水厂加氯加矾的控制算法分析及PLC控制系统.doc

水厂加氯加矾的控制算法分析及PLC控制系统
深圳摩信科技有限公司 黄伟松
摘要：本文针对一些中小型水厂自动化改造中碰到资金不足的问题，提出一种基于PLC控制的加氯加矾自动控制方案。
关键词：水厂，加氯，加矾，PLC，自动控制
Abstract: The article introduced a control policy on dosing and chlorination in automation reform of some running-water making plant to save constructive money.
Keyword: Running-water making plant, Dosing, Chlorination, Automatic control
在许多大型的水厂控制系统中，加氯加矾大都各自采用独立的投加系统，由各自的内部控制器根据相关的输入信号，通过相应的PID算式运算，输出控制相应的调节机构，PLC或上位机仅起监测作用。这对系统的稳定性、安全性和可靠性的确起了一定的作用。但它们都通过RS485串口与上位机的通讯，要实现上位机对其监控，则必须开发通讯接口程序，还得知道其通讯协议及地址。更重要得是对于小型的水厂（如10万M3/天），加矾系统如果采用单因子系统，如SC-4000 型（北京单因子）则需80万人民币左右；前加氯后加氯采用W&T设备，则需55万元左右。这么昂贵的造价使许多小型老水厂的改造只能望而却步。针对上述的情况，本文介绍一种基于PLC的加氯加矾自动化控制系统，以大大减少工程的造价。

一、加矾系统的PLC自动化控制
通常加矾单因子系统本身设置了流量浊度开环控制，流量浊度流动电流控制系统两种控制模式。加矾计量泵的频率由流量进行比例控制；冲程则由浊度（对于流量浊度开环控制模式）或由浊度和流动电流前反馈闭环控制（对于流量浊度流动电流控制模式）。下图为后者的控制方框图：

其实，用PLC来实现上述的控制也是挺简单的，加矾系统具体的PLC控制过程如下：
1、 PLC根据取水分站的开机信号及流量信号，根据优先级别或其它的判断条件开启一组计量泵。
2、 根据原水流量（模拟量输入）的大小，经比例换算后，输出4~20mA的模拟信号去控制变频器，由变频器输出控制计量泵的频率电机。
y(k)=kpx(k)
其中kp为比例系数，由实际工况整定。具体的整定方法可参考如下：先设kp为100%，及满流量时输出满频率，然后结合冲程控制上下调整；但笔者认为kp最好不大于200%，不小于50%，否则，系统可能出现较大的振荡或响应缓慢。
3、 冲程控制是加矾系统中较为复杂的部份，由其控制方框可知，原水的 浊度作为控制回路中的前馈控制。我们知道，加矾系统的控制存在较大的纯滞后，如果单纯采用流动电流来控制对象，当原水的浊度发生变化时，则系统不能立即作出响应改变加药量，这样就很容易引起系统的振荡，使系统难以稳定。故在本控制方案中，引入前馈比例控制，把浊度对系统的干扰在控制内环中加以克服。
① 在浊度的比例前馈控制中，比例系数一般取100%~200%，可在现际过程中给与整定。
Δyf(k)= kpΔxf(k)
Δxf(k)为浊度的偏差值，Δyf(k)为其输出的增量，它通过加法器迭加输出。浊度的设定可按不同地方的水质情况及每年不同季节（如清水期、洪水期）根据实际情况作出设定，例如清水期定为50NTU,洪水期定为200NTU。
②在实际的PLC编程中，冲程控制宜用改进型的PID增量式，在PLC编程软件中都有这种改进型的PID算式可供调用，对于绝大多数的PLC而言，上述这些算式都已经固化在其内部的PID功能模块中，对于编程人员来说，已经没有必要去自己编写PID的算式了，只须根据现场的工况来整定有关的参数就行了。对上述的理论分析请读者参考相关的自控资料。
③ 系统的采样周期可定在15~20秒，这是由于系统存在较大的纯滞后及较大的时间常数。

综上所述，对于加矾系统只须配备以下的设备：原水浊度分析仪（如Hacth的SS6），流动电流检测仪（如Milton的SC5200），原水流量仪，药池液位计，计量泵，变频器，背压阀，安全阀等。可根据实际情况确定具体的设备及套数。按照上述方案所建立的系统，其造价一定比引进一整套加矾系统（即使是国产的）便宜40%~50%。
另外，对加矾系统还可以采用更简单的控制方式，即把流量比例控制环节通过加法器迭加在主控制回路中，而主回路的输出去控制计量泵的频率；此时，冲程的调节就只能手动了，在实际的应用中，只须把握一下浊度的变化情况，把冲程手动调节在一定的范围（如清水期为30%，洪水期为90%）就可以调节加药量了。这种方法的好处在于省去了计量泵的冲程电机，节省工程造价，其控制方框图如下：
这种方法已经在一些小型水厂的自动化改造中成功地应用，控制效果是满不错的。
二、加氯系统的PLC自动化控制
一般的后加氯机内部控制器本身已经设置了直接余氯闭环控制、流量余氯串级闭环控制、流量简单比例开环控制，我们只要设定其控制方式，并把滤后水的流量及其余氯信号送给加氯机，加氯机内部控制器就会根据相关的控制算式，调节Ｖ型槽（Ｖ—Notch）的开度，以实现对加氯量的调节；而前加氯就更简单了，只有流量简单比例开环控制。其控制方框图如下：
对加氯系统控制原理的分析及PLC控制策略与加矾相似，请读者自行分析。PLC或上位机根据操作人员所设定的控制模式，输出控制调节机构（如Ｖ型槽的步进电机）。由于加氯系统的控制运算全部在PLC内部进行，故可定购不带控制器的加氯设备，以降低工程造价。一般上，不带控制器的加氯机的价格只有带控制器的加氯机的50~65%。

综上所述，水厂的加氯和加矾系统是完全可以通过PLC来实现自动化控制的，并且加氯和加矾系统可以共用一个PLC控制器，以进一步缩小工程的造价。这时PLC控制器就应采用高性能的CPU，如Modicon 140CPU43412或A-B PLC5/40的PLC，组成全厂控制系统中的一个PLC分站。下面介绍一种性价比更高的Profibus 现场冗余控制总线：

上述为某一水厂（20M3/D）的网络配置图，全厂采用西门子Profibus 现场总线，采用西门子高档的CPU416-2组成三个PLC主站，此CPU相当于Pentium166的处理器，每条二进制指令执行的时间为0.08us,最大的数字量及模拟量分别可达65536及4096个，并带为800K或1.6M的RAM，最多可带63个分布式过程站；同时采用性能价格比高的ET200分布式I/O作为现场分站。每个PLC主站通过Profibus-DP总线与下属ET200过程站通信，速度可达12M波特率；PLC、工控机之间采用100兆工业以太网进行通信。图形组态软件可用Intouch或Wincc；控制逻辑语言可用Step7及CFC(Continious Function Charts),其中逻辑梯形图可用Step7编程比较方便，加矾加氯及滤池恒水位控制可用CFC为其PID算式编写控制模块。
这样配置的集散控制系统比较经济，大概投资50~60人民币万就可以对一个老厂进行技术改造了。

参考文献：
1、 林敏等，计算机控制技术，北京：中国轻工出版社

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