CN112115612A - 一种基于模块化设计的水处理设备及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模块化设计的水处理设备及设计方法，包括五个一级模块，其具体为：由PLC模块和电路控制模块两个二级模块构成的电控模块；由气控仪表模块和气路系统模块两个二级模块构成的气控模块；由主工艺模块和支撑模块两个二级模块构成的设备模块；由共用附件模块、泵模块和罐模块三个二级模块构成的公用模块；设置前置、后置设备的附属模块。本发明采用模块化设计方法，可以有效地增强产品结构的重构能力，缩短产品的设计和制造周期，降低成本，高效、优质的满足用户对产品多样化、多层次的需求。

Description

一种基于模块化设计的水处理设备及设计方法

技术领域

本发明涉及水处理设备技术领域，具体是涉及一种基于模块化设计的水处理设备及设计方法。

背景技术

随着时代的发展，市场对于水处理设备的工艺、规模、性能、质量以及交货周期方面提出了越来越高的要求，传统的设计方法已经难以满足这些要求：

1、水处理设备的传统设计方法通常从一个个零件、部件开始，其设计工作量大、周期长；

2、水处理设备的传统设计方法难以适应水处理设备的多样化变动，其重构能力差，设计和制造周期较长，且成本高。

因此现需提出一系列的新型现代设计方法来设计水处理设备，从不同的角度来解决这些问题，而模块化设计是解决水处理准备工艺、规模多样化与设计制造周期、成本之间矛盾的有效手段。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于模块化设计的水处理设备及设计方法，其目的在于解决水处理设备设计上的难题，提供一种模块化的水处理设备设计思路，并对设计方案进行经济技术评价，从而选出技术系统整体最优的方案,节约设计、制造和维护成本。

本发明的技术方案是：一种基于模块化设计的水处理设备及设计方法，至少包括：由PLC模块和电路控制模块构成的电控模块；由气控仪表模块和气路系统模块构成的气控模块；由主工艺模块和支撑模块构成的设备模块；由共用附件模块、泵模块和罐模块构成的公用模块；设置前置、后置设备的附属模块；

所述电控模块、气控模块、设备模块、公用模块和附属模块组成所述水处理设备的一级模块；

所述PLC模块、电路控制模块、气控仪表模块、气路系统模块、主工艺模块、支撑模块、共用附件模块、泵模块和罐模块组成所述水处理设备的二级模块。

本发明还提供了一种水处理设备模块化设计的设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：模块划分以设备的模块划分为基础，通过对典型水处理设备的研究以及功能结构分解，总结了针对水处理设备通用的模块的划分方法；

步骤2：根据水处理设备的功能一一结构映射，得到满足功能需求的各个结构单元，按照模块划分原则，考虑各个结构单元之间的相关程度(如功能相关、装配相关、信息相关等)，水处理设备一般划分为5个一级模块，一级模块进一步分解得到9个二级模块；

步骤3：模块组合，水处理设备模块之间通常为间接物理相关，所以其模块化方案设计系统中，模块采用柔性连接，连接结构采用树状结构，模块连接结构采取树状结构便于设备的可拆装；

步骤4：水处理设备方案图的图库开发，图库开发的总体思路是：以模块划分为基础，逐级向上的开发三级的图库；

步骤5：模块化设计方案的优化比较，采用技术一经济评价方法对水处理设备模块化设计方案进行评价。

更进一步地，所述步骤5中技术一经济评价方法包括：求总价值、做优度图以及做价值剖面图。

更进一步地，所述步骤5中技术一经济评价方法包括以下步骤：

(1)确定模块加权系数

使用技术—经济评价法对模块化产品方案进行评价，先对产品进行模块分析，确定各个功能模块和实例模块，建立功能模块族矩阵M：

其中，M_i表示第i个功能模块，m_ij表示第i个功能模块的第j个实例模块。

(2)技术评价

(a)确定评价目标

评价的依据是评价目标，评价目标随产品的设计要求和约束条件而定，一般包括技术、经济、社会评价目标等，且评价目标的项目为6-10项。评价目标的项目不宜过多，项目过多容易掩饰主要影响因素，不利于方案的比较。

