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黃念禹（1962－）
男，碩士，（廣州市自來水公司，廣東 廣州 510600） 廣州市自來水公司工程師，主要從事工業自動化技術工作。
摘要：提出了水廠投礬系統PLC復合環控制模型，盡可能把所有會影響控制目標的因素列入控制因子，通過編程而盡量模擬人工智能去實現控制目標的全過程，成功實現高質量的投礬自動化。
關鍵詞：水廠；投礬系統；復合環控制；自動化
Abstract: The model of PLC composite loop control used in dosing system is introduced. In this model, we consider the factors that inflect the control target as many as possible. The control mode mainly depends on the software programming, and the satisfied results are obtained.
Key words: Water plant；Dosing system；Composite loop control；Automation
1 引言
投礬凈水處理系統是水廠的核心部分之一，傳統水廠中，凈水劑投加量主要是由人工經驗來控制，所用的投加設備也非常簡單，無法達到真正意義上的計量投加，直接造成凈水劑過分消耗、水質情況難于掌握等問題。因此，設計開發更合理適用的投加量實時控制方式，解決凈水劑投加量的控制問題，建立完善的自動化投加系統，是水廠生產實現全面自動化的關鍵，也是難點所在。廣州市自來水公司西洲水廠是本世紀初投產的一座特大型自動化水廠，每天為廣州市提供50萬立方米的優質自來水。本文重點介紹了筆者對該廠PLC投礬凈水處理自動化系統進行的一系列技術改造工作，尤其是對通過PLC系統實現復合環控制投加的整個過程作了較深入細致的探討。經過運行實踐表明，經過技術改造后的自動投礬凈水處理系統，在運行和控制兩方面都更加符合自動化生產的需要，取得了良好的社會效益和經濟效益。
圖1 西洲水廠投礬系統流程示意圖
2 現有投礬控制系統的控制方式
西洲水廠投礬系統流程如圖1所示。一般的投礬自動控制方式有以下三種：常規流量比例前饋控制系統、單一游動電流投藥測控系統、前－反饋控制系統。
2.1 常規流量比例前饋控制系統
常規流量比例前饋－流動電流串級控制系統是在水廠安裝原水流量計，并選取帶有沖程、頻率雙調節的計量泵。泵的電機頻率由流動電流PI控制器輸出信號控制，而沖程由原水流量信號直接控制。
即計量泵沖程：H泵=KHQ水，式中KH為整定后的常數。
可得Kv=K泵C藥KsKH 為常數，從而保證系統衰減系數ζ值不變。
所以，此方法既可以改善游動電流系統的滯后問題，及時根據進水流量變化調整加藥量，又可在進水流量變化時，使計量泵的特性參數Kv值不變，從而較好地保證控制質量。但是，這種控制方式也會帶來一些問題，如（1）精度較低，并存在調節間隙造成的偏差；（2）如果出現濁度或礬液濃度的大范圍變化，需要重新調整流量比例系數，對工人操作產生難度。
2.2 單一游動電流投藥測控系統（單因子）
水廠系統普遍使用游動電流探測儀（SCD）進行投礬效果的監測控制［1］。現有游動電流控制系統普遍采用PI調節模式，可用傳遞函數來表示(見圖2)。
圖2 游動電流投藥控制系統
系統由比例積分調節器W(s)、計量泵WV(s)、對象W0(s)以及游動電流測量變送器Wm(s)組成。只考慮PI調節器的比例控制部分，即設W(s)=Kp，則系統的死循環傳遞函數：
Y(s)／F(s)=Kf(TmS+1)／［(T0S+1)(TmS+1)+KpKvKmK0］
在實際應用中，根據被控對象數學模型進行理論計算或簡易工程整定法得出的PI控制器的特性參數Kp、T1，一經整定后就不再改變。而原水進水流量每天都有較大幅度的變化，這會引起Kv值的改變，從而導致系統衰減系數相應減小或增大，降低系統調節質量，嚴重影響生產。
2.3 前饋－反饋控制系統（雙因子）
混凝投藥前饋－反饋控制系統結構框圖如圖3所示。
圖3 混凝投藥前饋－反饋控制系統機構框圖
為消除進水流量大幅度改變對游動電流反饋投藥系統造成的干擾，將流量這一變化幅度較大的擾動因素預先測量出來，用于前饋控制。而對其他的干擾還是由游動電流反饋控制進行補償。按此想法構成的混凝投藥前饋—反饋控制系統由游動電流反饋控制系統[1]和流量計、計量泵沖程自動調節器等組成。其中的計量泵沖程自動調節器依據流量計送來的流量信號，通過調節加藥泵的沖程改變投藥量來實現流量前饋控制。
前饋—反饋混凝投藥自控系統消除了流量改變對系統穩定性的影響。實際設計時，使系統的余差減小到完全滿足生產要求的程度還是可以做到的。前—反饋控制系統在一定程度上解決了穩定性與控制精度的矛盾。但只有在原水水質一定、上水流量條件大至相同的情況下。對同一制水工藝，其混凝效果與SCD的流動電流值及待濾水濁度三者之間才存在著某種確定的對應關系。因此，對于混凝劑投加系統，游動電流值僅是控制系統的中間控制參數而不是系統的最終目標控制值，僅是間接反映了混凝效果的好壞和控制系統的優劣。當原水水質和上水量變化較大時，最佳投礬效果時的SCD游動電流值并不是恒定值，而會發生SCD游動電流值的基準飄移，使控制效果不能達到最佳狀態。
