一、引言

自來(lái)水廠對(duì)原水的殺菌消毒廣泛地采用加氯的方法進(jìn)行，出廠水余氯是水質(zhì)的一個(gè)主要指標(biāo)，余氯太低不能很好地起到消毒作用，太高不僅將造成生產(chǎn)成本的提高，而且還會(huì)產(chǎn)生不利的負(fù)作用。后加氯的作用是在濾后水中加氯，以保證出廠水余氯值控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。后加氯控制的穩(wěn)定、準(zhǔn)確與否，將直接影響出廠水和管網(wǎng)末梢水余氯的高低，關(guān)系到廣大用戶的身體健康。但是因?yàn)橄到y(tǒng)存在較大的慣性和滯后問(wèn)題，以及各種復(fù)雜的耗氯擾動(dòng)因素的影響，采用單回路反饋控制系統(tǒng)不能按要求獲得穩(wěn)定的控制，因此構(gòu)成一個(gè)具有良好控制品質(zhì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，是出廠水余氯穩(wěn)定的重要措施。由于串級(jí)控制系統(tǒng)利用副控回路動(dòng)作速度快、抑制擾動(dòng)能力強(qiáng)等多方面特點(diǎn)，用于抑制控制系統(tǒng)的擾動(dòng)、克服對(duì)象的純滯后、減少對(duì)象的非線性影響，所以根據(jù)生產(chǎn)工藝要求和現(xiàn)場(chǎng)具體情況，投氯系統(tǒng)采用了比值控制系統(tǒng)和串級(jí)比值控制系統(tǒng)。

二、系統(tǒng)設(shè)備儀表

系統(tǒng)由上位機(jī)、SattCon35 PLC、OP45（SattCon05 PLC）操作顯示盤(pán)、0—3000m3/h KROHNE電磁流量計(jì)、0—1mg/l ALLDOS余氯檢測(cè)儀、0—10kg/h ALLDOS真空加氯機(jī)、水射器、電磁閥和壓力控制器等組成。上位機(jī)可進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)、工藝流程、儀表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警以及實(shí)施控制等功能。SattCon35 PLC為模塊化結(jié)構(gòu)，一個(gè)機(jī)架可插入16個(gè)I/O模塊，可擴(kuò)展為三個(gè)機(jī)架，經(jīng)由SattBus總線與上位機(jī)通信?，F(xiàn)場(chǎng)的OP45為帶液晶顯示板的微型PLC，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制操作和顯示設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等，通過(guò)COMLI通信協(xié)議與SattCon35 PLC進(jìn)行通信。系統(tǒng)總體如圖1所示。

三、控制原理

該投氯系統(tǒng)利用PLC有三種方式實(shí)施控制，即比值控制、串級(jí)控制和固定調(diào)節(jié)閥開(kāi)度控制?？刂颇Ｊ降霓D(zhuǎn)換通過(guò)上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。

1、控制過(guò)程

當(dāng)原水泵起動(dòng)后，流量計(jì)檢測(cè)到濾后水的流量由0m3/h開(kāi)始增加，水射器前的電磁閥打開(kāi)，在清水管內(nèi)的壓力達(dá)到工作值時(shí)，由壓力控制器將觸點(diǎn)信號(hào)送到PLC，PLC產(chǎn)生輸出，控制加氯機(jī)內(nèi)的調(diào)節(jié)閥打開(kāi)，并調(diào)節(jié)到控制要求的開(kāi)度，通過(guò)水射器，將氯水投加到濾后水管道中。

當(dāng)原水泵停泵后，原水流量低于一定值時(shí)，加氯機(jī)調(diào)節(jié)閥及電磁閥關(guān)閉，加氯機(jī)停止工作。

2、比值控制

此方式是根據(jù)輸送的濾后水流量的大小，按設(shè)定的比值控制氯氣的投加量，也既控制投加的氯氣量與濾后水量為給定的比值關(guān)系，比值參數(shù)可隨實(shí)際情況通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行修改，以滿足生產(chǎn)要求。比值控制原理如圖2。其中，三點(diǎn)控制器是用于將模擬量轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量輸出要求的場(chǎng)合，其原理為模擬量輸入與一個(gè)位置反饋信號(hào)比較，偏差經(jīng)過(guò)控制算法，決定通過(guò)PLC數(shù)字量模塊輸出的是“開(kāi)”還是“關(guān)”信號(hào)，或者保持原來(lái)的狀態(tài)不變，輸出開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)的改變可以在PLC的一個(gè)掃描周期內(nèi)完成。R / I的作用是利用調(diào)節(jié)閥上的電位器，將調(diào)節(jié)閥的位置信號(hào)（閥的開(kāi)度）轉(zhuǎn)換為4—20mA電流信號(hào)，送到PLC。從圖可以看出，比值器的輸出是調(diào)節(jié)器的給定輸入，因流量是變化的，所以系統(tǒng)是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)器可以快速地隨動(dòng)于主動(dòng)量，不管是主動(dòng)量流量變化還是從動(dòng)量閥開(kāi)度受擾動(dòng)而變化，總是能通過(guò)調(diào)節(jié)控制閥的開(kāi)啟度來(lái)保持設(shè)定的加氯比值，以達(dá)到氯氣投加穩(wěn)定控制的目的。

