朱千和， 黃秀華?
（南通恒太科技有限公司， 江蘇 南通 226001）

　　摘要：針對水廠濾池的閥門多、運行操作繁瑣等特點，開發(fā)了由PLC及OP板構成的全新FC濾池控制器，可實現對濾池運行的全自動控制，并成功地應用于雙閥 濾池的改造。
?　關鍵詞：FC濾池控制器；濾池改造；自動控制?
　　中圖分類號：TU991.24
　　文獻標識碼：C
　　文章編號：1000-4602(2000)02-0041-03

　　濾池是水廠工藝處理過程中的一個重要環(huán)節(jié)，而濾池反沖洗的效果又直接影響濾池的運行。目前國內大部分水廠普遍采用四閥濾池、V型濾池，這種濾池的手動操作往往比較復雜，工作量大。正常過濾時，必須對各濾格的出水閥門進行調節(jié)以維持水位恒定，避免濾池露砂或漫水，同時還必須對濾池不斷監(jiān)測，以確定需要沖洗的濾格；反沖洗時，操作人員必須按預先確定的反沖洗程序逐一對所有閥門和相關設備操作一遍。由于是根據操作人員的經驗或按季節(jié)、水質的變化決定進行反沖洗及調整沖洗時間，所以缺乏科學依據，盲目性大。?
　　因此，各種針對快濾池的控制系統(tǒng)應運而生，然而效果并不盡如人意。其中，有的因對工藝設備的性能要求過高而導致成本上升，如要求出水閥門為帶模擬量輸出的電動調節(jié)閥；有的處于半自動狀態(tài)即只能由人工控制聯動沖洗；有的運行不久系統(tǒng)就處于癱瘓狀態(tài)。產生這些現象的原因是：?
　?、?普通電動閥門無法控制其開啟度，因而不能控制濾格水位。?
　?、?傳感器的可靠性差，如水位計或水頭損失儀長期浸沒于水中，受到泥沙和青苔影響而引起測量誤差或故障。?
　　針對以上問題，通過多年對濾池控制系統(tǒng)的開發(fā)研究，由PLC及OP板構成的全新FC濾池控制器擯棄了傳統(tǒng)的控制方法，實現了對濾池運行的全自動控制。

1 控制原理 ?

　　選擇濾格水位作為控制參數。正常過濾時，保持恒水位過濾。根據設定水位和實際水位值，通過PID運算來調節(jié)出水閥的開啟度，使實際水位控制在±0.03m內。因為出水閥門采用的是普通電動(氣動)閥門，所以，不能采用普通的位置式PID控制算法，必須采用改進的PID控制算法——增量式PID控制算法，從而達到自動控制水位的目的。實際過程中還必須去除微分環(huán)節(jié)。?
　　數字化的增量式PID控制算法：
　　dY_k=K[(XW_k-XW_k-1)R+TI×XW_k+1/2TD(XW_k-2XW_k-1+XW_k-2)+dD_k-1]
　　去除微分環(huán)節(jié)：
　　dY_k=K[(XW_k-XW_k-1)R+TI×XW_k]=K(dPWk+dIk)
　　式中　XW_k=X_k-W_k-1
　　　　　PW_k=XW_k-XW_k-1
　　　　　QW_k=PW_k-PW_k-1=XW_k-2XW_k-1+XW_k-2
　　　　　dPW_k=(XW_k-XW_k-1)R
　　　　　dI_k=TI×XW_k
　　　　　dD_k=１/2(TD×QW_k+dD_k-1)
　　　　　k--第k次取樣
　　　　　R--比例常數
　　　　　K--常數
　　　　　X--實際測量值
　　　　　W--設定值
　　　　　TI--積分常數
　　　　　TD--微分常數
　　　　　dX--控制輸出的增加量
　　控制程序將每次計算結果dY轉換成相應脈寬的時間脈沖，根據脈沖的寬度開啟或關閉出水閥。?
　　反沖洗時，根據各種濾池沖洗的程序要求自動完成沖洗過程；當濾池的實際運行時間超過設定運行周期或濾池堵塞后，自動反沖洗。
　　當兩格或兩格以上的濾池同時需要反沖洗時，由系統(tǒng)按照FIFO的原則進行排隊等待一一沖洗，沖洗系統(tǒng)自動運行。?
　　就地通過OP板實現對濾格的狀態(tài)監(jiān)測、操作及控制參數的設定。?

2 技術特點

　?、?全自動：采用PLC及超聲波液位計通過軟件實現對濾池水位控制，真正做到恒水位過濾。同時所有控制器通過通訊鏈路連接，使各濾格相互協(xié)調，從而實現整個濾池系統(tǒng)的全自動運行，并留有全廠自控接口。?
　?、?簡單：控制柜中除PLC外，只有強電回路，整個系統(tǒng)沒有一個按鈕；可隨意安裝OP板操作，非常簡單直觀；安裝、接線、維護方便。?
　?、?可靠：每一濾格配備一套控制器，硬件和軟件彼此獨立，避免了由一臺PLC控制整個濾池而引起故障相對集中的弊端，最大限度地提高了系統(tǒng)的可靠性。?
　　④ 通用：適用于四閥、表沖、氣水反沖、V型濾池，只需對控制回路及軟件稍加調整即可 。?
　?、?經濟：用戶或設計院無需配備或設計任何控制屏、操作臺、按鈕等，只需對控制器提供電源即可，對所控制的閥門也無特殊要求。?

