农村模块化净水器自控系统配置

窦雪梅

天津市兴源环境技术工程有限公司 300384

摘 要 : 分析农村模块化净水器水处理工艺；以净水器系统及控制应用实例为背景，分析介绍如何根据设备的工作特点进行合理的项目配置，以及仪器仪表的具体选型方法等。

关键字： 饮用水除氟；液位计；变频器；触摸屏； PLC

水是生命之源，获得安全饮用水是人类生存的基本需求。由于我国人口众多、水资源短缺、经济和社会发展不平衡，农村供水总体水平不高，饮水安全形势严峻。党中央、国务院高度重视农村饮水工作。 我国含氟地下水分部广泛。氟是人体必须的微量元素之一，饮用水适宜的氟质量浓度为 0.5 ～ 1mg/L 。当饮用水中氟含量不足时，易患龋齿病；但若长期饮用氟水质量浓度高于 1mg/L 的水，则会引起氟斑牙病；长期饮用氟质量浓度为 3 ～ 6mg/L 的水会引起氟骨病。

•  工艺流程

我公司生产的农村模块化净水器采用传统的混凝吸附加最新的膜分离法进行除氟。整套装置分为预处理和膜分离两部分组成。原水与进水管道投加的硫酸铝混合后，在预处理经由三级搅拌器搅拌，达到最佳混凝吸附效果。混凝吸附后水进入斜管沉淀完成固液分离，然后又进水泵将水打入膜分离模块进行过滤。膜分离模块产水进入清水池储存备用。

2 、控制系统设计

该设备控制系统虽然规模不大，但要求高性价比。所以该系统设计要求综合考虑选型、方案、制作、施工、维护的问题，以设计为中心，充分考虑设备选型、系统配置问题，设计出既经济适用又安全可靠的控制系统。该项目选用以 PLC 为核心控制器的控制系统设计。

2.1 系统设计分析

2.1.1 主要控制设备表

主控设备表

2.1.2 I/O 控制点数统计

⑴ 数字量输入（ DI ）： 28 点

⑵ 数字量输出（ DO ）： 24 点

⑶ 模拟量输入（ AI ）： 2 点

⑷ 模拟量输出（ AO ）： 1 点

2.2 控制系统配置

该控制系统特点是， I/O 点数不多，而且比较集中，采集数据不多，无需要长期储存数据；所以该系统选用在控制柜上安装触摸屏作为人机接口，而不必配置工控机作为上位机。控制系统主要包括三部分：触摸屏， PLC 控制器，现场仪表。触摸屏作为操作面板，不仅可以完全取代开关按钮、指示灯等器件，使控制柜面板更整洁；而且还可实现系统设置，参数修改，报警记录等功能。 PLC 作为核心控制器，对采集的实时数据按照程序进行计算处理，并输出到各控制设备。现场仪表主要完成现场数据采集工作。

2.2.1 PLC 选型

PLC 选用松下 FP0 系列 , 它的特点是外形小巧精致，高度兼容性，不需要控制电缆可方便扩充到 128 点，而且整套 PLC 宽度只有 105 毫米。价格也比较经济，非常适用于小型控制系统。整套系统 PLC 配置如下表：

PLC 配置表

2.2.1 触摸屏选型

触摸屏配套选择松下产品。松下触摸屏具有超薄机身且功能强大的优点。具有高速处理器，高对比度，高亮度的 TFT 显示器，而且支持 256 色真彩。这里我们选择松下 GT 系列触摸屏 , 选择它与松下 FP0 系列 PLC 配套使用，不仅经济实惠，而且通讯很方便。在线调试或监控程序运行时，只需将计算机的通讯线连接至触摸屏就可以，也就是说松下触摸屏与 PLC 配套使用时，可以达到计算机穿越触摸屏与 PLC 通信效果。

3 、仪表选择

控制仪表是实现过程自动化的重要技术工具。在自动控制系统中，仪表将被控参数转换成测量信号后，送至控制单元，以便控制过程正常进行，使被控制参数达到预期的要求。选择仪表除应充分考虑被测对象的特点以及环境影响外，还要考虑经济合理性。此模块化控制器仪表主要包括液位计、流量计、压力变送器。

3.1 液位计选择

液位计是水处理项目中最重要的测量信号之一，它的准确与否直接影响整个系统的正常运行。常用液位计主要有以下几种：

⑴ 浮球式液位计 测量精度一般为±（ 1 ～ 2 ）％，输出端主要是开关量控制。不适用于高年度液体。价格便宜，但容易损坏。

⑵ 静压式液位计 测量精度为±（ 0.5 ～ 2 ）％。由于液柱的静压与液位成正比，因此利用压力表测量的基准满面上液柱的静压就可测得液位。根据被测介质的密度及液体测量范围计算出压力或压差范围，在选用量程、精确度等性能合适的压力表或压差表。

