PID控制在水廠自動加氯裝置中的應(yīng)用

國強(qiáng)+劉連民+王書強(qiáng)

[摘 要]本文介紹在水處理過程中，PID控制在水廠氯氣自動投加系統(tǒng)中的應(yīng)用，并敘述了PID系統(tǒng)構(gòu)成、控制原理、應(yīng)注意的問題。

[關(guān)鍵詞]加氯；控制；PID

中圖分類號：TU991.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）03-0014-01

一、總論

在水處理過程中，加氯消毒是水廠水質(zhì)控制的重要環(huán)節(jié)。消毒時(shí)在水中的加氯量，可以分為兩部分，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(shí)間接觸，用于滅活水中微生物、氧化有機(jī)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30min后不低于0.3mg/L，管網(wǎng)未稍不低于0.05mg/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。

正確選擇和使用可靠的加氯設(shè)備，是保證加氯安全和計(jì)量準(zhǔn)確的關(guān)鍵。為了滿足不斷提高的城市供水水質(zhì)要求，提高加氯系統(tǒng)的安全可靠性，降低操作工人的勞動強(qiáng)度，提高水質(zhì)的余氯合格率，應(yīng)積極采用先進(jìn)的氯投加設(shè)備和控制技術(shù)。

二、PID控制加氯介紹

PID調(diào)節(jié)規(guī)律使比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，它仍以比例作用為基本調(diào)節(jié)規(guī)律，以微分的超前作用克服容量滯后、測量之后，以積分作用最后消除余差，PID方程計(jì)算的結(jié)果驅(qū)使受控的過程變量達(dá)到期望值。

氯消毒是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，對它的動態(tài)特性進(jìn)行數(shù)學(xué)描述比較因難。在PID方程中，PID參數(shù)設(shè)定根據(jù)原水水質(zhì)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，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(xiàng)是作用于誤差的變化還是作用于過程變量的變化，我們只須對設(shè)定值的變化作出正常反應(yīng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)微分增益值不宜過大。

三、氯氣投加的自動控制

對于氯氣的自帶投加控制，按控制系統(tǒng)的形式劃分，可以有以下幾種：

（1）流量比例前饋：即控制投加量與水流量成一定比例。前加氯主要目的是殺死水中的微生物或氧化有機(jī)物，對投加量準(zhǔn)確性要求不高，以采用原水量進(jìn)行比例投加為好。

（2）余氯反饋控制：按照投加以后水中的余氯進(jìn)行反饋控制。在處理水出廠前，檢查水中余氯，該值被反饋到控制系統(tǒng)中，并與余氯設(shè)定值比較，控制系統(tǒng)根據(jù)兩者的偏差情況，采用PID調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)投加量，使濾后水余氯穩(wěn)定在設(shè)定值附件。這種控制方式從濾后投加點(diǎn)要經(jīng)過清水池，系統(tǒng)滯后較大，通常在30min以上，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性不好，尤其是當(dāng)水質(zhì)水量變化較大時(shí)問題更為突出。一般這種方式較少采用。

（3）復(fù)合環(huán)控制：即按照水流量和余氯進(jìn)行的復(fù)合控制，或雙重余氯串級控制等。

（4）其他控制方式，如以PH值和氧化還原電勢為參數(shù)進(jìn)行控制等。

四、氯氣投加自動控制的實(shí)現(xiàn)

4.1 流量比例前饋

流量比例前饋具體的實(shí)現(xiàn)投加量控制的原理為：

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。

4.2 余氯反饋控制

余氯反饋控制的實(shí)現(xiàn)原理如下：余氯分析儀對取樣泵取來的水進(jìn)行余氯分析，之后將余氯量轉(zhuǎn)換為電信號發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)作出分析后輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)量給加氯機(jī)，加氯機(jī)根據(jù)電信號，調(diào)節(jié)電動閥的開度。

4.3 復(fù)合環(huán)控制

復(fù)合控制是流量比例控制與余氯PID控制的有機(jī)給合，在復(fù)合控制過程中，流量比例控制根據(jù)流量的大小，根據(jù)其控制的數(shù)學(xué)模型，快速地給調(diào)節(jié)閥一個(gè)初始的閥門開度信號，建立一個(gè)基本的控制模型。

