凈水廠自動加氯控制系統(tǒng)實現(xiàn)

苗 娜，賈敏智，石曉敏

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著科技的發(fā)展，社會的進步，自動控制技術(shù)逐漸深入到人們的生活領(lǐng)域。在飲用水方面，保證安全可靠的供水，已成為現(xiàn)代凈水廠的主要任務(wù)。凈水廠的生產(chǎn)過程采用自動化，不僅節(jié)省了勞動力，更重要的是加強各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的合理調(diào)度，保證水量、水壓，提高水質(zhì)，節(jié)約動力和投藥量，提高供水的可靠性和管理水平。針對某凈水廠水質(zhì)要求，提出一種基于IPC+PLC控制的自動加氯系統(tǒng)設(shè)計方案，實現(xiàn)了科學(xué)投加，以保證該地區(qū)居民安全可靠用水[1]。

1 系統(tǒng)概況

1.1 工程概況

某凈水廠是為緩解某地區(qū)供水壓力而進行的二期擴建項目，供水水源為某大型水庫，取水量為68萬m3/d（包括已實施的一期27萬m3/d），工程主要分為引水工程、凈水工程和配水工程3部分，本工程為凈水工程部分。經(jīng)計算，凈水部分工程全部投資財務(wù)內(nèi)部收益率為10.60%，并可保證該地區(qū)居民安全用水。

1.2 工藝概述

根據(jù)工程的原水水質(zhì)及出廠水質(zhì)條件的要求，設(shè)計工藝流程如圖1所示。

圖1凈水廠工藝流程Fig.1 Technology process of water plant

該水廠采用機械混合池、網(wǎng)格絮凝池、斜板沉淀池、快濾池等工藝流程進行凈水，將沉淀池中水及快濾池反沖洗排水進行回收，對淤泥實行脫水處理，并根據(jù)廠址北高南低的地理條件合理布置各系統(tǒng)，實現(xiàn)凈水過程中水的重力輸送。

在水處理過程中，消毒時在水中的加氯量分為2部分，即需氯量和余氯。對于生活飲用水工藝而言，原水加氯后經(jīng)過一定時間，可用于滅活水中微生物、氧化有機物和還原性物質(zhì)等，所消耗的氯量稱為需氯量。為了抑制水中殘余微生物的再度繁殖，管網(wǎng)中尚需維持少量的氯，稱為余氯。我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出廠水游離余氯在接觸30 min后不低于0．3 mg/L，管網(wǎng)末梢不低于0．05 mg/L。后者的余氯量雖然仍具有消毒能力，但對再次污染的消毒尚嫌不足，而可作為預(yù)示再次污染的信號。此點對于管網(wǎng)較長枝狀管網(wǎng)有死水端的情況尤為重要[2]。

1.3 控制系統(tǒng)

1.3.1中央控制室

中控室由1臺研華工業(yè)控制計算機 （IPC）、2臺三星22寸液晶顯示器、1個分屏卡 （Multi-User Network Computing Terminal）和1臺惠普打印機組成。計算機使用Windows 2000操作系統(tǒng)，Modbus通信協(xié)議，以實時采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)。中控室實時接收PLC上傳的各種數(shù)據(jù)，建立全廠生產(chǎn)過程信息數(shù)據(jù)庫。主要完成以下功能：數(shù)據(jù)、圖形、狀態(tài)的顯示；故障聲光報警并記錄打?。粩?shù)據(jù)分類、檢索、歷史數(shù)據(jù)存檔訪問、管理；定時或?qū)崟r生產(chǎn)報表打??；實時動態(tài)調(diào)整回路參數(shù)、優(yōu)化控制參數(shù)。通過人機界面功能及時、全面、準(zhǔn)確地了解各現(xiàn)場控制分站的運行工況，向信息管理層上傳水廠數(shù)據(jù)和信息，可一目了然地看到全廠運行情況，從中心控制室可以發(fā)出凈水操作，開停水泵的操作指令。

1.3.2現(xiàn)場控制單元

該水廠采用西門子S7－200系列PLC作為現(xiàn)場控制單元，實現(xiàn)了全自動控制和系統(tǒng)主要參數(shù)在線檢測，為加藥加氯系統(tǒng)提供參數(shù)?，F(xiàn)場設(shè)兩個控制站，各現(xiàn)場控制站留有一定數(shù)量的備用點以確保系統(tǒng)具有充足的擴展余地，在組態(tài)時保證具有充足的靈活性。各子站均設(shè)控制柜，可現(xiàn)場手動修改各運行參數(shù)。

