水厂投加系统自动控制研究

摘要详细论述了水厂的加氯自动化控制方案和加矾自动化控制方案，并分析了水厂投加系统的自动化现状和发展趋势，以期望对提高水厂的自动化程度、实现对水厂投加系统的精确控制能有所帮助。

关键词水厂投加系统，加氯，加矾，自动控制

中图分类号：TU991.35文献标识码： A 文章编号：

1前言

当今人类的生活离不开自来水，且自来水的水质好坏与人们的身体健康息息相关，因此自来水厂以自动化的手段代替人工控制，对提高自来水生产环节的可靠性和安全性，实现优质、低耗的高效供水具有重要的经济效益和社会效益。

传统水厂的自来水生产环节主要依靠人工控制，投加设备非常粗糙，投加量完全根据个人经验来控制，根本谈不上计量投加，这既造成极大的浪费，也造成自来水水质情况前后波动，以致于对水质情况无法精确掌握，这违背了城市居民对提高水质标准的要求。因此，建立能够实现投加量精确控制的水厂自动化投加系统，对水厂实现全面的自动控制和提供稳定高标的自来水供应具有重要的现实意义。

2加矾自动化控制方案

(1)前馈控制

通常而言，源水流量、源水浊度、矾液浓度与经验加矾量之间存在着数学关系(如式1)，当源水流量和浊度发生改变时，我们可以通过PLC对加矾计量泵的频率或者冲程的自动控制来实现对投加量的快速调整，从而实现对加矾系统的自动化控制。

(1)

其中Q是经验加矾量，F是源水流量；K是与矾液浓度相关的系数；K0为经验加矾系数，与源水浊度有关，可通过查表得知。

前馈控制是笔者所在公司正在使用的加矾控制方案，该方案缺少对加矾效果的检测步骤和反馈机制，是一种开环控制，所以控制精度不高，有必要在未来的工作中进行改进。

(2)反馈控制

基于反馈控制的加矾系统一般是根据反应池的出水浊度对加矾计量泵的频率或者冲程进行控制，从而实现对加矾量的自动控制，至于沉淀池出水浊度，则作为设定浊度的微调依据，间接影响对加矾量的控制。

在该方案中，通常由加矾 PLC 完成闭环控制的 PID 运算处理，并根据反应池出水浊度和沉淀池出水浊度对浊度设定值进行修正，其实现方式则主要依赖于计算机的相应优化算法。

(3)前馈－反馈控制

由于全天的用水量情况并不恒定，所以自来水厂的产水量在一天内也需要进行几次大幅度的调整。当进水量大幅波动的时候，会造成系统剧烈振荡，严重时还会导致系统停止工作。为此，可以考虑采用基于前馈－反馈控制的投药系统。

采用前馈－反馈控制的方式需要将流量这一变化幅度较大的扰动因素进行预先测量，然后把测量值作为前馈控制，其它干扰因素则由流动电流反馈控制进行补偿，从而实现了对因流量大幅波动而引起的系统干扰的消除。此方案构建的系统包括流量计、计量泵冲程自动调节器以及流动电流反馈控制系统三个部分。根据流量计送来的信号，流动电流反馈控制系统可以通过调节加药泵的冲程改变投药量来实现流量的前馈控制。计量泵的频率由流动电流仪检测反馈回来的数值大小进行控制，系统结构框图如图1所示。

图1 前馈-反馈加矾系统框图

3加氯自动化控制方案

(1)流量比例控制

流量比例控制是通过用流量比例控制器控制加氯机的阀门，从而实现根据取水量的大小对加氯量进行实时调节的加氯控制方案。其控制的数学模型如式2所示：

(2)

其中：Ic是控制器输出，Kf是比例系数，Qs为源水瞬时流量。

在实际生产中，前加氯基本采用流量比例控制这一形式。一般情况下，源水的耗氯量都比较稳定，我们对前加氯的残余氯也没有严格的要求，所以宜采用流量比例控制这一简单的开环控制方式。

