自來水廠加氯工藝的自動化控制改造

馬俁昕

摘要：自來水廠水處理的整個過程中氯氣的投放對于水質(zhì)能否達標(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等，而且后加氯存在時間滯后問題，同時對控制方法和投加氯存在的問題目前有不同的看法，從而使加氯系統(tǒng)不夠規(guī)范，實際運行效果也不是十分理想。現(xiàn)如今社會發(fā)展的不斷快速和自動化技術(shù)的全面實踐，提高了自來水廠加氯預(yù)測工藝的社會收益。

關(guān)鍵詞：自來水廠加氯工藝;自動化控制改造

一、控制方案介紹

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

1.主回路的設(shè)計。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控制會因為純滯后的影響導(dǎo)致調(diào)節(jié)質(zhì)量大大下降，因此需要建立其過程的動態(tài)模型。通過建立進出口余氯的單輸入單輸出模型，進一步使用預(yù)估器進行預(yù)估補償。

（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太高，可以初步假定其模型為低階慣性環(huán)節(jié)加上純時滯的系統(tǒng)，傳遞函數(shù) ，其中 為不帶純時滯的低階慣性環(huán)節(jié)。模型受清水池的出水量影響較大，但由于水廠實際生產(chǎn)中清水池出水量受二泵房水泵臺時數(shù)所決定，一般也只有幾種固定的出水量，且一段時間內(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模型進行辨識，得到各種出水量下對應(yīng)的系統(tǒng)模型即可。取某天數(shù)據(jù)，取出水量相對穩(wěn)定的一段數(shù)據(jù)，對入口余氯和出口余氯數(shù)據(jù)進行辨識，得到參數(shù)如下為了檢驗以上辨識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)記錄對模型進行檢驗。將預(yù)測出來的結(jié)果與實際出口余氯值進行比較，其平均誤差為0.0236。可見模型的精確程度是比較高的。

（2）Smith預(yù)估補償控制算法。由于主回路相當(dāng)于一個大滯后系統(tǒng)，采用一般的控制方式（例如PLC）進行控制會因為純滯后的存在而變得比較困難。因此主回路在控制算法上選擇了Smith預(yù)估補償方案。采用Smith預(yù)估補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)辨識出的被控過程的模型，預(yù)先估計出過程在基本擾動下的動態(tài)特性，然后由預(yù)估器進行補償，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)器提前動作，進而加速調(diào)節(jié)過程和減少振蕩。

二、關(guān)鍵工藝自動控制設(shè)計

在自來水廠中，加氯工藝一般包含兩個部分：前加氯和后加氯，前加氯通常實在原水進人沉淀池之前進行，前加氯過程中的投加量不大。后加氯是在濾后水進入清水池前進行，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）清水池進水流量。清水池進水流量的大小對投加量有直接影響，而這個流量會因用水調(diào)度或工藝等方面而發(fā)生較大變化，沒有特定規(guī)律，可通過比例控制方法來解決。（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，濾后水在水庫中滯留的時間越長，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，會對次氯酸鈉的混合、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，會造成出廠余氯值的不穩(wěn)定，所以盡量保存在避光的場所，并且一般應(yīng)在14 d內(nèi)進行更換，夏季時最好在10 d內(nèi)。

2.2次氯酸鈉投加量自動控制設(shè)計。整個藥劑投加控制，采用現(xiàn)場手/自動及遠(yuǎn)程手/自動兩種控制模式。在現(xiàn)場可通過觸摸屏實現(xiàn)遠(yuǎn)程自動及本地操作切換，當(dāng)狀態(tài)為遠(yuǎn)程時，此系統(tǒng)由控制室通過上位機進行操作，當(dāng)狀態(tài)為本地時可由相關(guān)人員在本地通過觸摸屏進行計量泵的啟停及相關(guān)參數(shù)的設(shè)定。本地控制優(yōu)先級高于遠(yuǎn)程模式，也提高了系統(tǒng)的安全性。手動控制模式分為就地手動控制和遠(yuǎn)程手動控制兩種。手動控制需要人工計算加藥量，容易出現(xiàn)偏差，一般處于備用狀態(tài)，當(dāng)自動模式出現(xiàn)問題時采用手動控制方式。

2.3水廠自動加氯工藝分析。凈水過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)加強控制精度或者縮短控制時間的方法。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+過濾+消毒”?？紤]到今后生活水平的不斷提高而對飲用水的要求提高，在總設(shè)計流程中預(yù)留實施臭氧+生物活性炭深度處理工藝用地。作者參與的項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。在終端距離系統(tǒng)主機較遠(yuǎn)的時候采用單模光纖增加信息傳遞精確度，終端比較近的時候采用多模光纖以達到減少成本的效果。（2）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點。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、控制器互鎖以及對等通信報文傳送的性能。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;具有跨平臺性，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;支持流量自動調(diào)整（動態(tài)流量平衡），滿足超大規(guī)模用戶并發(fā)訪問需要;具有安全性高、適應(yīng)性強、擴展容易、使用方便。

2.4加氯控制設(shè)計。全廠共設(shè)有PLC 子工作站12個，其中有1個是專門的氯氣投加PLC 子站，在加氯間。有1個中央控制室負(fù)責(zé)調(diào)度分配監(jiān)視管理整個過程。其主要功能包括：一是氯氣氣源系統(tǒng)控制：利用電子秤對氯瓶進行秤量，并設(shè)低限報警開關(guān)，實現(xiàn)自動壓力切換，保證不間斷供氯;監(jiān)視蒸發(fā)器的自動、運行、故障，壓力接點的閉合，監(jiān)視壓力切換器氯氣管路電動球閥的自動、全開、全關(guān)等狀態(tài)。二是采集漏氯報警器的報警、漏氯量，加氯機的自動、運行、故障狀態(tài)以及加氯機的加氯量等狀態(tài)和參數(shù)。三是根據(jù)進廠水流量信號，比例控制前加氯機的運行，前加氯投加于總進水管道。利用流量和余氯信號對后加氯機形成閉環(huán)控制，按照復(fù)合環(huán)方式控制后加氯機加氯，后加氯投加于濾池出水處。

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

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