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(duì)水廠濾池的閥門(mén)多、運(yùn)行操作繁瑣等特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了由PLC及OP板構(gòu)成的全新FC濾池控制器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)濾池運(yùn)行的全自動(dòng)控制，并成功地應(yīng)用于雙閥 濾池的改造。
?　關(guān)鍵詞：FC濾池控制器；濾池改造；自動(dòng)控制?
　　中圖分類號(hào)：TU991.24
　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：C
　　文章編號(hào)：1000-4602(2000)02-0041-03

　　濾池是水廠工藝處理過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，而濾池反沖洗的效果又直接影響濾池的運(yùn)行。目前國(guó)內(nèi)大部分水廠普遍采用四閥濾池、V型濾池，這種濾池的手動(dòng)操作往往比較復(fù)雜，工作量大。正常過(guò)濾時(shí)，必須對(duì)各濾格的出水閥門(mén)進(jìn)行調(diào)節(jié)以維持水位恒定，避免濾池露砂或漫水，同時(shí)還必須對(duì)濾池不斷監(jiān)測(cè)，以確定需要沖洗的濾格；反沖洗時(shí)，操作人員必須按預(yù)先確定的反沖洗程序逐一對(duì)所有閥門(mén)和相關(guān)設(shè)備操作一遍。由于是根據(jù)操作人員的經(jīng)驗(yàn)或按季節(jié)、水質(zhì)的變化決定進(jìn)行反沖洗及調(diào)整沖洗時(shí)間，所以缺乏科學(xué)依據(jù)，盲目性大。?
　　因此，各種針對(duì)快濾池的控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，然而效果并不盡如人意。其中，有的因?qū)に囋O(shè)備的性能要求過(guò)高而導(dǎo)致成本上升，如要求出水閥門(mén)為帶模擬量輸出的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥；有的處于半自動(dòng)狀態(tài)即只能由人工控制聯(lián)動(dòng)沖洗；有的運(yùn)行不久系統(tǒng)就處于癱瘓狀態(tài)。產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因是：?
　?、?普通電動(dòng)閥門(mén)無(wú)法控制其開(kāi)啟度，因而不能控制濾格水位。?
　　② 傳感器的可靠性差，如水位計(jì)或水頭損失儀長(zhǎng)期浸沒(méi)于水中，受到泥沙和青苔影響而引起測(cè)量誤差或故障。?
　　針對(duì)以上問(wèn)題，通過(guò)多年對(duì)濾池控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究，由PLC及OP板構(gòu)成的全新FC濾池控制器擯棄了傳統(tǒng)的控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)濾池運(yùn)行的全自動(dòng)控制。

1 控制原理 ?

　　選擇濾格水位作為控制參數(shù)。正常過(guò)濾時(shí)，保持恒水位過(guò)濾。根據(jù)設(shè)定水位和實(shí)際水位值，通過(guò)PID運(yùn)算來(lái)調(diào)節(jié)出水閥的開(kāi)啟度，使實(shí)際水位控制在±0.03m內(nèi)。因?yàn)槌鏊y門(mén)采用的是普通電動(dòng)(氣動(dòng))閥門(mén)，所以，不能采用普通的位置式PID控制算法，必須采用改進(jìn)的PID控制算法——增量式PID控制算法，從而達(dá)到自動(dòng)控制水位的目的。實(shí)際過(guò)程中還必須去除微分環(huán)節(jié)。?
　　數(shù)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(shù)
　　　　　K--常數(shù)
　　　　　X--實(shí)際測(cè)量值
　　　　　W--設(shè)定值
　　　　　TI--積分常數(shù)
　　　　　TD--微分常數(shù)
　　　　　dX--控制輸出的增加量
　　控制程序?qū)⒚看斡?jì)算結(jié)果dY轉(zhuǎn)換成相應(yīng)脈寬的時(shí)間脈沖，根據(jù)脈沖的寬度開(kāi)啟或關(guān)閉出水閥。?
　　反沖洗時(shí)，根據(jù)各種濾池沖洗的程序要求自動(dòng)完成沖洗過(guò)程；當(dāng)濾池的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間超過(guò)設(shè)定運(yùn)行周期或?yàn)V池堵塞后，自動(dòng)反沖洗。
　　當(dāng)兩格或兩格以上的濾池同時(shí)需要反沖洗時(shí)，由系統(tǒng)按照FIFO的原則進(jìn)行排隊(duì)等待一一沖洗，沖洗系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行。?
　　就地通過(guò)OP板實(shí)現(xiàn)對(duì)濾格的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、操作及控制參數(shù)的設(shè)定。?

