自動控制技術(shù)在凈水廠水處理加藥系統(tǒng)中的應(yīng)用

羅聯(lián)軍 張慧 王路

摘要：本文從絮凝、活性炭兩種投加成分視角，進行加藥系統(tǒng)分析，探索自動控制技術(shù)的應(yīng)用方法，嘗試提升凈水廠水處理程序的運行智能性，為人們提供高質(zhì)量、清潔性的水資源，確保凈水效果。結(jié)合控制系統(tǒng)試運行情況，證實自動控制技術(shù)融合有效，凈化控制系統(tǒng)運行平穩(wěn)，能夠保障加藥安全、高效。

關(guān)鍵詞：自動控制;加藥系統(tǒng);PLC;絮凝

引言

在科技進步與經(jīng)濟增長背景下，凈水自動控制技術(shù)逐步發(fā)展并趨于成熟。結(jié)合凈水工藝實踐應(yīng)用成效來看，以混凝處理、沉淀分離、過濾凈化、消毒清潔四個環(huán)節(jié)為主要工藝。然而，凈水工藝功能完善期間，相應(yīng)提升了城市建設(shè)效果，提高了人們生活層次，由此增加了人們用水需求。應(yīng)對需水量的增加問題，需要組建自動凈化系統(tǒng)，確保凈水質(zhì)量，保障供水清潔性。

1絮凝投加系統(tǒng)中自控技術(shù)應(yīng)用

1.1凈水系統(tǒng)設(shè)計思路

以A城區(qū)實例凈水廠的系統(tǒng)運行需求為切入點，進行凈水工藝分析，梳理自控技術(shù)節(jié)點，構(gòu)建多層次的控制程序，從硬件、軟件、警報三個視角逐一給出加藥控制程序的設(shè)計方法。在硬件與軟件的系統(tǒng)設(shè)計中，主要從工藝各流程進行加藥控制，確保加藥準確。對于液位加以警報控制，提升系統(tǒng)運行優(yōu)化性[1]。

1.2凈水工藝技術(shù)

1.2.1藥劑混合

藥劑混合的處理宗旨，旨在待處理水資源中高效融合藥劑，獲取礬花顆粒，增加水解能力，提升聚合反應(yīng)的有效性。結(jié)合混合工藝需求，采取靜態(tài)管的混合形式。實例工程中配水井中待處理水資源的深度為4米，混合時間擬用54秒，攪拌流量設(shè)計為0.220m3/s，混合速度每秒增加500轉(zhuǎn)。

1.2.2絮凝

絮凝工藝是在待處理水資源中添加絮凝藥劑，包括混凝、助凝兩種類型。確保在藥劑輔助下，積極融合水中含有的細小懸浮物，形成較大絮粒，便于沉淀分離，達成水凈化目標。實例工程中使用的絮凝劑為PAC，此種類型的絮凝劑在加藥時，需要注意的問題為：進行水質(zhì)動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測項目包括水體渾濁性、酸堿值等，結(jié)合水質(zhì)動態(tài)變化特征，合理調(diào)整加藥數(shù)量，確保凈水效果;如果在凈水期間，突逢極端天氣，可能會增加水質(zhì)變化幅度，適當增加監(jiān)測頻率。

1.2.3沉淀

一般情況下，未經(jīng)處理的水資源中懸浮物具有可見性，在重力作用下，能夠分離獲得懸浮物，可見的固體物質(zhì)分離過程是沉淀。結(jié)合實例工程的凈水廠運行需求，沉淀類型選擇平流式，參數(shù)規(guī)劃為：清水區(qū)高度設(shè)計為3.5米，單組凈水流量為0.11m3/s，單組沉淀凈化周期為2.5小時。

1.2.4過濾

過濾處理完成的水資源，會去除水中半數(shù)以上的懸浮顆粒，在過濾池的幫助下，能夠分離出更細小的雜物，繼而提升水質(zhì)。因此，過濾池成為凈水廠運行質(zhì)量評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在實例工程中，設(shè)計的過濾池為V型，借助其較高的過濾層孔隙比例，較高的過濾速度等多項工藝，增強了濾料使用的均衡性，切實保證了水質(zhì)過濾效果。實例工程中，過濾池的處理能力為：每天過濾1.75×104m水量。采取V型濾池的并列排布方式，單組濾池的過濾規(guī)格為31㎡，濾池高度設(shè)計成4.33米。濾池運行程序中添加了自動控制技術(shù)。