2 加氯控制

氯化消毒時，投氯量應(yīng)滿足消滅細菌以達到指定的消毒指標(biāo)和氧化有機物等所消耗的需氯量及抑制水中殘存致病菌的再度繁殖所需的余氯量。同時，投加量過高易產(chǎn)生致癌物質(zhì)三氯甲烷、四氯甲烷等。因此，在水處理過程中正確控制加氯量是至關(guān)重要的。

2.1 氯氣投加的自動控制

自動加氯的控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2自動加氯控制系統(tǒng)圖Fig．2 Diagram of auto-addition of chlorine control system

加氯系統(tǒng)通過流量計、余氯分析儀等檢測水流量、余氯含量等重要參數(shù)，并將參數(shù)轉(zhuǎn)換成4～20mA的直流信號傳送給PLC，通過PLC調(diào)節(jié)加氯機的加氯量。濾前濾后各兩臺加氯機，一用一備。當(dāng)正在使用的加氯機出現(xiàn)故障，PLC系統(tǒng)會自動切換。加氯間裝有泄漏報警儀，通過檢測泄漏報警信號經(jīng)PLC系統(tǒng)會自動關(guān)閉所有加氯系統(tǒng)等待故障處理。

加氯機使用科林沃德CWD二氧化氯發(fā)生器，該發(fā)生器的控制系統(tǒng)采用微電腦（單片機）控制器，觸摸式操作面板，可實現(xiàn)自動恒溫控制，計量泵開?？刂?，故障報警、缺料、缺水、欠壓保護并自動停機，設(shè)定參數(shù)加密鎖定，并配備余氯自動測控系統(tǒng)——余氯分析儀實現(xiàn)全自動控制。

2.1.1前加氯流量比例控制

前加氯投加點的位置在原水總管按比例流量投加，投加量與原水流量及回收流量之和的大小成正比。原水池中裝有流量計，將測得的流量信號轉(zhuǎn)換成4～20 mA的直流信號輸入PLC系統(tǒng)，從而控制加氯量。修改時可在總控室通過組態(tài)畫面控制調(diào)節(jié)閥開度從而調(diào)節(jié)加氯量，也可直接通過二氧化氯發(fā)生器的操作面板控制。

2.1.2后加氯復(fù)合控制

后加氯點設(shè)在清水池進水管，采用流量比例及余氯反饋的復(fù)合環(huán)（PCU）控制加氯量。為了保證出水水質(zhì)，氯氣經(jīng)充分混合后通過余氯分析儀采集余氯信號作為復(fù)合環(huán)控制的反饋信號。水經(jīng)過加氯點到余氯分析儀處的水流時間一般不超過3 min。反饋回來的信號經(jīng)PID整定后，通過二氧化氯發(fā)生器來調(diào)節(jié)加氯量，以保證通往城市管網(wǎng)中的氯含量達標(biāo)[3]。

2.2 自動加氯控制的實現(xiàn)

在前加氯控制過程中，原水流量信號經(jīng)PLC輸入到前加氯控制器（比例控制器）。比例控制器根據(jù)流量的大小，輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)量，調(diào)節(jié)電動閥的開度。其控制的數(shù)學(xué)模型如式（1）所示。

其中， I0表示控制器輸出（4～20 mA）；KI表示比例系數(shù)； Qm表示原水瞬時流量。

在后加氯復(fù)合控制過程中，流量比例根據(jù)流量大小進行控制。根據(jù)其控制的數(shù)學(xué)模型，快速給調(diào)節(jié)閥一個初始的閥門開度信號，建立基本的控制模型。余氯分析儀的余氯信號經(jīng)PLC作為一個過程變量輸入控制器?？刂破魍ㄟ^比較過程變量與余氯設(shè)定值產(chǎn)生的誤差，由PID方程計算出其輸出量，即修正量，每經(jīng)過一個滯后時間周期，從流量比例控制賦予調(diào)節(jié)閥的初始開度開始，逐步對其進行修正，直到余氯達到期望值。

3 PID控制

3.1 PID控制的原理[4]

在工程實際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分、微分的函數(shù)關(guān)系進行運算，其運算結(jié)果用以輸出控制。當(dāng)被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時，應(yīng)用PID控制技術(shù)較為方便。即當(dāng)不完全了解一個系統(tǒng)和被控對象，或不能通過有效的測量手段來獲得系統(tǒng)參數(shù)時，較適合采用PID控制器實現(xiàn)精確控制。

