[align=center]Research of GE Fanuc VersaMax in Delivery Chlorine of water Factory 原寶龍1 馬少華1 孟憲宇2 1、沈陽建筑大學(xué) 110168 2、沈陽東軟集團(tuán) 110076 Yuan BaoLong1 Ma ShaoHua1 Meng XianYu2 1、SHENYANG JIANZHU UNIVERSITY,110168 2、SHENYANG NEUSOFT GROUP 110076[/align] [提 要]本文介紹在水處理過程中，應(yīng)用PLC控制加氯的一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，并詳述了其系統(tǒng)構(gòu)成、控制原理、參數(shù)設(shè)置。 [關(guān)鍵詞] 比例控制； 復(fù)合控制； PID控制 中圖分類號(hào)：TP202　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A Abstract: This paper introduces an automatic chlorine dosing control system in a water treatment process by using PLC. The system construction, theory of control and parameters adjustment are introduced in detail. Keywords: Proportional control； Compound control；PID control 1、前言 加氯是現(xiàn)行常規(guī)水處理過程中確保水質(zhì)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。水處理的氯氣投加分為前加氯和后加氯。前加氯在原水的管路上進(jìn)行投加，其目的在于殺死原水中的微生物或氧化分解有機(jī)物；后加氯一般在濾后水的管路上投加，其目的主要是起消毒作用。自控系統(tǒng)有兩種模式：一種由全自動(dòng)加氯機(jī)智能控制器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場流量比列＋余氯反饋復(fù)合環(huán)控制，由加氯間PLC工作站采集流量，余氯，磅重信號(hào)至中控室實(shí)行狀態(tài)監(jiān)視，中控室不參與控制干涉，另一種由加氯間PLC工作站采集流量，余氯，閥位，軟件PID調(diào)節(jié)組態(tài)控制加氯機(jī)出氯電動(dòng)閥（帶閥位反饋電阻，現(xiàn)場可硬手操），PLC現(xiàn)場控制，中控室可遠(yuǎn)程監(jiān)視和調(diào)節(jié)加氯參數(shù)。我國生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定出廠水游離余氯在接觸30min后不低于0.3mg/L，管網(wǎng)未稍不低于0.05mg/L。后者的余氯量仍具有消毒能力，但投加量過不宜過高，投加量過高易產(chǎn)生致癌物質(zhì)三氯甲烷、四氯甲烷等。因此，在水處理過程中正確控制加氯量是至關(guān)重要的。 2、本控制采用PLC現(xiàn)場控制，加氯間PLC工作站采集流量，余氯，閥位，軟件PID調(diào)節(jié)組態(tài)控制加氯機(jī)出氯電動(dòng)閥（帶閥位反饋電阻，現(xiàn)場可硬手操），在控制過程中采用PID自整定功能，PID調(diào)節(jié)規(guī)律是比例、積分、微分三種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合。 PID控制器各校正環(huán)節(jié)主要作用如下： （1）比例環(huán)節(jié)：比例的增大等價(jià)于系統(tǒng)開環(huán)增益的增加，會(huì)引起系統(tǒng)響應(yīng)速度，穩(wěn)態(tài)誤差減少，超調(diào)量增加。當(dāng)比例過大時(shí)，會(huì)使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。 （2）積分環(huán)節(jié)：相當(dāng)于增加系統(tǒng)積分環(huán)節(jié)，主要作用是消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差。積分環(huán)節(jié)作用的強(qiáng)弱取決于積分常數(shù)積分。微分增大，系統(tǒng)超調(diào)量減小，但響應(yīng)速度變慢。 （3）微分環(huán)節(jié)：主要作用是提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，同時(shí)減小超調(diào)量。抵消系統(tǒng)慣性環(huán)節(jié)的滯后不良作用，使系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯改善。微分過大或過小都會(huì)使超調(diào)量增加，調(diào)節(jié)時(shí)間加長。由于該環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的控制量與信號(hào)變化速率有關(guān)，故對信號(hào)無明顯變化或變化緩慢的系統(tǒng)微分環(huán)節(jié)不起作用。 GE Fanuc VersaMax PID自整定功能模塊如下： [align=center] 圖1 PID自整定功能模塊[/align] 3、 氯氣投加的自動(dòng)控制 對于氯氣的投加控制，按控制系統(tǒng)的形式劃分，可以有以下幾種： （1）流量比例前饋：即控制投加量與水流量成一定比例。前加氯主要目的是殺死水中的微生物或氧化有機(jī)物，對投加量準(zhǔn)確性要求不高，以采用原水量進(jìn)行比例投加為好。所以流量比例前饋控制一般應(yīng)用于前加氯。投加量按下式確定： 　　Y=1000KQ （3－1） 　　其中 Y——前加氯的投加量（mg/L） 　　 K——單位原水投氯量（mg/L） 　　 Q——與投加點(diǎn)對應(yīng)的原水進(jìn)水量（m3/L） 如果已知K、Q，則可以計(jì)算出前加氯的投加量，調(diào)節(jié)加氯機(jī)的投加量從而實(shí)現(xiàn)前饋比例投加。 （2）余氯反饋控制：按照投加以后水中的余氯進(jìn)行反饋控制。在處理水出廠前，檢查水中余氯，該值被反饋到控制系統(tǒng)中，并與余氯設(shè)定值比較，控制系統(tǒng)根據(jù)兩者的偏差情況，采用PID調(diào)節(jié)方式調(diào)節(jié)投加量，使濾后水余氯穩(wěn)定在設(shè)定值附件。