环境工程仪表与自动化控制.doc

.自动控制系统：在人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置使整个生产过程或工作机械（被控对象）自动地按预定规律运行，或使其某个参数（被控量）按预定要求变化。控制对象：在生产过程中被控制的反应构筑物或生产设备，可指各种装置、设备、反应器，或反应系统中某一相关部分。被控量：被控参数y：按工艺要求对某些参数进行调节控制。调节器输出：按照工艺规律，按一定控制算法，得到的控制调节作用的电信号或其他信号。干扰f：破坏系统平衡，引起被控参数变化的外界因素。.传感器：直接感受被测参数变化的装置。 .变送器：将感应信号变为标准信号的原件或装置 。方框图：控制系统的元件作用图。图中每一个方框表示组成系统的一个部分（如元件或设备），称之为环节，用带箭头的直线表示信号的相互联系和传递方向。组成：测量元件、比较元件、调节元件自动控制系统的分类：1 闭环控制2 开环控制a按给定值控制b按干扰补偿3 复合控制闭环特点：据被控量与给定值的偏差进行控制，最终达到消除或减少偏差；闭环；反馈控制。开环特点：受控对象是被控量，但控制装置仅接受给定值，信号只有倾向作用，无反向联系。传递函数：一个环节或一个自动控制系统输出拉氏变换与输入拉氏变换之比，称为该系统或该环节的传递函数。过渡过程：系统在动态过程中被控量不断变化，这种随时间而变化的过程称为自动控制系统的过渡过程。稳定的过度过程：(a)单调过程：这是一种非周期过程，被控变量在某一侧偏离给定值后经过相当的时间又慢慢地接近给定值。(b)衰减振荡过程：被控变量在给定值附近上下波动但振幅逐渐减小，最终能回到给定值。不稳定的过渡过程：（c)等幅振荡过程：被控变量在给定值附近上下波动且振幅不变，最终也不能回到给定值。(d)发散振荡过程：被控变量在给定值附近来回波动，且振幅逐渐变大，偏离给定值越来越远。(e)非周期发散过程：被控变量在给定值的某一侧，逐渐偏离给定值，而且随时间t的变化，偏差越来越大，永远回不到给定值。过渡过程的5个品质指标：（1）最大偏差A：被控参数测量值与给定值的最大差值，最大偏差不能超过允许范围，希望最大偏差尽量小。第一峰值与新稳定值的偏差又称超调量B。 （2）过渡时间ts：从干扰到建立新平衡所经历的时间ts过渡时间越短，稳定过程越快，控制质量越高。（3）余差C：控制调节时间结束，被控参数新的稳定值与给定值的偏差，余差的大小反应了控制系统的控制精度。（4）衰减比：相邻两个波峰值的比值，B：B ，定值系统低一些，随动系统高一些，一般4:110:1。（5）振荡周期Tp：相邻两个波峰值之间的时间成为过渡过程振荡周期，倒数为振荡频率，周期与过渡时间成正比。传感器作用：感受被检测参数的变化，直接从对象中提取被检测参数的信息，并转换成一相应的输出信号。变换器作用：将传感器的输出信号进行远距离传送、放大、线性化或转变成统一的信号，供给显示器。仪表的性能指标1）仪表的量程2）绝对误差3）相对误差4）引用误差5）精度等级6）灵敏度（7）分辨率（8）有效度（9）响应时间pH测量原理电极电位法的原理是用两个电极插在被测量溶液中，其中一个电极为指示电极(如玻璃PH电极)，它的输出电位随被测溶液中的氢离子活度变化而变化；另一个电极为参比电极（例如氯化银电极)，其电位是固定不变的.这两个电极在溶液中构成了一个原电池，该电池所产生的电动势E的大小与溶液的pH值有关，可用下式表示： E=E*D*PH式中 E 测量电池产生的电动势；E*测量电池的电动势常数(与温度有关)pH溶液的pH值；D测量电极的响应极差(与温度有关)。