制药企业工艺技术分析【摘要】 提供一个制药企业工艺技术分析模板，技术经济指标内容，并进行了实例分析。 【关键词】 工艺技术分析； 技术经济指标 药品生产企业必须通过GMP认证才能组织生产，实施GMP的目的就是要加强生产全过程的监控，以保证产品质量。生产过程的控制包括工艺保证和现场监督，即首先要有先进、合理、稳定的生产工艺，其次要严格执行批准的生产工艺。通过生产工艺技术分析，可以找到生产关键控制点，不断地总结生产技术经验、挖掘潜力、降低消耗、降低成本、提高产品质量、提高劳动生产率。由于各药品生产企业生产剂型不一，生产品种不一，所以工艺技术分析内容也有很大差异，目前无工艺分析标准可借鉴，有必要制定一个工艺技术分析模板，便于制药企业开展工艺技术分析。1 工艺技术分析管理工艺技术分析管理一般按照公司、车间二级进行。若企业规模比较小（产值在1亿元以内）或生产剂型（品种）比较单一，则可将二级分析合并进行。 公司级工艺技术分析 公司级工艺技术分析主要是分析考核各车间产品质量、技术经济指标和技术进展情况，找出主要矛盾和薄弱环节，提出解决办法，总结规律性的经验，指导全公司的生产技术工作。公司级工艺技术分析活动由生产总监主持，技术管理中心负责综合，会同质量部、供应部和生产车间对各项技术指标完成情况作全面分析，每月（季）组织车间和有关部门工艺技术人员召开一次分析会，并记录备查。 车间工艺技术分析 车间工艺技术分析主要是总结分析技术经济指标升降的趋势和原因，检查革新、技改措施和“三废”治理等进行情况和效果，提出车间可自行解决的办法、措施和要求公司组织解决的生产技术关键问题。车间技术分析活动由车间主任主持，工艺技术主任(或工艺技术员)负责综合，对车间技术经济质量情况进行分析，及时采取相应的解决措施，促进和保证生产的稳定、均衡和技术的不断改进提高，每月末组织班组长和技术、设备等管理人员召开一次分析会，并记录备查。2 技术经济指标的编制下达和考核 技术经济指标的编制下达 由技术管理中心结合本公司的生产技术组织水平和近年的实际完成情况，编制较为进步、合理的各产品技经计划指标，经生产总监批准由公司下达各车间和有关科室执行。技术管理中心应于月、季、年终编写全司技术经济指标完成情况报表，并写出技术分析文字资料，主送生产总监，同时抄送各生产车间和财务，以推动和加强对工艺技术的指导。 技术经济指标的考核 公司核算部门每月根据各车间实际完成情况进行考核，并按照车间承包合同规定计算奖罚金额。 同品种厂之间的技术经济指标分析 技术管理中心应努力与省内外同品种不同生产厂之间建立定期(月、季、年)的技术经济指标完成情况资料分析交流活动，以利总结经验，学习先进，认识差距，赶超目标，不断提高本公司技术经济指标先进水平。同品种厂之间的技术经济指标分析，应与二级技术分析活动结合在一起进行。3 技术指标分析的内容 成品率 成品率是指生产企业在生产产品的过程中，根据产品产出的合格成品情况与核定的产品材料总投入量，所确定的一定比率关系。中药与西药成品率的计算方法不同，中药一般是规定理论产量只能投规定的处方量，中药成品率=实际产量/理论批量*100%；西药一般以主药含量的标示量来定规格，西药成品率=实际产量/理论产量*100%，其中理论产量=原料折纯量/规格。通过考察成品率可计算出实际收率和每件产品的原辅料实际成本，与定额或历年实际成品率比较可知生产水平提高或降低了。 中药成品率 以B颗粒为例，每1400㎏B药材，生产1000㎏B颗粒，每袋装10g，见表1。其中，理论出膏率和理论成品率为历年平均值，作为标准数值，以标准数值的±1%作为控制范围，将不同批号出膏率、成品率与之比较，超出范围说明生产出现了异常。至于是药材质量或生产过程造成异常则要进一步查找原因。 西药成品率 以T胶囊为例，每粒含，批量200万粒，见表2。 中药材的加工得率 中药材的加工得率是指一定量的原药材经过加工炮制整理后得到净药材的重量与领用原药材量的比率关系。通过计算得率并与定额或历年生产实际得率比较，可了解原药材的质量。以酒制山茱萸为例，取山茱萸，除去杂质和残留果核，得山茱萸肉，每100㎏山茱萸肉加20㎏黄酒，拌匀，置蒸煮锅内，蒸至酒吸尽，取出，干燥，见表3。以定额的±2%作为控制范围，将不同批号的得率与之比较，超出范围说明生产出现了异常。 中药出粉率 中药出粉率是指处方量的净药材经过干燥、灭菌、粉碎后得到药材细粉的重量与投入处方量的比率关系。通过计算出粉率并与定额或历年生产实际出粉率比较，可了解净药材的质量和粉碎等工艺损耗。以W丸为例，20味药中的熟地黄等8味粗粉碎，乌鸡等12味加黄酒炖后与那些粗粉混匀，干燥，再粉碎成细粉，见表4。以定额的±1%作为控制范围，将不同批号的得率与之比较，超出范围说明生产出现了异常。表1 B颗粒出膏率、成品率分析（略）图1 B颗粒出膏率（略） 图2 B颗粒成品率（略）表2 T胶囊成品率及原料消耗分析（略）表3 酒制山茱萸加工得率分析（略）表4 W丸出粉率分析（略） 灌装成品率 灌装成品率是指液体制剂经过配制、过滤、灌装后得到的量与配制量的比率关系。通过计算灌装成品率并与定额或历年生产实际灌装成品率比较，可了解过滤和灌装损耗，其高低直接影响产品的成品率。P口服溶液为例，批量40万支，见表5。以定额的±1%作为控制范围，将不同批号的得率与之比较，超出范围说明生产出现了异常。 提取含量转移率 提取含量转移率是指一定量的净药材经过提取、浓缩、精制后得到的浸膏中所含有效成分总量与净药材中所含有效成分总量的比率关系。通过考察提取含量转移率并与定额或历年生产实际提取含量转移率比较，可了解提取是否完全。以提取黄芩为例，见表6。以定额的±5%作为控制范围，将不同批号的得率与之比较，超出范围说明生产出现了异常。 提取浸膏得率 提取浸膏得率是指一定量的净药材提取、浓缩、精制后得到的浸膏量与投入的净药材量的比率关系。通过考察提取浸膏得率并与定额或历年生产实际提取浸膏得率比较，可了解药材的质量、提取是否完全。实例见表1。 提取乙醇消耗 提取乙醇消耗是指提取工艺投入的乙醇经回收后得到的乙醇量与投入量之间的差异。通过考察提取乙醇消耗并与定额消耗比较，可了解提取、回收等过程的乙醇损耗。将每月的实际投入量减去月底的盘存量即为当月实际消耗量，见表7。每月的节约（或超耗）数乘以每公斤乙醇的价格，则可得出每月的盈亏金额。表5 P口服溶液灌装成品率分析（略）表6 黄芩提取含量转移率（略）表7 提取乙醇消耗表（略） 西药原料消耗定额 西药原料消耗定额是指生产一定量的产品允许耗用的纯西药原料量。因西药原料一般比较贵重，考察西药原料实际消耗是否超定额更能直接反映原料成本的盈亏，见表2。若固定纯西药原料的价格，将每批西药原料盈亏数乘以价格，则得到每批的盈亏金额。 工艺损耗 工艺损耗是指原料至半成品、半成品至成品等各工序的生产工艺损耗与检验误差的和。考察工艺损耗能直观的反映各工序的损耗，便于进行过程控制。以某公司三个胶囊产品全年各工序损耗为例，见表8。工序包括填充、抛光、铝塑、外包。如药粉的质量（轻重，颗粒的粗细），胶囊的质量，填充设备等可影响填充工序损耗，通过实际损耗与定额或历年损耗比较，可发现生产过程是否正常，不正常是哪个工序出了问题。表8 胶囊产品工艺损耗表（略）4 结语 做好制药企业工艺分析的前提是要结合本企业实际生产剂型、品种建立相应的详尽的生产台账，并如实填写相应数据。 根据本企业的生产实际选择相应的技术经济指标进行分析，技术经济指标可以根据历史生产水平或理论水平而定，要切合实际并有一定的水平。 各个企业可以根据自身的生产规模选择分析频次，生产车间的工艺技术员应对每批产品进行分析，月度召开车间级工艺技术分析会；公司级工艺技术分析可以分月度、季度、半年度和年度分析。
制药工程专业是一个化学、药学和工程学交叉的宽口径工科类专业，它涉及化学制药、生物制药、中药制药及药物制剂等专业内容，以培养德、智、体全面发展，能适应我国现代化建设需要，具备化学、药学和工程学的科学基础、制药工程专业知识和从事药品及其他化学品的技术开发和工程设计能力，在工程应用研究等方面具有良好的开拓精神、创新意识和实践能力的研究创业型和技术应用型工程技术人才为目标。 1998年，教育部经研究对当时的工科本科专业进行了比较大的调整，有近1/2的工科专业被合并或撤消，使得原来具有很多专业名称的化工大类改名为化工与制药大类，只设化学工程与工艺和制药工程两个专业，制药工程这个名称也正式出现在教育部的本科专业目录中［1］。从1999年秋起，全国正式开始以制药工程专业名称招收本科生。而国外第一个制药工程研究生教育计划早在1995年美国制药工业最集中的新泽西州州立大学Rutgers分校（The State University of New Jersey, Rutgers）产生，随后密西根大学（The University of Michigan）等高校也相继设立制药工程研究生教育计划，1998年加州大学Fullerton分校（The California State University, Fullerton）开始设立本科教育计划。同时，除美国外，加拿大、英国、德国、日本和印度等国家的部分高校也已设立制药工程教育计划，如加拿大的Ecole Polytechnique of Montreal，英国的The University of Manchester，The University of Leeds，德国的Technische Fachhochschule Berlin，Albastadt-Sigmaringen Hochschule fur Technick und Wirtschaft，日本的University of Shizuoka，印度的India Jadavpur University等等；还有部分高校把制药工程作为课程纳入其教学计划，如美国南佛罗里达大学(The University of South Florida)化学工程系, 阿拉巴马大学（ The University of Alabam）化学工程系，普度大学（Purdue University）生物医学工程系，佐治亚大学Athens分校（The University of Georgia, Athens）工程系，伊利诺斯技术学院（Illinois Institute of Technology）化学与环境工程系等，另外有些高校成立了制药工程研究所（组），如弗吉尼亚科技大学（Verginia Polytechnic and State University）成立了制药工程研究所, 阿斯顿大学（Aston University）工程与应用科学学院下设了制药工程研究组。虽然国外的这些院校中很多是以研究生教学为主的，但是作为制药工程技术的研究和教育经验比国内的丰富。 另外，尽管制药工程专业名称是新的，但实际上从学科沿革来看她的产生并不是全新的，是相近专业的延续，也是我国科学技术发展到一定时期的产物。在正式出现制药工程专业名称前，国内的高校依据自身的条件已经设置了与此相关的专业，如化学制药专业、中药学专业、抗菌素专业、精细化工专业、微生物制药专业等等，这些专业一部分是设置在医药科大学，一部分设置在综合性大学，更多的是设置在理工科大学内；全国高校之间存在着多方面的不平衡和差异，如院校层次上的差异、院校性质上的差异、办学规模上的差异、办学科研背景的差异、师资队伍的差异、专业方向差异以及生源的差异等等，同时由于主管院校性质的不同，这些专业的侧重点也各不相同，导致目前高校制药工程专业教育模式也各不相同，这些都给规范制药工程专业教育带来了困难。 由于国内制药工程专业产生比较晚，起步层次比国外低，专业根源差异性大，各高校教育层次和侧重点不同的影响，导致目前制药工程专业统一的教育模式难以形成，与国外制药工程教育有较大的差距。国家教委在2003年制订新的工科本科目录的文件中指出［2］，目前我国制药类专业人才培养专业分化太细，教育重理论而轻实践，不能适应生产部门和行业的需要。而国外高校的教育目标很明确，要求学生具有广泛而坚实的制药工程基础，除了重视理论课程教学外，特别重视培养学生的实际工作能力，一方面通过四年级开设实验课培养学生在药物制造和检测技术方面的动手能力，另一方面通过与当地制药公司合作开展实习，让学生进一步接触和了解企业，国外的这种教育理念为国内制药工程教育创造良好的教育模式建立了基础。 江苏大学药学院制药工程专业成立于1999年，成立时间较早，2001年开始招生。从专业办学开始就始终紧抓制药工程专业培养目标，在重视理论教学的同时，加强实践教学工作，为培养高素质、高层次、综合能力和创新意识强的综合型人才而努力。经过近十年的努力，在制药工程实践环节教育［3］，特别是生产实习中积累了一些经验，形成了制药工程生产实习模式，现将我们 的生产实习模式总结出来，以期对其他高校的制药工程生产实习教育环节有一定的帮助。 