——石家莊市潤(rùn)石水廠自動(dòng)加藥系統(tǒng)簡(jiǎn)介

張建弟 袁乃煜

　　一、引言

　　混凝是指在原水中加入一定量的藥劑，經(jīng)充分反應(yīng)后，使水中的懸浮物和膠體雜質(zhì)形成易于沉淀的大顆粒絮凝體，在后繼處理過(guò)程中分離去處的過(guò)程；是水處理過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對(duì)后繼沉淀、過(guò)濾和消毒工藝的效果有很大的影響，在凈水技術(shù)中有著十分重要的地位。
　　專(zhuān)家系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)控制與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合所產(chǎn)生的，適合各行業(yè)或不同工藝環(huán)節(jié)的專(zhuān)業(yè)控制系統(tǒng)。它以保證和提高生產(chǎn)過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性為目標(biāo)，是自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展方向，對(duì)促進(jìn)生產(chǎn)力的發(fā)展，促進(jìn)各行業(yè)技術(shù)水平的提高發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。
　　石家莊市第八水廠建于二十世紀(jì)九十年代初期，由地方政府投資并引進(jìn)澳大利亞貸款850萬(wàn)美元，總投資額6．2億元人民幣，凈水廠區(qū)占地214畝，日供水能力為30萬(wàn)立方米，凈水技術(shù)采用傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過(guò)濾和消毒工藝。原水來(lái)自位于市區(qū)西北幾十公里的滹沱河上游的兩個(gè)串聯(lián)水庫(kù)，水庫(kù)水質(zhì)較好，達(dá)到國(guó)家二類(lèi)飲用水水源標(biāo)準(zhǔn)。投資中，澳方貸款部分主要用于引進(jìn)設(shè)備、儀器儀表和自動(dòng)控制技術(shù)，使水廠具有較高的配置和技術(shù)水平，在國(guó)內(nèi)供水行業(yè)中處于領(lǐng)先地位。但是自投入運(yùn)行之日起我們便發(fā)現(xiàn)，在總體水平較高，處理水水質(zhì)較好的同時(shí)，還有一些不盡如人意的環(huán)節(jié)。特別是控制部分。原設(shè)計(jì)自動(dòng)加藥、自動(dòng)加氯和送水機(jī)變頻調(diào)速恒壓供水等目標(biāo)一直沒(méi)能調(diào)試成功。
　　在加藥自動(dòng)控制中，鑒于生產(chǎn)工藝及構(gòu)筑物、設(shè)備等都已定型的情況下，加藥量的是否最佳是影響混凝效果和整個(gè)水廠處理效果的關(guān)鍵因素，為保證水廠處理水水質(zhì)的穩(wěn)定性降低藥耗，提高經(jīng)濟(jì)效益，充分發(fā)揮現(xiàn)有設(shè)備的作用，我廠選擇了“自動(dòng)加藥系統(tǒng)”為攻關(guān)課題，歷時(shí)兩年時(shí)間，取得了一定的成績(jī)，收到了良好效益。