2 技術(shù)特點(diǎn)

　?、?全自動(dòng)：采用PLC及超聲波液位計(jì)通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)濾池水位控制，真正做到恒水位過(guò)濾。同時(shí)所有控制器通過(guò)通訊鏈路連接，使各濾格相互協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)濾池系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行，并留有全廠自控接口。?
　?、?簡(jiǎn)單：控制柜中除PLC外，只有強(qiáng)電回路，整個(gè)系統(tǒng)沒(méi)有一個(gè)按鈕；可隨意安裝OP板操作，非常簡(jiǎn)單直觀；安裝、接線、維護(hù)方便。?
　?、?可靠：每一濾格配備一套控制器，硬件和軟件彼此獨(dú)立，避免了由一臺(tái)PLC控制整個(gè)濾池而引起故障相對(duì)集中的弊端，最大限度地提高了系統(tǒng)的可靠性。?
　?、?通用：適用于四閥、表沖、氣水反沖、V型濾池，只需對(duì)控制回路及軟件稍加調(diào)整即可 。?
　?、?經(jīng)濟(jì)：用戶或設(shè)計(jì)院無(wú)需配備或設(shè)計(jì)任何控制屏、操作臺(tái)、按鈕等，只需對(duì)控制器提供電源即可，對(duì)所控制的閥門(mén)也無(wú)特殊要求。?

3 應(yīng)用效果

　　嘉興市自來(lái)水公司南門(mén)水廠一期工程于1983年建成投產(chǎn)，生產(chǎn)能力為2.5×10⁴m³/d，采用雙閥濾池。設(shè)計(jì)濾速8.5m/h，反沖洗強(qiáng)度15L/(s·m²)，沖洗時(shí)間6min，共5格。在運(yùn)行中存在以下問(wèn)題：?
　?、?沉淀水進(jìn)入進(jìn)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(jìn)水虹吸管真空破壞，停止進(jìn)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(jīng)常更換 。?
　?、?由于手動(dòng)調(diào)節(jié)濾池出水閥門(mén)不能準(zhǔn)確、安全地控制濾格的水位，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)漫水和露砂現(xiàn)象。?
　?、?由于進(jìn)、排水真空系統(tǒng)不穩(wěn)定，常造成濾池露砂和反沖洗中斷。?
　　⑤ 濾池手動(dòng)電氣控制系統(tǒng)按鈕太多，電氣回路復(fù)雜，操作量大，一旦出現(xiàn)故障，較難查找故障點(diǎn)進(jìn)行維護(hù)。
　　這些問(wèn)題的存在已嚴(yán)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(zhǎng)快，易產(chǎn)生負(fù)水頭、氣阻等不良后果，影響出水水質(zhì)。為提高水廠生產(chǎn)的安全性、可靠性，決定對(duì)濾池進(jìn)行技術(shù)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(jìn)、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(nèi)，設(shè)計(jì)安裝進(jìn)水管和排水管，并與原有的進(jìn)水總管和排水總管連接。?
　?、?在每格進(jìn)水管、排水管上安裝電動(dòng)蝶閥。
3.2 控制工藝改造
　　將原有的雙閥濾池閥門(mén)控制電氣回路、提升水泵控制電氣回路及操作臺(tái)全部拆除，采用FC系列濾池控制器來(lái)完成對(duì)濾池的自動(dòng)控制。共設(shè)7套控制器，分別控制5格濾格的閥門(mén)、2臺(tái)提升水泵(見(jiàn)圖1)。

