自动加药装置设计

⽬录

第⼀章绪论 (3)1.1课题来源 (3)

1.2⾃动加药设备的应⽤ (3)第⼆章总体⽅案 (2)2.1整个装置介绍 (4)2.2主要结构 (5)2.2.1容量 (6)2.2.2尺⼨功率 (6)

2.3主机技术参数及配置 (7)2.3.1主机 WDTM X 5.4 (7)第三章机械部分的设计 (9)

3.1 螺旋直径和螺旋轴转速的确定 (9)3.2 螺旋轴电动机的确定 (11)第四章各种电⽓元件的选型 (13)4.1 PLC的类型选择 (13)

4.1.1 输⼊输出模块的选择及分配 (13)

4.1.2 S7-200 系列CPU选择226型号的PLC性能参数 (13)4.1.3 EM235模拟量输⼊输出模块性能参数 (14)4.1.4 EM232模拟量输出模块的性能参数 (15)4.2电源及存储器的选择 (15)4.3传感器的原理及其选⽤ (16)4.3.1 (16)4.3.2 (17)4.3.3 (18)

4.4真空吸料泵的选⽤ (19)4.5⽔射器的选⽤ (22)4.5.1 ⽔射器⽰意图 (22)4.5.2⽔射器型号及参数 (22)4.6 计量泵的选⽤ (23)4.6.1 常⽤计量泵 (24)4.6.2 常⽤絮凝剂 (24)第5章编程控制部分 (26)5.1 PLC控制过程 (26)5.1.1加药系统⼯艺流程 (27)5.1.2 PID控制部分 (27)5.1.3控制原理图设计 (29)5.1.4 I/O接⼝分配表 (29)5.1.5 PLC输⼊输出接线图 (30)5.1.6 中断程序 (30)结论 (31)参考⽂献 (32)致谢 (31)

附录⼀程序总图 (32)附录⼆（CAD图纸） (40)

本设计所需图纸请联系QQ380752645加Q时请说明是⼀柱⾹推荐第⼀章绪论1.1课题来源

本⾃动加药装置来⾃株洲县污⽔处理⼚，主要处理⽣活污⽔，处理⼚处理能⼒设在8万吨/天，采⽤的处理药剂为聚合氯化铝絮凝剂，引进的加药系统为上下两槽的半⾃动加药装置，具有节约⽤地、减轻劳动强度、消除差错、提⾼加药⾃动化⽔平及管理⽔平、适应各种不同情况下的处理，提⾼管理和操作⼈员素质、降低储运损耗、有效地减少流动资⾦的积压、提⾼物流效率等诸多优点。经过参观学习，了解到加药系统在污⽔处理中起到⾄关重要的作⽤，称之为污⽔处理的⼼脏，在⽔环境化学中较为重要的，研究得较多的污染物是重⾦属和有机物。因此，结合本专业选择了这个课题----污⽔处理之⾃动加药装置[11]。1.2⾃动加药设备的应⽤

加药装置⽤途加药装置是是⼀种具投药、搅拌、输送液体、⾃动控制与⼀体的成套设备，他被⼴泛应⽤于电⼚的原⽔、锅炉给⽔、油⽥地⾯集输脱⽔处理系统，⽯油化⼯各种加药系统和废⽔处理系统。如投加混凝剂、磷酸盐、氨液、⽯灰⽔、⽔质稳定剂（缓蚀剂）、阻垢剂、液体杀⾍剂等。⼯作结构原理：加药装置主要由溶液箱、搅拌箱（带搅拌器）、计量泵、液位计、电控柜、管路、阀门、⽌回阀、压⼒表、过滤器、底座、扶梯等组成（可根据⽤户实际要求配置）。加药装置根据所需药剂浓度，在搅拌箱内配制，经搅拌器搅拌均匀后投⼊溶液箱、⽤计量泵（加药泵）向投药点或指定的系统中输送所配制的溶液。成套加药装置具有结构紧凑、安全简单、操作使⽤简便等特点。该装置还可根据⽤户不同⼯艺流程的要求，进⾏有针对性的设计、配置必要的部件，实现功能适合（如⾃动远程控制）、经济实⽤[9]。第⼆章总体⽅案2.1整个装置介绍

