水工程仪表与控制

给排水工程仪表与控制

※第一章

1、自动控制：人不直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（机械的、电子的、电气的、光学的装置等），使生产过程或工作机械（称被控对象）自动地按预定规律运行，或使其某个参数（称被控量）按预定要求变化。

2、（习题2自动控制系统有哪些组成部分？各部分的作用是什么？）

自动控制装置包括：测量元件、比较元件、调节元件、执行元件。

①测量元件：测量被控量的实际值或对被控量进行物理量的变换。

②比较元件：将测量结果和要求的值进行比较，得到偏差。

③调节元件：根据偏差的大小产生控制信号，调节元件通常包括有放大器和矫正装置，它能放大偏差信号产生控制作用，从而使被控量达到要求值。

④执行元件：由控制信号产生控制作用，从而使被控量达到要求值。

3、自动控制系统的主要特点：

①从信号传送来看，输出量经测量后回送到输入端，回送的信号使信号回路闭合，构成闭环，此回送过程成为反馈，反馈连接方式是负反馈。由负反馈构成闭环式这种控制系统的结构特点。

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②从控制作用的产生来看，它是由偏差引起，偏差产生的控制作用使系统沿减少或消除偏差的方向运动，由偏差产生的控制作用叫做偏差控制。

具有上述两个特点的自动控制系统叫做反馈控制系统、闭环控制系统或偏差控制系统。这一系列的工作原理叫做反馈控制原理。

4、（习题3自动控制系统有哪些形式？）

控制系统从信息传送的特点或系统的结构特点来看可分为开环控制系统和闭环控制系统，以及同时具有开环结构和闭环结构的复合控制系统。

闭环控制：三大特点----封闭的、负反馈和按偏差控制。

主要优缺点----控制精确度高、抗干扰能力强。使用的元件多，线路复杂，系统的分析和设计都比较麻烦

开环控制：包括①按给定值控制；②按干扰补偿。

控制精度低、抗干扰能力差；结构简单、成本低；

复合控制：按偏差控制与按干扰控制结合起来，对主要扰动采用适当的补偿，实现按干扰控制；同时，再组成反馈系统实现按偏差控制，以消除其他偏差的控制方式。

综上，自动控制系统是由控制器和受控对象组成的，其任务是使被控量自动跟随指令信号变化；实现方式是闭环控制、开环控制和复合控制；控制器的功能是测量、比较放大和执行。

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5、（习题7自控有哪些常用控制方式？）

①位式控制；②比例控制；③比例积分控制；④比例积分微分控制。

※第二章

1、（习题1检测仪表由哪些基本部分组成？各有什么作用？）

检测仪表：是将被检测参数与其单位比较，并得到其量值大小的实验设备或仪器。其组成：

① 传感器：是检测仪表与被测对象直接发生联系的部分。作用：是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。

② 变换器：作用：是将传感器的输出信号进行远距离传送、放大、线性化或转换成统一信号，供给显示器。

③ 显示器：作用：是向观察者显示被检测参数数值的大小。

④ 传输通道：作用：是联系仪表各环节，给各环节的输入与输出信号提供通路。

2、（习题2检测仪表的性能指标是什么？简述重要性能指标）

仪表的性能指标：技术指标、经济指标及使用方面指标。

技术指标：基本误差、精确等级、变差、灵敏度、量程、响应时间、漂移等。

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经济指标：功耗、价格、使用寿命。

使用方面指标：操作、维修、安全运行可靠性、抗干扰与防护能力、重量、体积、自动化程度等。

3、（习题3水质自动监测站点如何选择？）

①大型集中式给水系统上游一定距离处，监测河水水质；②工业废水排出口的下游；

③江河入海口，支流入口；④跨行政边界水体；⑤重要水资源水域或重点水资源保护区。

4、（习题4PH测量的基本方法和原理是什么？）

PH的测量常用电极电位法，该方法是基于两个电极上所发生的化学反应

5、（习题5溶解氧测量的基本方法和原理是什么？）

测量水中溶解氧的方法有碘量法及修正碘量法和氧电极法。清洁水可用碘量法；受污染的地表水和工业废水可采用碘量法或氧电极法。

6、（习题7浊度测量的基本方法和原理是什么？）

目前浊度在线测量都采用光电光度法原理测量，光线通过悬浊液体时，光学界面上会产生反射、折射、漫反射、漫折射等复杂现象。

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7、（习题8BOD测量的基本方法和原理是什么？）

BOD的测定方法有：五天培养法、检压法、库仑法、微生物电极法等。五天培养法为实验室培养法；检压法、库仑法为半自动式，测定时间仍为五天；微生物膜电极为传感器的BOD快速测定仪，可用于自动、间歇测定。

