自來(lái)水廠加氯工藝的自動(dòng)化控制改造

馬俁昕

摘要：自來(lái)水廠水處理的整個(gè)過(guò)程中氯氣的投放對(duì)于水質(zhì)能否達(dá)標(biāo)起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用。由于影響加氯效果的因素很多，如水質(zhì)、天氣、水廠的具體工藝特點(diǎn)等，而且后加氯存在時(shí)間滯后問(wèn)題，同時(shí)對(duì)控制方法和投加氯存在的問(wèn)題目前有不同的看法，從而使加氯系統(tǒng)不夠規(guī)范，實(shí)際運(yùn)行效果也不是十分理想?，F(xiàn)如今社會(huì)發(fā)展的不斷快速和自動(dòng)化技術(shù)的全面實(shí)踐，提高了自來(lái)水廠加氯預(yù)測(cè)工藝的社會(huì)收益。

關(guān)鍵詞：自來(lái)水廠加氯工藝;自動(dòng)化控制改造

一、控制方案介紹

系統(tǒng)采用串級(jí)控制的方案，將加氯機(jī)到清水池入口余氯儀處作為串級(jí)控制的副回路，清水池入口到出口之間作為串級(jí)控制的主回路。副回路根據(jù)清水池進(jìn)水量比例投加，給定加氯機(jī)的投加量，并利用入口余氯儀的讀數(shù)修正比例投加系數(shù)Smith主回路利用過(guò)程模型使用預(yù)估補(bǔ)償，給定入口余氯。

1.主回路的設(shè)計(jì)。主回路主要負(fù)責(zé)輸出清水池入口余氯給定量。由于主回路具有大滯后、大慣性的特性，使用常規(guī)的PLD控制會(huì)因?yàn)榧儨蟮挠绊憣?dǎo)致調(diào)節(jié)質(zhì)量大大下降，因此需要建立其過(guò)程的動(dòng)態(tài)模型。通過(guò)建立進(jìn)出口余氯的單輸入單輸出模型，進(jìn)一步使用預(yù)估器進(jìn)行預(yù)估補(bǔ)償。

（1）建模。由于加氯系統(tǒng)屬于一般的工業(yè)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的模型階次一般不會(huì)太高，可以初步假定其模型為低階慣性環(huán)節(jié)加上純時(shí)滯的系統(tǒng)，傳遞函數(shù) ，其中 為不帶純時(shí)滯的低階慣性環(huán)節(jié)。模型受清水池的出水量影響較大，但由于水廠實(shí)際生產(chǎn)中清水池出水量受二泵房水泵臺(tái)時(shí)數(shù)所決定，一般也只有幾種固定的出水量，且一段時(shí)間內(nèi)出水量是穩(wěn)定不變的，因此只需在幾種不同的出水量下分別對(duì)模型進(jìn)行辨識(shí)，得到各種出水量下對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)模型即可。取某天數(shù)據(jù)，取出水量相對(duì)穩(wěn)定的一段數(shù)據(jù)，對(duì)入口余氯和出口余氯數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)，得到參數(shù)如下為了檢驗(yàn)以上辨識(shí)出的模型的精確程度，使用另外一天出水量約為6200m3/h的數(shù)據(jù)記錄對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)。將預(yù)測(cè)出來(lái)的結(jié)果與實(shí)際出口余氯值進(jìn)行比較，其平均誤差為0.0236。可見(jiàn)模型的精確程度是比較高的。

（2）Smith預(yù)估補(bǔ)償控制算法。由于主回路相當(dāng)于一個(gè)大滯后系統(tǒng)，采用一般的控制方式（例如PLC）進(jìn)行控制會(huì)因?yàn)榧儨蟮拇嬖诙兊帽容^困難。因此主回路在控制算法上選擇了Smith預(yù)估補(bǔ)償方案。采用Smith預(yù)估補(bǔ)償方法可以有效地克服主回路中存在的純滯后的影響。其原理是根據(jù)辨識(shí)出的被控過(guò)程的模型，預(yù)先估計(jì)出過(guò)程在基本擾動(dòng)下的動(dòng)態(tài)特性，然后由預(yù)估器進(jìn)行補(bǔ)償，力圖使遲延了的被調(diào)量的變化超前反映到調(diào)節(jié)器，使調(diào)節(jié)器提前動(dòng)作，進(jìn)而加速調(diào)節(jié)過(guò)程和減少振蕩。