因此，若已知E*和D，则只要准确地测量两个电极间的电动势，就可以测得溶液的pH值了。电导率检测仪表原理:对于特定的电导仪，有确定的电极常数Q。根据此电极常数Q和在此条件下测得的溶液的电导S便可算出溶液的电导率k。K=SL/ASQ溶解氧检测仪表原理（1）氧电极法:氧电极对氧活度的测定是基于电流的测量。包含一个阴极与一个阳极的氧电极由一种电解质传导连接。加在阳极与阴极之间的适宜的极化电位在阴极上选择性地将氧还原。阴极：O2+2H2O+4e = 4OH阳极: 4Ag+4C1 = 4AgC1+4e化学反应产生一个与氧浓度成正比的电流。（2）实验室溶解氧分析：碘量法（硫酸锰和碱性碘化钾）（3）电导测定法用非导电的金属铊或其他化合物与水中溶解的氧反应生成能导电的离子Tl。2Tl + 0.5O2+H2O= 2Tl 2OH通过测定水样电导率的增量，可求得溶解氧的浓度。实验表明：每增加0.035S/cm的电导率相当于1ml/L的溶解氧。浊度检测仪表原理:目前各种类型的浊度仪，全是利用光电光度法原理制成的。悬浊液体是光学不均匀性很显著的分散物质。当光线通过这种液体时，会在光学分界面上产生吸收、反射、散射等光学现象。由于这些光学现象，当射入试样水的光束强度固定时，透过水样后的光束强度或散射光的强度将与悬浊物的成分、浓度等形成函数关系。根据比尔朗伯定律和雷莱方程式，可提出如下的函数式：通过光电效应又可将光束强度转换为电流的大小，用以反映浊度。这就是当前各类浊度仪的基本工作原理。BOD检测仪表:（1）五天培养法：水样经稀释后，在（201）条件下培养五天，求出培养前后水样中溶解氧含量，二者的差值记为BOD5。（2）检压法：将水样置于装有一个有CO2吸收剂小池的密闭培养瓶中，当水样中的有机物被微生物氧化分解时，消耗的溶解氧则由气体管中的氧气补充，产生的CO2又被吸收池中的吸收剂吸收，结果导致密闭系统内的压力降低，用压力计测出的压力降低值来求出水样的BOD（3）检压库仑法：装在培养瓶中的水样用电磁搅拌器进行搅拌，微生物降解消耗溶解氧，培养瓶内空间中的氧溶解进入水样，生成的二氧化碳从水中逸出被置于瓶内的吸附剂吸收，使瓶内的氧分压和总气压下降，电极式压力计检出下降量，并转换成电信号，自动控制电解产生氧气供给培养瓶，待瓶内气压回升至原压力时，继电器断开，电解电极停止工作，一直使培养瓶内空间始终保持恒压状态。根据法拉第定律，由恒电流电解所消耗的电量便可计算耗氧量。仪器能自动显示测定结果，记录生化需氧量曲线。（4）微生物电极法：当将电极插入恒温、溶解氧浓度一定的不含BOD物质的底液时，微生物电极输入一稳态电流；如果底液中加入了BOD物质，则电极输出的电流值不恒定，而是在几分钟内逐渐减小至新的稳定值。在适宜的BOD物质浓度范围内，电极输出电流降低值与BOD物质浓度之间呈线性关系，因此可算出BOD值。COD：氧化1L水样中还原性物质所需氧化物质的量COD检测方法：（1）重铬酸钾法CODCr（2）酸性高锰酸钾法CODMn（3）其他方法有1）密封管法2）比色法3）氧化还原电位滴定法：4）恒电流库仑分析法紫外（UV）吸收检测仪表测定方法：分光光度法是选一定波长的光照射被测物质溶液，测量其吸光度，再依据吸光度计算出被测组分的含量。2依据理论：朗伯比尔定律：指当一束平行单色光通过均匀、非散射的稀溶液时，溶液对光的吸收程度与溶液的浓度及液层厚度的乘积成正比，即：A=KCL总有机碳（TOC）检测仪表测定方法及基本原理：1方法：燃烧氧化非分散红外吸收法。2原理：将一定量水样注入高温炉内的石英管，在900950温度下，以铂和三氧化二铬为催化剂，使有机物燃烧裂解转化为CO2，然后用红外线气体分析仪测定CO2含量，从而确定水样中碳的含量（TC）。