1 生产实习的背景 生产实习内容和思路的突破 制药工程专业生产实习不再是原有的工科或药科实习模式，既不能简单地等同于药学实验，也不能完全按照工科院校的模式实习，而应该将药学的知识灵活的应用在工程中，把制造技术、质量意识、市场竞争、工业安全以及制药工业需要满足的诸如GMP等政策法规内容联系起来，充分发挥药学和工程学的传统特色和成果，围绕重要的原料药、药物中间体和辅助材料的生产工艺，以及典型药品的合成、分离纯化和制剂生产进行实习。实习不仅要对具有药物生产的整个工业流程进行学习，更重要的是对生产流程的原理和控制方法的学习，另外，实习内容还包括生产车间的排布方式，车间的型式，车间设备、管道、仪表的原理和布置状况，在GMP严格要求下的制剂生产全过程及药品的质量检验和控制等等。 生产实习是学生将学到的理论知识同工业化生产实际联系起来的过程，因此在生产实习前，学生必须完成毕业论文之前的全部理论课程，因此我校制药工程专业课程体系安排中将生产实习安排在第七学期，使得实习具备了相应的理论基础。同时，生产实习之后，学生将通过毕业论文的答辩而走上工作岗位，而生产实习是学生走上社会前重要的社会实践，因此，实习也必须强调生产实习的社会意义，学生应该通过生产实习锻炼自己的交际能力，同时学习实习基地的管理经验等等，为走上社会后适应社会奠定基础。 生产实习基地的建设 生产实习基地落实困难是目前高校共同面临的问题［3］。目前市场经济下的企业追求质量和效益，学生实习不仅不会给企业带来经济效益，反而可能带来经济负担；制药企业生产中的产品是一种特殊的产品——药品，药品生产必须满足GMP的要求，对环境和员工的要求较高，由于实习人数较多，如果对学生监督和控制不严，还有可能影响生产。因此，多数制药企业不愿接收学生实习。我们制药工程专业经过几年的努力，先后与江苏707天然制药有限公司、镇江利君制药有限公司、镇江中兴制药有限公司、江苏省中医药研究院以及镇江索普集团等制药、化工企业和研究院建立良好的合作关系，成立了诸如江苏大学-江苏索普集团兴大药业有限公司合成药物研发中心等科研机构，一方面企业和学校之间充分利用各自的资源形成了优势互补；另一方面长期的合作关系为制药工程专业生产实习基地的建设奠定了基础。在长期的合作关系支持下，江苏大学制药工程教研室与各实习单位建立了长期的稳定实习关系，避免了指导教师因实习单位不断更改无法掌握生产工艺，从而不能给予学生全面详细的生产实习指导的弱点，对生产实习质量的保证提供了保障。 生产实习指导 教师队伍的建设目前，制药工程专业教师大都是由药学类专业或工程类专业毕业，精通药学或工程学其中之一的较多，能将药学融入工程过程当中的较少，并且专业教师大都是从高校引进或从海外深造回国人员，无工业化生产经验，所以能将工程的概念传授给学生的教师更少；同时，在新的高校管理体系下，理论和实践教学任务大都分配在年轻教师的身上，生产实习同样也多由年轻教师带队指导。缺乏生产经验和教学经验的年轻教师指导生产实习显然不能满足实习要求。为此，我们制药工程专业建立老、中、青年教师结合的教师队伍指导生产实习，充分利用老教师丰富的生产和教学经验优势，充分发挥中年教师指导实习的方法和经验，大力培养年轻教师指导实习的业务能力，使实习指导工作具有连续性，从而给生产实习提供了长效的质量保证满意请采纳
1 引言 供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频能够很好的满足现代供水系统的要求。在变频出现以前，有以下供水方式：(1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。(3)恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力来控制水泵的开与停。当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐中压力升到压力上限时，水泵停止。这种方式，设备的成本比水塔要低很多。但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大。变频不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的s7－200plc和变频器mm440，具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器mm440具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。2 供水系统的基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系曲线f (q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f (q)。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中a点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。图1 供水系统的基本特性3 变频恒压供水系统的构成及工作原理 系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。plc选用内部控制模块cpu224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接，带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到，两端连接的是工频或变频的，主要起接通或断开与。s7-200的模拟输出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给s7-200的模拟输入口。系统的结构如图2所示。图2 变频恒压供水系统的总体框图 系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。的转速为：其中： n0为同步转速；n为转子转速；f为异步电机的定子输入交流电的频率；s为异步电机的转差率；p为异步电机的极对数。由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效。系统按照给定的水压进行设定，plc根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并工作在变频状态。在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。用户根据需要，可以从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态。变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过plc（s7-200）pid模块pi调节后发出控制电压信号，送到变频器mm440的模拟输入调节端口。送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。图3 变频恒压供水系统的控制原理框图4 硬件 主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关q、熔断器fu、交流接触器km、kr等组成，采用了一台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由s7－200的输出口控制。主电路如图4所示。图4 系统主电路图 控制电路控制电路主要由plc（s7－200）、变频器mm440等组成，plc外围电路接线图如图5所示。总电源开关为q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的输入口相连接，当按下sb0时，为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器的频率达到上限频率时，为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动。当变频器的频率达到下限频率时，为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。和的状态由变频器输入。k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取1#电机或2#电机工频运行。km1为控制1#电机和2#电机在自动模式下运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，km3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触器。图5 plc外围接线图5 程序设计 plc程序设计plc程序设计的主要流程如图6所示。合上开关q，按下起动按钮sb0，plc程序复位。当合上开关k1，为“1”，系统在自动模式下运行，交流接触器km1接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力。图6 主程序流程图当用户用水量递增，变频器达到频率50hz，供水压力还没有达到设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”， 为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工频。定时器计时3s，变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐下降，3s后为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行。设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小电机启动电流，避免电机烧毁。当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz，供水压力还是高于设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时为“1”，为“0”，交流接触器km2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频。下限频率设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。在多数情况下，下限频率应定为30hz～35hz。当合上开关k2，系统在手动模式下运行，交流接触器km1断开。用户可以根据需要，合上开关k3，交流接触器km3接通，选择1#电机在工频下运行。合上开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下运行。 变频器mm440的参数配置变频器mm440主要使用的是模拟输入口ain1+和ain1－，模拟电压信号输入后通过得到数字信号。由plc模拟输出口输出模拟控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz，最低频率为30hz。mm440的参数配置如附表所示。附表 mm440的参数配置6 结束语应用西门子plc（s7－200）内部的pid模块和变频器mm440的无极调速控制恒压供水系统，高效节能，调速供水效果突出，抗干扰能力强。同时采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。以供水水压为控制对象的闭环控制，稳态误差小，动态响应快，运行稳定。实验效果表明，采用plc（s7－200）和变频器mm440构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，体现了变频调速恒压供水的技术优势，为供水领域开辟了切实有效的途径。参考文献[1] 李光,谢欢,王直杰. 高压变频器模拟量控制电路及功能设计[j]. 电气传动自动化,2008,38(7):63-68.[2] 彭旭昀. 一种基于变频器pid功能的plc控制恒压供水系统[j]. 机电工程技术,2005,34(10):54-56.[3] 陈新恩,王永祥. 基于s7-200的变频调速恒压供水系统[j]. 制造业电气,2006,25(6):37-39.[4] 朱玉堂. 变频恒压供水系统的研究开发与应用[d]. 杭州:浙江大学,2005.