(b)建立评价目标树

使用系统分析的方法对目标系统进行分解并图示将总体目标具体化建立得到评价目标树，并分析出各个具体评价目标的加权系数。

(c)求技术价W_t

将各个模块利用有效值法计算模块技术价

其中，P_i＝各技术指标的评分值；g_i＝各技术指标的加权系数；p_max＝最高分值，即理想值。

(3)经济评价

经济评价通过求方案的经济价W_W进行，经济价是理想生产成本与实际生产成本的比值

其中，H为实际生产成本；H₁为理想生产成本，H₁≈0.7H₂(允许生产成本)。

(4)技术-经济综合评价

技术—经济综合评价包括求总价值、作优度图和作价值剖面图；

(a)总价值

取W₀≥0.65；

(b)优度图；

(c)价值剖面图。

进一步地，所述水处理设备的各个模块之间采用柔性连接，且连接结构采用树状结构。采用树状结构便于水处理设备各模块之间的拆装。

本发明的有益效果是：

(1)本发明基于水处理设备模块化设计方法的水处理设备，其简化设计过程，实现资源共享，模块化水处理设备的构成模式可以用一个简单的公式表达：新设备＝通用模块+专用模块，以区别于传统设计的从一个个零件、部件开始的，设计工作量大、周期长。

(2)本发明基于水处理设备模块化设计方法的水处理设备，可有效加快新设备的开发速度，取得市场竞争的主动权，多样化、高级化是时代的趋势，水处理设备的多样化会导致整体结构的全面变动，模块化水处理设备通过现有的通用模块(不变部分)的不同组合、模块改型或增减专用模块形成新水处理设备，只改变少量模块及组合关系就可以形成新的水处理设备。

(3)本发明基于水处理设备模块化设计方法的水处理设备，可有效提高生产效率、缩短供货周期，模块化水处理设备是按照模块组织生产的，模块具有一定的批量，有确定工艺流程和工艺设备，生产率高，制造周期短，而且模块化的水处理设备结构有利于组织专业化生产和社会化协作。

(4)本发明基于水处理设备模块化设计方法的水处理设备，有利于提高水处理设备的质量和可靠性，从可靠性出发，导致产品失效的主要有四大因素：设计缺陷、制造缺陷、组装差错以及环境影响，在模块化结构中，以现有模块为主加新研制的模块，组合构成新产品，其中现有模块的可靠性已经得到全面的验证，只要验证新模块的可靠性。

(5)本发明基于水处理设备模块化设计方法的水处理设备，具有良好的效费比(效能/费用)，评价经济效益的常用方法是“价值工程”即价值＝功能/成本；而模块化可以缩短设计制造的周期、简化管理、降低成本、提高水处理设备的质量、可靠性和维修性，延长产品的寿命周期即提高了产品的使用性(功能)，从而提高了水处理设备的价值。

(6)本发明基于水处理设备模块化设计方法的水处理设备，推动科技进步，实现科技成果产业化，模块化把较大的精力放在创新上，现代设计理论和方法向着模块化方面发展，是现代制造业发展的要求，模块化方法是实现产品系列化的有效途径，是多样化和小批量生产方式的产物，采用模块化设计方法，可以有效地增强产品结构的重构能力，缩短产品的设计和制造周期，降低成本，高效、优质的满足用户对产品多样化、多层次的需求。

附图说明

图1是水处理设备模块划分的结构示意图。

图2是水处理设备模块之间连接结构示意图。

图3是水处理设备相关零部件参数化图库结构示意图。

图4是本发明技术-经济评价法评价步骤框图。

图5是本发明具体实施例中技术-经济评价法的评价目标树。

图6是本发明具体实施例中技术-经济评价法的优度图。

具体实施方式

水处理设备的模块化设计方法

步骤1：模块划分，水处理设备的模块化方案设计以设备的模块划分为基础，通过对厌氧处理工艺、好氧处理工艺、物化处理工艺典型的水处理设备的研究，功能结构分解，总结了针对水处理设备通用的模块的划分方法；

步骤2：根据水处理设备的功能——结构映射，得到满足功能需求的各个结构单元，按照模块划分原则，考虑各个结构单元之间的相关程度(如功能相关、装配相关、信息相关等)，模块划分层次降低以提高模块的通用程度，水处理设备划分为5个一级模块，一级模块进一步分解得到9个二级模块；

步骤3：模块组合，水处理设备模块之间通常为间接物理相关，所以其模块化方案设计系统中，模块采用柔性连接，连接结构采用树状结构，模块连接结构采取树状结构便于设备的可拆装；