二、關(guān)鍵工藝自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

在自來(lái)水廠中，加氯工藝一般包含兩個(gè)部分：前加氯和后加氯，前加氯通常實(shí)在原水進(jìn)人沉淀池之前進(jìn)行，前加氯過(guò)程中的投加量不大。后加氯是在濾后水進(jìn)入清水池前進(jìn)行，起到殺菌消毒作用。水廠出廠水的余氯含量不許以后濾后水加氯環(huán)節(jié)來(lái)保證，本文主要討論濾后水加氯環(huán)節(jié)。

2.1影響次氯酸鈉投加量的因素分析。（1）清水池進(jìn)水流量。清水池進(jìn)水流量的大小對(duì)投加量有直接影響，而這個(gè)流量會(huì)因用水調(diào)度或工藝等方面而發(fā)生較大變化，沒(méi)有特定規(guī)律，可通過(guò)比例控制方法來(lái)解決。（2）水中氨氮含量。目前水廠的次氯酸鈉投加，一般采用氯胺消毒，水中的氨氮含量是投加過(guò)程最主要的影響因素。（3）清水池出水流量。清水池的出水流量越小，濾后水在水庫(kù)中滯留的時(shí)間越長(zhǎng)，次氯酸鈉混合、反應(yīng)、揮發(fā)的程度越大。（4）清水池水位。清水池水位高低不同，會(huì)對(duì)次氯酸鈉的混合、反應(yīng)產(chǎn)生一定的影響。次氯酸鈉受溫度和光照影響易分解，會(huì)造成出廠余氯值的不穩(wěn)定，所以盡量保存在避光的場(chǎng)所，并且一般應(yīng)在14 d內(nèi)進(jìn)行更換，夏季時(shí)最好在10 d內(nèi)。

2.2次氯酸鈉投加量自動(dòng)控制設(shè)計(jì)。整個(gè)藥劑投加控制，采用現(xiàn)場(chǎng)手/自動(dòng)及遠(yuǎn)程手/自動(dòng)兩種控制模式。在現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)及本地操作切換，當(dāng)狀態(tài)為遠(yuǎn)程時(shí)，此系統(tǒng)由控制室通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行操作，當(dāng)狀態(tài)為本地時(shí)可由相關(guān)人員在本地通過(guò)觸摸屏進(jìn)行計(jì)量泵的啟停及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。本地控制優(yōu)先級(jí)高于遠(yuǎn)程模式，也提高了系統(tǒng)的安全性。手動(dòng)控制模式分為就地手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制兩種。手動(dòng)控制需要人工計(jì)算加藥量，容易出現(xiàn)偏差，一般處于備用狀態(tài)，當(dāng)自動(dòng)模式出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)采用手動(dòng)控制方式。