变频调速恒压供水控制系统设计 摘 要本文针对电站锅炉水位系统的特性，首先设计了几种PID控制器，将它们应用于一个实际锅炉水位系统来观察控制效果。理论及实验仿真说明，这类控制器难以达到理想的控制效果，从而提出了模糊控制的方案，设计了三种模糊控制器并进行仿真及讨论。通过对所述控制器的理论分析和仿真讨论，表明模糊控制系统能够满足较高的控制要求，是一种很有前途的控制方法。文章的最后，简要介绍了用MATLAB软件中的图形用户界面（GUI）编辑器设计的可视化仿真软件。它能直观的对比观察文章所述两类控制器的性能。关键词：锅炉汽包水位，PID控制，模糊控制，MATLAB 目 录摘 要 IABSTRACT II目 录 III1课题背景 12电站锅炉水位控制对象 工艺过程概述 汽锅炉汽包水位特性 汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包水位在蒸汽流量作用下的动态特性 锅炉汽包水位控制 单冲量控制系统 双冲量控制系统 三冲量控制系统 63 锅炉汽包水位的PID控制 PID控制器概述 PID各类控制器对比 锅炉汽包水位的PID控制系统设计及仿真 常规PID控制器的设计及仿真 带前馈补偿的PID控制系统设计及仿真 PID控制系统的抗干扰能力 PID控制系统对被控对象的适应能力 154模糊控制算法 模糊控制概述 模糊控制基本原理 模糊控制系统的基本组成 模糊控制的基本原理 模糊控制器设计的基本方法 模糊控制器的结构设计 精确量的模糊化 模糊控制规则的设计 模糊量的判决方法 论域、量化因子、比例因子的选择 锅炉汽包水位的模糊控制设计及仿真 模糊控制器的设计 常规模糊控制系统设计及仿真 改进的模糊控制系统的设计及仿真 模糊控制系统的抗干扰能力 模糊控制系统对被控对象的适应能力 315仿真软件设计 程序及界面设计 功能简介 356结论 控制器调节性能讨论 控制器抗干扰能力讨论 控制器对被控对象的适应能力讨论 总结 39参考文献 40致 谢 41附录1 英文资料原文 42附录2 英文资料翻译 47
1 引言 供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频恒压供水系统能够很好的满足现代供水系统的要求。在变频恒压供水系统出现以前，有以下供水方式：(1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。(3)恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力来控制水泵的开与停。当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐中压力升到压力上限时，水泵停止。这种方式，设备的成本比水塔要低很多。但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大。变频恒压供水系统不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的s7－200plc和变频器mm440，s7-200具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器mm440具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。2 供水系统的基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系曲线f (q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f (q)。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中a点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。 图1 供水系统的基本特性3 变频恒压供水系统的构成及工作原理 系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的s7-200 plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，交流接触器和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。s7-200 plc选用内部控制模块cpu224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。三相交流电与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接异步电动机，异步电动机带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到交流接触器，交流接触器两端连接的是工频或变频的三相交流电，主要起接通或断开三相交流电与异步电动机。s7-200的模拟输出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给s7-200的模拟输入口。系统的结构如图2所示。 图2 变频恒压供水系统的总体框图 系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转速为： 其中： n0为异步电机同步转速；n为异步电机转子转速；f为异步电机的定子输入交流电的频率；s为异步电机的转差率；p为异步电机的极对数。由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效。系统按照给定的水压进行设定，plc根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并工作在变频状态。在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。用户根据需要，可以从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态。变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过plc（s7-200）pid模块pi调节后发出控制电压信号，送到变频器mm440的模拟输入调节端口。送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的闭环控制系统，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。 图3 变频恒压供水系统的控制原理框图4 硬件电路设计 主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关q、熔断器fu、交流接触器km、热继电器kr等组成，采用了一台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由s7－200的输出口控制。主电路如图4所示。 图4 系统主电路图 控制电路控制电路主要由plc（s7－200）、变频器mm440等组成，plc外围电路接线图如图5所示。总电源开关为q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的输入口相连接，当按下sb0时，为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器的频率达到上限频率时，为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动。当变频器的频率达到下限频率时，为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。和的状态由变频器输入。k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取1#电机或2#电机工频运行。km1为控制1#电机和2#电机在自动模式下运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，km3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触器。 图5 plc外围接线图5 程序设计 plc程序设计plc程序设计的主要流程如图6所示。合上开关q，按下起动按钮sb0，plc程序复位。当合上开关k1，为“1”，系统在自动模式下运行，交流接触器km1接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力。 图6 主程序流程图当用户用水量递增，变频器达到频率50hz，供水压力还没有达到设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”， 为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工频。定时器计时3s，变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐下降，3s后为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行。设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小电机启动电流，避免电机烧毁。当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz，供水压力还是高于设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时为“1”，为“0”，交流接触器km2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频。下限频率设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。在多数情况下，下限频率应定为30hz～35hz。当合上开关k2，系统在手动模式下运行，交流接触器km1断开。用户可以根据需要，合上开关k3，交流接触器km3接通，选择1#电机在工频下运行。合上开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下运行。 变频器mm440的参数配置变频器mm440主要使用的是模拟输入口ain1+和ain1－，模拟电压信号输入后通过a/d转换器得到数字信号。由plc模拟输出口输出模拟控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz，最低频率为30hz。mm440的参数配置如附表所示。附表 mm440的参数配置 6 结束语应用西门子plc（s7－200）内部的pid模块和变频器mm440的无极调速控制恒压供水系统，高效节能，调速供水效果突出，抗干扰能力强。同时采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。以供水水压为控制对象的闭环控制，稳态误差小，动态响应快，运行稳定。实验效果表明，采用plc（s7－200）和变频器mm440构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，体现了变频调速恒压供水的技术优势，为供水领域开辟了切实有效的途径。参考文献[1] 李光,谢欢,王直杰. 高压变频器模拟量控制电路及功能设计[j]. 电气传动自动化,2008,38(7):63-68.[2] 彭旭昀. 一种基于变频器pid功能的plc控制恒压供水系统[j]. 机电工程技术,2005,34(10):54-56.[3] 陈新恩,王永祥. 基于s7-200的变频调速恒压供水系统[j]. 制造业电气,2006,25(6):37-39.[4] 朱玉堂. 变频恒压供水系统的研究开发与应用[d]. 杭州:浙江大学,2005.