　　二、 原加藥控制單元組成、原理及存在的問(wèn)題

　　1、組成及控制原理
　　我廠原加藥控制系統(tǒng)是大多數(shù)引進(jìn)水廠都采用以流量信號(hào)作為前饋，游動(dòng)電流信號(hào)作為負(fù)反饋控制加藥泵的流量。主要硬件組成有：入廠水流量計(jì)、加藥流量計(jì)、游動(dòng)電流分析儀、可調(diào)加藥泵、可編程控制器及其它設(shè)備。控制思想利用入廠水流量開(kāi)環(huán)控制加藥量，減小入廠水流量對(duì)系統(tǒng)的影響；用SCD監(jiān)測(cè)加藥后混凝效果，以其作為負(fù)反饋，形成閉環(huán)控制，控制加藥泵流量，使加藥混凝達(dá)到理想效果。
　　2、存在問(wèn)題
　　控制理論及思想是成熟的，但在實(shí)際運(yùn)行中該系統(tǒng)自始至終都沒(méi)能投入運(yùn)行，主要原因有：①流量信號(hào)波動(dòng)頻繁和SCD信號(hào)不穩(wěn)定，這些都導(dǎo)致系統(tǒng)難于穩(wěn)定，操作機(jī)構(gòu)不斷調(diào)節(jié)，無(wú)法投入自動(dòng)。②原控制設(shè)計(jì)思想存在缺陷，沒(méi)有考慮在不同的水質(zhì)條件下，加藥的SCD響應(yīng)曲線發(fā)生重大變化，導(dǎo)致調(diào)節(jié)參數(shù)不合適，若不修正會(huì)導(dǎo)致SCD值在大范圍變化，加藥投加量不合適，系統(tǒng)難于穩(wěn)定運(yùn)行。從而不能正常工作，這是絕大多數(shù)基于此種設(shè)計(jì)思想的水廠不能實(shí)現(xiàn)自控的主要原因。②我廠處理工藝在廠區(qū)分為兩個(gè)系列，原設(shè)計(jì)加藥控制系統(tǒng)為兩線同時(shí)運(yùn)行，而在實(shí)際中需要兩線進(jìn)水單線運(yùn)行時(shí)無(wú)法使用。

　　三、混凝專(zhuān)家系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　1、混凝專(zhuān)家系統(tǒng)硬件組成
　　我們?cè)谠械挠布A(chǔ)上增加了PLC的內(nèi)存容量，由2K增加到4K，通過(guò)編制軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。
　　2、混凝專(zhuān)家控制系統(tǒng)原理
　　a、提出“兩線分離”的控制思路，引入了平流沉淀池運(yùn)行方式參量，增加了單雙線運(yùn)行的判斷，將兩線分開(kāi)獨(dú)立控制，可以區(qū)分不同的運(yùn)行方式分別自動(dòng)選用相應(yīng)流量信號(hào)控制加藥泵投加藥液(運(yùn)行方式見(jiàn)附錄1)，這樣就解決在自動(dòng)運(yùn)行中不能單線處理的矛盾；
　　b、改變?cè)谐绦蛟黾訑?shù)字濾波系統(tǒng)，此方法可在不增加任何硬件的基礎(chǔ)上，既可達(dá)到要求。我們對(duì)流量選用遞推平均濾波，使流量曲線平滑，取得了良好的控制效果(見(jiàn)附錄2)；對(duì)SCD負(fù)反饋信號(hào)采用帶死區(qū)的PI調(diào)節(jié)(見(jiàn)附錄3)，減少由于SCD波動(dòng)引起的系統(tǒng)頻繁調(diào)節(jié)，增加系統(tǒng)穩(wěn)定性、減少了加藥泵的調(diào)節(jié)、延長(zhǎng)加 藥泵的使用壽命；
　　c、通過(guò)混凝實(shí)驗(yàn)及歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得出不同季節(jié)的投加規(guī)律，采用不同的算法，改變流量比例系數(shù)和閉環(huán)控制的PI參數(shù)。根據(jù)濁度信號(hào)，并且進(jìn)一步考慮水溫度、PH值對(duì)混凝的影響，使系統(tǒng)更趨完善，更加適應(yīng)我市水廠的實(shí)際運(yùn)行。
　　由于它們的引入，極大的完善了加藥的自動(dòng)控制，將給水理論中“濁度作為反映雜質(zhì)含量的指標(biāo)，是影響對(duì)混凝劑的需求量的重要指標(biāo)”的理念引入到了控制系統(tǒng)，才給SCD創(chuàng)造了一個(gè)合適的工作環(huán)境，從而發(fā)揮作用。通過(guò)將水質(zhì)參數(shù)的引入，使自控技術(shù)真正的與水處理專(zhuān)業(yè)相結(jié)合，形成了真正屬于水處理專(zhuān)業(yè)的這個(gè)“專(zhuān)家系統(tǒng)”。