⑶ 超声波液位计 测量精度为± 0.5 ％。这种液位计无机械可动部分，可靠性高、安装简单、方便，属于非接触测量，且不受介质的密度、粘稠度影响。因此多用于药池、药罐、排泥水池等液位的测量。但是价格比较贵，而且有一定测量盲区，所以在小型的控制系统中应用比不广泛。

⑷ 电容式液位计 测量精度为±（ 0.5 ～ 1.5 ）％。电容式液位计也称为针式液位计，它的主要优点为： 传感器无机械可动部分，结构简单、可靠；精确度高；检测端消耗电能小，动态响应快；维护方便，寿命长。缺点是被测液体的介电常数不稳定会引起误差。电容式液位计一般用于调节池、清水池等的液位测量。当测量范围不超过 2m 时，采用棒状、板状、同轴电极；当超过 2m 时，采用缆式电极。当被测介质为水时，采用带绝缘层（可用聚乙烯）的电极。

综合以上各种液位计的优缺点我们选用电容式液位计作为系统的液位控制器。用的最多的为欧姆龙的电极式液位控制器。

3.2 流量计选择

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：

•  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。

•  流量计本身的压力损失要小

•  根据行业要求，流量计的准确度应不低于 2.5 级。

•  安装现场条件应满足所选流量计对直管段的要求。

•  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。

•  所选流量计应能适用于待测的液体介质。

目前，在水处理工程设计中，采用最多的是电磁流量计和超声流量计。

a. 电磁流量计
电磁流量计的原理是应用法拉弟电磁感应定律，由传感器和转换器组成。在测量中，液体本身为导体，磁场通过安装在管路中的两个线圈产生。线圈由交流或直流电源励磁，磁场作用于管道内流动的液体，在管道中产生一个与被测流体平均流速 V 相对应的电压，且该电压与流体的流速分布无关。与管道绝缘的两个电极监测液体的感应电压。磁场方向、流体流向及两个检测电极的相对位置三者互相垂直。
电磁流量计的优点：
(1) 测量不受被测液体的温度、压力或粘度的影响。
(2) 没有压力损失。
(3) 能连续测量，测量精确度高。
(4) 口径范围和测量范围大，测量范围连续可调。
(5) 与流速分布无关。
(6) 前后直管段较短，前置直管段为 5D(D 为仪表的直径 ) ，后置直管段为 3D 。
(7) 稳定性好，输出为标准化信号，可方便地进入自控系统。
(8) 变送器导管内壁有衬里材料，具备良好的耐腐、耐磨性。
(9) 转换器体积小，消耗功率小，抗干扰性能强，便于现场观察

b. 超声流量计
　　 最近十几年来，由于电子技术的发展，超声流量计才得以应用于流量测量。利用超声流量计进行测量的方法有很多种，其中较为典型的是时差法和多普勒法。净水厂多选用时差法流量计，其方法是在测量管道上安装两个换能器，因顺流与逆流流速差别的影响，测量从发射到接收而产生的时间差，据此测出流速。

超声流量计的主要优点：

(1) 安装维护方便。随着夹装式传感器的广泛使用，在安装和维护超声流量计时不需在管道上打孔或切断流量，就可在已存在的应用场合很方便地进行安装，尤其适用于大口径管道检测系统。

(2) 口径范围大，且价格不受管径影响。

(3) 测量可靠性高。

(4) 无压力损失。

(5) 不受流体参数影响。

(6) 输出标准化直流信号，可方便地进入自控系统。
　　 选用超声流量计要特别注意传感器的安装误差、管道内壁结垢、防腐层均匀与否，这些因素对测量结果影响很大。另据超声流量计的测量原理，只有流速分布均匀时才能保证测量的精确度，所以在流量计的上下游要有足够的直管段，参考各种资料及流量计的使用手册，要求上游最少不小于 10D ，下游大于 5D 。

我们设计的净水器控制系统选用的流量计用于测量出水流量，并将此数值反馈给出水泵变频器，实现系统的恒流量出水。我们一般选用天津仪表集团生产的电磁流量计。

3.3 、压力变送器选择

此系统压力变送器用于测量系统的供水泵的出口压力，将其数值反馈给供水泵变频器，从而实现恒压供水。现在市场上可买到变送器品牌众多。我们一般选用川仪或悉特的传感器，这两家生产的压力变送器都比较可靠。

4 、结束语

在自动化工程项目中，系统设计方案是整个工程的灵魂。好的设计方案要求有合理的配置选型，规范的设计，先进的控制方案。此系统配置是以综合成本为中心的控制系统配置方案。此方案已成功应用于我公司做的天津市静海县朱家村项目与唐山市陈虎头村农村饮用水两个工程项目。

参考文献

杨祖萍 . 自动化仪表在水处理系统中的应用 . 工控通讯， 2006 ， 6 、 16

黄正慧，刘朝英，齐树兴 . 过程控制系统工程设计 . 科学出版社 . 1995 年 10 月

作者简介：

窦雪梅

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