2.3水廠自動(dòng)加氯工藝分析。凈水過(guò)程的施工工藝研究在施工工藝的技術(shù)上一些還需要繼續(xù)加強(qiáng)控制精度或者縮短控制時(shí)間的方法。首先研究下一班水凈化工廠的施工工藝。一般水處理工廠的施工工藝大同小異，凈水工藝推薦采用：“混凝+沉淀+過(guò)濾+消毒”?？紤]到今后生活水平的不斷提高而對(duì)飲用水的要求提高，在總設(shè)計(jì)流程中預(yù)留實(shí)施臭氧+生物活性炭深度處理工藝用地。作者參與的項(xiàng)目采用了投加固體或液體聚合氯化鋁及聚丙烯酰胺（PAM）、高效絮凝沉淀池、翻板濾池、加氯等工藝。（1）整體控制設(shè)備設(shè)計(jì)。在終端距離系統(tǒng)主機(jī)較遠(yuǎn)的時(shí)候采用單模光纖增加信息傳遞精確度，終端比較近的時(shí)候采用多模光纖以達(dá)到減少成本的效果。（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。一是控制網(wǎng)絡(luò)的選擇。供水工程的控制主干網(wǎng)絡(luò)選擇100M 冗余工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。采用工業(yè)以太網(wǎng)，是一種協(xié)議全開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)，其傳輸速度很快。二是網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特性。該網(wǎng)絡(luò)是以后控制網(wǎng)的發(fā)展方向，速度為10/100MB/s網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成冗余環(huán)形結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)能力：傳輸速度為 100Mbytes/s。高吞吐量的數(shù)據(jù)傳輸速率用于改善I/O、控制器互鎖以及對(duì)等通信報(bào)文傳送的性能。傳輸介質(zhì)為光纖電纜。網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)層可選擇冗余結(jié)構(gòu)。（3）主要硬件軟件。軟件系統(tǒng)采用B/S、C/S 結(jié)構(gòu)、組件技術(shù)、流程組裝技術(shù)、Web 服務(wù)及集成技術(shù)，使用基于 J2EE 的多層體系架構(gòu);采用MVC 架構(gòu)和面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì);具有跨平臺(tái)性，能夠和其它 SCA-DA 系統(tǒng)軟件平滑互聯(lián);支持分布式 Web 服務(wù)器群;支持流量自動(dòng)調(diào)整（動(dòng)態(tài)流量平衡），滿足超大規(guī)模用戶并發(fā)訪問(wèn)需要;具有安全性高、適應(yīng)性強(qiáng)、擴(kuò)展容易、使用方便。

2.4加氯控制設(shè)計(jì)。全廠共設(shè)有PLC 子工作站12個(gè)，其中有1個(gè)是專門(mén)的氯氣投加PLC 子站，在加氯間。有1個(gè)中央控制室負(fù)責(zé)調(diào)度分配監(jiān)視管理整個(gè)過(guò)程。其主要功能包括：一是氯氣氣源系統(tǒng)控制：利用電子秤對(duì)氯瓶進(jìn)行秤量，并設(shè)低限報(bào)警開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)壓力切換，保證不間斷供氯;監(jiān)視蒸發(fā)器的自動(dòng)、運(yùn)行、故障，壓力接點(diǎn)的閉合，監(jiān)視壓力切換器氯氣管路電動(dòng)球閥的自動(dòng)、全開(kāi)、全關(guān)等狀態(tài)。二是采集漏氯報(bào)警器的報(bào)警、漏氯量，加氯機(jī)的自動(dòng)、運(yùn)行、故障狀態(tài)以及加氯機(jī)的加氯量等狀態(tài)和參數(shù)。三是根據(jù)進(jìn)廠水流量信號(hào)，比例控制前加氯機(jī)的運(yùn)行，前加氯投加于總進(jìn)水管道。利用流量和余氯信號(hào)對(duì)后加氯機(jī)形成閉環(huán)控制，按照復(fù)合環(huán)方式控制后加氯機(jī)加氯，后加氯投加于濾池出水處。

自來(lái)水制水工藝過(guò)程具有連續(xù)性、不可替代性及不間斷性，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)可大大提供其運(yùn)行可靠性、穩(wěn)定性。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，對(duì)城市供水水質(zhì)提出了更高要求，水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)必然成為一種趨勢(shì)。設(shè)計(jì)適合制水工藝且運(yùn)行穩(wěn)定的自動(dòng)化供水系統(tǒng)，尤其是次氯酸鈉的自動(dòng)投加系統(tǒng)，可以有效的解決供水工藝過(guò)程的諸多問(wèn)題，可有效保證水質(zhì)，提高自來(lái)水廠的處理能力。

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