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一、内容要求毕业设计报告正文要求：（一）理、工科类专业毕业设计报告正文内容应包括：问题的提出；设计的指导思想；方案的选择和比较论证；根据任务书指出的内容和指标要求写出设计过程、课题所涉及元件结构和相关参数的设计计算，有关基本原理的说明与理论分析；给出所设计课题实际运行的数据或参数，并与理论设计参数进行比较和分析，说明产生误差的原因。最后要对所设计课题实用价值做出评估说明；设计过程中存在的问题，改进意见或其它更好的方案设想及未能采纳的原因等。（二）经济、管理类专业毕业设计报告或论文正文应包括：问题的提出、设计的指导思想；设计方案提出的依据，设计方案的选择和比较；设计过程；所运用的技术经济分析指标和方法；数学模型及其依据，数据计算方法；对设计方案的实用性和经济效益等方面做出评估；对设计实施过程中存在的问题 （ 或可能发生的问题 ） 提出合理化建议。毕业论文的基本论点、主要论据；根据国家有关方针、政策及规定联系实际展开理论分析。（三）文科类专业毕业设计报告或论文正文应包括：问题的提出、解决问题的指导思想；解决方案提出的依据，解决方案的选择和比较，结论。二、论文印装毕业论文用毕业设计专用纸打印。正文用宋体小四号字，行间距为24磅；版面页边距上3cm，下、左，右2cm。三、论文结构、装订顺序及要求毕业论文由以下部分组成：（一）封面。论文题目不得超过20个字，要简练、准确，可分为两行。（二）内容。1、毕业设计（论文）任务书。任务书由指导教师填写，经系主任、教务部审查签字后生效。2、毕业设计（论文）开题报告；3、毕业设计（论文）学生申请答辩表与指导教师毕业设计（论文）评审表；4、毕业设计（论文）评阅人评审表；5、毕业设计（论文）答辩表；6、毕业设计（论文）成绩评定总表；7、中英文内容摘要和关键词。（1）摘要是论文内容的简要陈述，应尽量反映论文的主要信息，内容包括研究目的、方法、成果和结论，不含图表，不加注释，具有独立性和完整性。中文摘要一般为200-400字左右，英文摘要应与中文摘要内容完全相同。“摘要”字样位置居中。（2）关键词是反映毕业设计（论文）主题内容的名词，是供检索使用的。主题词条应为通用技术词汇，不得自造关键词。关键词一般为3-5个，按词条外延层次（学科目录分类），由高至低顺序排列。关键词排在摘要正文部分下方。（3）中文摘要与关键词在前，英文的在后。8、目录。目录按三级标题编写，要求层次清晰，且要与正文标题一致。主要包括绪论、正文主体、结论、致谢、主要参考文献及附录等。9、正文。论文正文部分包括：绪论（或前言、序言）、论文主体及结论。 （1）绪论。综合评述前人工作，说明论文工作的选题目的和意义，国内外文献综述，以及论文所要研究的内容。（2）论文主体。论文的主要组成部分，主要包括选题背景、方案论证、过程论述、结果分析、结论或总结等内容。要求层次清楚，文字简练、通顺，重点突出，毕业设计（论文）文字数，一般应不少于8000字（或20个页码）。外文翻译不少于3000字符，外文参考资料阅读量不少于3万字符。中文论文撰写通行的题序层次采用以下格式：1 格式是保证文章结构清晰、纲目分明的编辑手段，毕业论文所采用的格式必须符合上表规定，并前后统一，不得混杂使用。格式除题序层次外，还应包括分段、行距、字体和字号等。第一层次（章）题序和标题居中放置，其余各层次（节、条、款）题序和标题一律沿版面左侧边线顶格安排。第一层次（章）题序和标题距下文双倍行距。段落开始后缩两个字。行与行之间，段落和层次标题以及各段落之间均为24磅行间距。第一层次（章）题序和标题用小二号黑体字。题序和标题之间空两个字，不加标点，下同。第二层次（节）题序和标题用小三号黑体字。第三层次（条）题序和标题用四号黑体字。第四层次及以下各层次题序及标题一律用小四号黑体字。（3）结论（或结束语）。作为单独一章排列，但标题前不加“第XXX章”字样。结论是整个论文的总结，应以简练的文字说明论文所做的工作，一般不超过两页。10、致谢。对导师和给予指导或协助完成毕业设计（论文）工作的组织和个人表示感谢。文字要简洁、实事求是，切忌浮夸和庸俗之词。11、参考文献及引用资料目录（规范格式见附文）。12、附录。13、实验数据表、有关图纸(大于3#图幅时单独装订)。(三)封底。
随着合成医药工业的发展，化学制药废水已成为严重的污染源之一。制药工业是国家环保规划中重点治理的12个行业之一。据统计，制药工业占全国工业总产值的，而污水排放量占2%。由于化学成分品种繁多，在制药生产过程中使用了多种原料，生产工艺复杂多变，产生的废水等成分也十分复杂。这就给当今环境保护制造了一个难题。 1 化学制药废水特点 含量高、成分复杂 化学制药废水的COD、BOD5值高，有的高达几万甚至几十万，但B/C值较低，废水一经排入水体中，就会大量消耗水中溶解氧，造成水体缺氧。同时，废水的成分复杂且变化大，有机物种类繁多、浓度高、营养元素比例失调。 无机盐浓度高 废水中的盐分浓度过高对微生物有明显的抑制作用，当氯离子超过3000mg/L时，未经驯化的微生物的活性将明显受到抑制，严重影响废水处理的效率，甚至造成污泥膨胀，微生物死亡的现象。 存在生物毒性物质 废水中含有氰、酚或芳香族胺、氮杂环和多环芳香烃化合物等微生物难以降解，甚至对微生物有抑制作用的物质。 2 合成制药废水生化前预处理方法 预处理为降低后续生物处理难度，在生物处理前必须先进行预处理，达到排除生物毒性物质干扰，降低废水浓度的目的。目前合成制药废水生化前预处理方法主要包括：物化法、生物法等。 物化法 混凝法化学制药废水成分复杂，冲击负荷大，采用化学絮凝进行预处理，以便减少生物毒性物质干扰，降低废水浓度。利用混凝沉淀方法去除混合液中的有机物及部分非溶解态的溶媒物质具有较好的效果，COD由4080mg/L降低至2774mg/L，平均去除率达到。但是，混凝法容易产生二次污染。 膜分离法膜技术如用NF-90纳滤膜处理水杨酸废水，COD为4000-5000mg/L，去除率高达80%以上。利用该项技术对抗生素废水进行浓缩分离，有良好的经济效益和社会效益。 电解法如在甲红霉素废水中加入NaCl电解质，电解阳极间接氧化法的处理效果。电解产物NaClO具有极强的氧化性，当进水COD为331630mg/L时，其COD去除率可达，但所需电解时间相对较长。 微电解法如采用铁屑-活性炭内点解法预处理大连某制药厂废水，COD去除率达到了，B/C由提升至。 Fenton氧化技术Fenton氧化技术是高级氧化技术中的一种，与其他高级氧化技术相比，Fenton氧化技术具有快速高效、可产生絮凝、设备简单、成本低、技术要求不高等优点。 生物法 目前生物法预处理化学制药废水主要采用水解酸化。其原理是在废水处理中，利用水解酸化来提高废水的可生化性，也为废水的后期处理创造良好的条件。对于含有难降解物质较高的制药废水，水解酸化的重要作用已经逐渐得到人们的认可，水解酸化的相关研究也成为国内外的研究热点。如采用水解酸化法对化学制药废水进行的预处理试验，结果表明，废水COD由2560mg/L降为1623mg/L，B/C由提升至。 3 生物性处理 厌氧生物处理 通常指在无分子氧条件下，通过兼性菌和厌氧菌的代谢作用降解废水中的有机污染物，分解的最终产物是甲烷、二氧化碳、水及少量硫化氢和氨。厌氧处理的特点：厌氧处理具有对营养物需求低、成本低、能耗低、节能、污泥产量小等优点。但也有其弊端，例如厌氧处理的出水质量较差，通常需要后处理以使废水达标排放。另外，厌氧处理在操作对操作过程和技术要求非常高。 目前，国内外处理高浓度有机废水主要是以厌氧法为主要手段和途径。用于化学制药废水处理的厌氧工艺主要包括：厌氧复合床(UBF)、上流式厌氧污泥床(UASB)、厌氧折流板反应器(ABR)等。 上流式厌氧污泥床(UASB)法UASB法是目前研究较多，应用日趋广泛的废水厌氧生物处理工艺，它具有以下优点：（1）可实现污泥的颗粒化；（2）气、固、液的分离实现了一体化；（3）通常情况下不发生堵塞。但是UASB工艺也存在一些难以解决的问题：如三相分离器的设计还没有一个成熟的方法，对那些含有高浓度悬浮固体的废水需要考虑悬浮物(SS)的预处理问题，污泥的颗粒化对工艺要求比较严格等。采用UASB对上海化工厂排放的高浓度、高盐度有机废水进行处理。试验结果表明，该化工厂CMC生产废水采用UASB工艺处理可行。废水经厌氧处理，COD去除率超过60%。 厌氧复合床(UBF)UBF反应器的主要特点是：下部为污泥床，充分发挥其生物保有能力大，成熟后的颗粒污泥去除有机物效率高的作用；上部为过滤层，充分发挥滤层填料有效截留厌氧污泥的能力，减轻了厌氧反应器运行过程中的污泥流失。冯婧微等采用UBF处理水解酸化后的抗生素废水，COD由9262mg/L降至769mg/L，去除率达到了。 厌氧折流板反应器(ABR)厌氧折流板反应器(ABR)具有独特结构，是一种理想的多段分相、混合流态的处理工艺。它具有良好的生物分布和生物固体截流能力，对有毒物质适应性强，抗冲击负荷能力强，并且具有启动较快、运行稳定等多种优良性能。采用ABR反应器处理高浓度头孢抗生素废水，当进水COD负荷控制在()，温度控制在35±℃时，ABR对该废水COD的去除率可达在50%，且其可生化性得到了有效的提高，促进了废水进一步后续生化处理的运行稳定性。 处理技术 好氧生物处理技术是指废水中的溶解性有机物在好氧微生物作用下转化成不溶性可沉的微生物固体和一部分有机物，从而使废水得到净化的过程。