3 應用效果

　　嘉興市自來水公司南門水廠一期工程于1983年建成投產，生產能力為2.5×10⁴m³/d，采用雙閥濾池。設計濾速8.5m/h，反沖洗強度15L/(s·m²)，沖洗時間6min，共5格。在運行中存在以下問題：?
　　① 沉淀水進入進水渠后，由于跌水或在虹吸管附近形成旋渦等原因使空氣以氣泡形式存在水中，使進水虹吸管真空破壞，停止進水。
　?、?虹吸管上的抽氣電磁閥、真空破壞電磁閥易漏氣，在戶外的使用壽命短，需要經常更換 。?
　?、?由于手動調節(jié)濾池出水閥門不能準確、安全地控制濾格的水位，經常會出現漫水和露砂現象。?
　?、?由于進、排水真空系統(tǒng)不穩(wěn)定，常造成濾池露砂和反沖洗中斷。?
　?、?濾池手動電氣控制系統(tǒng)按鈕太多，電氣回路復雜，操作量大，一旦出現故障，較難查找故障點進行維護。
　　這些問題的存在已嚴重影響濾池的工作，濾層受到破壞，造成反沖洗周期減小，濾砂使用壽命縮短，水頭損失增長快，易產生負水頭、氣阻等不良后果，影響出水水質。為提高水廠生產的安全性、可靠性，決定對濾池進行技術改造。
3.1 凈水工藝改造
　　① 將原有的雙閥濾池工藝改造為四閥濾池工藝，即將雙閥濾池的每格進、排水虹吸管及真空管路、電磁閥等全部拆除。?
　?、?在原有的配水渠、排水渠內，設計安裝進水管和排水管，并與原有的進水總管和排水總管連接。?
　?、?在每格進水管、排水管上安裝電動蝶閥。
3.2 控制工藝改造
　　將原有的雙閥濾池閥門控制電氣回路、提升水泵控制電氣回路及操作臺全部拆除，采用FC系列濾池控制器來完成對濾池的自動控制。共設7套控制器，分別控制5格濾格的閥門、2臺提升水泵(見圖1)。

　　該系統(tǒng)具有兩種控制操作方式：全自動運行、手動操作運行。?
　?、?全自動控制運行?
　　控制器根據檢測到的濾池系統(tǒng)各項運行參數，自動控制濾池的反沖洗、提升泵的開停、閥門的開啟等。
　　a.濾池反沖洗申請指令：根據季節(jié)性源水水質變化的特點和水處理工藝要求，通過OP板的鍵盤設定最長過濾時間，控制器檢測濾格的過濾運行時間，達到過濾時間后，控制器發(fā)出沖洗申請指令。在一個運行時間內，控制器通過超聲波液位計檢測每格濾池的水位，當清水閥門全開狀態(tài)下，濾格的水位超過設定值一定時間，即發(fā)出沖洗申請指令。
　　b.控制器發(fā)出沖洗指令，程序關閉進水電動閥門；當濾池水位降至設定值(鍵盤設定)時，程序關閉出水電動閥門；打開排水電動閥門，再打開沖洗閥門，進行反沖洗；沖洗結束(沖洗時間鍵盤設定)后，程序關閉沖洗閥門、排水閥門；打開進水閥門；將出水閥門開到一定的 開啟度，濾池反沖洗結束，進入正常過濾工作狀態(tài)。
　　c.濾池正常過濾工作時，控制系統(tǒng)將其設計為恒水位恒速過濾，根據運行經驗設定濾池的工作水位(鍵盤設定)，控制器通過超聲波液位計檢測濾池水位，根據檢測值與設定值的偏差及變化趨勢，PID調節(jié)出水電動閥門的開啟度，使濾池水位維持在設定值±0.03 m范圍內波動運行。
　　d.控制器通過超聲波液位計檢測高位水箱水位，當水位降到設定低水位時，自動啟動提升水泵，打開出水電動閥門；當水位上升到設定高水位時，關閉提升水泵和出水電動閥門。
　?、?手動控制運行
　　如需要提前對某一格濾池進行即時反沖洗，可通過控制器的OP板控制，也分兩種方式：?
　　a.獨立控制。根據濾池運行經驗，通過OP板鍵盤對設備進水閥門、氣沖、水沖閥門、排水閥門、反沖洗水泵等進行單獨開、關控制，對出水閥門可進行啟、閉和開啟度的調節(jié)控制。?
　　b.強制聯動控制。通過OP板鍵盤發(fā)出強制聯動沖洗命令，控制器將對這一格濾池立刻執(zhí)行沖洗，按全自動沖洗中的a～c項程序進行。?
　　控制系統(tǒng)還具有故障報警功能，當沖洗水泵、閥門、水位計等發(fā)生故障時，控制器自動進行保護，并有故障信息顯示。?

4 結語

　　濾池系統(tǒng)通過技術改造，已投入生產運行3年多，凈水工藝改造運行良好，控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，效果明顯。?
　?、?改造前濾后水濁度、色度極不穩(wěn)定，反沖洗周期無規(guī)律。改造后濾后水平均濁度為2NTU，色度為5倍，反沖洗周期控制在30h。?
　　② 由于改用閥門控制進水、排水，用濾池控制器控制閥門的開啟度和反沖洗周期，基本杜絕了濾池露砂和反沖洗的中斷，每格濾池進水均衡，并保證了反沖洗強度。?
　?、?恒水位過濾有效地降低沖洗完成后濾格初始工作時的濾速，減少初濾水的影響，提高了濾池出水的穩(wěn)定性。?
　?、?濾池控制器取代了濾池控制臺和操作箱，使操作布局更為簡潔有序，最大限度地提高了系統(tǒng)的可靠性。?
　?、?濾池控制器通過通訊鏈路連接起來，使各個濾池相互協(xié)調，從而實現整個濾池系統(tǒng)的全自動運行，提高了系統(tǒng)的先進性和運行管理水平。?
　?、?留有通過網絡與水廠監(jiān)控系統(tǒng)連網的接口，具有較強的擴展性。

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收稿日期： 1999-11-09