8、（习题9COD测量的基本方法和原理是什么？）

测定COD的方法常用：重铬酸钾法和酸性高锰酸钾法。

9、（余氯测量的基本方法是什么？）

余氯一般采用比色法和电极法进行测量。微量余氯分析仪一般装在标准组合柜内，也可挂墙或盘式安装，主要构成部分有：采水样系统、加试剂系统、测量传感器、微机处理控制器。

10、（习题11流量测量仪表有哪些类型？）

流量测量仪表有：差压流量计、浮子流量计、超声流量计、明渠流量计、电磁流量计。

11、可编程控制器简称PC或PLC。它是在电器控制技术、计算机技术的基础上开发出来的，并逐渐发展为以微处理器为核心，把自动化技术、计算机技术、通信技术融为一体的新型工业控制装置。

12、PLC的特点：①可靠性高、抗干扰能力强；②编程简单、使用方便；③功能完善、通用性强；④设计安装简单、维护方面；⑤体积小、重量轻、能耗低。

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13、（习题14可编程控制器的基本组成？）

硬件：主要由处理器（CPU）、存储器、输入单元、输出单元、通信接口、扩展接口电源等部分组成。其中CPU是PLC的核心，输入单元与输出单元是连接现场输入、输出设备与CPU之间的接口电路，通信接口用于与编程器、上位计算等外设连接。

软件：由系统程序和用户程序组成。

14、（习题15PLC与电器控制系统比较有什么特点？）

PLC控制系统的输入、输出和电器控制系统的输入、输出部分基本相同，但控制部分是采用“可编程”的PLC，而不是实际的继电器线路，方便用户改变程序，具有逻辑运算、数值运算及过程控制等复杂的控制功能。

15、（习题16PLC的性能指标是什么？有哪些发展趋势？）

PLC的性能指标：①存储容量；②I/O点数；③扫描速度；④指令的功能与数量；⑤内部元件的种类与数量；⑥特殊功能单元；⑦可扩展能力。

发展趋势：①向高速度、大容量方向发展；②向超大型、超小型两个方向发展；

③PLC大力开发智能模块，加强联网通信能力；④增强外部故障的检测与处理能力；

⑤编程语言多样化。

16、（习题18往复泵与离心泵的调节特性有什么差别？）

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往复泵流量调节方式：①用旁路阀调节流量；②改变电极转速或行程。

离心泵的调节可以采用变速调节或阀门调节两种方式，变速调节改变水泵的特性曲线，阀门调节则是改变管路特性曲线。

17、（习题21调节阀有哪些常见类型？何为调节阀的理想特性与工作特性？）

类型：按阀体与流通介质的关系可将调节阀分为直通式和隔膜式，前者的阀芯与流通介质直接接触；后者则通过耐腐蚀隔膜与流通介质相接触，更适宜输送含腐蚀性及悬浮颗粒的液体。

按阀门控制信号的种类可分为气动与电动调节阀。

流量特性是调节阀的基本特性，在阀前后压差恒定时得到的流量特性称为理想流量特性。

在实际应用中，阀前后的压差即在调节阀上的压力降都是随流量变化的，此时的流量特性就是工作流量特性。

※第三章

1、（习题1对水泵及管道系统调节的意义是什么？）

采取技术措施，合理地调节水泵、管道系统工况，保证用户的用水要求，并最大限度地节约能耗、降低费用。

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2、（习题3双位控制系统的优缺点有哪些？）

双位控制系统是一种简单、传统的控制方式，采用常规电器设备就可以实现，投资小，应用广泛。然而这种双位控制效益较低，只依两种状态进行开关控制，被控参数波动大。以高位水箱供水系统为例。这种方式的供水水压波动较大，有一部分水头浪费了，从而多能耗；水泵可能会较频繁地开停，也不适合于较大型水泵的运行控制。