3 PLC復合環控制系統
筆者在綜合總結前幾種控制方式、尤其是前饋—反饋控制的優缺點基礎上，提出了PLC復合環控制模型[2]。通過對實際生產運行中投加過程和效果的不斷觀察和分析、不斷積累，我們逐步明確了要達到較好的效果，需要多個因子參加控制，這些因子包括源水、反應池水、待濾水的濁度、水溫、PH值，取水泵站的瞬時流量，當前投礬量等；這其中源水濁度及取水泵站的瞬時流量是起主控作用的因子，其它因子則分別起程度不同的調節作用。這些起調節作用的因子在程控中并不是可有可無的，相反卻往往是系統能否可靠穩定運行的關鍵。正是因為可以在系統中無限制地添加這些控制因子，才使我們有可能最大限度地在控制中兼顧各種相關的因素，這也是PLC復合環控制最大優勢所在。筆者充分利用PLC網絡的資源優勢，盡可能全面客觀地把所有會影響實現控制目標的因素列出來，通過編程而盡量模擬人工智能去實現控制目標的全過程。應當指出的是，可以借助這種以軟件為主導的控制方式，經過不斷地增減控制因子和改進相應程序，不斷地向最優控制逼近。根據以上的分析，初步建立相應的數學模型，把這種PLC程控方式通過數學表達式表示出來：
其中S1、S2為主控因子，采用比例控制；K1、K2為S1、S2的比例系數；E等于設定值SP減過程值PV；Ti為積分時間。 為了解決由于硬件控制器在PID調節過程中,積分系數不能隨著相關因子變化而自動調節的局限性問題，嘗試采用了一種新的變通的控制方法，如圖4所示。
圖4 投礬自動控制流程圖
根據前—反饋混凝投藥控制系統原理，把流動電流混凝投藥串級控制模塊、流量比例前饋控制模塊整合集中，并加入源水水溫、源水濁度(NTU原水)、反應池水濁度（NTU反應池水）和待濾水濁度（NTU待濾水）等控制因子，以待濾水濁度（NTU待濾水）作為最終的控制目標，在PLC系統的軟件平臺上進行編程。按照最后歸納出來的數學模型，利用羅克韋爾自動化公司的RSLogix 5編程軟件，完成了對PLC復合環控制的編程工作，實現了一種類似于PID控制，但比PID控制更穩定更可靠的，通過軟件實現的復合環自動控制。
投礬計量泵的沖程: H=k1×Q水
投礬計量泵的電機頻率增量:
k1=k3×NTU原水
k2=k4×[1-(SP待濾水-NTU待濾水)/ NTU反應池水]
式中k1 k2 k3 k4均為系數；SC為游動電流調節器的輸出信號；SP待濾水—所要求的待濾水濁度。過程參數即積分時間常數T i由取水流速決定，增益k3 k4值的確定根據以前投加數據采用最小二乘法處理后得出。為進一步提高系統的控制質量，對被控參數進行追蹤控制，不斷改進程序以補償干擾對被控參數的影響，使被控參數基本不變化(或很少變化)。它相對反饋控制來說是及時的，在原則上，對干擾的影響可以達到完全補償，使被控參數不變，控制效果顯著提高。
4 運行效果
西洲水廠使用新的控制方法以來，節約投礬和改善水質的效果顯著，待濾水濁度和濾后水濁度曲線平穩，減低了單位礬耗，較好地達到了預期的滿足自動控制的要求。在原水水質一定、條件相同的情況下，對同一制水工藝，在很大程度上，混凝效果與SCD的游動電流值及待濾水濁度三者之間存在著某種確定的對應關系，因此，對與混凝劑投加系統，流動電流值及待濾水濁度，不僅是控制系統的中間控制參數和系統的目標控制值，而且直接反映了混凝效果的好壞和控制系統的優劣，可以從SCD游動電流值（SC值）的波動和待濾水濁度的穩定程度等方面對投藥系統進行綜合評估。
圖5 投礬控制效果
圖6 待濾水濁度比較
為了衡量控制效果，對投礬系統分別采用單因子、雙因子、PLC復合環控制，進行平行對比試驗，在原水水質相同（色度：10度；濁度：39度；PH值：6.7；水溫：29度）的情況下，流量突增50%（上水量由10000噸/小時突增到15000噸/小時）所測的SCD值如圖5所示，可知在三種控制方式中，采用PLC復合環控制，流動電流的波動幅度最小，恢復穩定態的時間最短。
在原水水質大致相同的情況下（色度：10-15度；原水濁度：24-65NTU；PH：6.6-6.9;水溫:28-30度），對投礬系統分別采用單因子、雙因子、PLC復合環控制，測得的待濾水濁度曲線如圖6所示?？芍?，采用PLC復合環控制，待濾水濁度波動最小，曲線最平穩、最接近控制目標值2NTU。
總之，加入源水水溫、源水濁度(NTU原水)、反應池水濁度（NTU反應池水）和待濾水濁度（NTU待濾水）等控制因子，以待濾水濁度（NTU待濾水）作為最終的控制目標，在PLC系統的軟件平臺上進行編程，實現了一種類似于PID控制，但比PID控制更穩定更可靠的，通過軟件實現的復合環自動控制，節約投礬和改善水質的效果顯著。
參考文獻：
[1] 楊振海.游動電流混凝投藥測控系統研究[D].哈爾濱建筑大學，1996.
[2] 黃念禹. 水廠投加系統的技術改造[D]. 四川大學，2003.
編號：080529
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號