图2.1 株洲县污⽔处理现场图

（1）本设计参考株洲县路⼝污⽔处理⼚⾃动加药系统⼯艺来设计，如图2-1，本系统具有⾼精确的计量装置，避免了浪费，简单易⾏的操作保养，使设备更具⼈性化，具有粉状和液态（选配）⾃动进料功能设计和抗凝结加热去湿功能，独具的在线稀释结构，扩⼤设备运⾏能⼒，具有⽐例调配功能，可依据实际需求任意调整所配置药液浓度，使配制的药液浓度均匀适中，通过可编程PLC装置，可选实现待机时间⾃动间歇或停顿的交叉搅拌功能，使配制的药液永远保持在最佳使⽤效果，配制相应的传感器，使整套装置的操控性更加完善，亦可选⽤⼈机界⾯操控系统。

（2）其设备特点为两箱叠加式配药，占地⾯积⼩，药液浓度稳定，批量连续，活性⾼，料粉真空吸⼊或⼤袋密闭投加，⽆粉尘污染并减轻⼈⼯劳动强度，不受物料形态限制，可达到固液态兼⽤，⼲粉给料出⼝配有⽓动阀门，且有电加热系统，⽔汽不

会道馆，有效防⽌料粉受潮结块，操作简单，可以采⽤中⽂菜单，⼈机界⾯控制，双螺杆推料，⽆脉动，配料准确度⾼，运⾏能耗低并可节省⼀次性投⼊成本，⾃动化程度⾼，⽆需⼈⼯看守，服务完善，交钥匙⼯程。

2.2主要结构

1）机架：由Q235⽅钢及⾓钢焊接⽽成，起到⽀承其它部件的作⽤。2）⼲粉吸料系统：由吸料电机、软管、吸料头、料⽃等组成。

3）推料溶解系统：由减速机、⼲粉推料双螺杆、混合器、⽔射器、不锈钢搅拌器及制备/储备罐等组成；4）给⽔系统：由阀、过滤器、电磁阀、压⼒表、管件等组成；5）混合⽔射器：独有的射流装置，可使得预浸湿药剂雾化分散。

6）控制系统：料位开关（⼲粉低位报警）、电磁阀（进⽔电磁阀和排泥电磁阀以及放液电磁阀）、液位开关（控制制备/储备罐液位）、控制柜（主要电⽓元件均选⽤施耐德）、计量泵（两计量泵变频器）、螺旋送料（采⽤双螺旋输送，⽆脉动出料，做到连续均匀，配料准确）、药液搅拌（内旋式搅拌桨叶，使搅拌旋转⼒量均匀轻柔）。设计1套⾃动加药装置如图2.2以及图2.3所⽰。该设备安装于管道旁边，配药完毕后打开放料阀即可混⼊管道。试拟处理污⽔量计算得出0.25%的溶液，处理量为2.5-3.2kg/h。图2.2主机主视图图2.3 主机俯视图2.2.1容量表 2.1罐型号参数

型号0.5%溶液0.25%溶液WDTM×0.6 1.0～1.2kg/h 0.5～0.6kg/h WDTM×1.0 1.8～2.3kg/h 0.9～1.1kg/h WDTM×2.0 3.8～4.7kg/h 1.9～2.3kg/h WDTM×3.0 5.1～6.4kg/h 2.5～3.2kg/h WDTM×4.07.7～9.5kg/h 3.8～4.7kg/h WDTM×5.49.8～12.0kg/h 4.9～6.0kg/h WDTM×6.612.9～16.0kg/h 6.8～8.6kg/h WDTM×8.415.6～19.1kg/h 8.3～10.4kg/h故型号选择WDTM 3.0。2.2.2尺⼨功率表 2.2罐尺⼨功率参数

