净水厂自动加氯控制系统实现

苗 娜，贾敏智，石晓敏

（太原理工大学 信息工程学院，山西 太原 030024）

随着科技的发展，社会的进步，自动控制技术逐渐深入到人们的生活领域。在饮用水方面，保证安全可靠的供水，已成为现代净水厂的主要任务。净水厂的生产过程采用自动化，不仅节省了劳动力，更重要的是加强各个生产环节的合理调度，保证水量、水压，提高水质，节约动力和投药量，提高供水的可靠性和管理水平。针对某净水厂水质要求，提出一种基于IPC+PLC控制的自动加氯系统设计方案，实现了科学投加，以保证该地区居民安全可靠用水[1]。

1 系统概况

1.1 工程概况

某净水厂是为缓解某地区供水压力而进行的二期扩建项目，供水水源为某大型水库，取水量为68万m3/d（包括已实施的一期27万m3/d），工程主要分为引水工程、净水工程和配水工程3部分，本工程为净水工程部分。经计算，净水部分工程全部投资财务内部收益率为10.60%，并可保证该地区居民安全用水。

1.2 工艺概述

根据工程的原水水质及出厂水质条件的要求，设计工艺流程如图1所示。

图1净水厂工艺流程Fig.1 Technology process of water plant

该水厂采用机械混合池、网格絮凝池、斜板沉淀池、快滤池等工艺流程进行净水，将沉淀池中水及快滤池反冲洗排水进行回收，对淤泥实行脱水处理，并根据厂址北高南低的地理条件合理布置各系统，实现净水过程中水的重力输送。

在水处理过程中，消毒时在水中的加氯量分为2部分，即需氯量和余氯。对于生活饮用水工艺而言，原水加氯后经过一定时间，可用于灭活水中微生物、氧化有机物和还原性物质等，所消耗的氯量称为需氯量。为了抑制水中残余微生物的再度繁殖，管网中尚需维持少量的氯，称为余氯。我国生活饮用水卫生标准规定出厂水游离余氯在接触30 min后不低于0．3 mg/L，管网末梢不低于0．05 mg/L。后者的余氯量虽然仍具有消毒能力，但对再次污染的消毒尚嫌不足，而可作为预示再次污染的信号。此点对于管网较长枝状管网有死水端的情况尤为重要[2]。

1.3 控制系统

1.3.1中央控制室

中控室由1台研华工业控制计算机 （IPC）、2台三星22寸液晶显示器、1个分屏卡 （Multi-User Network Computing Terminal）和1台惠普打印机组成。计算机使用Windows 2000操作系统，Modbus通信协议，以实时采集生产数据。中控室实时接收PLC上传的各种数据，建立全厂生产过程信息数据库。主要完成以下功能：数据、图形、状态的显示；故障声光报警并记录打印；数据分类、检索、历史数据存档访问、管理；定时或实时生产报表打印；实时动态调整回路参数、优化控制参数。通过人机界面功能及时、全面、准确地了解各现场控制分站的运行工况，向信息管理层上传水厂数据和信息，可一目了然地看到全厂运行情况，从中心控制室可以发出净水操作，开停水泵的操作指令。

1.3.2现场控制单元

该水厂采用西门子S7－200系列PLC作为现场控制单元，实现了全自动控制和系统主要参数在线检测，为加药加氯系统提供参数。现场设两个控制站，各现场控制站留有一定数量的备用点以确保系统具有充足的扩展余地，在组态时保证具有充足的灵活性。各子站均设控制柜，可现场手动修改各运行参数。

2 加氯控制

氯化消毒时，投氯量应满足消灭细菌以达到指定的消毒指标和氧化有机物等所消耗的需氯量及抑制水中残存致病菌的再度繁殖所需的余氯量。同时，投加量过高易产生致癌物质三氯甲烷、四氯甲烷等。因此，在水处理过程中正确控制加氯量是至关重要的。

2.1 氯气投加的自动控制

自动加氯的控制系统如图2所示。

图2自动加氯控制系统图Fig．2 Diagram of auto-addition of chlorine control system

加氯系统通过流量计、余氯分析仪等检测水流量、余氯含量等重要参数，并将参数转换成4～20mA的直流信号传送给PLC，通过PLC调节加氯机的加氯量。滤前滤后各两台加氯机，一用一备。当正在使用的加氯机出现故障，PLC系统会自动切换。加氯间装有泄漏报警仪，通过检测泄漏报警信号经PLC系统会自动关闭所有加氯系统等待故障处理。

加氯机使用科林沃德CWD二氧化氯发生器，该发生器的控制系统采用微电脑（单片机）控制器，触摸式操作面板，可实现自动恒温控制，计量泵开停控制，故障报警、缺料、缺水、欠压保护并自动停机，设定参数加密锁定，并配备余氯自动测控系统——余氯分析仪实现全自动控制。

2.1.1前加氯流量比例控制

前加氯投加点的位置在原水总管按比例流量投加，投加量与原水流量及回收流量之和的大小成正比。原水池中装有流量计，将测得的流量信号转换成4～20 mA的直流信号输入PLC系统，从而控制加氯量。修改时可在总控室通过组态画面控制调节阀开度从而调节加氯量，也可直接通过二氧化氯发生器的操作面板控制。

2.1.2后加氯复合控制

后加氯点设在清水池进水管，采用流量比例及余氯反馈的复合环（PCU）控制加氯量。为了保证出水水质，氯气经充分混合后通过余氯分析仪采集余氯信号作为复合环控制的反馈信号。水经过加氯点到余氯分析仪处的水流时间一般不超过3 min。反馈回来的信号经PID整定后，通过二氧化氯发生器来调节加氯量，以保证通往城市管网中的氯含量达标[3]。