1.2.5消毒

在實例工程中消毒藥劑選用次氯酸。水廠結(jié)合水質(zhì)凈化需求，確定氯藥添加數(shù)量后，在水體中含有一定氯成分，需要進行水資源消毒處理。在實例凈水廠加藥系統(tǒng)中，設(shè)計了兩個加氯節(jié)點[2]。第一個加氯節(jié)點位于配水井前置的管道表面，加氯量設(shè)計為2mg/L。第二個加氯節(jié)點設(shè)計在清水池輸水總線位置，加氯量控制為1mg/L。加藥時使用的藥液為次氯酸鈉原液，藥液濃度配置為10%，存儲5天后，進行消毒使用。

1.3自控技術(shù)設(shè)計方案

1.3.1分布式控制

在凈化系統(tǒng)中搭建分布式控制程序，借助通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的信息傳輸優(yōu)勢，給予凈化系統(tǒng)多重控制，有效結(jié)合了集中與分散多種控制思想。DCS含有三層控制程序，包括生產(chǎn)管理、程序監(jiān)控、分散控制。在凈水廠控制程序中，有效融合分布式控制技術(shù)，控制框架中以PLC為主要技術(shù)。采取自上而下的控制方式，有效連接站區(qū)各局域網(wǎng)絡(luò)，進行站區(qū)監(jiān)管?？刂平M網(wǎng)，用于操控各凈水系統(tǒng)的分支程序。DH網(wǎng)用于操控小規(guī)模PLC系統(tǒng)。

1.3.2總線控制

總線控制建立在分布式控制基礎(chǔ)上，對其進行升級與更新后獲得智能產(chǎn)品。從總線控制本身而言，此控制技術(shù)含有數(shù)字通信協(xié)議，能夠有效連接智能程序與控制系統(tǒng)。借助數(shù)字信號、分散傳輸、多網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，完成系統(tǒng)控制，有效結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)通信、儀表計量、自動控制三類技術(shù)，能夠數(shù)字化連接儀表，切實增強系統(tǒng)信號傳輸?shù)木珳市?，有效緩解系統(tǒng)維護壓力。

1.3.3加藥PLC控制

PLC進行系統(tǒng)控制時，與IPC進行聯(lián)合使用，有效整合了計算機程序與控制系統(tǒng)的使用優(yōu)勢，凸顯出系統(tǒng)一體化運行的優(yōu)勢，表現(xiàn)出系統(tǒng)功能完善、編程簡化等系統(tǒng)運行優(yōu)勢，能夠給予較高時間精度的系統(tǒng)控制。此控制系統(tǒng)運行時，能夠有效完善人機交互功能，提升了系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性，增加了系統(tǒng)運維的便捷性。實例工程中，采取PLC與IPC相結(jié)合的形式，對凈水廠進行多級控制。

系統(tǒng)集中控制時，主要控制程序為IPC，控制主體為水廠各模塊的液位高度、水體渾濁性等。控制方式有切換泵閥、開關(guān)啟停、讀取傳感器參數(shù)等。借助上位機組態(tài)構(gòu)建方式，便于控制人員直觀獲取各模塊的水體情況。利用控制系統(tǒng)進行各模塊泵閥的操作，比如開關(guān)啟停、功能切換等，達成設(shè)備遠程控制目標。

系統(tǒng)分散控制，主要使用的控制技術(shù)為PLC[3]。結(jié)合實例工程中凈水工藝需求，進行PLC控制系統(tǒng)設(shè)計與控制點位的規(guī)劃，規(guī)劃方案如下：絮凝沉淀、加氯環(huán)節(jié)、過濾、濾池四個點位，分別添加PLC控制技術(shù)。上位機采用三星工業(yè)計算機，配置Intel處理器、1TB的大容量硬盤、8G的內(nèi)存，極大的滿足了工業(yè)生產(chǎn)對計算機硬件的要求。軟件部分采用集散控制模式（DCS）對整個水廠加藥、消毒進行控制管理，DCS讓管理與控制分離，上位機用于集中監(jiān)視管理，可進行強大的信息分析處理能力，而若干臺下位機分散到現(xiàn)場實現(xiàn)分布式控制，可提高系統(tǒng)的可靠性和控制精度，各上、下位機之間通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)信息的傳遞。自動控制系統(tǒng)示意圖如下圖1所示。

1.3.4加藥控制程序設(shè)計

案例凈水廠中含有加氯、加藥兩個車間，加藥控制任務(wù)為：使用混凝劑PAC、消毒劑次氯酸鈉，分別與水混合，配制成絮凝與消毒所需的藥劑濃度，在待凈化水體中投加藥劑。在加藥期間，要求控制程序能夠?qū)Χ嘟M閥門、攪拌系統(tǒng)、流量計量裝置、液位信息采集裝置等給予有效控制。

