黃念禹（1962－）
男，碩士，（廣州市自來(lái)水公司，廣東  廣州  510600） 廣州市自來(lái)水公司工程師，主要從事工業(yè)自動(dòng)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(huì)影響控制目標(biāo)的因素列入控制因子，通過(guò)編程而盡量模擬人工智能去實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的全過(guò)程，成功實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的投礬自動(dòng)化。

關(guān)鍵詞：水廠；投礬系統(tǒng)；復(fù)合環(huán)控制；自動(dòng)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(lái)控制，所用的投加設(shè)備也非常簡(jiǎn)單，無(wú)法達(dá)到真正意義上的計(jì)量投加，直接造成凈水劑過(guò)分消耗、水質(zhì)情況難于掌握等問(wèn)題。因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)更合理適用的投加量實(shí)時(shí)控制方式，解決凈水劑投加量的控制問(wèn)題，建立完善的自動(dòng)化投加系統(tǒng)，是水廠生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化的關(guān)鍵，也是難點(diǎn)所在。廣州市自來(lái)水公司西洲水廠是本世紀(jì)初投產(chǎn)的一座特大型自動(dòng)化水廠，每天為廣州市提供50萬(wàn)立方米的優(yōu)質(zhì)自來(lái)水。本文重點(diǎn)介紹了筆者對(duì)該廠PLC投礬凈水處理自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行的一系列技術(shù)改造工作，尤其是對(duì)通過(guò)PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合環(huán)控制投加的整個(gè)過(guò)程作了較深入細(xì)致的探討。經(jīng)過(guò)運(yùn)行實(shí)踐表明，經(jīng)過(guò)技術(shù)改造后的自動(dòng)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(dòng)化生產(chǎn)的需要，取得了良好的社會(huì)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(dòng)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(dòng)電流投藥測(cè)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(dòng)電流串級(jí)控制系統(tǒng)是在水廠安裝原水流量計(jì)，并選取帶有沖程、頻率雙調(diào)節(jié)的計(jì)量泵。泵的電機(jī)頻率由流動(dòng)電流PI控制器輸出信號(hào)控制，而沖程由原水流量信號(hào)直接控制。
即計(jì)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(dòng)電流系統(tǒng)的滯后問(wèn)題，及時(shí)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(shí)，使計(jì)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(huì)帶來(lái)一些問(wèn)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(duì)工人操作產(chǎn)生難度。

    2.2 單一游動(dòng)電流投藥測(cè)控系統(tǒng)（單因子）

    水廠系統(tǒng)普遍使用游動(dòng)電流探測(cè)儀（SCD）進(jìn)行投礬效果的監(jiān)測(cè)控制［1］。現(xiàn)有游動(dòng)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(lái)表示(見(jiàn)圖2)。

圖2   游動(dòng)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(jì)量泵WV(s)、對(duì)象W0(s)以及游動(dòng)電流測(cè)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(duì)象數(shù)學(xué)模型進(jìn)行理論計(jì)算或簡(jiǎn)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(huì)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(guò)程值PV；Ti為積分時(shí)間。 為了解決由于硬件控制器在PID調(diào)節(jié)過(guò)程中,積分系數(shù)不能隨著相關(guān)因子變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)的局限性問(wèn)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(dòng)電流混凝投藥串級(jí)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(tái)上進(jìn)行編程。按照最后歸納出來(lái)的數(shù)學(xué)模型，利用羅克韋爾自動(dòng)化公司的RSLogix 5編程軟件，完成了對(duì)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(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)合環(huán)自動(dòng)控制。

    投礬計(jì)量泵的沖程:    H=k1×Q水

    投礬計(jì)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(dòng)電流調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)；SP待濾水—所要求的待濾水濁度。過(guò)程參數(shù)即積分時(shí)間常數(shù)T i由取水流速?zèng)Q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(duì)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(duì)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(duì)反饋控制來(lái)說(shuō)是及時(shí)的，在原則上，對(duì)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(lái)，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(dòng)控制的要求。在原水水質(zhì)一定、條件相同的情況下，對(duì)同一制水工藝，在很大程度上，混凝效果與SCD的游動(dòng)電流值及待濾水濁度三者之間存在著某種確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此，對(duì)與混凝劑投加系統(tǒng)，流動(dòng)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(dòng)電流值（SC值）的波動(dòng)和待濾水濁度的穩(wěn)定程度等方面對(duì)投藥系統(tǒng)進(jìn)行綜合評(píng)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(duì)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(duì)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(shí)突增到15000噸/小時(shí)）所測(cè)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(dòng)電流的波動(dòng)幅度最小，恢復(fù)穩(wěn)定態(tài)的時(shí)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(duì)投礬系統(tǒng)分別采用單因子、雙因子、PLC復(fù)合環(huán)控制，測(cè)得的待濾水濁度曲線如圖6所示?？芍?，采用PLC復(fù)合環(huán)控制，待濾水濁度波動(dòng)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(tái)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(guò)軟件實(shí)現(xiàn)的復(fù)合環(huán)自動(dòng)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(dòng)電流混凝投藥測(cè)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(hào)：080529