自来水厂加氯工艺的自动化控制改造

马俣昕

摘要：自来水厂水处理的整个过程中氯气的投放对于水质能否达标起着相当关键的作用。由于影响加氯效果的因素很多，如水质、天气、水厂的具体工艺特点等，而且后加氯存在时间滞后问题，同时对控制方法和投加氯存在的问题目前有不同的看法，从而使加氯系统不够规范，实际运行效果也不是十分理想。现如今社会发展的不断快速和自动化技术的全面实践，提高了自来水厂加氯预测工艺的社会收益。

关键词：自来水厂加氯工艺;自动化控制改造

一、控制方案介紹

系统采用串级控制的方案，将加氯机到清水池入口余氯仪处作为串级控制的副回路，清水池入口到出口之间作为串级控制的主回路。副回路根据清水池进水量比例投加，给定加氯机的投加量，并利用入口余氯仪的读数修正比例投加系数Smith主回路利用过程模型使用预估补偿，给定入口余氯。

1.主回路的设计。主回路主要负责输出清水池入口余氯给定量。由于主回路具有大滞后、大惯性的特性，使用常规的PLD控制会因为纯滞后的影响导致调节质量大大下降，因此需要建立其过程的动态模型。通过建立进出口余氯的单输入单输出模型，进一步使用预估器进行预估补偿。

（1）建模。由于加氯系统属于一般的工业控制系统，系统的模型阶次一般不会太高，可以初步假定其模型为低阶惯性环节加上纯时滞的系统，传递函数 ，其中 为不带纯时滞的低阶惯性环节。模型受清水池的出水量影响较大，但由于水厂实际生产中清水池出水量受二泵房水泵台时数所决定，一般也只有几种固定的出水量，且一段时间内出水量是稳定不变的，因此只需在几种不同的出水量下分别对模型进行辨识，得到各种出水量下对应的系统模型即可。取某天数据，取出水量相对稳定的一段数据，对入口余氯和出口余氯数据进行辨识，得到参数如下为了检验以上辨识出的模型的精确程度，使用另外一天出水量约为6200m3/h的数据记录对模型进行检验。将预测出来的结果与实际出口余氯值进行比较，其平均误差为0.0236。可见模型的精确程度是比较高的。

（2）Smith预估补偿控制算法。由于主回路相当于一个大滞后系统，采用一般的控制方式（例如PLC）进行控制会因为纯滞后的存在而变得比较困难。因此主回路在控制算法上选择了Smith预估补偿方案。采用Smith预估补偿方法可以有效地克服主回路中存在的纯滞后的影响。其原理是根据辨识出的被控过程的模型，预先估计出过程在基本扰动下的动态特性，然后由预估器进行补偿，力图使迟延了的被调量的变化超前反映到调节器，使调节器提前动作，进而加速调节过程和减少振荡。

二、关键工艺自动控制设计

在自来水厂中，加氯工艺一般包含两个部分：前加氯和后加氯，前加氯通常实在原水进人沉淀池之前进行，前加氯过程中的投加量不大。后加氯是在滤后水进入清水池前进行，起到杀菌消毒作用。水厂出厂水的余氯含量不许以后滤后水加氯环节来保证，本文主要讨论滤后水加氯环节。

2.1影响次氯酸钠投加量的因素分析。（1）清水池进水流量。清水池进水流量的大小对投加量有直接影响，而这个流量会因用水调度或工艺等方面而发生较大变化，没有特定规律，可通过比例控制方法来解决。（2）水中氨氮含量。目前水厂的次氯酸钠投加，一般采用氯胺消毒，水中的氨氮含量是投加过程最主要的影响因素。（3）清水池出水流量。清水池的出水流量越小，滤后水在水库中滞留的时间越长，次氯酸钠混合、反应、挥发的程度越大。（4）清水池水位。清水池水位高低不同，会对次氯酸钠的混合、反应产生一定的影响。次氯酸钠受温度和光照影响易分解，会造成出厂余氯值的不稳定，所以尽量保存在避光的场所，并且一般应在14 d内进行更换，夏季时最好在10 d内。

