

31、nSpd EQU 9 MaxSpdEQU 75 Speed DATA 23H ORG 0000HLJMP DJSDORG 0010HLJMP MAINORG 0030HMAIN: MOVSPEED,#MinSpd m_NEXT1:MOV A,SpeedMOV B,#10DIV ABCMP A,#0 JE DISPS0CMP A,#1JE DISPS1CMP A,#2JE DISPS2CMP A,#3JE DISPS3CMP A,#4JE DISPS4CMP A,#5JE DISPS5CMP A,#6JE DISPS6CMP A,#7JE DISPS7CMP A,#8JE DISPG1CMP B

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35、10111Bd_Next2:MOV A,DjCountRL AMOV DjCount,A ANL P2,APOP PSWPOP ACCRETI18东北石油大学课程设计成绩评价表课程名称自控工程课程设计题目名称化肥厂水处理控制系统设计学生姓名学号1106011401指导教师姓名职称教授教授序号评价项目指 标满分评分1工作量、工作态度和出勤率按期圆满的完成了规定的任务,难易程度和工作量符合教学要求,工作努力,遵守纪律,出勤率高,工作作风严谨,善于与他人合作。202课程设计质量课程设计选题合理,计算过程简练准确,分析问题思路清晰,结构严谨,文理通顺,撰写规范,图表完备正确。453创新工作中有创新意识,对前人工作有一些改进或有一定应用价值。54答辩能正确回答指导教师所提出的问题。30总分评语:指导教师: 年 月 日

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