如采用逐步提高有机负荷盐浓度的方法，驯化出耐高浓度盐污泥，在进水NaCl质量浓度为××104mg/L之间时，保持较高的污泥浓度可使反应器COD容积负荷达到()，COD和苯乙酸去除率达到95%以上。 生物接触氧化法如采用生物接触氧化处理医药中间体TMBA废水，最高进水COD控制在1600mg/L左右，COD去除率高达90%左右。 AB法AB法属超高负荷活性污泥法，如采用A-B二段法处理环氧丙烷皂化废水，COD去除率可达80-86%。 SBR法SBR法如采用SBR法对药物合成废水预处理出水，进水COD为2000-2500mg/L，可生化性为，出水COD降到200mg/L以下，COD去除率达到90%左右。 膜生物反应器膜生物反应器(MBR)是近年来一种迅速发展的废水生物处理技术。该项新型技术是将污水的生物处理技术和膜过滤技术结合在一起。对有机污染物去除率高，出水中没有悬浮物，硝化能力强，污泥产率低，便于实现自动化控制。如利用一体式膜生物反应器对COD为2500-4000mg/L的抗生素废水进行了处理。 传统的生物强化污水处理技术工艺 由于活性污泥中杂菌多，导致消耗较多的氧与养料，抑制了正常细菌的生长和作用发挥，对其进行分离纯化后，能获得较高的降解效率。如分离、筛选得到的效应菌株分别属不动杆菌属、假单胞菌属、埃希氏菌属和芽孢杆菌属，将效应菌株制成混合菌液处理β-2内酰胺环类抗生素废水，废水COD由4100mg/L降至，COD去除率达到了，并对此类抗生素有较强耐受能力。 固定化技术 固定化微生物法是将微生物固定在载体上或定位于限定的空间区域内，并保持其生物功能，反复利用。固定化微生物技术已用来处理四环素、阿苯哒唑、扑尔敏、布洛芬等制药生产废水，另外，亦可在SBR中采用固定化微生物技术来处理氨氮含量高的制药废水。如PVA复合载体包埋固定化微生物颗粒处理抗生素废水的工艺条件，活性微生物为经抗生素废水以10%浓度增幅驯化75d后的活性污泥。 结果表明：进水COD为2000mg/L、曝气20h、温度控制在10-45℃、pH值7-10、固定化颗粒与废水比例1:4是固定化活性污泥处理抗生素废水的最佳工艺条件，COD去除率可达。 化学制药废水的处理 化学制药废水的处理多数采用单一生化法处理不能彻底解决问题，必须进行必要的预处理。首先设调节池，调节水质水量和pH，且根据实际情况采用特定物化或化学法进行预处理，提高废水的可降解性，以利于废水的后续生化处理。预处理后的废水，可选取某种厌氧和好氧工艺进行处理，如采用微电解－厌氧水解酸化－SBR串联工艺处理化学合成制药废水，原废水BOD5/COD约为，属难生物降解废水，经微电解－厌氧水解酸化处理后，出水BOD /COD可达，可生化性大大提高。 在进行SBR处理时，维持SBR进水COD在1500mg/L左右，污泥负荷为(kgMLSSd)，曝气8-10h，出水COD可以降低至200mgL-1以下。如采用吹脱－厌氧－好氧串联工艺处理含有氯霉素、抗菌素增效剂和磺胺新诺明的合成制药废水，经吹脱和厌氧水解酸化处理后，COD去除率为70%，再经好氧生化系统处理，COD去除率可达60%。 4 结语 化学制药废水是一种成分复杂、毒性高、含难降解有机物质的有机废水，目前的处理方法有预处理-生物处理。工程应用以单元处理为主，因此开发经济、有效的复合水处理单元迫在眉睫。此外，新技术如膜技术、生物强化技术等的应用在化学制药废水处理方面有更广阔的应用前景。 这是之前写的一个小报告，希望能对你有所帮助！
污水处理 (sewage treatment,wastewater treatment)：为使污水达到排水某一水体或再次使用的水质要求，并对其进行净化的过程。污水处理被广泛应用于建筑、农业，交通、能源、石化、环保、城市景观、医疗、餐饮等各个领域，也越来越多地走进寻常百姓的日常生活。 首先要把在准备工作当中搜集的资料整理出来，包括课题名称、课题内容、课题的理论依据、参加人员、组织安排和分工、大概需要的时间、经费的估算等等。第一是标题的拟定。课题在准备工作中已经确立了，所以开题报告的标题是不成问题的，把你研究的课题直接写上就行了。比如我曾指导过一组同学对伦教的文化诸如“伦教糕”、伦教木工机械、伦教文物等进行研究，拟定的标题就是“伦教文化研究”。第二就是内容的撰写。开题报告的主要内容包括以下几个部分：一、课题研究的背景。 所谓课题背景，主要指的是为什么要对这个课题进行研究，所以有的课题干脆把这一部分称为“问题的提出”，意思就是说为什么要提出这个问题，或者说提出这个课题。比如我曾指导的一个课题“伦教文化研究”，背景说明部分里就是说在改革开放的浪潮中，伦教作为珠江三角洲一角，在经济迅速发展的同时，她的文化发展怎么样，有哪些成就，对居民有什么影响，有哪些还要改进的。当然背景所叙述的内容还有很多，既可以是社会背景，也可以是自然背景。关键在于我们所确定的课题是什么。二、课题研究的内容。课题研究的内容，顾名思义，就是我们的课题要研究的是什么。比如我校黄姝老师的指导的课题“佛山新八景”，课题研究的内容就是：“以佛山新八景为重点，考察佛山历史文化沉淀的昨天、今天、明天，结合佛山经济发展的趋势，拟定开发具有新佛山、新八景、新气象的文化旅游的可行性报告及开发方案。”三、课题研究的目的和意义。课题研究的目的，应该叙述自己在这次研究中想要达到的境地或想要得到的结果。比如我校叶少珍老师指导的“重走长征路”研究课题，在其研究目标一栏中就是这样叙述的：1、通过再现长征历程，追忆红军战士的丰功伟绩，对长征概况、长征途中遇到了哪些艰难险阻、什么是长征精神，有更深刻的了解和感悟。2、通过小组同学间的分工合作、交流、展示、解说，培养合作参与精神和自我展示能力。3、通过本次活动，使同学的信息技术得到提高，进一步提高信息素养。四、课题研究的方法。在“课题研究的方法”这一部分，应该提出本课题组关于解决本课题问题的门路或者说程序等。一般来说，研究性学习的课题研究方法有：实地调查考察法(通过组织学生到所研究的处所实地调查，从而得出结论的方法)、问卷调查法（根据本课题的情况和自己要了解的内容设置一些问题，以问卷的形式向相关人员调查的方法）、人物采访法（直接向有关人员采访，以掌握第一手材料的方法）、文献法（通过查阅各类资料、图表等,分析、比较得出结论）等等。在课题研究中，应该根据自己课题的实际情况提出相关的课题研究方法，不一定面面俱到，只要实用就行。五、课题研究的步骤。课题研究的步骤，当然就是说本课题准备通过哪几步程序来达到研究的目的。所以在这一部分里应该着重思考的问题就是自己的课题大概准备分几步来完成。一般来说课题研究的基本步骤不外乎是以下几个方面：准备阶段、查阅资料阶段、实地考察阶段、问卷调查阶段、采访阶段、资料的分析整理阶段、对本课题的总结与反思阶段等。六、课题参与人员及组织分工。这属于对本课题研究的管理范畴，但也不可忽视。因为管理不到位，学生不能明确自己的职责，有时就会偷懒或者互相推诿，有时就会做重复劳动。因此课题参与人员的组织分工是不可少的。最好是把所有的参与研究的学生分成几个小组，每个小组通过民主选举的方式推选出小组长，由小组长负责本小组的任务分派和落实。然后根据本课题的情况，把相关的研究任务分割成几大部分，一个小组负责一个部分。最后由小组长组织人员汇总和整理。七、课题的经费估算。一个课题要开展，必然需要一些经费来启动，所以最后还应该大概地估算一下本课题所需要 的资金是多少，比如搜集资料需要多少钱，实地调查的外出经费，问卷调查的印刷和分发的费用，课题组所要占用的场地费，有些课题还需要购买一些相关的材料，结题报告等资料的印刷费等等。所谓“大军未动，粮草先行”，没有足够的资金作后盾，课题研究势必举步维艰，捉襟见肘，甚至于半途而废。因此，课题的经费也必须在开题之初就估算好，未雨绸缪，才能真正把本课题的研究做到最好。
1、污水除油的必要性随着经济发展和人们生活水平的提高，城市污水的水质也在发生着变化，污水中动植物油及矿物油等油类物质逐渐增多。据有关资料报道，到2000年，我国已建成并投入运行的城市污水处理厂约180座，设计处理能力达到1050×104ｍ3 /ｄ，其中二级生化处理能力约750×10 4ｍ3 /ｄ，这些污水处理厂大多存在着油类物质的污染问题[1]；尤其是一些中小城镇的污水处理厂，由于其水量较小，水质波动较大，在用水高峰期，大量餐饮污水进入处理厂，对污水处理厂的正常运行产生严重影响。以西南科技大学污水处理厂为例，该厂占地20亩，日处理能力1×104m3/d，服务人口30000人左右，采用改进型三沟式氧化沟工艺。该污水处理厂在设计过程中没有考虑进水中的油类物质，但自2003年5月运行以来，发现进水中油类物质逐渐增多，尤其是学校教师公寓和两个学生食堂完工以后，其状况更加严重。在过去的三年间，每到冬季，油类物质覆盖整个氧化沟表面，严重影响了氧化沟的充氧效率和出水水质状况，对进水中油类物质的测定发现其含量在86mg/L～420mg/L之间，其中夏季进水中油的平均含量为120mg/L，冬季为210mg/L。2 污水的除油方法分析目前，国内外对含油污水治理的研究方法主要有以下三类：化学处理法、物理处理法和生化处理法。化学处理法主要包括化学混凝法、化学沉淀法、催化氧化法及各种方法的结合运用；物理处理法包括离心分离法、过滤和超过滤法、澄清法和气浮法；生化法包括生物接触氧化法、生物转盘法、活性污泥法等[2]。 化学处理法化学处理法主要指投加一定的化学物质，使其与水中的油类物质发生絮凝、沉淀或催化氧化等反应，达到将油类物质从水中去除的目的。