3、串級(jí)比值控制

比值控制雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是它也有應(yīng)用的局限性，比如溫度變化或?yàn)V后水水質(zhì)波動(dòng)大時(shí)，對(duì)余氯的穩(wěn)定控制能力就有影響，而且究竟比值設(shè)定值合不合理，只有靠操作人員憑經(jīng)驗(yàn)去調(diào)節(jié)，采用串級(jí)控制就能較好地解決這個(gè)問(wèn)題。本系統(tǒng)如圖3所示，它由流量計(jì)、余氯檢測(cè)儀、調(diào)節(jié)閥和PLC等組成。串級(jí)控制系統(tǒng)采用兩級(jí)調(diào)節(jié)器，這兩級(jí)調(diào)節(jié)器串接在一起，新增加的調(diào)節(jié)器為主調(diào)節(jié)器，比值控制環(huán)內(nèi)的調(diào)節(jié)器為副調(diào)節(jié)器，副控制環(huán)是串在主控制環(huán)之中，用余氯調(diào)節(jié)器（主調(diào)節(jié)器）的輸出作為比值器的輸入設(shè)定值，比值器的輸出作為位置調(diào)節(jié)器（副調(diào)節(jié)器）的輸入設(shè)定值，位置調(diào)節(jié)器的輸出值作為三點(diǎn)控制器的輸入值，通過(guò)三點(diǎn)控制器輸出“開(kāi)”或“關(guān)”的數(shù)字量信號(hào)，控制加氯機(jī)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，利用在線余氯檢測(cè)儀不斷將水中的余氯值反饋到主調(diào)節(jié)器的輸入端，與余氯給定值進(jìn)行比較，通過(guò)它們的協(xié)調(diào)工作，使被控量余氯準(zhǔn)確地保持為給定值。對(duì)流量波動(dòng)等擾動(dòng)因素的影響由副控回路迅速地調(diào)節(jié)，而水的耗氯量等擾動(dòng)因素的影響則由主控回路調(diào)節(jié)，具有很好的對(duì)負(fù)荷變化的適應(yīng)能力。主控回路具有“細(xì)調(diào)”作用，副控回路具有“粗調(diào)”作用，而兩者相互配合，使控制質(zhì)量高于比值控制系統(tǒng)。系統(tǒng)除了能克服落在主，副環(huán)內(nèi)的擾動(dòng)外，還提高了系統(tǒng)的工作頻率，加快過(guò)渡過(guò)程。

4、固定調(diào)節(jié)閥開(kāi)度控制

在上位機(jī)或OP45操作盤(pán)上，通過(guò)輸入加氯機(jī)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)啟度百分?jǐn)?shù)，即可控制加氯機(jī)按照設(shè)定的開(kāi)度值進(jìn)行加氯運(yùn)行。

四、調(diào)節(jié)器選型

因?yàn)樯a(chǎn)工藝對(duì)余氯的穩(wěn)定性要求較高，不希望被控量余氯有殘余偏差，因此，為減小穩(wěn)態(tài)誤差，主控調(diào)節(jié)器應(yīng)該具有積分作用，采用比例積分（PI）調(diào)節(jié)器。對(duì)于副控調(diào)節(jié)器，作為串級(jí)系統(tǒng)的副環(huán)時(shí)，為了克服進(jìn)入副控回路干擾的影響，保證副變量也達(dá)到一定的控制質(zhì)量要求，以便能夠改善整個(gè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的品質(zhì)，而且當(dāng)它單獨(dú)作為比值控制系統(tǒng)使用時(shí)，希望有好的動(dòng)態(tài)性能，所以選用PI調(diào)節(jié)器。

五、串級(jí)比值系統(tǒng)的運(yùn)行

1、控制系統(tǒng)的投運(yùn)步驟

按照先投副環(huán)后投主環(huán)的步驟進(jìn)行投運(yùn)過(guò)程。

（1）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的硬件部分既外部接線、電器設(shè)備、儀表和工藝設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行檢查，做好投運(yùn)前必要的準(zhǔn)備工作，另外，盡可能在保證工藝等外部條件相對(duì)穩(wěn)定的狀況下進(jìn)行，以減少不必要的干擾影響。