這種控制方式從濾后投加點(diǎn)要經(jīng)過清水池，系統(tǒng)滯后較大，通常在30min以上，控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)特性不好，尤其是當(dāng)水質(zhì)水量變化較大時(shí)問題更為突出。一般這種方式較少采用。 （3）復(fù)合環(huán)控制：即按照水流量和余氯進(jìn)行的復(fù)合控制，或雙重余氯串級(jí)控制等。 前饋反饋復(fù)合環(huán)控制就是按前饋流量比例和余氯反饋進(jìn)行復(fù)合調(diào)節(jié)。前虧比例調(diào)節(jié)可以迅速地調(diào)整由于處理水量變化產(chǎn)水的氯需求變化；反饋調(diào)節(jié)可以對余氯偏差進(jìn)行更準(zhǔn)確的修正，調(diào)整特性較簡單，反饋控制有所改善。但是這種調(diào)節(jié)方式仍不能解決水質(zhì)迅速變化所產(chǎn)水的問題。 4、 氯氣投加自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn) 4．1流量比例前饋 流量比例前饋具體的實(shí)現(xiàn)投加量控制的原理為： 原水流量信號(hào)經(jīng)PLC輸入到前加氯控制器（比例控制器），比例控制器根據(jù)流量的大小，輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)量，調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，其控制的數(shù)學(xué)模型如下式所示： 　　I[sub]0[/sub]=K[sub]f[/sub]Q[sub]m [/sub] （4－1） 　　其中：I[sub]0[/sub]——控制器輸出（4～20mA）； 　　K[sub]f[/sub]——比例系數(shù)； 　　Q[sub]m[/sub]——原水瞬時(shí)流量。 比例系數(shù)Kf的設(shè)定根據(jù)前加氯量（需氯量）的多少而定。比例系數(shù)Kf的設(shè)定值可通過在上位監(jiān)控機(jī)上由操作人員根據(jù)工藝要求及原水需氯量的大小進(jìn)行改變。 系統(tǒng)圖如下： [align=center] 圖2 前加氯比例投加控制系統(tǒng)圖[/align] PLC控制過程如下：AI0001為原水流量反饋的數(shù)字信號(hào)（通過A/D），AI0002為前加氯量反饋的數(shù)字信號(hào)（通過A/D），AQ0001為加氯閥開度控制信號(hào)，通過D/A轉(zhuǎn)換控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。M00001、M00002、M00003為手動(dòng)控制加氯閥的開度。PID自整定參數(shù)通過實(shí)際工程測試給定，如圖3。 [align=center] 圖3 前加氯控制PID設(shè)定[/align] 4．2余氯反饋控制 余氯反饋控制的實(shí)現(xiàn)原理如下：余氯分析儀對取樣泵取來的水進(jìn)行余氯分析，之后將余氯量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)發(fā)送給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)作出分析后輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)量給加氯機(jī)，加氯機(jī)根據(jù)電信號(hào)，調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度。系統(tǒng)圖如下： [align=center] 圖4 后加氯反饋控制系統(tǒng)圖[/align] PLC控制過程如下：R00001為余氯的設(shè)定值，AI0004為余氯反饋的數(shù)字信號(hào)（通過A/D），AQ0002為后加氯閥開度控制信號(hào)，通過D/A轉(zhuǎn)換控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。M00004、M00005、M00006為手動(dòng)控制加氯閥的開度。PID自整定參數(shù)通過實(shí)際工程測試給定，如圖5。 [align=center] 圖5 后加氯控制PID設(shè)定[/align] 4．3 復(fù)合環(huán)控制 復(fù)合控制是流量比例控制與余氯PID控制的有機(jī)給合，在復(fù)合控制過程中，流量比例控制根據(jù)流量的大小，根據(jù)其控制的數(shù)學(xué)模型，快速地給調(diào)節(jié)閥一個(gè)初始的閥門開度信號(hào)，建立一個(gè)基本的控制模型。余氯分析儀的余氯信號(hào)經(jīng)PLC作為一個(gè)過程變量輸入控制器，控制器通過比較過程變量與余氯設(shè)定值產(chǎn)生的誤差，由PID方程計(jì)算出其輸出量，即修正量，每經(jīng)過一個(gè)滯后時(shí)間周期，從流量比例控制賦予調(diào)節(jié)閥的初始開度開始，逐步對其進(jìn)行修正，直到余氯達(dá)到期望值。由于PID方程計(jì)算出的修正量，是一個(gè)累加值，其超越流量比例控制賦予調(diào)節(jié)閥的初始閥門開度值，為達(dá)到余氯設(shè)定點(diǎn)，具有驅(qū)使電動(dòng)閥全開或全閉的能力。流量比例控制的數(shù)學(xué)模型如式（4—1）所示，其比例系數(shù)Kf設(shè)定值由操作人員根據(jù)工藝要求、原水水質(zhì)、濾后水余氯設(shè)定值的高低及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行改變。系統(tǒng)圖如下： [align=center] 圖6 后加氯前饋反饋控制系統(tǒng)圖[/align] 六 結(jié)束語 加氯自動(dòng)控制系統(tǒng)可以使氯氣良好準(zhǔn)確安全的投加，既能得到良好的出水水質(zhì)，又能取得較好的經(jīng)濟(jì)效益，在水廠水處理過程中具有十分主要的意義，該控制系統(tǒng)已經(jīng)在水廠應(yīng)用，其用戶包括礦泉水、方便面等重點(diǎn)企業(yè)，水質(zhì)已遠(yuǎn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)，受到用戶好評(píng)。 參考文獻(xiàn) [1] 劉敏堯. 淺談水廠自動(dòng)控制的幾個(gè)問題. 城鎮(zhèn)供水[J], 2003,2. 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