型号罐尺⼨ A B C D 功率（kw）WDTM×0.62×0.3M2800 1470 1530 1140 2

WDTM×1.02×0.5M2960 1720 1670 1350 2.2 WDTM×2.02×1.0M21250 2230 1960 1610 2.5 WDTM×3.02×1.5M21430 2230 2140 1800 2.87 WDTM×4.02×2.0M21610 27802330 2100 3.27 WDTM×5.42×2.7M21860 2781 2560 2350 3.97 WDTM×6.62×3.3M21860 3280 2560 2350 3.97 WDTM×8.42×4.2M22000 3281 2700 2500 4.77进⽽可选择出罐的尺⼨以及其功率分别为：

罐尺⼨：2 1.5 M3 A=1430 B=2230 C=2140 D=1800 功率为2.87KW。2.3主机技术参数及配置表 2.3主机参数型号外形尺⼨罐体尺⼨⼲粉投加量吸料电机功率⼲粉推料电机功率搅拌电机功率整机功率

WDTM X- 3.0 2140*1430*2230 mm2000×1500mm2.5-3.2kg/hr (2.5‰浓度)

1.5KW 0.37k W 0.75KW2.87KW

根据现场踏勘情况，⾼分⼦投配系统主机不能正常⼯作，缺陷部件因⾮标产品⽽市场⽆法采购，故需拆除更换。两只不锈钢罐（制备罐、储存罐）可继续利⽤。更换的主机制备能⼒需与现有两只罐配套。制备浓度2.5‰，具体配置如下：2.3.1主机 WDTM X 5.4

（1）、真空吸料配备1.4KW的吸料系统；强⼒真空吸料，特有电机双层保护罩，电机免维护，寿命长久。

（2）、体积约0.1⽴⽅⽶的储料⽃，独特的切向进料⽅式，药剂⼲粉螺旋环形进⼊，最⼤限度利⽤空间，不产⽣死⾓。

（3）、机架和储料⽃连成⼀体，机架⽤50X50X5⾓钢焊接，储料⽃⽤t=3mm钢板焊接，内外表⾯重防腐处理。推料时采⽤独特的振打系统，使药剂密度均衡，下料⽆空⽳，制备浓度精准。

（4）、料位控制开关：全⾃动可预警式阻旋料位开关，⾃动监控料⽃料位，及时报警，提醒操作⼈员添加药剂。（5）、预润湿装置：材质不锈钢SUS304制作，锥形容器，⽔流切向进⼊，让药剂预浸湿，避免结块，溶解更完全。

（6）、推料系统：采⽤双螺旋输送，⽆脉动出料，做到连续均匀，配料准确。（7）、恒温系统可保证出料⼝的⼲燥度，避免药剂受潮结块，⽔汽进⼊。（8）、混合⽔射器：独有的射流装置，可使得预浸湿药剂雾化分散，顺利进⼊制备罐溶解熟化。

（9）、电⽓控制系统：所有元器件采⽤国际名牌⾼品质产品，性能稳定，可编程PLC 系统，实现⾼智能全⾃动控制，更有独特的⾃动/⼈⼯双系统，⾃由切换，安全稳定，使⽤⽅便。

（10）、管道系统：配有过滤器、电磁阀、压⼒表、压⼒控制开关等，保证整个设备的正常运⾏。（11）、增压泵，增压在3KG以上，保证系统正常⼯作。（12）、制备罐搅拌装置

配置：a、电机：采⽤独特的摆线针轮减速机，功率1.5千⽡。

b、搅拌：材质不锈钢SUS304搅拌轴，内旋式搅拌桨叶，使搅拌旋转⼒量均匀轻柔，不会影响药液粘度。c、专⽤电缆以及其他附属配件，采⽤知名品牌，安全稳定，使⽤周期长。（13）、电动式制备罐放液阀配置：a、直流24V电动执⾏器。b、DN100VPVC蝶阀。

（14）、制备罐、储备罐、液位传感开关

液位控制系统：采⽤全⾃动数字超声波液位传感器控制，感应灵敏，控制快捷，失误率低。（15）、表⾯防腐处理

使⽤环氧富锌漆、表⾯防锈漆以及氟碳树脂漆多级喷涂，并进⾏表⾯抗氧化处理，抗腐蚀能⼒强，长时间恶劣环境下使⽤也可保持其原有外观。第三章 机械部分的设计

3.1 螺旋直径和螺旋轴转速的确定（1）螺旋直径为：2.5QD K C

ρ≥ （式3-1） 式中：Q —输送能⼒；

K —物料特性系数，常⽤物料的K 值见表3.1； ?—填充系数，见表3.1； C —倾⾓系数，见表3.2。 经计算可得， 2.5c Q K D ?ρ≥= 2.50.81.50.355

