基于PLC的自動(dòng)加氯系統(tǒng)在智能水廠(chǎng)中的應(yīng)用

黃 磊

(金華市自來(lái)水有限公司仙源湖水廠(chǎng)，浙江金華321000)

隨著智慧城市的發(fā)展，關(guān)于“智慧水務(wù)”、“智能水廠(chǎng)”的技術(shù)應(yīng)用成為行業(yè)熱點(diǎn)。智能水廠(chǎng)是智慧城市在水務(wù)領(lǐng)域深化的一個(gè)分支，包含了2個(gè)重要的含義：一是指水廠(chǎng)作為城市供水及輸配水的核心環(huán)節(jié)，與城市的供水系統(tǒng)、水資源循環(huán)利用等管理職能有著密不可分的聯(lián)系，是智慧城市的核心之一，是建設(shè)生態(tài)社會(huì)、實(shí)現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分；二是指在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)的推動(dòng)下，創(chuàng)新運(yùn)營(yíng)管理模式，逐步實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化、智慧化的運(yùn)營(yíng)與管理。

智能水廠(chǎng)的基本目的是將智慧賦予人以外的系統(tǒng)，使之具有一定程度的識(shí)別問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，能將人從各類(lèi)簡(jiǎn)單重復(fù)的工作中解放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)少人或無(wú)人化運(yùn)行。PLC技術(shù)作為過(guò)程工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的自動(dòng)化控制技術(shù)，其在水廠(chǎng)中的應(yīng)用，為提高供水品質(zhì)和供水的智能化、無(wú)人值守化提供了重要保障。在凈水過(guò)程中，加氯消毒是水質(zhì)控制的重要環(huán)節(jié)，其安全、高效運(yùn)行直接影響水廠(chǎng)供水。隨著社會(huì)對(duì)供水質(zhì)量和生產(chǎn)可靠性要求的不斷提高，智能控制技術(shù)在加氯消毒流程中的應(yīng)用變得越來(lái)越重要。筆者結(jié)合金華仙源湖水廠(chǎng)在智能水廠(chǎng)建設(shè)中對(duì)加氯系統(tǒng)的升級(jí)改造實(shí)例，探討了PLC在智能加氯系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 系統(tǒng)概述

仙源湖水廠(chǎng)位于浙江省金華市，以浙江省城市供水現(xiàn)代化水廠(chǎng)為標(biāo)準(zhǔn)一次性規(guī)劃建設(shè)，設(shè)計(jì)供水能力為25×104m3/d。原水取自安地水庫(kù)，經(jīng)由隧道進(jìn)入水廠(chǎng)，投加混凝劑(聚合氯化鋁)、助凝劑(氫氧化鈣)同時(shí)調(diào)節(jié)pH值，前加氯消毒進(jìn)入折板反應(yīng)池混合反應(yīng)，再經(jīng)過(guò)沉淀、濾池過(guò)濾、濾后水加氯二次消毒進(jìn)入清水池，補(bǔ)氯后通過(guò)出廠(chǎng)管網(wǎng)供給用戶(hù)。

在水廠(chǎng)凈水過(guò)程中，加氯消毒是水質(zhì)控制的重要環(huán)節(jié)。仙源湖水廠(chǎng)加氯藥劑采用次氯酸鈉，次氯酸鈉與水的親和性好，在水中幾乎完全水解成次氯酸，水解度高于99%，同時(shí)能有效解決氯氣、二氧化氯、臭氧等氣體消毒劑所存在的難溶于水、投加不準(zhǔn)確的技術(shù)困難，并消除了跑、泄、漏、毒等安全隱患，消毒效果好，操作安全，使用方便，易于儲(chǔ)存，對(duì)環(huán)境無(wú)毒害[1]。

仙源湖水廠(chǎng)加氯工藝包括前加氯、后加氯和補(bǔ)氯3個(gè)過(guò)程。前加氯在原水進(jìn)反應(yīng)池前的管路上投加，殺死原水中的微生物或氧化分解有機(jī)物；后加氯在濾后水進(jìn)清水池的管路上投加，起消毒作用并保持氯后水余氯含量；補(bǔ)氯在清水池出水管路上投加，發(fā)揮消毒作用并保持出廠(chǎng)水余氯含量。水廠(chǎng)加氯工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 加氯工藝流程Fig.1 Process flow of chlorination