总需氧量是指水中能被氧化的物质，主要是有机物质在燃烧中变成稳定的氧化物时所需要的氧量余氯在线检测仪表原理 a.测量原理：比色法和电极法1比色法（邻联甲苯胺DPD），0-5mg/L，与标准方法一致，无需校准，维护量小，可以测量余氯和总氯，只须每个月更换一次试剂，不受pH影响，反应时间较慢；测量总氯时需要加入碘化钾。2电极法，测量范围比较宽：0-60mg/L，更适用于污水消毒，需要校准, 受pH影响,维护量较大,反应时间较快,部分产品不能测量总氯。 流量检测仪表：1节流流量计：原理：利用节流装置前后的压差与平均流速或流量的关系，根据压差测量值计算出流量的。2容积流量计原理：使流体充满具有一定体积的空间，然后把这部分流体送到流出口排出类似于用翻斗测量液体的体积。3面积流景计工作原理：利用浮子在流体中的位置确定流量，当浮子在上升水流中处于静止状态时其位置与流量存在关系。4叶轮流量计原理：置于流体中的叶轮是按与流速成正比的角速度旋转的。流速可由叶轮旋转的角速度获得，而流体通过流量计的体积将从叶轮旋转次数求得。5电磁流量计6超声波流量计7量热式流量计8毕托管9层流流量计10动压流量计11用堰、槽测量流量12质量流量计13流体振动流量计14激光多普勒流速计15标记法测流量PLC即可编程控制器，是指以计算机技术为基础的新型工业控制装置PLC的特点：可靠、安全、灵活、方便、经济PLC的工作原理：（1）扫描工作原理：用扫描工作方式分时操作逐条执行用户程序（串行工作），但CPU运行速度很快，宏观来看几乎是同时完成。（2）扫描工作过程：扫描工作过程包括：内部处理、通信服务、输入采样、执行程序、输出刷新等五个阶段。（3） 执行程序过程：输入采样到映像寄存器中；按顺序执行应用程序；输出刷新。 给水泵与给水管道：(1)城市供水系统(2)城市雨水、污水排水系统(3)小区、建筑的给水系统(4)小区、建筑的排水系统调节内容：(1)对水泵的开停双位控制：按照液位(或压力值)、流量等参数的要求，改变每台水泵的开、停状态或改变水泵的运行台数。(2)对水泵工作点的调节控制：按照液位(或压力)、流量等参数的要求，改变水泵的工作点。控制是按流量和压力控制，实现恒压或恒流控制，恒流属于一级泵站保证取水流量恒定，恒压属于二级泵站保证用户水压恒定。双位控制的特点：高效节能、用水压力恒定、延长设备使用寿命、功能齐全恒压给水：1）双位控制系统：按水位(水压)的高低两个界限值控制给水泵的开停。当高低水位相差不大、水压波动较小时，可近似看作恒压给水系统，如前述的高位水箱给水系统以及气压给水系统。2）定值控制给水系统：按某一压力控制点的水压目标值进行调节控制。可以采用变频调速等技术，改变水泵特性，对水泵工况连续调节，将水压控制在很小的波动范围内。给水处理工艺流程：原水预处理控制、混凝控制、沉淀控制、过滤控制、加氯控制混凝控制的方法和特点：经验目测法：可靠性较低。常采用过量投药的方法，但药量浪费大，水质保证率也不高。烧杯试验法：缺点：生产反应池与试验的烧杯的几何相似性有待研究。另外，还存在结果的不连续性及滞后性问题。优点：在评价混凝剂性能、混凝剂品种筛选、混凝条件选择等方面，烧杯试验是一种很有效的手段模拟滤池法：优缺点：几何相似性问题和结果的滞后性问题。但是，该系统设备简单，易于实现，是一种简易的投药自动控制方案。数学模型法胶体电荷控制法混凝加药智能复合控制技术：1经验法：主观性强2模拟过滤或沉淀法：1015min滞后，浊度变化大时精度差3数学模型：模型的修正、药剂的变化、处理要求的变化、仪表多可靠性差4透光脉动：适用高浊度原水5流动电流：抓住实质，但仍然需要改进沉淀池控制的基本内容就是根据池内积泥量的多少，来决定排泥周期、排泥历时等等。