0.0415??=90mm 根据设计要求，螺旋料桶内径不⼤于100mm ，螺旋轴长L 约为460mm ，输送量为2.5~3.2kg/h ，还必须保证物料的冷却时间35min ，⼀般物料在管内的体积必须⼩于输送管体积的50%，初步确定螺旋直径D [7]。即： 251()50%23D L πρ>?

式中 L 为螺旋轴长460mm ；ρ为物料松散密度31.5/t m 。则：46.05.114.3652L652

D =>πρ=94

这样计算出D>94mm ，所以在保证冷却时间的情况下要尽量选取⼤螺旋直径，按照设计⼿册将其圆整取D=95mm ，螺旋叶⽚的间距为76mm ，螺旋与螺旋料桶之间的距离取5mm ，后⾯再对螺旋轴挠度进⾏校核[3]。表3.1 常⽤物料的填充、特性、综合系数物料的⼒度

物料的磨琢性物料的典型例⼦

推荐的填充系数?推荐的螺旋⾯型式特性系数K综合系数A

粉状 ⽆磨琢性 半磨琢性 ⾯粉、⽯墨 ⽯灰、纯碱 0.350.40 实体 0.0415 75 粉状 磨琢性 ⼲炉粉、⽔泥 ⽯膏粉、⽩粉 0.250.30

实体 0.0565 35 粒状 ⽆磨琢性 半磨琢性 ⾕物、泥煤 颗粒状⾷盐 0.250.35 实体 0.0490 50 粒状 磨琢性 造型⼟、型砂 成粒的炉渣 0.250.30实体 0.0600 30 ⼩块 a<60mm⽆磨琢性 半磨琢性煤、⽯灰⽯0.250.30实体0.053740

表3.2 倾⾓系数表倾斜⾓β

0? 5≤? 10≤? 15≤? 20≤?

螺旋输送机倾斜布置时的输送量校正系数C 1.00.9 0.8 0.7 0.6（2）螺旋轴转速

螺旋轴转速在满⾜输送能⼒的条件下不宜过⾼，以免物料受过⼤的切向⼒⽽被抛起，以致⽆法向前输送。因此，螺旋轴转速n 不能超过某⼀极限转速j n [4]；j An n D≤=

式中 A —表⽰物料综合系数，A=35。 经计算可得：3555.34(/min)0.4j A n n r D <=

== 在不超过极限转速的同时，还须保证物料的冷却时间 即： 20n t L ??= 其中t —螺旋节距，0.8t D =；2.03(/min)n r = 圆整为2/min n r =

⽤螺旋直径D 及转速n 圆整后的数值，对填充系数进⾏验算，看数据是否满⾜要求 即： 247QD n tCρ= 则：225

0.2847470.4260 1.50.320.8Q D n tC ?ρ=

== 由表3.1可知满⾜设计要求。3.2 螺旋轴电动机的确定（1）螺旋输送机所需轴功率P 的确定

对于螺旋输送机所需要的轴功率可由下式确定：()00()367Q P L H KW ω=±

式中 H —螺旋输送机倾斜布置时在垂直平⾯上的投影⾼度 L —螺旋输送机⽔平投影长度，13L m = 0ω—物料阻⼒系数，见表4.3，0 3.2ω= 计算得：()005(3.2130)0.5667()367367Q P L H KW ω=

±=?+= 表3.3 物料阻⼒系数物料特征 物料典型例⼦物料阻⼒系数0ω

⼲的，⽆磨琢性 粮⾷、⾕物、锯⽊屑、媒粉、⾯粉 1.2 湿的，⽆磨琢性 棉籽、麦芽、糖块、⽯英粉

1.5 半磨琢性 纯碱、块煤、⾷盐2.5 磨琢性

卵⽯、砂、⽔泥、焦炭

3.2 强磨琢性或粘性 炉灰、造型⼟、⽯灰、硫、砂糖、矿砂4.0

（2）电动机功率的确定电动机的功率为：1

()P P K KW η=

其中 1K —功率备⽤系数，对Y 系列电动机1 1.0K =； η—驱动装置总效率，⼀般取0.9~0.94。10.56671.00.6300.9P P K KW η==?

