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    黃念禹（1962－）
男，碩士，（廣州市自來水公司，廣東  廣州  510600） 廣州市自來水公司工程師，主要從事工業(yè)自動化技術(shù)工作。

摘要：提出了水廠投礬系統(tǒng)PLC復(fù)合環(huán)控制模型，盡可能把所有會影響控制目標(biāo)的因素列入控制因子，通過編程而盡量模擬人工智能去實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的全過程，成功實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的投礬自動化。

關(guān)鍵詞：水廠；投礬系統(tǒng)；復(fù)合環(huán)控制；自動化

Abstract:  The model of PLC composite loop control used in dosing system is introduced. In this model, we consider the factors that inflect the control target as many as possible. The control mode mainly depends on the software programming, and the satisfied results are obtained.

Key words: Water plant；Dosing system；Composite loop control；Automation

1 引言

    投礬凈水處理系統(tǒng)是水廠的核心部分之一，傳統(tǒng)水廠中，凈水劑投加量主要是由人工經(jīng)驗(yàn)來控制，所用的投加設(shè)備也非常簡單，無法達(dá)到真正意義上的計量投加，直接造成凈水劑過分消耗、水質(zhì)情況難于掌握等問題。因此，設(shè)計開發(fā)更合理適用的投加量實(shí)時控制方式，解決凈水劑投加量的控制問題，建立完善的自動化投加系統(tǒng)，是水廠生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)全面自動化的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)所在。廣州市自來水公司西洲水廠是本世紀(jì)初投產(chǎn)的一座特大型自動化水廠，每天為廣州市提供50萬立方米的優(yōu)質(zhì)自來水。本文重點(diǎn)介紹了筆者對該廠PLC投礬凈水處理自動化系統(tǒng)進(jìn)行的一系列技術(shù)改造工作，尤其是對通過PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合環(huán)控制投加的整個過程作了較深入細(xì)致的探討。經(jīng)過運(yùn)行實(shí)踐表明，經(jīng)過技術(shù)改造后的自動投礬凈水處理系統(tǒng)，在運(yùn)行和控制兩方面都更加符合自動化生產(chǎn)的需要，取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

圖1   西洲水廠投礬系統(tǒng)流程示意圖

2 現(xiàn)有投礬控制系統(tǒng)的控制方式

    西洲水廠投礬系統(tǒng)流程如圖1所示。一般的投礬自動控制方式有以下三種：常規(guī)流量比例前饋控制系統(tǒng)、單一游動電流投藥測控系統(tǒng)、前－反饋控制系統(tǒng)。

    2.1 常規(guī)流量比例前饋控制系統(tǒng)

    常規(guī)流量比例前饋－流動電流串級控制系統(tǒng)是在水廠安裝原水流量計，并選取帶有沖程、頻率雙調(diào)節(jié)的計量泵。泵的電機(jī)頻率由流動電流PI控制器輸出信號控制，而沖程由原水流量信號直接控制。
即計量泵沖程：H泵=KHQ水，式中KH為整定后的常數(shù)。

    可得Kv=K泵C藥KsKH  為常數(shù)，從而保證系統(tǒng)衰減系數(shù)ζ值不變。

    所以，此方法既可以改善游動電流系統(tǒng)的滯后問題，及時根據(jù)進(jìn)水流量變化調(diào)整加藥量，又可在進(jìn)水流量變化時，使計量泵的特性參數(shù)Kv值不變，從而較好地保證控制質(zhì)量。但是，這種控制方式也會帶來一些問題，如（1）精度較低，并存在調(diào)節(jié)間隙造成的偏差；（2）如果出現(xiàn)濁度或礬液濃度的大范圍變化，需要重新調(diào)整流量比例系數(shù)，對工人操作產(chǎn)生難度。

    2.2 單一游動電流投藥測控系統(tǒng)（單因子）

    水廠系統(tǒng)普遍使用游動電流探測儀（SCD）進(jìn)行投礬效果的監(jiān)測控制［1］。現(xiàn)有游動電流控制系統(tǒng)普遍采用PI調(diào)節(jié)模式，可用傳遞函數(shù)來表示(見圖2)。

圖2   游動電流投藥控制系統(tǒng)

    系統(tǒng)由比例積分調(diào)節(jié)器W(s)、計量泵WV(s)、對象W0(s)以及游動電流測量變送器Wm(s)組成。只考慮PI調(diào)節(jié)器的比例控制部分，即設(shè)W(s)=Kp，則系統(tǒng)的死循環(huán)傳遞函數(shù)：

    Y(s)／F(s)=Kf(TmS+1)／［(T0S+1)(TmS+1)+KpKvKmK0］

    在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)被控對象數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論計算或簡易工程整定法得出的PI控制器的特性參數(shù)Kp、T1，一經(jīng)整定后就不再改變。而原水進(jìn)水流量每天都有較大幅度的變化，這會引起Kv值的改變，從而導(dǎo)致系統(tǒng)衰減系數(shù)相應(yīng)減小或增大，降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)質(zhì)量，嚴(yán)重影響生產(chǎn)。                              

    2.3 前饋－反饋控制系統(tǒng)（雙因子） 

    混凝投藥前饋－反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3   混凝投藥前饋－反饋控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)框圖