智能加氯系統(tǒng)主要包括2個(gè)子系統(tǒng)，分別為智能配藥系統(tǒng)和智能投加系統(tǒng)。

智能配藥系統(tǒng)：儲(chǔ)液罐共10只，單只容量為15 000 L，每只罐均配有1只進(jìn)液電動(dòng)閥、1只出液電動(dòng)閥和1臺(tái)超聲波液位計(jì)，如圖2所示。當(dāng)罐內(nèi)次氯酸鈉藥液使用至液位0.25 m時(shí)，罐體間進(jìn)行低液位切換，將低液位儲(chǔ)液罐的出液閥關(guān)閉，同時(shí)打開(kāi)另一只高液位儲(chǔ)液罐的出液閥，切換至高液位儲(chǔ)液罐使用。當(dāng)次氯酸鈉原液運(yùn)送至水廠(chǎng)時(shí)，需將其稀釋為低濃度儲(chǔ)存，配藥時(shí)先將需配藥的儲(chǔ)液罐的進(jìn)液閥打開(kāi)，通過(guò)卸料泵將原液送入罐內(nèi)，完成進(jìn)藥后再打開(kāi)稀釋水總閥，將原液與水混合稀釋至所需濃度。

圖2 配藥系統(tǒng)Fig.2 Dispensing system

智能投加系統(tǒng)：投加點(diǎn)共8處，其中前加氯投加點(diǎn)2處，分別在1期、2期反應(yīng)池進(jìn)水總管前；后加氯投加點(diǎn)4處，分別在濾后水進(jìn)入清水池前的管道上；補(bǔ)加氯投加點(diǎn)2處，分別在DN1600出水管、DN1400出水管管道混合器前。

如圖3所示，計(jì)量泵共9臺(tái)，1#泵為一期前加氯計(jì)量泵，2#泵為二期前加氯計(jì)量泵，3#泵為備用計(jì)量泵，4#泵為1#沉淀池后加氯計(jì)量泵，5#泵為4#沉淀池后加氯計(jì)量泵，6#泵為2#沉淀池后加氯計(jì)量泵，7#泵為DN1600管道出廠(chǎng)水補(bǔ)氯計(jì)量泵，8#泵為1400管道出廠(chǎng)水補(bǔ)氯計(jì)量泵，9#泵為3#沉淀池后加氯計(jì)量泵。

圖3 加氯系統(tǒng)Fig.3 Chlorine dosing system

2 自動(dòng)化平臺(tái)架構(gòu)

仙源湖水廠(chǎng)主干網(wǎng)采用光纖環(huán)網(wǎng)，傳輸速率為1 000 Mbps，該網(wǎng)絡(luò)防電磁干擾，輸入輸出光電隔離，能適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。加氯系統(tǒng)的配藥PLC和次投加PLC通過(guò)加氯間的光纖交換機(jī)(TCP/IP 以太網(wǎng)通訊協(xié)議)與其它PLC站、服務(wù)器等互聯(lián)互通，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?jiàn)圖4。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig.4 Topology of network

上位機(jī)人機(jī)界面(HMI)軟件基于Intouch 2014R2平臺(tái)開(kāi)發(fā)，主要功能包括對(duì)廠(chǎng)區(qū)集中管理、調(diào)度、操作、監(jiān)視、記錄、控制參數(shù)設(shè)置及修改、報(bào)表生成及打印、故障報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)、顯示及保存等[2]。

下位機(jī)采用Schneider PLC，配藥PLC CPU選用Schneider QUANTUM 140CPU65150，離散量輸入、輸出模塊分別選用140DDI35300和140DDO84300，模擬量輸入、輸出模塊分別選用140ACI04000和140ACO13000；投加PLC CPU選用Schneider BMXP342020，離散量輸入、輸出模塊分別選用BMXDDI1602和BMXDDO1602，模擬量輸入、輸出模塊分別選用BMXAMI0810和BMXAMO0410。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮在高可靠性、管理便利性、系統(tǒng)合理性的前提下，按照技術(shù)領(lǐng)先、設(shè)備先進(jìn)為主要設(shè)計(jì)原則，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性[3]。自控系統(tǒng)、在線(xiàn)檢測(cè)儀表系統(tǒng)、水泵節(jié)能調(diào)度系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和綜合布線(xiàn)系統(tǒng)等各部分的設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用、相互協(xié)調(diào)，形成完整有效、自動(dòng)化程度高的管理控制一體化系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