= 在选择螺旋输送机驱动装置时，应维持如下关系：0P P n n ??≤

[]F F ≤ 式中 F —当螺旋输送机不采⽤联轴器与驱动装置相联，⽽采⽤传动带或链条等传动时，在螺旋轴轴端上所加的总作⽤⼒，N ； []F —许⽤悬臂载荷，N 。GX 型螺旋输送机，其许⽤的功率转速⽐N n ??

及许⽤悬臂载荷[]F 列于表3.4中。

表3.4 GX 型螺旋输送机许⽤功率转速⽐与许⽤悬臂载荷螺旋直径D ，mm150200

250 300 400 500 600 N n ，/min kW r 0.013 0.03 0.06 0.100.250.480.85[]F ，N210037005800

8000 15000 24000 35000（3）电动机的选择

螺旋输送轴的驱动电机初步选定双级电动机直接型减速机，型号为B63型，额定功率为0.37KW ，传动⽐为731，输出转速为min /12r ，扭矩为7680N m 。第四章各种电⽓元件的选型4.1 PLC的类型选择

4.1.1 输⼊输出模块的选择及分配

输⼊输出模块的选择应考虑与应⽤要求的统⼀。应时间较长等特点，可控硅输出模块适⽤于开关频繁，电感性低功率因数负荷场合，但价格较贵，过载能⼒较差。输出模块还有直流输出、交流输出和模拟量输出等，与应⽤要求应⼀致。可根据应⽤要求，合理选⽤智能型输⼊输出模块，以便提⾼控制⽔平和降低应⽤成本。考虑是否需要扩展机架或远程I/O机架等。（1）模拟量信号为：

污⽔浓度检测器、1#流量计信号、2#流量计信号，共23个开关量输⼊，3个模拟量输⼊（2）模拟量输出为：

1#计量泵和2#计量泵以及1#流量计和2#流量计，共15个开关量输出，4个模拟量输出

根据以上资料，通过市场价格分析及我们的设计要求，选择西门⼦6ES7-200 系列，CPU选择226型号的PLC，24个输⼊端⼦，16个输出端⼦，该系列可以单机运⾏，容易组成PLC⽹络，同时具备功能齐全的编制和⼯业控制组态软件，具有可靠性⾼、运⾏速度快的特性，使⽤⽅便灵活等特点，所以在规模不太⼤的领域是较为理想的控制设备。另外加三个扩展模块，⼀个EM235模拟量输⼊输出模块，来完成3个模拟量的输⼊（污⽔浓度检测器、1#流量计信号、2#流量计信号）且控制1#计量泵变频器，两个EM232模拟量输出模块（仅输出），控制1#流量计和2#流量计以及1#流量计和2#流量计。该型号产品符合设计要求，且性能能达到系统所提出的要求，价格适宜[1]。4.1.2 S7-200 系列CPU选择226型号的PLC性能参数表 4.1 物理特性性能参数尺⼨（W×H×D）重量功耗物理特性196×80×62mm 550g 11w

（资料来源：http://www.doczj.com/doc/5fa7e32d53ea551810a6f524ccbff121dd36c58c.html /products/as/s7_200/）表 4.2 I/O特性性能参数本机数字量输⼊数字量I/O映象区数字量I/O映象区允许最⼤的扩展I/O扩展模块脉冲捕捉输⼊额定电压

I/O 特性196×80×62mm128输⼊/128输出32输⼊/32输出

7个模块24 24V

（资料来源：http://www.doczj.com/doc/5fa7e32d53ea551810a6f524ccbff121dd36c58c.html /products/as/s7_200/）表 4.3 电源特性性能参数