PID方程計算的結(jié)果驅(qū)使受控的過程變量達到期望值。PID方程有相關(guān)增益（ISA）方程和獨立增益方程2種形式，在獨立增益方程中，PID的三項獨立運算，在相關(guān)增益方程中，比例項的改變也會影響積分項的改變。在這里，控制器采用獨立增益方程來進行控制。其數(shù)學(xué)方程式如式（2）所示：

式中，e（t）為誤差，即過程變量與設(shè)定值之差，KP，KI，KD分別為比例、積分、微分增益系數(shù)，B為前饋值或輸出偏置，U（t）為控制器輸出量，4～20 mA。

3.2 PID參數(shù)整定

3.2.1PID參數(shù)整定的一般原則

在PID控制中，比例調(diào)節(jié)的作用是快速調(diào)節(jié)偏差的大小，偏差大調(diào)節(jié)大，偏差小調(diào)節(jié)小。積分調(diào)節(jié)的作用是逐步改變調(diào)節(jié)作用，偏差大調(diào)節(jié)作用變化速度快，反之則慢。微分調(diào)節(jié)的作用是使偏差快速消除，可以選擇方程中的微分項是作用于誤差的變化還是作用于過程變量的變化。只須對設(shè)定值的變化作出正常反應(yīng)。根據(jù)經(jīng)驗微分增益值不宜過大[4]。

控制器所提供的比例增益和積分增益常數(shù)，其設(shè)定范圍為0%～100%，默認值為50%。改變其任一項均可引起PID方程的輸出量（修正量）的變化。使用者投入運行后，應(yīng)對比例增益和積分增益常數(shù)進行鑒定。整定時應(yīng)以控制器提供的經(jīng)驗常數(shù)為基準(zhǔn)，根據(jù)實際應(yīng)用逐步作適當(dāng)調(diào)整[5]。

3.2.2加氯過程中的PID參數(shù)整定

氯消毒是一個比較復(fù)雜的過程，對其動態(tài)特性進行數(shù)學(xué)描述比較困難。在PID方程中，PID參數(shù)設(shè)定根據(jù)原水水質(zhì)和經(jīng)驗進行設(shè)定，在式（1）中，比例系數(shù)的設(shè)定根據(jù)前加氯量（需氯量）的多少而定。比例系數(shù)的設(shè)定值可通過上位監(jiān)控機上由操作人員根據(jù)工藝要求及原水需氯量的大小進行改變。

4 影響加氯自動控制的主要因素

4.1 PID整定時的誤差

比較余氯值與控制器的輸出量的變化及振蕩時間來選取合適的比例增益和積分增益常數(shù)。另外，固定滯后時間和滯后時間總量也有影響。滯后時間是控制器通過PID控制對控制閥開度進行修正的時間周期，其中包括固定滯后時間和滯后時間總量2個參數(shù)。在整定滯后時間時，以流量最大時測出的滯后時間作為固定滯后時間和在流量最小時測出的滯后時間作為滯后時間總量，分別輸入到控制器，控制器可根據(jù)流量的大小自動計算出可變時間的大小，修正滯后時間總量。

4.2 取樣時間的長短

取樣時間的長短，直接影響加氯的效果。通常后加氯在投加率后經(jīng)過充分混合后，一般以3 min為宜?？s短取樣時間通常有2種方法：1）盡量縮短取樣水管的長度；2）加大取樣水管排水分流以加快取樣水的流速。

4.3 余氯分析儀檢測值的正確性

余氯分析儀的檢測值的正確性也是控制加氯的關(guān)鍵。由于余氯分析儀存在零點漂移，應(yīng)定期進行校正，并經(jīng)常清洗電極。同時應(yīng)保證取樣管道暢通，正常調(diào)節(jié)取樣水通過測量室的流速[6]。

5 結(jié) 論

加氯自動控制系統(tǒng)可以使氯氣良好準(zhǔn)確安全的投加，既能保證出水水質(zhì)，又能取得良好的經(jīng)濟效益，在凈水處理過程中具有重要的意義。但其還有不完善之處，如不能適應(yīng)水質(zhì)的較大變化，因此，應(yīng)進一步研發(fā)新的控制技術(shù)，使其得到完善，以改善應(yīng)用中存在的問題，使其在凈水處理中取得更好的應(yīng)用。

[1]張偉．供水企業(yè)自動控制系統(tǒng)設(shè)計與集成[D]．杭州浙江大學(xué)，2002．

[2]李士勇．模糊控制、神纖控制和智能控制論[M]．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2002．

[3]崔玉川，李福勤．純凈水與礦泉水處理工藝及設(shè)施設(shè)計計算[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003．

[4]潘新民，王燕芳．微型計算機控制技術(shù)[M]．北京：高等教育出版社，2002：232－236．

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