　　四、該系統(tǒng)存在的不足及我們下一步的構(gòu)想

　　1、目前，我廠是根據(jù)不同季節(jié)的水源水質(zhì)特點(diǎn)，總結(jié)歷年的投加規(guī)律，結(jié)合混凝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)SCD的控制控制參數(shù)，它存在著調(diào)節(jié)分段不能連續(xù)控制，控制參數(shù)調(diào)節(jié)不及時(shí)等弊端。
　　2、今后，我們將利用原水的濁度信號(hào)以及不同季節(jié)的水溫，PH等水質(zhì)特性直接控制藥液的投加，達(dá)到SCD參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)加藥的連續(xù)控制，這樣本系統(tǒng)將進(jìn)一步完善，并且更適應(yīng)我國(guó)地表水處理的國(guó)情，可以在國(guó)內(nèi)同類(lèi)水廠進(jìn)行推廣。

　　附錄１
　　梯形圖控制程序設(shè)計(jì)思路如下：
　　1）在雙線運(yùn)行時(shí)，我廠三臺(tái)加藥泵兩用一備的運(yùn)行方式。即：1、2；2、3；1、3分別向兩線投藥。
　　2）在單線運(yùn)行時(shí)，我廠采取一用一備的運(yùn)行方式
　　　a、一線運(yùn)行時(shí)，使用1、2號(hào)加藥泵，一用一備向一線投藥；
　　　b、二線運(yùn)行時(shí)，使用2、3號(hào)加藥泵，一用一備向二線投藥。
　　3）當(dāng)單線運(yùn)行時(shí)，為防止因單線運(yùn)行形成一條管線內(nèi)“死水”而變質(zhì)，通過(guò)閥室手動(dòng)閥門(mén)，將兩線水同時(shí)注入一系列進(jìn)行處理。
　　　a、當(dāng)一線運(yùn)行時(shí)，1、2號(hào)沉淀池在運(yùn)行（“IN SERV”）狀態(tài)，3、4號(hào)沉淀池退出運(yùn)行（“IN SERV”）狀態(tài)，使用流量信號(hào)之和控制1或2號(hào)加藥泵。
　　　b、當(dāng)二線運(yùn)行時(shí)，1、2號(hào)沉淀池退出運(yùn)行（“IN SERV”）狀態(tài)，3、4號(hào)沉淀池在運(yùn)行（“IN SERV”）狀態(tài)，使用流量信號(hào)之和控制2或3號(hào)加藥泵。
　　　c、當(dāng)兩線運(yùn)行時(shí)，1、2、3、4號(hào)沉淀池均在運(yùn)行（“IN SERV”）狀態(tài)，使用1和2流量信號(hào)分別控制加藥泵。
　　運(yùn)行方式見(jiàn)下表：（見(jiàn)下表）

　　附錄2：
　　流量采用遞推平均濾波：

　　n=100；采樣周期80mS經(jīng)過(guò)濾波后效果見(jiàn)下圖：

　　附錄3：
　　在PI控制回路中，由于加入了前饋調(diào)節(jié)致使控制負(fù)荷變化減小，控制精度要求較高，并且要求加藥泵不能頻繁調(diào)節(jié)，因此我們采用帶死區(qū)的比例積分（PI）控制。

　　當(dāng)│E（t）│＞│e₀│時(shí)
　　U（s）=KpE(s)+ki×[E（s)/s]
　　Kp為比例系數(shù)，Ki為積分系數(shù)

　　當(dāng)│E（t）│＜│e₀│時(shí)
　　U（t)=0或U（s）=0
　　將上式離散化后得到
　　U（s）=Kp[E（s）-E（k-1)]+E(s)/Ti
　　我們?yōu)榫幊谭奖銓⑸鲜胶?jiǎn)化為偏差系數(shù)控制算式
　　△U(s)=AE（s)-BE(s-1)
　　A=K_p+Ki;B=Kp+2Ki
通過(guò)對(duì)不同季節(jié)的原水，經(jīng)過(guò)混凝實(shí)驗(yàn)后，得到最佳投加比率，采用工程整定中的響應(yīng)曲線法，既可得到不同季節(jié)水質(zhì)的控制響應(yīng)的曲線。通過(guò)修改參數(shù)，既可將系統(tǒng)投入自動(dòng)控制。

控制程序