    其中S1、S2為主控因子，采用比例控制；K1、K2為S1、S2的比例系數(shù)；E等于設(shè)定值SP減過程值PV；Ti為積分時間。 為了解決由于硬件控制器在PID調(diào)節(jié)過程中,積分系數(shù)不能隨著相關(guān)因子變化而自動調(diào)節(jié)的局限性問題，嘗試采用了一種新的變通的控制方法，如圖4所示。

    根據(jù)前—反饋混凝投藥控制系統(tǒng)原理，把流動電流混凝投藥串級控制模塊、流量比例前饋控制模塊整合集中，并加入源水水溫、源水濁度(NTU原水)、反應(yīng)池水濁度（NTU反應(yīng)池水）和待濾水濁度（NTU待濾水）等控制因子，以待濾水濁度（NTU待濾水）作為最終的控制目標(biāo)，在PLC系統(tǒng)的軟件平臺上進(jìn)行編程。按照最后歸納出來的數(shù)學(xué)模型，利用羅克韋爾自動化公司的RSLogix 5編程軟件，完成了對PLC復(fù)合環(huán)控制的編程工作，實(shí)現(xiàn)了一種類似于PID控制，但比PID控制更穩(wěn)定更可靠的，通過軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)合環(huán)自動控制。

    投礬計量泵的沖程:    H=k1×Q水

    投礬計量泵的電機(jī)頻率增量:  

    k1=k3×NTU原水

　　k2=k4×[1-(SP待濾水-NTU待濾水)/ NTU反應(yīng)池水]

    式中k1 k2 k3 k4均為系數(shù)；SC為游動電流調(diào)節(jié)器的輸出信號；SP待濾水—所要求的待濾水濁度。過程參數(shù)即積分時間常數(shù)T i由取水流速決定，增益k3 k4值的確定根據(jù)以前投加數(shù)據(jù)采用最小二乘法處理后得出。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制質(zhì)量，對被控參數(shù)進(jìn)行追蹤控制，不斷改進(jìn)程序以補(bǔ)償干擾對被控參數(shù)的影響，使被控參數(shù)基本不變化(或很少變化)。它相對反饋控制來說是及時的，在原則上，對干擾的影響可以達(dá)到完全補(bǔ)償，使被控參數(shù)不變，控制效果顯著提高。

4 運(yùn)行效果

    西洲水廠使用新的控制方法以來，節(jié)約投礬和改善水質(zhì)的效果顯著，待濾水濁度和濾后水濁度曲線平穩(wěn)，減低了單位礬耗，較好地達(dá)到了預(yù)期的滿足自動控制的要求。在原水水質(zhì)一定、條件相同的情況下，對同一制水工藝，在很大程度上，混凝效果與SCD的游動電流值及待濾水濁度三者之間存在著某種確定的對應(yīng)關(guān)系，因此，對與混凝劑投加系統(tǒng)，流動電流值及待濾水濁度，不僅是控制系統(tǒng)的中間控制參數(shù)和系統(tǒng)的目標(biāo)控制值，而且直接反映了混凝效果的好壞和控制系統(tǒng)的優(yōu)劣，可以從SCD游動電流值（SC值）的波動和待濾水濁度的穩(wěn)定程度等方面對投藥系統(tǒng)進(jìn)行綜合評估。

圖5   投礬控制效果



圖6   待濾水濁度比較

    為了衡量控制效果，對投礬系統(tǒng)分別采用單因子、雙因子、PLC復(fù)合環(huán)控制，進(jìn)行平行對比試驗(yàn)，在原水水質(zhì)相同（色度：10度；濁度：39度；PH值：6.7；水溫：29度）的情況下，流量突增50%（上水量由10000噸/小時突增到15000噸/小時）所測的SCD值如圖5所示，可知在三種控制方式中，采用PLC復(fù)合環(huán)控制，流動電流的波動幅度最小，恢復(fù)穩(wěn)定態(tài)的時間最短。

    在原水水質(zhì)大致相同的情況下（色度：10-15度；原水濁度：24-65NTU；PH：6.6-6.9;水溫:28-30度），對投礬系統(tǒng)分別采用單因子、雙因子、PLC復(fù)合環(huán)控制，測得的待濾水濁度曲線如圖6所示。可知，采用PLC復(fù)合環(huán)控制，待濾水濁度波動最小，曲線最平穩(wěn)、最接近控制目標(biāo)值2NTU。

    總之，加入源水水溫、源水濁度(NTU原水)、反應(yīng)池水濁度（NTU反應(yīng)池水）和待濾水濁度（NTU待濾水）等控制因子，以待濾水濁度（NTU待濾水）作為最終的控制目標(biāo)，在PLC系統(tǒng)的軟件平臺上進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)了一種類似于PID控制，但比PID控制更穩(wěn)定更可靠的，通過軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)合環(huán)自動控制，節(jié)約投礬和改善水質(zhì)的效果顯著。

參考文獻(xiàn)：

    [1] 楊振海.游動電流混凝投藥測控系統(tǒng)研究[D].哈爾濱建筑大學(xué)，1996.

    [2] 黃念禹. 水廠投加系統(tǒng)的技術(shù)改造[D]. 四川大學(xué)，2003.

    編號：080529