输⼊电压输⼊电流冲击电流保持时间（掉电）保险电源特性20.4⾄28.8V DC

150mA(仅CPU，24VDC)1050mA（最⼤负载，24V DC）12A,28.8VDC时10ms,24VDC时3A,250V时慢速熔断

（资料来源：http://www.doczj.com/doc/5fa7e32d53ea551810a6f524ccbff121dd36c58c.html /products/as/s7_200/）4.1.3 EM235模拟量输⼊输出模块性能参数表 4.4 EM235模拟量物理特性性能参数

尺⼨（宽×⾼×深）功耗物理特性71.2×80×62mm2W （资料来源：http://www.doczj.com/doc/5fa7e32d53ea551810a6f524ccbff121dd36c58c.html /products/as/s7_200/）表 4.5 EM235模拟量电源损耗性能参数+5V DC消耗电流L+

L+线圈电压范围LED灯指⽰

电源损耗30mA 60mA20.4～28.8V DC

24V电源状态，亮表⽰电源正常，灭表⽰电源故障

（资料来源：http://www.doczj.com/doc/5fa7e32d53ea551810a6f524ccbff121dd36c58c.html /products/as/s7_200/）表 4.6EM235模拟量输出性能参数电压输出电流输出电压输出分辨率电压输⼊分辨率数字格式电压输出数字格式电流输出电压稳定输出时间电压稳定输出时间

模拟量输出特性-10V～+10V0～20mA12BIT 11BIT-32000～+320000～32000100ｕs2ms

（资料来源：http://www.doczj.com/doc/5fa7e32d53ea551810a6f524ccbff121dd36c58c.html /products/as/s7_200/）表 4.7 EM235模拟量输⼊性能参数输⼊类型最⼤输⼊

电压最⼤输⼊电流数字格式电压输出AD转换器分辨率模拟量输⼊特性（单级）

差分输⼊30V 30mA 0～32000 12位模拟量输⼊特性（双级）差分输⼊30V 30mA-32000～+3200012位

表 4.8 EM235模拟量开关分配表

（资料来源：http://www.doczj.com/doc/5fa7e32d53ea551810a6f524ccbff121dd36c58c.html /products/as/s7_200/）4.1.4 EM232模拟量输出模块的性能参数表 4.9 EM232物理特性性能参数

尺⼨（宽×⾼×深）功耗点数物理特性46×80×62mm2W 2路模拟量输出（资料来源：http://www.doczj.com/doc/5fa7e32d53ea551810a6f524ccbff121dd36c58c.html/products/as/s7_200/）表 4.10 EM232电源性能参数

+5V DC消耗电流L+ L+线圈电压范围LED灯指⽰电源损耗20mA 70mA 20.4～28.8V DC24V电源状态，亮表⽰电源正常，灭表⽰电源故障

（资料来源：http://www.doczj.com/doc/5fa7e32d53ea551810a6f524ccbff121dd36c58c.html /products/as/s7_200/）表 4.11 EM232模拟量输处性能参数电压输出电流输出电压输出分辨率电压输⼊分辨率数字格式电压输出数字格式电流输出

模拟量输出特性-10V～+10V0～20mA12BIT 11BIT-32000～+320000～32000

（资料来源：http://www.doczj.com/doc/5fa7e32d53ea551810a6f524ccbff121dd36c58c.html /products/as/s7_200/）4.2电源及存储器的选择

PLC的供电电源，当有扩展模块时CPU通过I/O总线为其提供5V电源,所有扩展模块的5V电源消耗之和不能超过该CPU提供的电源额定.若不够⽤不能外接5V电源.每个CPU都有⼀个24VDC传感器电源,它为本机输⼊点和扩展模块输⼊点及扩展模块继电器线圈提供24VDC.如果电源要求超出了CPU模块的电源定额,你可以增加⼀个外部24VDC 电源来提供给扩展模块.所谓电源计算,就是⽤CPU所能提供的电源容量,减去各模块所需要的电源消耗量[8]。

由于计算机集成芯⽚技术的发展，存储器的价格已下降，因此，为保证应⽤项⽬的正常投运，⼀般要求PLC的存储器容量，按256个I/O点⾄少选8K存储器选择。需