目前，在污水的除油过程中，化学法的研究主要集中在新型的絮凝剂的开发方面[3~8]。絮凝剂主要包括无机和有机絮凝剂，在无机絮凝剂方面，大庆石化总厂炼油厂曾对铁盐在炼油污水处理中的应用进行了研究[3]，认为在浮选投加复合聚合铝铁，在浮选除油的同时还具有除硫作用。有机絮凝剂主要包括非离子、阴离子、阳离子、两性离子有机聚合物等类型，由于分子量大，吸附悬浮物及胶质能力强，形成的絮体尺寸大，沉降快，用量少，且产生的污泥量少，易脱水，对处理水不产生负面影响，近年来备受青睐。在其应用方面，已经批量生产的主要是聚丙烯酰胺（PAM）、聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDMDAAC）和曼尼期反应的阳离子聚丙烯酰胺。在对有机絮凝剂的研究方面，唐善法等人利用丙稀酰胺与二甲基二烯丙基氯化铵、烷基二甲基烯丙基氯化铵进行多元共聚对聚丙烯酰胺进行阳离子化和疏水改性而合成的JH系列絮凝剂具有良好的絮凝除浊、破乳除油和去除有机物的能力[4]；段宏伟等人利用改性环乙环丙阳离子聚醚等合成的RD－1反相破乳剂对污水中油类的去除具有较好的效果[5]；除此之外，还有对二硫代氨基甲酸盐等絮凝剂的研究[6~8]。近几年，污水除油方法在能量化学领域也有研究[9~12]，如磁化学技术的研究[9~11]，废水中的浮油或分散油可使用被服油膜磁粉法和油层悬浮磁粉过滤法来处理。前者是用一些化学物质对磁性颗粒进行表面处理，使其表面被服一层亲油和疏水性物质的薄膜，磁种吸附油后，用磁场回收磁种即可除油；后者是利用吸附油膜的磁粉，或吸附油的磁种层来过滤油，通过磁场来固定滤层，为增加滤层与污水中油珠的碰撞，可使用交变磁场。另外，在电化学方面[11,12]，可运用直接电解、间接电解、电化学吸附与脱附等方法对污水进行除油。 物理处理法物理处理法是污水除油系统中应用最多的一类方法，其核心思想是采用物理的方法达到油水的分离。在污水的除油过程中，物理法的研究主要集中在油水分离器的研究开发，其中包括浮选技术及浮选器、旋流技术及旋流器、膜技术及膜器等方面。 浮选技术浮选净化技术是国内外正在深入研究与不断推广的一种水处理新技术[13~15]。浮选除油就是在水中通入空气或其它气体产生微细气泡，使水中的一些细小悬浮油珠及固体颗粒附着在气泡上，随气泡一起上浮到水面形成浮渣，从而完成固、液分离的一种新的除油方法。根据在于水中形成气泡的方式和气泡大小的差异，浮选处理法大体上可分为四大类，即溶气浮选法、诱导浮选法、电解浮选法和化学浮选法，其详细分类及每种方法的优缺点如表1所示。表1浮选处理方法的分类方法名称具体方法浮选成因主要优点主要缺点溶气浮选法加压溶气浮选法 真空浮选法在加压下，使气体溶解于污水，又在常压下释放出气体，产生微小气泡。在减压下，使溶解于水中的气体释放出来，产生微小气泡。气泡的尺寸小、均匀、操作稳定、设备简单、管理维修方便、除油率高上浮稳定、絮凝体破坏可能性小、能耗小流程较复杂、停留时间长、设备庞大、操作麻烦 溶气量小、操作及结构复杂诱导浮选法机械鼓气浮选法叶轮浮选法 射流浮选法让气体通过无数个微小的孔隙或缝隙，产生微小气泡。叶轮转动产生负压吸入气体，并依靠其剪切力使吸入气体变成小气泡。依靠水射器的作用使污水中产生微小气泡能耗小、浮选室结构简单。 溶气量大、停留时间短、处理速度高于溶气浮选工艺、除油效率高、设备造价低、耐冲击负荷。噪声小、工艺简单、总体能耗低、产生气泡小、除油效率好于叶轮式需投加表面活性剂才能形成微小气泡、使用范围受限、微孔易堵。浮选中必须添加浮选助剂、气泡大小不均匀、可能产生些无效气泡、制造维修麻烦。水射器要求高电解浮选法电解浮选法电絮凝浮选法选用惰性电极，使污水电解产生微小气泡。选用可溶性电极（Fe、Al等）在阳极上产生微小气泡，在阴极上有混凝作用的离子气泡小、除油率高。 气泡小、浮选与絮凝同时进行、除油率高极板损耗大、运行费用高。 同上化学浮选法化学浮选法依靠物质之间的化学反应，产生微小气泡（生成CO2，O2）。设备投资低、气泡量易于控制、尤适用于悬浮物含量高的污水污泥量增加、劳动强度大。 旋流技术水力旋流器是利用油水的密度差，在液流高度旋转时受到不等离心力的作用而实现油水分离的。含油污水切向进入圆筒涡旋段，并沿旋流管轴向螺旋态流动。在同心缩径段，由于圆锥截面的收缩，使流体增速，并促使已形成的螺旋流态向前流动，由于油和水的密度差，使水沿着管壁旋转，而油珠移向中心。流体进入细锥段，截面不断缩小，流速继续增大，小油珠继续移到中心汇成油芯。流体进入平行尾段，由于流体恒速流动，对上段产生一定的回压，使低压油芯向溢流口排出，而水则从净水出口排出。其工作原理见图1。图1 水力旋流器的工作原理示意图国外水力旋流除油研究始于1967年，经过多年的科学研究和工程应用，现已进入重大技术发展阶段。目前，美国 Conoco公司、Krebs公司、Kvanemer公司、Mpe公司、Amoco公司，澳大利亚 BWN Vortoil 公司，瑞典 ALFALAVAL公司都开始生产油水旋流分离器。国内许多研究单位和企业也先后开展了水力旋流器的研制工作，如西安交通大学、西南石油学院、四川大学、大庆石油学院、大连理工大学、江汉石油机械研究所、河南石油勘探局设计院、胜利油田设计院、大港油田设计院、江都环保器材厂、沈阳新阳机器制造厂等单位[16~22]。 膜技术膜处理技术是最近兴起的一项污水除油的新技术[22,23]，其核心思想是利用半透膜作选择障碍层，允许某些组分透过而保留混合物中的其他组分从而达到分离目的的技术总称。它具有设备简单、操作方便、无相变、无化学变化、处理效率高和节能等优点，已作为一种单元操作在污水除油过程中日益受到人们的重视。在膜技术的研究应用方面，天津天膜技术工程公司曾采用中空纤维超滤膜对含油污水进行处理研究[23]，表明中空纤维超滤膜用于处理经过预处理的含油量较低的污水较为理想，而对未经过处理的含油量高的污水除油除浊效果较好；中国计量科学研究院利用一种破乳功能膜处理含油污水，取得较好效果[24]。但在膜技术应用中，都不同程度的存在膜的清洗问题。 生化处理法生化处理是利用水中的微生物处理污水中的有机污染物的一种工艺，现有的污水处理厂的生物处理单元，对污水中的油类物质有部分去除效率，但去除率较低。目前生物技术在污水除油中的应用主要集中在筛选优化、培养和驯化嗜油微生物菌种。新疆环境监测中心通过利用餐饮服务业的含油污水培养筛选出28株具有较强除油能力的菌种进行研究，发现将其回接污水后，平均除油率达68%，其优选菌种回接污水24ｈ后的除油率达90 %，而同批污水自然存放10ｄ后的除油率仅为29%。采用选培优良菌种集中快速处理，可以显著提高此类污水的处理效率[25]。3 除油方案探讨针对西科大污水厂的油类物质，2003年～2005年冬季我们曾采用水力冲刷氧化沟表面和在沉砂池前投加石灰的方法进行实验。水力冲刷虽然可以暂时使氧化沟表面的油类物质吸附在污泥表面沉淀下来，但在下一个运行阶段油类物质会重新布满池面；沉砂池前投加石灰可以减少氧化沟中的油污，但石灰同时会对部分微生物产生抑止，其产生的沉淀物质在沉砂池中很难沉淀下来，带到氧化沟后容易堵塞沟中微孔曝气器，因此投加量受到限制，而其他的絮凝剂有存在价格偏高的问题。为了暂时避免氧化沟的缺氧问题，我们将氧化沟出水堰的挡板去掉，使漂浮的油污随出水进入接触池，在接触池的起端清捞。可以说上述的措施并未达到理想的除油目的。在选择除油方案时，我们也考虑了水力旋流器等物理方法，但由于其细格栅和沉砂池之间的空间限制以及昂贵的能耗费用和分离出来的油类的去向等问题的困扰，故未能采用。由于西科大污水厂的油类的来源较为单一，我们考虑在两个学生食堂外的设置隔油池，分离出来的油污和食堂的潲水一起集中处理；同时在污水厂氧化沟中培养驯化嗜油微生物，通过微生物技术对其余的油类进行处理，从而达到节约费用，提高除油效率的目的。4 结论 污水处理厂除油的方法很多，目前在化学、物理及生化处理方法方面均有研究应用。 中小城镇的污水处理厂由于存在资金困难等因素，在设计过程中往往没有考虑除油设施，而运行中油类的污染又直接影响其处理效果，因此其除油措施的实施必须结合各厂的具体情况。 对于油类物质来源比较单一的城镇污水处理厂，从源头治理会起到简单、经济和实用的效果。 微生物技术作为一种新兴的技术，在污水除油领域的研究应用正在不断深化，筛选优化、培养和驯化嗜油微生物菌种对于中小型污水处理厂的除油具有节能、高效等优点。
