水厂加氯加矾的控制算法分析及PLC控制系统

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：

流量比例调节器变频器频率电机浊度比例调节器SV+-PVPID调节器++冲程电机流动电流检测加矾系统控制回路方框图

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，

Δy(k)= Δyf(k)+ Δyc(k)Δyf(k)=Δ Δxf(k)其中Δy(k)为加法器的输出T2+T) +(T2+T)Δe(k)/(γT2+T)-T2Δe(k-1)/(γT2+T)式中 Δyc2(k-1)=yc2(k-1)-yc2(k-2) ΔD(k-1)=D(k-1)-D(k-2)Δe(k)=e(k)-e(k-1) Δe(k-1)=e(k-1)-e(k-2) T1-------实际积分时间 T2--------实际微分时间 γ--------微分放大倍数k1--------放大倍数 Kp=k1(T1+T2)/T1-------PID算式的比例常数Ti=T1+T2--------PID算式的积分常数Td=T1T2/Ti------PID算式的微分常数D(k)为一阶低通滤波器的输出在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。

yf(k)为浊度比例控制器的输出 Δyc(k)为主PID算式的输出Δyc(k)=Δyc2(k-1)+k1(1+T/T1)[γT2ΔD(k-1)/(γ流量比例调节器浊度+比例调节器加法器+SV+-PID调节器++变频器频率电机PV流动电流检测加矾系统控制回路方框图(简单型) 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：

流量比例调节器Ｖ型槽前加氯控制回路方框图流量比例调节器SV+-PID调节器++Ｖ型槽PV余氯检测仪后加氯控制回路方框图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：

后台打印机服务器加矾加药操作员站工程师站取送水操作员站滤池操作员站前台打印机`工业以太网HUB(OSMITP62)冗错可编程控制器PSCPUCPPSCPUCPPSCPU打印机CPCPU416PS407_2DPCP443_1CPU416PS407_2DPCP443_1CPU416PS407_2DPCP443_1CP153_2ET200MCP153_2CP153_2ET200MCP153_2ET200MCP153_2Profibus_DP总路线12M波特率ET200MCP153_2ET200M`Profibus_DP总路线12M波特率Profibus_DP总路线12M波特率ET200MCP153_2ET200MCP153_2ET200MCP153_2ET200MCP153_2ET200MCP153_2ET200MCP153_2ET200MCP153_2ET200MCP153_2ET200MCP153_2ET200M一号锅炉就地仪表盘

上述为某一水厂（20M/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

滤池分布式I/O取送水分布式I/O加矾加药分布式I/O3

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