3.1 控制方式

就過(guò)程控制而言，仙源湖水廠(chǎng)的自動(dòng)控制分為一般控制和高級(jí)控制。一般控制是控制設(shè)備的開(kāi)/停、液位、流量等以邏輯控制為主的環(huán)節(jié)，在水廠(chǎng)過(guò)程控制中占70%～90%，以小閉環(huán)為主，邏輯運(yùn)算量較大。高級(jí)控制是為實(shí)現(xiàn)節(jié)能、出水水質(zhì)穩(wěn)定、節(jié)省能耗和藥耗等目標(biāo)，建立數(shù)學(xué)模型和尋優(yōu)算法，實(shí)現(xiàn)高效能的輔助決策[4]。精細(xì)化運(yùn)行管理以大閉環(huán)控制為主。

實(shí)現(xiàn)自來(lái)水廠(chǎng)精細(xì)化控制需要一般控制和高級(jí)控制并舉，一般控制解決常規(guī)運(yùn)行問(wèn)題，高級(jí)控制解決運(yùn)行過(guò)程優(yōu)化(例如工藝穩(wěn)定、節(jié)能降耗等)問(wèn)題，是水廠(chǎng)高效運(yùn)行的保障。

智能加氯系統(tǒng)的控制方式分為手動(dòng)控制和遙控兩種。

手動(dòng)控制：操作人員可在現(xiàn)場(chǎng)控制柜上操作，將控制柜上的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到手動(dòng)位，通過(guò)操作控制柜按鈕來(lái)控制對(duì)應(yīng)的運(yùn)行設(shè)備，控制柜上的電位器用來(lái)調(diào)節(jié)泵的頻率。

遙控：分為自動(dòng)控制和中控，自動(dòng)控制需將現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到遙控位，操作人員把控制模式切換至自動(dòng)控制，PLC就可根據(jù)設(shè)定好的程序控制相應(yīng)設(shè)備，完成相關(guān)操作；中控需將現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)到遙控位，操作人員把控制模式切換至中控，PLC就可根據(jù)中控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令來(lái)控制相應(yīng)的運(yùn)行設(shè)備。

3.2 智能控制實(shí)現(xiàn)

3.2.1智能配藥控制

仙源湖水廠(chǎng)升級(jí)配藥控制方式，實(shí)現(xiàn)智能配藥。把卸料泵、次氯酸鈉稀釋水總閥、需要配藥的次氯酸鈉罐的進(jìn)液閥調(diào)至自動(dòng)模式，設(shè)定填入原液濃度、配藥濃度和配藥液位等參數(shù)。PLC會(huì)根據(jù)設(shè)定程序自動(dòng)精準(zhǔn)計(jì)算出每個(gè)罐進(jìn)藥后需達(dá)到的進(jìn)藥液位，根據(jù)該進(jìn)藥液位自動(dòng)將原液依次打入選定的次氯酸鈉罐。進(jìn)藥程序源代碼見(jiàn)圖5，其中PY_Level1為配藥后液位，PY_Pre_level1為配藥前液位，PY_Full_Level為配藥稀釋后目標(biāo)液位，Concentration為原液濃度，PY_Concentration為配藥濃度。

圖5 進(jìn)藥程序源代碼Fig.5 Source code of drug feeding system progra

完成自動(dòng)進(jìn)藥過(guò)程后開(kāi)始稀釋?zhuān)琍LC程序根據(jù)設(shè)定的配藥濃度精確計(jì)算出進(jìn)水稀釋后需達(dá)到的最終液位，按照此液位依次進(jìn)水，自動(dòng)完成次氯酸鈉溶液的稀釋。稀釋程序源代碼見(jiàn)圖6，其中PS_Level1為稀釋后液位，PY_Pre_level1為配藥前液位，PYH_Level[1]為配藥后液位，PY_Concentration為配藥濃度，Concentration為原液濃度。