（2）在上位機(jī)上，將各調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為手動(dòng)遙控模式，斷開(kāi)串級(jí)控制選擇軟開(kāi)關(guān)。

（3）為比值控制環(huán)設(shè)定合適的輸入給定值，并將現(xiàn)場(chǎng)的加氯機(jī)、電磁閥等由就地手動(dòng)控制切換為遙控模式，之后，投入比值系統(tǒng)運(yùn)行。

（4）在被控量穩(wěn)定后，將比值環(huán)內(nèi)調(diào)節(jié)器的TI置于zui大值，P置于經(jīng)驗(yàn)值，按下串級(jí)控制軟開(kāi)關(guān)，調(diào)整主調(diào)節(jié)器的輸出值，直到比值回路輸入偏差接近為零。

（5）將比值系統(tǒng)轉(zhuǎn)為自動(dòng)模式，改變主調(diào)節(jié)器的輸出，使被控量穩(wěn)定。

（6）將主調(diào)節(jié)器的P置于經(jīng)驗(yàn)值，TI置zui大值。觀察調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行情況，當(dāng)輸入偏差接近于零被控量穩(wěn)定時(shí)，切換主調(diào)節(jié)器狀態(tài)為自動(dòng)。

2、調(diào)節(jié)器參數(shù)整定

串級(jí)系統(tǒng)副環(huán)的對(duì)象慣性小，工作頻率高，而主環(huán)慣性大，工作頻率低。為了提高系統(tǒng)的控制性能，以免頻率相近時(shí)發(fā)生主控回路和副控回路之間共振和干擾現(xiàn)象，造成破壞它們的協(xié)調(diào)工作，主、副環(huán)的工作頻率比值應(yīng)選取適當(dāng)，相差三倍以上。副回路的工作頻率高一點(diǎn)可以使副回路靈敏些、控制作用快一點(diǎn)。主調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)可適當(dāng)大些，有利于提高系統(tǒng)抑制一次擾動(dòng)的能力。

串級(jí)比值控制系統(tǒng)有主、副環(huán)兩個(gè)回路，而且副控回路為比值控制回路，因此，調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定比單回路系統(tǒng)要復(fù)雜，但其實(shí)質(zhì)是相同的，通過(guò)改變兩調(diào)節(jié)器的P、TI參數(shù)，來(lái)改善系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性，從而獲得*的控制過(guò)程。主回路是一個(gè)定值系統(tǒng)，其控制質(zhì)量要求較高。副回路是一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，不僅要能準(zhǔn)確快速地跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出變化，而且在它單獨(dú)運(yùn)行時(shí)又要保證良好的控制效果。整定步驟為先確定副控制器的參數(shù)，再整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)。由于副控回路是比值環(huán)路，為一個(gè)隨動(dòng)系統(tǒng)，不應(yīng)有過(guò)調(diào)，應(yīng)該以達(dá)到振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程為好，所以，將積分時(shí)間TI置于zui大，由大到小改變比例度，直到系統(tǒng)處于振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程為止，再適當(dāng)放寬比例度，緩慢地把積分時(shí)間減小，直到系統(tǒng)處于振蕩與不振蕩的臨界過(guò)程或微振蕩過(guò)程為止。然后把串級(jí)控制系統(tǒng)的主調(diào)節(jié)器投入運(yùn)行，按單回路控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的整定方法，整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，觀察控制過(guò)程，適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)器參數(shù)，直到主變量控制質(zhì)量*。如果在整定過(guò)程中出現(xiàn)共振，只要適當(dāng)增大主控制器、副控制器的任一比例度值就能夠消除。

本串級(jí)比值控制系統(tǒng)的各參數(shù)整定值為：主調(diào)節(jié)器的比例和積分時(shí)間分別為0.1、60s，副調(diào)節(jié)器的比例和積分時(shí)間分別為0.3、 5s。

六、結(jié)束語(yǔ)

采用比值控制方法，所控制的氯氣投加量比較穩(wěn)定。而用串級(jí)比值控制方法，由于副控回路給系統(tǒng)帶來(lái)的一系列優(yōu)點(diǎn)，使其具有了*的*控制性能，它對(duì)于多方面的擾動(dòng)因素能及時(shí)準(zhǔn)確地克服。兩種方法選擇使用，增強(qiáng)了系統(tǒng)的自控程度。

系統(tǒng)在水廠經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，取得了很好的效果。該控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可靠性高，后加氯余氯值能達(dá)到要求并控制穩(wěn)定，出廠水余氯始終保持在控制范圍內(nèi)。