1 引言 供水系统在人们生活和工业应用当中是必不可少的。随着人们生活水平的提高和现代工业的发展，人们对供水系统的质量和可靠性的要求越来越高。变频恒压供水系统能够很好的满足现代供水系统的要求。在变频恒压供水系统出现以前，有以下供水方式：(1) 单台恒定转速泵的供水系统这种供水方式是水泵从蓄水池中抽水加压直接送往用户，严重影响了城市公用水管管网压力的稳定，水泵整日不停运转。这种系统简单、造价最低，但耗电严重，水压不稳，供水质量极差。(2) 恒定转速泵加水塔（或高位水箱）的供水系统这种供水方式是由水泵先向水塔供水，再由水塔向用户供水。水塔注满水后水泵停止工作，水塔水位低于某一高度时水泵启动，水泵处于断续工作状态中。这种方式比前一种省电，供水压力比较稳定，但基建设备投资大，占地面积大，水压不可调，供水质量差。(3)恒定转速泵加气压罐的供水系统这种供水方式是利用封闭的气压罐代替水塔蓄水，通过检测罐内压力来控制水泵的开与停。当罐中压力降到压力下限时，水泵启动；当罐中压力升到压力上限时，水泵停止。这种方式，设备的成本比水塔要低很多。但是电机起动频繁，易造成电机的损坏，能耗大。变频恒压供水系统不仅克服了过去供水系统的缺点，而且有其自身的优点。此系统采用了先进的s7－200plc和变频器mm440，s7-200具有低廉的价格和强大的指令，可以满足多种多样的小规模的控制要求，变频器mm440具有很高的运行可靠性、功能的多样性和全面而完善的控制功能。这种供水方式不仅提高了供水系统的稳定性和可靠性，而且实现水泵的无级调速，使供水压力能够跟踪系统所需水压，提高了供水质量。同时变频器对水泵采取软启动，启动时冲击电流很小，启动能耗小。2 供水系统的基本特性供水系统的基本特性是水泵在某一转速下扬程h与流量q之间的关系曲线f (q)，前提是供水系统管路中的阀门开度不变。扬程特性所反映的是扬程h与用水流量q之间的关系。由图1的扬程特性表明，流量q越大，扬程h越小。在阀门开度和水泵转速都不变的情况下，流量q的大小主要取决于用户的用水情况。管阻特性是以水泵的转速不变为前提，阀门在某一开度下，扬程h与流量q之间的关系h=f (q)。管阻特性反映了水泵转动的能量用来克服水泵系统的水位及压力差、液体在管道中流动阻力的变化规律。由图1可知，在同一阀门开度下，扬程h越大，流量q也越大，流量q的大小反映了系统的供水能力。扬程特性曲线和管阻特性曲线的交点，称为供水系统的平衡工作点，如图1中a点。在这一点，用户的用水流量和供水系统的供水流量达到平衡状态，供水系统既满足了扬程特性，也符合了管阻特性，系统稳定运行。当用水流量和供水流量达到平衡时，扬程ha稳定，供水系统的压力也保持恒定。 图1 供水系统的基本特性3 变频恒压供水系统的构成及工作原理 系统的构成变频恒压供水系统采用西门子的s7-200 plc作为控制器，变频器mm440是频率调节器，交流接触器和电动机作为执行机构，压力传感器作为控制的反馈元件。s7-200 plc选用内部控制模块cpu224，模拟量2路输入通用模块、模拟量2路输出通用模块和pid模块。cpu224有14路输入/10路输出，对于小型的控制系统而言够用。pid模块使用方便，在软件中只需要配置pid的每个参数。三相交流电与mm440的电源输入口连接，经过变频器变频后的交流电接异步电动机，异步电动机带动水泵转动。s7-200数字输出口输出控制信号到交流接触器，交流接触器两端连接的是工频或变频的三相交流电，主要起接通或断开三相交流电与异步电动机。s7-200的模拟输出口输出控制电压信号给mm440的模拟电压输入口ain1+和ain1-，该控制电压主要调节交流电的频率。压力传感器从供水网络中反馈压力信号，压力信号经过滤波放大后输入给s7-200的模拟输入口。系统的结构如图2所示。 图2 变频恒压供水系统的总体框图 系统的工作原理变频恒压供水系统是由三相异步电动机带动水泵旋转来供水，通过变频器调节输入交流电的频率而调节异步电动机的转速，从而改变水泵的出水流量来调节供水系统的压力。因此，供水系统变频的实质是三相异步电动机的变频调速，通过改变定子供电频率来改变同步转速而实现调速的。异步电机的转速为： 其中： n0为异步电机同步转速；n为异步电机转子转速；f为异步电机的定子输入交流电的频率；s为异步电机的转差率；p为异步电机的极对数。由上式可知，当异步电机的极对数p不变时，电机转子转速n与定子输入交流电频率f成正比。当系统启动，运行在自动模式时，此时手动模式无效。系统按照给定的水压进行设定，plc根据给定的水压自动调节交流电的频率，精确跟踪给定的供水压力。在用水量高峰时期，系统的用水量猛增，扬程降低，供水量不足，供水水压下降，1#电机输入交流电的频率会升高，以提高供水水压。当交流电的频率达到最大频率，供水水压仍然小于设定的水压时，1#电机会自动切换到工频状态下，同时2#电机启动并工作在变频状态。在夜间，系统的用水量递减，扬程升高，供水量过大，2#电机会退出变频状态，1#电机由工频切换到变频状态，并不断调节交流电频率，系统最终要维持供水的设定压力。当系统运行在手动模式时，自动模式无效。在自动模式出现问题或系统在维护期间时，系统才会采用手动模式。用户根据需要，可以从plc的输入开关输入信号，选择1#电机或2#电机运行在工频状态。变频恒压供水系统的功能要求：系统的供水压力能够准确跟踪给定供水压力（稳态误差在5％内）；可以自动进行自动模式/手动模式切换。系统的控制原理框图如图3所示。压力传感器从供水管网反馈电压信号，电压信号经过滤波放大后送到s7-200的模拟输入口，与给定的供水压力信号比较形成压力偏差信号，经过plc（s7-200）pid模块pi调节后发出控制电压信号，送到变频器mm440的模拟输入调节端口。送到变频器mm440的模拟电压信号与连接到变频器mm440的三相交流电的频率一一对应，调节控制电压信号就可以调节三相交流电的频率。系统是以供水管网的供水压力为控制对象而构成的闭环控制系统，其设计是按照两个电机就可以完全满足供水要求。 图3 变频恒压供水系统的控制原理框图4 硬件电路设计 主电路变频恒压供水系统就是利用异步电机拖动水泵的。系统的主电路由电源开关q、熔断器fu、交流接触器km、热继电器kr等组成，采用了一台变频器切换控制两台电机，1#电机和2#电机可以在工频和变频状态下进行切换，交流接触器的通断由s7－200的输出口控制。主电路如图4所示。 图4 系统主电路图 控制电路控制电路主要由plc（s7－200）、变频器mm440等组成，plc外围电路接线图如图5所示。总电源开关为q，sb0为plc的程序启动按钮，与plc的输入口相连接，当按下sb0时，为“1”，plc程序启动。k1为系统的自动模式开关，当k1接通时，为“1”，交流接触器km1闭合，系统自动运行。当变频器的频率达到上限频率时，为“1”，1#泵和电机切换到工频状态下，2#泵和电机变频启动。当变频器的频率达到下限频率时，为“1”，2#电机停止运行，1#电机由工频切换到变频状态下。和的状态由变频器输入。k2为系统的手动模式开关，当k2接通时，为“1”，交流接触器km1断开，系统不能自动运行，用户可以根据需要接通k3或k4来选取1#电机或2#电机工频运行。km1为控制1#电机和2#电机在自动模式下运行的交流接触器，km2为控制1#电机在变频下运行的交流接触器，km3为控制1#电机在工频下运行的交流接触器，km4为控制2#电机在变频下运行的交流接触器，km5为控制2#电机在工频下运行的交流接触器。 图5 plc外围接线图5 程序设计 plc程序设计plc程序设计的主要流程如图6所示。合上开关q，按下起动按钮sb0，plc程序复位。当合上开关k1，为“1”，系统在自动模式下运行，交流接触器km1接通，系统将根据程序跟踪设定供水压力。 图6 主程序流程图当用户用水量递增，变频器达到频率50hz，供水压力还没有达到设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”， 为“1”，交流接触器km2断开，km3接通，1#电机由变频切换到工频。定时器计时3s，变频器停止，变频器的频率由最高频率50hz逐渐下降，3s后为“1”，2#电机接到变频器开始变频运行。设置延迟时间主要原因是让变频器的频率下降，软启动静止的2#电机，减小电机启动电流，避免电机烧毁。当用户用水量减小，变频器达到下限频率30hz，供水压力还是高于设定的供水压力时，mm440输出高电平到。此时，为“0”，km2断开，2#电机退出变频并逐渐停止。同时为“1”，为“0”，交流接触器km2接通，km3断开，1#电机由工频切换到变频。下限频率设定在30hz主要原因：在供水系统中，转速过低时会出现水泵的全扬程小于基本扬程（实际扬程）形成水泵“空转”的现象。在多数情况下，下限频率应定为30hz～35hz。当合上开关k2，系统在手动模式下运行，交流接触器km1断开。用户可以根据需要，合上开关k3，交流接触器km3接通，选择1#电机在工频下运行。合上开关k4，交流接触器km5接通，选择2#电机在工频下运行。 变频器mm440的参数配置变频器mm440主要使用的是模拟输入口ain1+和ain1－，模拟电压信号输入后通过a/d转换器得到数字信号。由plc模拟输出口输出模拟控制电压信号，输入到变频器的模拟口，变频器的频率和控制电压一一对应。系统使用变频器的模拟端口，最高频率应该设置为50hz，最低频率为30hz。mm440的参数配置如附表所示。附表 mm440的参数配置 6 结束语应用西门子plc（s7－200）内部的pid模块和变频器mm440的无极调速控制恒压供水系统，高效节能，调速供水效果突出，抗干扰能力强。同时采用变频器对电机实行软起动，减少了设备损耗，延长了水泵、电机设备的使用寿命。以供水水压为控制对象的闭环控制，稳态误差小，动态响应快，运行稳定。实验效果表明，采用plc（s7－200）和变频器mm440构成的变频恒压供水系统，具有很强的实用性，体现了变频调速恒压供水的技术优势，为供水领域开辟了切实有效的途径。参考文献[1] 李光,谢欢,王直杰. 高压变频器模拟量控制电路及功能设计[j]. 电气传动自动化,2008,38(7):63-68.[2] 彭旭昀. 一种基于变频器pid功能的plc控制恒压供水系统[j]. 机电工程技术,2005,34(10):54-56.[3] 陈新恩,王永祥. 基于s7-200的变频调速恒压供水系统[j]. 制造业电气,2006,25(6):37-39.[4] 朱玉堂. 变频恒压供水系统的研究开发与应用[d]. 杭州:浙江大学,2005.