圖6 稀釋程序源代碼Fig.6 Source code of dilution program

3.2.2智能投加控制

次氯酸鈉投加系統(tǒng)具有大慣性、大滯后的特點(diǎn)，其純滯后時(shí)間較長(zhǎng)且系統(tǒng)的干擾因素較多，若采用PID控制，實(shí)際控制效果不理想。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，升級(jí)采用精細(xì)投藥算法，前加氯采用流量比例投加，通過(guò)設(shè)定的投加率調(diào)節(jié)投加量；后加氯、補(bǔ)氯采用流量比例復(fù)合環(huán)控制，根據(jù)余氯設(shè)定值與現(xiàn)場(chǎng)儀表的偏差自動(dòng)周期性調(diào)節(jié)投加系數(shù)。

① 流量比例控制

次氯酸鈉投加量與水的流量成正比，流量計(jì)信號(hào)(4～20 mA)輸入到PLC，經(jīng)過(guò)PLC程序運(yùn)算，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)(4～20 mA)，通過(guò)調(diào)節(jié)投加泵的運(yùn)行頻率來(lái)調(diào)整次氯酸鈉投加量，從而實(shí)現(xiàn)流量比例控制[5]。其投加算法為：

Pump_Roy_DB[0].Cvp:=CT_Flow1*K/(750.0*Concentration1)

式中 Pump_Roy_DB[0].Cvp——投加泵運(yùn)行頻率，Hz；

CT_Flow1——沉淀池進(jìn)水流量，m3/h；

K——投加率；

Concentration1——次氯酸鈉投加濃度，%。

② 流量比例復(fù)合環(huán)控制

如圖7所示，流量比例復(fù)合環(huán)控制是雙信號(hào)控制，將進(jìn)水流量作為前饋量，余氯儀實(shí)際測(cè)量值作為反饋量。前饋屬于開(kāi)環(huán)控制，其可對(duì)擾動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。在干擾出現(xiàn)時(shí)就立即對(duì)被控參數(shù)進(jìn)行控制，能更快速、有效地消除擾動(dòng)對(duì)被控參數(shù)的影響。反饋量可對(duì)細(xì)微偏差進(jìn)行準(zhǔn)確細(xì)調(diào)。

圖7 流量比例復(fù)合環(huán)控制方式Fig.7 Compound loop control mode of flow ratio

在實(shí)際生產(chǎn)中，前饋控制可以迅速調(diào)整水流量波動(dòng)產(chǎn)生的次氯酸鈉需求的變化，反饋調(diào)節(jié)可以對(duì)余氯偏差進(jìn)行準(zhǔn)確的修正。當(dāng)余氯儀實(shí)際測(cè)量值大于余氯設(shè)定值時(shí)，將當(dāng)前投加率與投加率調(diào)節(jié)量的值相減作為下一次的投加率；當(dāng)余氯儀實(shí)際測(cè)量值小于等于余氯設(shè)定值時(shí)，將當(dāng)前投加率與投加率調(diào)節(jié)量的值相加作為下一次的投加率。復(fù)合環(huán)算法程序源代碼見(jiàn)圖8，其中K2[0]為投加率，ABS_CL2_DIF1[0]為投加率調(diào)節(jié)量，ABS(CL2_Filter_1-CL2_SET1)為余氯儀實(shí)際測(cè)量值與設(shè)定余氯值的偏差。

圖8 復(fù)合環(huán)算法程序源代碼Fig.8 Source code of compound ring algorithm program

4 結(jié)論

智能加氯系統(tǒng)是智能水廠(chǎng)保證水質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，仙源湖水廠(chǎng)自動(dòng)加氯系統(tǒng)充分發(fā)揮了PLC的性能，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了智能配藥、智能投加，采用流量比例控制、流量比例復(fù)合環(huán)控制等精細(xì)投藥算法。該自動(dòng)加氯系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)易，降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)效率，既得到良好的出水水質(zhì)，又降低了成本，減少了能耗，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。