　　該系統(tǒng)具有兩種控制操作方式：全自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)操作運(yùn)行。?
　?、?全自動(dòng)控制運(yùn)行?
　　控制器根據(jù)檢測(cè)到的濾池系統(tǒng)各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，自動(dòng)控制濾池的反沖洗、提升泵的開(kāi)停、閥門(mén)的開(kāi)啟等。
　　a.濾池反沖洗申請(qǐng)指令：根據(jù)季節(jié)性源水水質(zhì)變化的特點(diǎn)和水處理工藝要求，通過(guò)OP板的鍵盤(pán)設(shè)定最長(zhǎng)過(guò)濾時(shí)間，控制器檢測(cè)濾格的過(guò)濾運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到過(guò)濾時(shí)間后，控制器發(fā)出沖洗申請(qǐng)指令。在一個(gè)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，控制器通過(guò)超聲波液位計(jì)檢測(cè)每格濾池的水位，當(dāng)清水閥門(mén)全開(kāi)狀態(tài)下，濾格的水位超過(guò)設(shè)定值一定時(shí)間，即發(fā)出沖洗申請(qǐng)指令。
　　b.控制器發(fā)出沖洗指令，程序關(guān)閉進(jìn)水電動(dòng)閥門(mén)；當(dāng)濾池水位降至設(shè)定值(鍵盤(pán)設(shè)定)時(shí)，程序關(guān)閉出水電動(dòng)閥門(mén)；打開(kāi)排水電動(dòng)閥門(mén)，再打開(kāi)沖洗閥門(mén)，進(jìn)行反沖洗；沖洗結(jié)束(沖洗時(shí)間鍵盤(pán)設(shè)定)后，程序關(guān)閉沖洗閥門(mén)、排水閥門(mén)；打開(kāi)進(jìn)水閥門(mén)；將出水閥門(mén)開(kāi)到一定的 開(kāi)啟度，濾池反沖洗結(jié)束，進(jìn)入正常過(guò)濾工作狀態(tài)。
　　c.濾池正常過(guò)濾工作時(shí)，控制系統(tǒng)將其設(shè)計(jì)為恒水位恒速過(guò)濾，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)定濾池的工作水位(鍵盤(pán)設(shè)定)，控制器通過(guò)超聲波液位計(jì)檢測(cè)濾池水位，根據(jù)檢測(cè)值與設(shè)定值的偏差及變化趨勢(shì)，PID調(diào)節(jié)出水電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)啟度，使濾池水位維持在設(shè)定值±0.03 m范圍內(nèi)波動(dòng)運(yùn)行。
　　d.控制器通過(guò)超聲波液位計(jì)檢測(cè)高位水箱水位，當(dāng)水位降到設(shè)定低水位時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)提升水泵，打開(kāi)出水電動(dòng)閥門(mén)；當(dāng)水位上升到設(shè)定高水位時(shí)，關(guān)閉提升水泵和出水電動(dòng)閥門(mén)。
　?、?手動(dòng)控制運(yùn)行
　　如需要提前對(duì)某一格濾池進(jìn)行即時(shí)反沖洗，可通過(guò)控制器的OP板控制，也分兩種方式：?
　　a.獨(dú)立控制。根據(jù)濾池運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)OP板鍵盤(pán)對(duì)設(shè)備進(jìn)水閥門(mén)、氣沖、水沖閥門(mén)、排水閥門(mén)、反沖洗水泵等進(jìn)行單獨(dú)開(kāi)、關(guān)控制，對(duì)出水閥門(mén)可進(jìn)行啟、閉和開(kāi)啟度的調(diào)節(jié)控制。?
　　b.強(qiáng)制聯(lián)動(dòng)控制。通過(guò)OP板鍵盤(pán)發(fā)出強(qiáng)制聯(lián)動(dòng)沖洗命令，控制器將對(duì)這一格濾池立刻執(zhí)行沖洗，按全自動(dòng)沖洗中的a～c項(xiàng)程序進(jìn)行。?
　　控制系統(tǒng)還具有故障報(bào)警功能，當(dāng)沖洗水泵、閥門(mén)、水位計(jì)等發(fā)生故障時(shí)，控制器自動(dòng)進(jìn)行保護(hù)，并有故障信息顯示。?

4 結(jié)語(yǔ)

　　濾池系統(tǒng)通過(guò)技術(shù)改造，已投入生產(chǎn)運(yùn)行3年多，凈水工藝改造運(yùn)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(wú)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。?
　?、?由于改用閥門(mén)控制進(jìn)水、排水，用濾池控制器控制閥門(mén)的開(kāi)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(jìn)水均衡，并保證了反沖洗強(qiáng)度。?
　　③ 恒水位過(guò)濾有效地降低沖洗完成后濾格初始工作時(shí)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(tái)和操作箱，使操作布局更為簡(jiǎn)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(guò)通訊鏈路連接起來(lái)，使各個(gè)濾池相互協(xié)調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)濾池系統(tǒng)的全自動(dòng)運(yùn)行，提高了系統(tǒng)的先進(jìn)性和運(yùn)行管理水平。?
　　⑥ 留有通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與水廠監(jiān)控系統(tǒng)連網(wǎng)的接口，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展性。

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收稿日期： 1999-11-09