2.2 自动加氯控制的实现

在前加氯控制过程中，原水流量信号经PLC输入到前加氯控制器（比例控制器）。比例控制器根据流量的大小，输出相应的调节量，调节电动阀的开度。其控制的数学模型如式（1）所示。

其中， I0表示控制器输出（4～20 mA）；KI表示比例系数； Qm表示原水瞬时流量。

在后加氯复合控制过程中，流量比例根据流量大小进行控制。根据其控制的数学模型，快速给调节阀一个初始的阀门开度信号，建立基本的控制模型。余氯分析仪的余氯信号经PLC作为一个过程变量输入控制器。控制器通过比较过程变量与余氯设定值产生的误差，由PID方程计算出其输出量，即修正量，每经过一个滞后时间周期，从流量比例控制赋予调节阀的初始开度开始，逐步对其进行修正，直到余氯达到期望值。

3 PID控制

3.1 PID控制的原理[4]

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID调节的实质就是根据输入的偏差值，按比例、积分、微分的函数关系进行运算，其运算结果用以输出控制。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，应用PID控制技术较为方便。即当不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，较适合采用PID控制器实现精确控制。

PID方程计算的结果驱使受控的过程变量达到期望值。PID方程有相关增益（ISA）方程和独立增益方程2种形式，在独立增益方程中，PID的三项独立运算，在相关增益方程中，比例项的改变也会影响积分项的改变。在这里，控制器采用独立增益方程来进行控制。其数学方程式如式（2）所示：

式中，e（t）为误差，即过程变量与设定值之差，KP，KI，KD分别为比例、积分、微分增益系数，B为前馈值或输出偏置，U（t）为控制器输出量，4～20 mA。

3.2 PID参数整定

3.2.1PID参数整定的一般原则

在PID控制中，比例调节的作用是快速调节偏差的大小，偏差大调节大，偏差小调节小。积分调节的作用是逐步改变调节作用，偏差大调节作用变化速度快，反之则慢。微分调节的作用是使偏差快速消除，可以选择方程中的微分项是作用于误差的变化还是作用于过程变量的变化。只须对设定值的变化作出正常反应。根据经验微分增益值不宜过大[4]。

控制器所提供的比例增益和积分增益常数，其设定范围为0%～100%，默认值为50%。改变其任一项均可引起PID方程的输出量（修正量）的变化。使用者投入运行后，应对比例增益和积分增益常数进行鉴定。整定时应以控制器提供的经验常数为基准，根据实际应用逐步作适当调整[5]。

3.2.2加氯过程中的PID参数整定

氯消毒是一个比较复杂的过程，对其动态特性进行数学描述比较困难。在PID方程中，PID参数设定根据原水水质和经验进行设定，在式（1）中，比例系数的设定根据前加氯量（需氯量）的多少而定。比例系数的设定值可通过上位监控机上由操作人员根据工艺要求及原水需氯量的大小进行改变。

4 影响加氯自动控制的主要因素

4.1 PID整定时的误差

比较余氯值与控制器的输出量的变化及振荡时间来选取合适的比例增益和积分增益常数。另外，固定滞后时间和滞后时间总量也有影响。滞后时间是控制器通过PID控制对控制阀开度进行修正的时间周期，其中包括固定滞后时间和滞后时间总量2个参数。在整定滞后时间时，以流量最大时测出的滞后时间作为固定滞后时间和在流量最小时测出的滞后时间作为滞后时间总量，分别输入到控制器，控制器可根据流量的大小自动计算出可变时间的大小，修正滞后时间总量。

4.2 取样时间的长短

取样时间的长短，直接影响加氯的效果。通常后加氯在投加率后经过充分混合后，一般以3 min为宜。缩短取样时间通常有2种方法：1）尽量缩短取样水管的长度；2）加大取样水管排水分流以加快取样水的流速。

4.3 余氯分析仪检测值的正确性

余氯分析仪的检测值的正确性也是控制加氯的关键。由于余氯分析仪存在零点漂移，应定期进行校正，并经常清洗电极。同时应保证取样管道畅通，正常调节取样水通过测量室的流速[6]。

5 结 论

加氯自动控制系统可以使氯气良好准确安全的投加，既能保证出水水质，又能取得良好的经济效益，在净水处理过程中具有重要的意义。但其还有不完善之处，如不能适应水质的较大变化，因此，应进一步研发新的控制技术，使其得到完善，以改善应用中存在的问题，使其在净水处理中取得更好的应用。

[1]张伟．供水企业自动控制系统设计与集成[D]．杭州浙江大学，2002．

[2]李士勇．模糊控制、神纤控制和智能控制论[M]．哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2002．

[3]崔玉川，李福勤．纯净水与矿泉水处理工艺及设施设计计算[M]．北京：化学工业出版社，2003．

[4]潘新民，王燕芳．微型计算机控制技术[M]．北京：高等教育出版社，2002：232－236．

[5]许鹏．论述与分析净水厂氯气投加的控制策略与实现[J]．湖南农机，2007（9）：160－161．XU Peng．On the control of addition of chlorine in water-purification factory[J]．Hunan Agriculatural Machinery，2007（9）：160－161．

[6]陆成，王兴涉．净水厂氯气投加的控制策略及其实现[J]．科技信息，2008（16）：4．LU Cheng，WANG Xing-she．On the countermeasures and implement of control of chlorine addition for waterworks[J]．Science and Technology News，2008（16）：4．