4.4 其他控制

其他控制方式與前邊集中方式相似，只是測量的指標(biāo)不一樣，如根據(jù)PH值轉(zhuǎn)化的調(diào)節(jié)信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，以及根據(jù)氧化還原電勢轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)信號進(jìn)行調(diào)節(jié)等等。

五、影響加氯自動控制的主要因素及應(yīng)注意的問題

5.1 加氯機(jī)控制器PID參數(shù)的整定

（1）比例增益和積分增益

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(rèn)值為50%。改變其任一項(xiàng)均可引起PID方程的輸出量（修正量）的變化。使用者投入運(yùn)行后，應(yīng)對常數(shù)進(jìn)行整定。整定時(shí)應(yīng)以控制器提供的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)（默認(rèn)值）為基準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用逐步作適當(dāng)調(diào)整。整定時(shí)應(yīng)通過來回改變設(shè)定值，比較余氯值與控制器的輸出量的變化及振蕩時(shí)間來選取合適的常數(shù)。值得注意的是，增益常數(shù)設(shè)置太高可能會引起振蕩加劇，設(shè)置太低會引起控制器反應(yīng)遲鈍，常數(shù)的整定應(yīng)分別獨(dú)立進(jìn)行。

（2）固定滯后時(shí)間和滯后時(shí)間總量

滯后時(shí)間是控制器通過PID控制對調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行修正的時(shí)間周期。其包括固定滯后時(shí)間和滯后時(shí)間總量兩個(gè)參數(shù)。滯后時(shí)間由三部分構(gòu)成，①從水射器的投加點(diǎn)到余氯采樣點(diǎn)所需的時(shí)間；②從取樣點(diǎn)到余氯分析儀測出余氯值所需的時(shí)間；③從余氯分析儀的余氯信號傳輸?shù)娇刂破魉璧臅r(shí)間。在整定滯后時(shí)間時(shí)以流量最大時(shí)測出的滯后時(shí)間作為固定滯后時(shí)間和在流量最小時(shí)測出的滯后時(shí)間作為滯后時(shí)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(jì)算出可變時(shí)間的大小，修正滯后時(shí)間總量。

5.2 取樣時(shí)間的長短，取樣點(diǎn)所處位置是否合理，直接影響加氯效果

后加氯在投加氯后經(jīng)過充分混合后，一般以3分鐘為宜?？s短取樣時(shí)間通常有兩種方法：一是盡量縮短取樣管的長度，取樣管越短則響應(yīng)越快；二是加大取樣水管排水管排水分流以加快取樣水的流速。

5.3 余氯分析儀檢測值的正確性是控制加氯的關(guān)鍵

由于余氯分析儀存在零點(diǎn)漂移，應(yīng)定期進(jìn)行校正，并經(jīng)常清洗電極。同時(shí)應(yīng)保證取樣管通道暢通，正確調(diào)節(jié)取樣水通過測量室的流速。

5.4 采用抗干擾措施

交流電源采用凈化電源，濾除電源中的中高頻諧波；電氣、儀表線隔離敷設(shè)，消除交流電對直流信號的干擾，儀表信號線采用雙絞屏蔽線及正確接地。

六、結(jié)束語

加氯自動控制系統(tǒng)可以使氯氣良好準(zhǔn)確安全的投加，既能得到良好的出水水質(zhì)，又能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，在給水廠水處理過程中具有十分主要的意義，在水廠中逐步應(yīng)用起來，但其還有不完善之處，如不能適應(yīng)水質(zhì)的較大變化，進(jìn)一般研發(fā)新的控制技術(shù)，使其得到晚上，在將來的給水處理中定有大的發(fā)展前景，注意其應(yīng)用中存在的問題，必將取得非常好的水處理效果。

參考文獻(xiàn)

[1] 《給水排水工程儀表與控制》（崔福義，彭永臻編著）.

[2] 《給水工程》（嚴(yán)熙世，范瑾初主編）.

[3] 給排水在線網(wǎng)站（http：//www.gpszx.com）.