3、（习题4水泵的调速技术有哪些？）

水泵的调速方法：①串级调速；②液力耦合器调速；③变频调速。

4、（习题6何为水泵的软启动？）

变频调速特点：是可以实现水泵的“软启动”，水泵从低频电源开始运转，即由低速逐渐升速，直至达到预定工况，而不是按照常规一启动就迅速达到额定转速。

软启动优点：对电网干扰小，无冲击电流，也适合几台泵之间频繁切换。

5、（习题7恒压给水系统的压力控制点有哪些设置方式？各有什么特点？）

恒压给水控制技术包括：①双位控制系统：按水位（水压）的高低两个临界值控制水泵的开停。②定值控制给水系统：按某一压力（水位）控制点的水压（水位）目标值进行调节控制。

※第四章

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1、（习题1混凝控制技术有哪些类型？）

几种典型的混凝控制技术：①经验目测法；②烧杯实验法；③模拟滤池法；④数学模型法；⑤胶体电荷控制法。

2、胶体电荷控制法：混凝剂通常属于电解质类物质，其首要作用是与水中胶体杂质发生电中和，并通过增大水中离子浓度来压缩胶体的双电层，降低ξ电位，从而使胶体杂质脱稳凝聚，进而絮凝。

3、胶体电荷测定的测定技术：①ξ电位法；②胶体滴定法；③流动电流法。

4、（习题4流动电流混凝控制技术有什么特点？其基本组成是什么？）

该法以反映胶体荷电特性的另一参数----流动电流为因子，控制投药。这种方法以胶体电荷为参数，抓住了影响混凝的本质特性；同时，该方法是一种在线连续检测法，易于实现投药量的连续自动控制。

特点：①单因子控制；②小滞后系统；③中间参数控制。

该系统主要由：检测、控制、执行三大部分组成。

5、流动电流与混凝工艺的相关性

利用流动电流原理可以建立简单实用的单因子混凝投药控制系统，其前提是流动电流参数与混凝投药工艺存在一定的相关关系。从水中胶体杂质电中和脱稳凝聚原理出发，理论与实验可以证明这一相关性的存在，主要体现在①流动电流与ξ电位的相关性；②流动电

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流与混凝剂投量的相关性；③流动电流与混凝效果的相关性。

6、（习题6透光率脉动的产生与检测仪的原理是什么？）

透光率脉动检测器是一种在线光学检测装置，但跟其他各种以光阻塞或光散射为基础的检测器有本质的区别。该仪器用透过流动悬浮液的透过光强度的波动状态计算出形成的絮凝体粒径的变化，因而灵敏度高、响应迅速。无论使用何种混凝剂靠何种机理发生混凝，混合絮凝后絮凝体粒径的相对大小只要有所改变，该透光率脉动检测器都可以准确、灵敏地连续响应。

7、（习题9对比分析现有混凝投药控制技术各有什么优缺点？）

①经验目测法正在为各种先进的技术所取代。②烧杯实验法也不适于工业工程的连续控制而只宜作为实验室评价的一种手段。③模拟滤池法在一些水厂获得了成功的应用，但由于有1~5min的滞后时间，只适于一些原水水质较为稳定的水厂；模拟滤池设计的基础是相对性的，还需要进一步研究相似准则以指导实践。④数学模型法是投药控制技术上的一个重要进展。前馈控制数学模型能迅速响应原水水质及水量参数的变化，滞后小，但可靠性差。由前馈模型的精度等因素所遗留的小偏差则可由反馈微调所修正，从而使处理水质稳定，节约药量，但是，这种方法应用复杂。⑤透光率脉动检测技术，虽可以在线检测水中颗粒物质的粒径变化，但目前还未成熟，存在着滞后时间长、原水浊度变化对系统设定值影响较大、与工艺相似性差、系统不稳定等缺点。⑥以胶体电荷为中间参数的各种混凝技术，抓住了影响药耗得最关键的微观本质因素，这是与其他控制技术的根本差别，也是这些技术的生命力所在。这些技术的关键是要解决胶体电荷的在线连续检测问题。

8、（习题11沉淀池控制主要有哪些内容？）

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沉淀池的运行控制，主要是沉淀池排泥控制，其基本内容：是根据池内积泥量的多少，来决定排泥周期、排泥历时。