第三組PLC控制中心，設(shè)計在加藥與加氯兩個車間的中心位置，對兩個車間給予有效控制，確保設(shè)備運行遠程操控效果，全面采集儀表模擬參數(shù)，結(jié)合工藝標準進行設(shè)備控制。其中超聲波液位測量裝置，主要控制節(jié)點有溶液池、廢水區(qū)、消毒劑儲罐，I/O點的設(shè)計參數(shù)為AI=8。1號與2號計量裝置、溶液出藥的兩組電動球閥，對其進行開啟與關(guān)閉的故障控制，I/O點設(shè)計方案為DI=6，DO=4。在案例控制系統(tǒng)中，使用的數(shù)字量讀寫模塊規(guī)格為SM321，能夠?qū)τ嬃垦b置運行情況給予有效測定，比如運行、故障等。結(jié)合檢測到的計量泵運行實況，給予設(shè)備控制、故障警報、應(yīng)急保護等。

1.3.5加藥軟件控制平臺設(shè)計

在規(guī)劃加藥控制系統(tǒng)時，需要給出一組最佳的投加比例，確保水質(zhì)達標時，優(yōu)化加藥成本，以降低資源浪費量。投藥最佳比例的數(shù)學(xué)模型為如公式（1）所示。

K=A+B1x2+B2xw+B3xph+B4xe+B5x+E ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

在關(guān)系式中K表示投加混凝劑比例的最佳值，單位mg/L;A作為截距一般數(shù)量;B1～B5對應(yīng)的是每個單獨點位的回歸系數(shù);x2表示的水體渾濁度;xw表示水體溫度;xph表示水體酸堿值;xe表示水體流量參數(shù);x表示水體堿度;E表示模型一般數(shù)量。借助模型獲取混凝劑投加量的最優(yōu)值，保證水質(zhì)，防止藥劑浪費。

在初始化運行加藥控制系統(tǒng)后，進行定量投加混凝劑的人工操作，由控制程序遠程操控閥門與攪拌設(shè)備，促使混凝劑融合在水中，對閥門進行控制，使混凝劑濃度達到預(yù)期設(shè)定值。對計量裝置給予控制，向混合器投加藥劑。

1.3.6液位警報設(shè)計

案例水廠對于過濾程序給出了液位保持的要求，防止過濾速度發(fā)生浮動，確保出水質(zhì)量，由此在控制程序中添加了液位警報模塊。相比一般警報系統(tǒng)，此種液位警報系統(tǒng)的設(shè)計，能夠依據(jù)測量值與設(shè)計目標值的大小關(guān)系，進行調(diào)節(jié)閥控制，當測量值趨近于目標值時，給予警報。

1.3.7運行效果

在加藥控制系統(tǒng)運行90天后，調(diào)取系統(tǒng)控制日志表，分析系統(tǒng)運行效果。在調(diào)取2020年1月7日的凈水日志時，日志內(nèi)容為：檢測時間為0點至20點;系統(tǒng)電量[80.7，125.3]kw·h;進水量[466，706]m3/h;輸水量[423，650]m3/h;輸水中氯成分剩余量[0.302，0.358]mg/L;系統(tǒng)壓力[0.351，0.367]MPa。

結(jié)合調(diào)取日志資料可知：案例水廠凈化后的水體中，剩余氯成分為[0.302，0.358]mg/L，具有氯剩余量的穩(wěn)定性，水體酸堿值取值介于6.5與8之間;在輸水量方面，水壓介于0.351MPa與0.367MPa之間，較為穩(wěn)定;證明案例水廠在控制程序的幫助下，水質(zhì)達標、系統(tǒng)安全，相比人工生產(chǎn)成本減少了10%，能夠有效控制加藥量，積極控制出水中的氯成分剩余量。

2活性炭投加程序中自控技術(shù)的應(yīng)用

2.1活性炭

活性炭是一種固體粉末，生產(chǎn)原材料包括優(yōu)質(zhì)椰殼、煤質(zhì)等，采取多種生產(chǎn)工藝，精密加工后生產(chǎn)獲得的材料，具有較強的吸附能力。此種凈化藥物，區(qū)別于混凝劑，以固體形式存在?；钚蕴坎牧媳憩F(xiàn)出孔隙層次多、接觸規(guī)格大、雜物吸附能力強、性能穩(wěn)定、成本不大等優(yōu)勢，每克質(zhì)量的活性炭粉末接觸規(guī)格大于1000㎡，能夠有效吸收水中含有的有害物質(zhì)。