注：积泥量可以用污泥界面计测量池内泥位确定，或者按进出水浊度计算确定、或者按经验确定。滤池的自动控制基本上包括过滤、反冲洗两个方面，其中以反冲洗为主。注：反冲洗开始有下列方式判断：(1)滤后水浊度监控(2)滤池水头损失监控(3)定时控制。反冲洗结束有下列方式判断：(1)反冲洗水浊度监控。(2)定时控制。机电自动控制系统：(1)自动控制方式(2)定时控制方式(3)手动控制方式：氯气自动投加氯气投加分为前加氯和后加氯 氯气投加方式可分为正压投加和负压投加真空加氯机加氯系统由气液分离器、真空调节器、加氯机、取样泵、余氯分析仪、水射器、漏氯检测仪等组成氯气投加的自动控制按控制系统的形式划分为：(1)流量比例前馈控制(2)余氯反馈控制(3)复合环控制(4)其它控制方式：如以PH值和氧化还原电势为参数进行控制等。前加氯系统：采用流量比例前馈控制，以原水流量进行比例投加，投加量Y=1000KQ后加氯系统：采用投氯后水余氯简单反馈控制、复合环控制等方式。污水处理厂的检测项目1 流量与其它有关量：(1)各处理设施的进水流量(2)沉砂池水位(3)沉砂量、筛渣量(4)初次沉淀池的排泥量(5)供气量，气水比，单位曝气池容积的供气量(6)回流污泥量，回流比(7)剩余污泥量(8)浓缩污泥量(9)消化气产量、循环气量(10)投药量(混凝剂等)、投药率(11)滤饼或脱水污泥重量(12)其它杂用水量(13)各种设施与设备的耗电量(14)燃料用量(15)焚烧的灰分量2污水与污泥：水温、外观、浊度、臭味、pH、SS、VSS、溶解性物质、DO、BOD、COD、NH4+-N、NO3-N、有机氮、总磷、CI、各种毒物、大肠杆菌、30分钟污泥沉降比、微生相污水厂检测的取样：(1)常规定时取样(每日常规检测)(2)非常规定时取样(适当日全面检测)(3)整日连续取样(4)短时间内取混合试样污水厂取样位置：(1)沉砂池(进入处理厂的污水)(2)初次沉淀池入口(进入初次沉淀池污水)(3)初次沉淀池出口(经沉淀的污水)(4)曝气池内(活性污泥混合液ML)(5)回流污泥泵(回流污泥)(6)二沉池出口或排放口(处理水)(7)初沉池的排泥管或泵(初沉池污泥)(8)浓缩池、消化池、投药池(各设施的排泥、排水和上清液)(9)脱水设备(脱水滤饼、脱水滤液、滤布冲洗水)流量检测仪表设备主要有：堰板、文丘里管、喷嘴、孔板流量计、转子流量汁、靶式流量计、容积式流量计、涡轮式流量计、冲量式流量计、管式流量计、巴氏计量槽、PB计量槽、电磁流量计、超声波流量计等。堰板式流量计常用于各并联处理设施流量的检测，以便使流量均匀分配；巴氏计量槽主要设置在最终出水的管渠中，检测总出水流量。PID图：工艺人员与自控设计人员共同研究确定工程控制方案，最终形成PID图。PID组成：图形符号、字母代号、仪表位号及各种信号连线组成。监视控制方式：1个别监视操作方式2 集中监视个别操作方式3 集中监视控制（操作方式4 分区监视分散控制方式5 集中监视分散控制方式6 集中管理分区监视分散控制方式。注意事项：1处理厂规模2处理厂工艺布置3工艺流程4扩建可能性5管理体制6经济因素生物除磷机理：在厌氧好氧条件 下培养出的聚磷微生物，在经过厌氧段的释磷后，能够在好氧段超其 生理需要的吸收磷，并将其以聚合磷的形式储存在体内，形成聚磷污 泥，并最终通过污泥的排放达到从污水中除磷的目的厌氧消化特点：优点：处理高浓度慢速降解有机物；污泥产量低；可产生有价值的中间产物；可回收能源。缺点：污泥生长速率慢；厌氧系统中微生物对环境高度敏感；厌氧过程复杂。