按采用的监控方法不同，沉淀池排泥控制技术主要有：①按池底积泥积聚程度控制；

②按沉淀池的进水浊度、出水浊度，建立积泥量数学模型，计算积泥量达到一定程度后自动排泥，并决定排泥历时。③根据生产运行经验，确定合理的排泥周期，进行定时排泥。

9、（习题13滤池控制的基本内容是什么？）

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。

控制方案主要解决如何判断反冲洗开始和反冲洗结束。

（1） 反冲洗开始判断方式：①滤后水浊度监控；②滤池水头损失监控；③定时控制。

（2） 反冲洗结束判断方式：①反冲洗水浊度监控；②定时控制。

反冲洗开始与结束的控制方式可以交叉组合应用，也可以将几种方式共同应用，当其中的条件之一达到时，即应该开始或结束反冲洗。

10、氯气投加方式：

正压投加：易泄露，不安全；设备维护量大，控制精确度不高。

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负压投加：不出现泄氯现象，安全性高，控制精确。

11、（习题15氯气的投加控制系统如何组成？有哪些控制形式？）

根据负压投加的原理，氯气投加控制系统如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、露氯检测仪等组成。

氯气投加控制形式：①流量比例前馈控制：控制投加量与水流量成一定比例；

②余氯反馈控制：按照投加后水中的余氯进行反馈控制。

③复合环控制：按照水流量和余氯进行复合控制，或双重余氯串级控制。

④其他控制方式：pH值、氧化还原电势电位、二氧化硫浓度为控制参数进行控制。

12、（习题16供水企业监视控制和数据采集系统的总体结构是什么？）

SCADA系统总体结构包括5个组成部分：公司的控制中心、水厂分控中心、管网测压站、管网加压站、水源井监控站。

13、（习题17供水企业监视控制和数据采集系统各单元检测机控制功能是什么？）

自来水企业的计算机自动化SCADA系统一般由公司生产调度指挥中心、分厂测控站、管网测压点、水源井监控站等组成。它所具有的功能一般包括：数据采集控制功能，数据传输功能，数据显示及分析功能，报警功能，历史数据的存储、检索、查询功能，报表显示及打印功能，遥控功能，网络功能等。

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SCADA系统的基本组成单元是远程测控终端（RTU），它完成对现场数据的采集、传输和对现场设备的控制。

RTU是SCADA系统的基本组成单元，采集、控制和通信是它所具有的基本功能。

※第五章

1、在仪表设备的设计与安装时应注意的问题；①技术经济分析；②仪表设备的可靠性与稳定性；③仪表的功能与工作性能；④注意处理系统的分阶段施工或变更的情况；⑤充分考虑处理系统自动控制的发展。

2、（习题4仪表设备的安装位置取决于哪些因素？）

应根据处理设施的处理方法、特性和规模，以及自动控制系统的水平等情况，来确定检测设备的安装场所；在选择检测场所时，还要考虑湿度、腐蚀气体、可燃性气体、振动等周围环境，传送距离，产生误差的可能性等影响因素，来确定适合的场所。

3、检测仪表与方法的选择：选用仪表的规格、说明书与操作方法明确，易于维护管理的产品。此外还要根据以下各项选择：①检测的目的；②检测的环境条件；③检测精度、重现性与响应性；④维护管理性；⑤检测对象的特殊性；⑥各种信号的特征；⑦检测范围。

4、在使用MLSS检测仪时应注意以下事项：

①为了避免由于检视窗口的污染引起的检测误差，应当定期清洗。

②为了避免由于来自上方直射日光灯强光的射入引起的误差，检测仪的传感器部分常

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常放置在水面以下30~50cm处；

③由于MLSS检测仪是根据光学原理测定MLSS浓度，当被检测的混合液颜色变化影响透光率变化时，宜使用受其影响较小的透光散射光式检测仪；

④在对MLSS检测仪进行校正时，将MLSS的手分析值进行比较，作成表示相关关系的曲线图，用来校正检测仪。

5、污泥界面的检测方法与仪表：①光学式；②超声波式。

6、有机物的检测方法与仪表：①COD计；②UV计；③TOC计；④TOD计。

7、ICA技术：即是仪表、控制和自动化技术，应用于污水处理系统已经将近30年，但它仍然不是传统市政工程或环境工程的一部分，但可以认为是污水处理的一个特殊部分。

8、理想的ICA系统包括以下四部分：①一个高素质的团体，具有较好的专业知识和运行经验，对系统具有较深的理解，从而不断促进系统的发展；②一个数据收集、加工和显示系统，可以发现系统异常运行现象，并具有分析能力；③一个满足运行目标的控制系统，它可以代替处理系统内低水平的本地控制或污水处理厂内部不同过程和排水系统的耦合系统；④一个可以收集大量过程变量信息的仪器化系统。

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