步骤4：水处理设备方案图的图库开发，图库开发的总体思路是：以模块划分为基础，逐级向上地开发三级的图库；

步骤5：模块化设计方案的优化比较，采用技术一经济评价方法对水处理设备模块化设计方案进行评价。

水处理设备模块划分

水处理设备的结构如图1所示，包括：

1、电控模块：由PLC模块和电路控制模块两个二级模块构成；

2、气控模块：由气控仪表模块和气路系统模块两个二级模块构成；

其中，气路系统模块包括储气装置、产气装置、尾气装置、净化干燥装置等；

3、设备模块：由主工艺模块和支撑模块两个二级模块构成；

其中，主工艺模块包括EGSB反应器、臭氧反应器、MBR反应器、生物脱氮滤池等；支撑模块包括支架模块、进水模块、反应模块、分离模块、循环模块以及产水模块；

4、公用模块：由共用附件模块、泵模块和罐模块三个二级模块构成；

其中，泵模块包括进水泵、排水泵、反洗泵、碱洗泵、酸洗泵、配碱泵、配酸泵等；罐模块包括反洗罐、酸洗罐、储酸罐、碱洗罐、储碱罐、储药罐、加药罐等；

5、附属模块：设置的前置或后置设备，

其中，附属模块包括调节池、过滤池、沉淀池等；

其中，电控模块、气控模块、设备模块以及公用模块是由用户直接进行选择和替换的，应充分考虑模块功能上的独立性和接口的简易程度，而PLC模块、电路控制模块、产水模块以及泵模块等二级模块应充分考虑模块的加工和装配方面的问题。

水处理设备模块间连接方法

水处理设备模块之间通常为间接物理相关，因此所述水处理设备的各个模块之间采用柔性连接，且连接结构采用树状结构，模块连接结构采取树状结构便于设备的可拆装，其连接结构具体如图2所示。

水处理设备相关零部件参数化图库

为了提高工作效率和避免大量的重复劳动，针对水处理设备的相关零部件进行参数化图库的开发。根据常用零部件供应商的产品手册，对同类零部件的尺寸系列进行参数化处理，将手册中同类零部件的不同型号所对应的不同尺寸系列用数据表的形式记录在图库中。在设计过程中，可以直接在图库中选择零部件，然后在数据表中选择所需零部件的型号，就可以直接提取该型号零部件的图符插入到方案图中。按照模块划分的思想，如果能够以零部件图库为基础，按照模块划分的结果和各级模块的系列开发各级模块的图库，那么在水处理设备方案设计过程中就可以使用各级模块的图库快速地搭建出设备的方案图，通过这种方式达到模块化设计的目的。同理，如果能够以参数化的零部件图库和各级模块图库为基础，针对已经完成设计的工程中比较典型的工程开发典型工程的图库或者叫做设备实例图库，就可以在新工程方案设计的方案图绘制过程中实现基于实例的设计。以模块划分为基础，逐级向上的开发三级的图库，得出如图3所示的水处理设备相关零部件参数化图库。

技术-经济评价方法

采用的技术-经济评价方法中，充分考虑模块化设计的自身特点，以模块为评价的基本单元，将模块的权重引用到评价计算中。采用技术—经济法对水处理设备进行模块化方案设计评价，将评价对象分为两个评价因素(评价标准)：技术因素和经济因素，求出技术价Wt和经济价WW，然后按一定方式进行综合，通过计算“总价值”、画“优度图”和“价值剖面图”来判断方案的技术、经济合理性和改进方向。技术—经济评价法的评价依据是对于理想状态的相对价，之中包括方案的技术价和经济价，也考虑各评价目标的加权系数；

其评价步骤如图4所示，并具体包括以下步骤：

(1)确定模块加权系数

用技术—经济评价法对模块化产品方案进行评价，应先对产品进行模块分析，确定各个功能模块和实例模块，建立功能模块族矩阵M：

其中，M_i表示第i个功能模块，m_ij表示第i个功能模块的第j个实例模块。模块加权系数值可由经验直接确定，也可通过加权系数判别表(二元对比法)计算，将各个模块重要程度两两比较，计算各功能模块加权系数,功能模块加权系数G＝{g_i,g_z，...g_k}，

(2)技术评价

(a)确定评价目标

评价的依据是评价目标(评价准则)。评价目标随产品的设计要求和约束条件而定，一般包括技术、经济、社会评价目标等，评价目标的项目不宜太多，一般最好6-10项。项目过多容易掩饰主要影响因素，不利于方案的比较。

(b)建立评价目标树

目标树的建立是用系统分析的方法对目标系统进行分解并图示；将总体目标具体化为便于定性或定量评价的目标，分析出各个具体评价目标的加权系数，如图5所示，其中g为加权系数。

(c)求技术价W_t

将各个模块利用有效值法(加权计分法)计算模块技术价

其中，P_i＝各技术指标的评分值；g_i＝各技术指标的加权系数；p_max＝最高分值，即理想值。

此次研究对象为模块化设计方案评价，评价的最终目的不是每个模块的评价，而是对按一定规则组合在一起后的模块产品的总体方案评价。因此应在对各个模块进行评价后，建立方案的总体模块评价矩阵