2.2加藥方法

在凈水廠投加使用活性炭時，有干式、濕式兩種投加方式[4]。干式投加的工法主要是借助高速射流工藝，一體化組裝投藥系統(tǒng)，投加裝置以水射器為代表，能夠有效控制系統(tǒng)投資成本，減少后期系統(tǒng)運維成本。濕式投加方法，是將活性炭進行液化處理，采取間歇液化、混合投加等工藝形式。濕式投加工藝較為成熟，能夠在投加泵數(shù)量的控制方面，合理調(diào)整投藥量。由于干式加藥時，表現(xiàn)出給料均勻、系統(tǒng)平穩(wěn)、占地規(guī)格不大、操作便利等優(yōu)勢。部分水廠選用干式投藥方式，減少凈化成本。使用濕式加藥形式的單位，采取了多點投加設(shè)計方案，確保投藥均勻性。

2.3加藥裝置

干式與濕式兩種投加形式，所用投加裝置有所差異。干式投加活性炭的工藝，投加裝置包括料倉、傳送裝置、計量裝置、加料裝置等。表現(xiàn)出投加裝置個數(shù)少、占地面積不大等特點。濕式投加裝置，在干式使用設(shè)備的基礎(chǔ)上，添加了攪拌、清洗等裝置。

2.4加藥控制

國內(nèi)凈水廠對于活性炭加藥系統(tǒng)，給出了控制程序具有簡化性，一般采取流量信號采集方式，以此測定水質(zhì)狀態(tài)，相應(yīng)給出活性炭投加量。如果使用濕式投加工藝，依據(jù)水質(zhì)渾濁性，給出懸濁液的配置濃度，借助PLC進行濃度控制，優(yōu)化投加藥裝置的頻率，達成變量投加目標。此種投加控制尚需完善，以減少人為干預(yù)，控制藥劑消耗量。因此，在實踐中，給出了投加反饋、前饋等多種控制，在投加中持續(xù)調(diào)整加藥量，以減少藥劑消耗，獲取最佳凈水效果。

在加藥控制中，增加了濕式投藥密封性檢測功能，以防止系統(tǒng)運行風險問題。在運行投藥系統(tǒng)時，進行系統(tǒng)各環(huán)節(jié)性能判斷，如果發(fā)現(xiàn)密封性問題，及時給予控制警報，確保加藥安全。與此同時，對于濕式投藥法，在確定投加量基礎(chǔ)上，合理設(shè)計投藥點位，確保投藥均勻。結(jié)合水質(zhì)變化情況，及時調(diào)整投藥節(jié)點，防止投藥不均勻問題發(fā)生。

2.5運行效果

在自動化選定投藥節(jié)點、密封性故障自動警報、投藥量精準測算的科技支持下，顯著提升了活性炭投藥智能性，積極凈化水體中含有的有害物質(zhì)，降低了系統(tǒng)運行成本，提升經(jīng)濟效益，有效改善水質(zhì)。

結(jié)論

綜上所述，自動控制技術(shù)在凈水廠水處理的混凝劑、活性炭等加藥系統(tǒng)開展工藝系統(tǒng)技術(shù)研究，準確測定投藥量，確保各環(huán)節(jié)的凈水效果，最大程度地控制凈水成本，助力凈水廠智能發(fā)展，發(fā)揮自動控制技術(shù)的智能優(yōu)勢，保障水廠安全運行的同時提升水廠的經(jīng)濟效益。

參考文獻

[1]江新瑜，吳蘇煒.國內(nèi)粉末活性炭投加技術(shù)在凈水廠水處理中的應(yīng)用[J].工業(yè)用水與廢水，2020，51（06）：8-11+17.

[2]姚夏.凈水廠排泥水處理技術(shù)及回用安全研究[D].長安大學(xué)，2020.

[3]葛衛(wèi)斌.凈水廠深度處理工藝選擇和比較[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2019（12）： 92.

[4]黃紅兵，譚曉東.基于PLC的凈水廠絮凝沉淀池控制系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀器儀表，2019（09）：12-14+19.

作者簡介

羅聯(lián)軍（1972.9–），男，高級工程師，經(jīng)濟師，注冊一級建造師，二級建造師，注冊監(jiān)理工程師，長期從事生態(tài)環(huán)境及水資源保護相關(guān)研究。