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智能水位控制系统毕业设计一、水位智能检测系统设计原理�实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在使水导电。本控制装置就是利用水的导电性完成的。�如图1所示，虚线表示允许水位变化的上下限。在正常情况下，应保持水位在虚线范围之内。为此，在水塔的不同高度安装了3根金属棒，以感知水位变化情况。图1 水位检测原理图其中B棒处于下限水位，C棒处于上限水位，A棒接+5V电源，B棒、C棒各通过一个电阻与地相连。�水塔由电机带动水泵供水，单片机控制电机转动以达到对水位控制之目的。供水时，水位上升。当达到上限时，由于水的导电作用，B、C棒连通+5V。因此，b、c两端均为1状态，这时应停止电机和水泵工作，不再给水塔供水。当水位降到下限时，B、C棒都不能与A棒导电，因此，b、c两端均为0状态。这时应启动电机，带动水泵工作，给水塔供水。当水位处于上下限之间时，B棒与A棒导通，b端为1状态。C端为0状态。这时，无论是电机已在带动水泵给水塔加水，水位在不断上升；或者是电机没有工作，用水使水位在不断下降。都应继续维持原有的工作状态。�二、基于单片机控制的水塔水位控制系统�1�单片机控制电路�水塔水位控制的电路如图2所示。�2�前向通道设计图2 水塔水位控制电路由于所采用的信号是频率随水位变化而变的脉冲信号（开关量），因此电路设计中省去了A/D�转换部分，这不仅降低了硬件电路的成本，而且由于采用数字脉冲信号通信，提高了系统的抗干扰能力、稳定性和精度。�输入的可变脉冲信号送到8031的P10和P11脚电平，当接收到信号时，输入脉冲使其输出高电平，而无信号输入时，无触发脉冲，此时翻转为低电平。程序控制8031周期性地对P11和P10脚电平进行采样，达到控制的目的。�3.微机控制数据处理部分�在电路设计中，充分利用8031已有端口的作用，同时也考虑扩展，做到尽可能节省元件，不仅可降低成本，而且提高可靠性。(1)使用8031单片机。水塔水位控制的电路如图3—1。接受电路得到的是频率随水位变化的调频脉冲，它反映了贮水池水位的高度，对其进行信号处理，便能实现对水位的控制及故障报警等功能。要完成此一工作，最佳的选择是采用微机控制，实验中是以MCS—51系列弹片机8031作CPU。对接受的信号进行数据处理，完成相应的水位控制、故障报警等功能。8031芯片的内部结构框图见图3所示。�由图3可大致看到：它含运算器、控制器、片内存储器、4个I/O接口、串行接口定时器/计数器、中断系统、振荡器等功能部件。图中SP是堆栈指针寄存器，栈区占用了片内RAM的部分单元；未见通用寄存器（工作寄存器），因单片机片内有存储器，与访问工作寄存器一样方便，所以就把一定数量的片内RAM字节划作工作寄存器区；PSW是程序状态字寄存器，简称程序状态字，相当于其他计算机的标志寄存器；DPTR是数据指针寄存器，在访问片外ROM、片外RAM、甚至扩展I/O接口时特别有用；B寄存器又称乘法寄存器，它与累加器A协同工作，可进行乘法操作和除法操作。实验中8031时钟频率为6MHz。由于8031没有内部ROM，因此需外扩展程序存储器。本系统采用2732EPROM扩展4K程序存储器，对应地址空间为0000H～0FFFH。（2）74LS373作为地址锁存器。74LS373片内是8个输出带三态门的D锁存器，其结构示意图见图4所示。当使能端G呈高点平时锁存器中的内容可更新，而在返回低电平瞬间实现锁存。如此时芯片的输出控制端为低，也即输出三态门打开，锁存器中的地址信息便可经由三态门输出。除74LS373外，84LS273、8282、8212等芯片也可用作地址锁存器，但使用时接法稍有不同，由于接线稍繁、多用硬件和价格稍贵，故不如74LS373用的普遍。 图3 8031芯片内部结构框图（3）两个水位信号由P10和P11输入，这两个信号共有四种组合状态。如表3—1所示。其中第三种组合（b=1、c=0）正常情况下是不能发生的，但在设计中还是应该考虑到，并作为一种故障状态。�表3-1 水位信号状态表C(P11) B(P10) 操作 0 0 电机运转 0 1 维持原状 1 0 故障报警 1 1 电机停转 （4）控制信号由P12端输出，去控制电机。为了提高控制的可靠性，使用了光电耦合。4.报警电路�本系统采用发光二极管，当控制电路出现故障状态时，P13置零，发光二极管导通，发光报警。�5.软件设计�一个应用系统，要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用MCS—51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。这个系统程序由主控程序、延时子程序组成。其中主控程序是核心。由它控制着整个系统程序的运行和跳转。流程图如图5所示。包括系统初始化，数据处理，故障报警等。�电路具体工作情况如下：�① 当水位低于B时，由于极棒A和C、A和B之间被空气绝缘，P10和P11得到低电平，全置0，单片机控制电路使P12置零，继电器吸合，启动水泵向水塔灌水；�② 当水位高于B低于C时，P10置1，P11置0，继电器常开触电自保，因此升到B以上时，继电器并不立即释放，电极仍然供水；③ 当水位达到C时，P10 、P11均置1，单片机控制电路使P12置1，继电器释放，水泵停止工作；�④ 用水过程中，水位降到C以下，P11置0，P10置1，维持原状，电机不工作，直到降到B以下，如此循环往复。�系统出现故障时，由P13置零，输出报警信号，驱动一支发光二极管进行光报警。三、结束语�现代传感技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、信息处理技术和新工艺、新材料的发展为智能检测系统的发展带来了前所未有的奇迹。在工业、国防、科研等许多应用领域，智能检测系统正发挥着越来越大的作用。检测设备就像神经和感官，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有力工具。现代的广义智能检测系统应包括一切以计算机（单片机、PC机、工控机、系统机）为信息处理核心的检测设备。因此，智能检测系统包括了信息获取、信息传送、信息处理和信息输出等多个硬、软件环节。从某种程度上来说，智能检测系统的发展水平表现了一个国家的科技和设计水平。�本课题研究的内容是“智能水位控制系统”。水位控制在日常生活及工业领域中应用相当广泛，比如水塔、地下水、水电站等情况下的水位控制。而以往水位的检测是由人工完成的，值班人员全天候地对水位的变化进行监测，用有线电话及时把水位变化情况报知主控室。然后主控室再开动电机进行给排水。很显然上述重复性的工作无论从人员、时间和资金上都将造成很大的浪费。同时也容易出差错。因此急需一种能自动检测水位，并根据水位变化的情况自动调节的自动控制系统，我所研究的就是这方面的课题。�水位检测可以有多种实现方法，如机械控制、逻辑电路控制、机电控制等。本实验采用两种方法（单片机和时基集成电路）进行主控制，在水池上安装一个自动测水位装置。利用水的导电性连续地全天候地测量水位的变化，把测量到的水位变化转换成相应的电信号，主控台应用单片微机或时基集成电路对接收到的信号进行数据处理，完成相应的水位显示、控制及故障报警等功能。�参考文献�1.丁元杰 单片微机原理及应用 机械工业出版社 2000�2.腾召胜 罗隆福 智能检测系统与数据融合 机械工业出版社 20003.孙虎章 自动控制原理 中央广播电视大学出版社 1999