2.2次氯酸钠投加量自动控制设计。整个药剂投加控制，采用现场手/自动及远程手/自动两种控制模式。在现场可通过触摸屏实现远程自动及本地操作切换，当状态为远程时，此系统由控制室通过上位机进行操作，当状态为本地时可由相关人员在本地通过触摸屏进行计量泵的启停及相关参数的设定。本地控制优先级高于远程模式，也提高了系统的安全性。手动控制模式分为就地手动控制和远程手动控制两种。手动控制需要人工计算加药量，容易出现偏差，一般处于备用状态，当自动模式出现问题时采用手动控制方式。

2.3水厂自动加氯工艺分析。净水过程的施工工艺研究在施工工艺的技术上一些还需要继续加强控制精度或者缩短控制时间的方法。首先研究下一班水净化工厂的施工工艺。一般水处理工厂的施工工艺大同小异，净水工艺推荐采用：“混凝+沉淀+过滤+消毒”。考虑到今后生活水平的不断提高而对饮用水的要求提高，在总设计流程中预留实施臭氧+生物活性炭深度处理工艺用地。作者参与的项目采用了投加固体或液体聚合氯化铝及聚丙烯酰胺（PAM）、高效絮凝沉淀池、翻板滤池、加氯等工艺。（1）整体控制设备设计。在终端距离系统主机较远的时候采用单模光纤增加信息传递精确度，终端比较近的时候采用多模光纤以达到减少成本的效果。（2）网络结构特点。一是控制网络的选择。供水工程的控制主干网络选择100M 冗余工业以太环网。采用工业以太网，是一种协议全开放式网络，其传输速度很快。二是网络的结构和特性。该网络是以后控制网的发展方向，速度为10/100MB/s网络。网络结构组成冗余环形结构，该网络能力：传输速度为 100Mbytes/s。高吞吐量的数据传输速率用于改善I/O、控制器互锁以及对等通信报文传送的性能。传输介质为光纤电缆。网络介质层可选择冗余结构。（3）主要硬件软件。软件系统采用B/S、C/S 结构、组件技术、流程组装技术、Web 服务及集成技术，使用基于 J2EE 的多层体系架构;采用MVC 架构和面向对象的设计;具有跨平台性，能够和其它 SCA-DA 系统软件平滑互联;支持分布式 Web 服务器群;支持流量自动调整（动态流量平衡），满足超大规模用户并发访问需要;具有安全性高、适应性强、扩展容易、使用方便。

2.4加氯控制设计。全厂共设有PLC 子工作站12个，其中有1个是专门的氯气投加PLC 子站，在加氯间。有1个中央控制室负责调度分配监视管理整个过程。其主要功能包括：一是氯气气源系统控制：利用电子秤对氯瓶进行秤量，并设低限报警开关，实现自动压力切换，保证不间断供氯;监视蒸发器的自动、运行、故障，压力接点的闭合，监视压力切换器氯气管路电动球阀的自动、全开、全关等状态。二是采集漏氯报警器的报警、漏氯量，加氯机的自动、运行、故障状态以及加氯机的加氯量等状态和参数。三是根据进厂水流量信号，比例控制前加氯机的运行，前加氯投加于总进水管道。利用流量和余氯信号对后加氯机形成闭环控制，按照复合环方式控制后加氯机加氯，后加氯投加于滤池出水处。

自来水制水工艺过程具有连续性、不可替代性及不间断性，通过自动控制系统可大大提供其运行可靠性、稳定性。随着社会的不断发展，对城市供水水质提出了更高要求，水厂自动化控制系统必然成为一种趋势。设计适合制水工艺且运行稳定的自动化供水系统，尤其是次氯酸钠的自动投加系统，可以有效的解决供水工艺过程的诸多问题，可有效保证水质，提高自来水厂的处理能力。

参考文献：

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[2]申玉霞，赵彩红.基于PLC的水净化设备的自动控制系统设计 [M].制造业自动化，2019，34（22）：146—148.