考虑模块加权系数G＝{g_1,g₂…,g_k}，最终求出方案的技术价W_t。

技术价W_t≤1,数值越大表示方案的技术性能越好；W_t<0.6表示方案技术上不合格。

(3)经济评价

经济评价通过求方案的经济价W_W进行。经济价是理想生产成本与实际生产成本的比值

其中，H为实际生产成本；H₁为理想生产成本，H₁≈0.7H₂(允许生产成本)。

在对各个模块进行评价后，建立方案模块评价矩阵元，考虑模块加权系数G＝{g_1,g₂…,g_k},最终求出方案的经济价W_w。

经济价W_w数值越大表示方案的经济性能越好；W_W<0.7表示实际生产成本高于允许生产成本，在经济上不合格。

(4)技术-经济综合评价

技术—经济综合评价包括：求总价值、作优度图和作价值剖面图。

(a)总价值

—般取W₀≥0.65；

(b)优度图，如图6所示，优度图是技术价W_t和经济价W_W构成的平面坐标系，每个方案根据技术价W_t和经济价W_W值找到点S_i，S_i的位置反映方案的优度。坐标系中W_t＝l、W_W＝1的点S^*为理想优度，是技术一经济综合指标的理想值。O—S^*连线称为“开发线”。S_i点离S^*越近，表示技术一经济综合指标高，S_i落在许用区内为评价合格。用优度图可形象看出方案的技术—经济综合性能，且便于提出改进方向

(c)价值剖面图，价值剖面图既直接又形象地表示了设计方案各个技术性能的优劣及各自需要改进的指标。

Claims (5)

1.一种基于模块化设计的水处理设备，其特征在于，至少包括：

由PLC模块和电路控制模块构成的电控模块；由气控仪表模块和气路系统模块构成的气控模块；由主工艺模块和支撑模块构成的设备模块；由共用附件模块、泵模块和罐模块构成的公用模块；设置前置、后置设备的附属模块；

所述电控模块、气控模块、设备模块、公用模块和附属模块组成所述水处理设备的一级模块；

所述PLC模块、电路控制模块、气控仪表模块、气路系统模块、主工艺模块、支撑模块、共用附件模块、泵模块和罐模块组成所述水处理设备的二级模块。

2.如权利要求1所述的一种基于模块化设计的水处理设备的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：模块划分以水处理设备的模块划分为基础，通过对典型水处理设备的研究以及功能结构分解，总结了针对水处理设备通用的模块的划分方法；

步骤2：根据水处理设备的功能一一结构映射，得到满足功能需求的各个结构单元，考虑各个结构单元之间的功能相关、装配相关、信息相关，将水处理设备划分为5个一级模块，一级模块进一步分解得到9个二级模块；

步骤3：模块化方案设计系统中，水处理设备模块采用柔性连接，连接结构采用树状结构；

步骤4：以模块划分为基础，逐级向上的开发三级的图库，得到水处理设备方案图的图库；

步骤5：采用技术一经济评价方法对水处理设备模块化设计方案进行评价。

3.如权利要求2所述的一种基于模块化设计的水处理设备的设计方法，其特征在于，所述步骤5中技术一经济评价方法包括：求总价值、做优度图以及做价值剖面图。

4.如权利要求3所述的一种基于模块化设计的水处理设备的设计方法，其特征在于，所述步骤5中技术一经济评价方法包括以下步骤：

(1)确定模块加权系数

使用技术—经济评价法对模块化产品方案进行评价，先对产品进行模块分析，确定各个功能模块和实例模块，建立功能模块族矩阵M：

其中，M_i表示第i个功能模块，m_ij表示第i个功能模块的第j个实例模块。

(2)技术评价

(a)确定评价目标

评价的依据是评价目标，评价目标随产品的设计要求和约束条件而定，包括技术、经济、社会评价目标，且评价目标的项目为6-10项。

(b)建立评价目标树

使用系统分析的方法对目标系统进行分解并图示将总体目标具体化建立得到评价目标树，并分析出各个具体评价目标的加权系数。

(c)求技术价W_t

将各个模块利用有效值法计算模块技术价

其中，P_i＝各技术指标的评分值；g_i＝各技术指标的加权系数；p_max＝最高分值，即理想值。

(3)经济评价

经济评价通过求方案的经济价W_W进行，经济价是理想生产成本与实际生产成本的比值：

其中，H为实际生产成本；H₁为理想生产成本，H₁≈0.7H₂(允许生产成本)。

(4)技术-经济综合评价

技术—经济综合评价包括求总价值、作优度图和作价值剖面图；

(a)总价值

取W₀≥0.65；

(b)优度图；

(c)价值剖面图。

5.如权利要求1所述的一种基于模块化设计的水处理设备，其特征在于，所述水处理设备的各个模块之间采用柔性连接，且连接结构采用树状结构。

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