污水处理厂处理流程：一、污水预处理设二、初次沉淀池三、曝气池四、二次沉淀池五、加氯消毒混合池六、污泥浓缩池七、厌氧消化池八、污泥脱水预处理设施九、脱水机污水处理厂处理工艺：一、污水预处理设施1 进水闸门的控制：通过控制进水闸门的开闭来控制沉砂池的运行数目2 除渣机的控制：粗隔栅一般手动控制，细隔栅一般用自动定时器进行间歇运转控制，雨水沉砂池前的除渣，一般与雨水泵的运行联动来自动除渣是常见的方式。3 除砂机的控制：一般都用定时器进行自动控制，起吊式除砂机除外。二、初次沉淀池1刮泥机连续运行，链带式刮泥机，可用定时器进行间歇运行。除沫设备一般定时间歇自动控制。2排泥泵的常用控制方法包括，(1)靠定时器来控制其开闭，(2)联用定时器与流量计进行控制。三、曝气池：1 供气量的控制：控制鼓风机时可分为定供气量控制、与流入污水量成比例控制、DO控制等。在实施这些控制时，通过曝气池不同部件的空气量调节阀，进行供气量分配的控制。2 回流污泥量控制(1)定回流污泥量控制:不考虑进水负荷的变化，按一定的流量控制污泥回流(2)与进水量成比例控制:按与进水流量成一定比例来控制回流污泥量（3)定MLSS浓度控制：使MLSS浓度尽可能维持等于某一最优MLSS浓度的控制（4)定FM控制：使F(有机物量)和M(微生物量)的比值保持在适宜的BODMLSS负荷范围内的控制方法。四、二次沉淀池：1 定污泥排放量控制2 间歇定时排泥控制3 定污泥龄控制4 随机排泥控制。五：加氯消毒混合池：主要是氯投加量的控制，一般按与处理流量成一定比率投加氯，为了投加合适的氯量，在加氮消毒混合池出水口处设置余氯检查仪。六：污泥浓缩池：主要指排放浓缩污泥的控制，控制方法主要有：(1)用计时器控制排泥泵2)用计时器和预置计数器控制每日排出一定量的浓缩污泥；(3)用计时器控制排泥泵的启动，用污泥浓度计检测污泥浓度降低至某一设定浓度时停泵；(4)用计时器控制泵的启动，用污泥浓度计、流量计和预置计数器控制每次都排出一定量的固形物时停泵。七：厌氧消化池：1 污泥投配与排出的控制：一般用水位计、流量计与顺序控制器组合的系统，对向消化池投加生污泥、向二级消化池投配熟污泥、排除上清液和排出消化后的熟污泥等，都采用定容积流量控制2 搅拌控制：可分为机械搅拌方式与消化气搅拌方式3 温度控制：有热交换式和蒸气直接加热式两种。八、污泥脱水预处理设施：是为了改善污泥脱水性能，提高脱水设备的处理能力。向污泥中投加混凝剂和助凝剂的化学调节法是最常用的方法。1 药品溶解控制2 投药量控制3 投加污泥控制。九、脱水机1 真空滤机的控制：一般通过检测转筒中的污泥量和调节进泥管上的闸阀进行控制。2 压滤机的控制：基本上是顺序计时器控制。需要控制的因素是过滤和压滤时间生物脱氮系统的控制和优化：一、曝气量和DO浓度的控制：1(1)硝化反应：增加DO可增加硝化速率(2)反硝化反应：反硝化需在缺氧条件下进行，增加DO不利于反硝化3）生物除磷（5）COD去除主要在缺氧反硝化和好氧阶段（6）微生物生长与沉淀性能：溶解氧浓度和好氧池的HRT对污泥沉淀性能和微生物种群存在影响（7）运行费用：在满足硝化要求的条件下，尽可能降低曝气量。2 在满足硝化水平的情况下，尽可能降低曝气量。二、内循环回流量的控制1 内循环回流量对系统的影响(1)硝化反应：影响很小(2)反硝化反应：回流量过大或过小都不利于反硝化(3)生物除磷：硝酸氮进入厌氧区对除磷不利(4)污泥种群和污泥沉淀性：对种群无影响，但回流量大有利于提高污泥的沉降性能。（5）运行费用： 提高回流比会增加运行费用,一般控制缺氧池末端硝酸盐13mg/L