(2)余氯负反馈控制

有些自来水厂为了保证出厂水的余氯值，除了在清水池入口处采用比例或手动给定加氯外，还会在出口处根据余氯负反馈值进行投加。在清水池进水量变化不大而耗氯量变化时，也可以在清水池的入口处用余氯负反馈的方式保证入口处的余氯值。需要特别指出的是，该方案因为混合时间较短的缘故，所以对余氯值的检测结果波动较大，出厂检测余氯值合格的水可能在稍后的检测结果中被认定为不合格，不建议使用。

(3)流量前馈和余氯负反馈复合控制

滤后加氯时，因为清水池进水量并不恒定，所以耗氯值也会发生改变，但是加氯系统要保证余氯值的精确稳定，所以有必要采用流量前馈和余氯负反馈的复合控制方式。具体实现过程为：首先把余氯仪的余氯信号作为一个过程变量输入控制器；然后通过控制器对余氯设定值和过程变量进行比对，由PID方程和进水量计算得到加氯量；最后根据计算得到的加氯量控制加氯机的阀门开度进行投加。该方式同时考虑到了进水量和余氯值的影响，所以兼具响应速度快和控制精度高的优点。结构原理图如图 2所示。

图2前馈-反馈复合控制结构原理图

(4)流量前馈和串级复合控制

自来水厂的加氯量除了受到进水量的影响外，还需要考虑季节的变化。因季节变化所导致的耗氯量变化，依靠人工控制的方式根本无法实现精确控制。针对此问题，可以用出厂水余氯值作为主控回路的反馈值，其控制器的输出作为副回路的给定值，副回路则根据清水池入口余氯值进行反馈控制。该方案实现了主控回路对清水池入口余氯值的连续自动调节，使得加氯系统的自动化程度大大提高。前馈+串级控制结构原理图如图 3所示。

图3前馈-串级控制结构原理图

（5）公司投氯系统的不足

笔者所在公司的桂城水厂三期投氯系统采用三个点投加的消毒方式，其中第二点后加氯位于清水池之前，以原水流量为参照系，按比例投加。该方式是一种开环的控制方式，存在极大的不稳定性。当沉淀池、反应池、滤池排泥或反冲洗时，会造成源水流量不变，清水池进水量改变的现象，从而导致系统不稳定。而第三点补氯则位于清水池之后，加氯量由出厂水总氯检测值、出厂水瞬时流量值为参照系的复合闭环控制。该方式对出厂水流量变化不大时有较好的控制效果。当出厂水流量因开停泵所造成的流量剧烈变化而进水量变化不大时，会存在极大的不稳定性和滞后问题。

因此，在将来的工作中可以通过改造实现流量前馈和余氯负反馈复合控制或者流量前馈和串级复合控制的控制方式。

4水厂投加系统的自动化发展趋势

通过对国外相关技术的引进、吸收和创新，我们形成了以PLC为基础的自来水厂自动化控制系统，基于PLC的自动化控制系统已经成为了我国自来水厂自动化投加系统的主流，并且已经取得了一定的应用效果。

而未来的自动化投加系统必然会随着智能化、网络化和信息化等技术的发展而产生深刻的变革。笔者深信，随着智能传感器、测量仪表、自动调节设备和监控设备的普及和发展，结合专家系统、模糊控制、神经网络等智能控制技术在自来水厂中的应用，水厂投加系统的自动化将会向智能化方向发展，水厂的自动化程度必会发生质的飞跃和提高。

5结束语

在自来水厂水处理的整个过程中，投加系统的精确控制与否对水质能否符合要求起着相当关键的作用。在现实中，影响投加量的因素有很多，如源水的水质质情况、取水量、季节和天气等，而且加氯还存在着一定的时间滞后性，这对完全依靠投放人员的经验来进行投放量的控制提出了挑战，而采用自动化控制技术代替人工控制可以从根本上改善这种情况，不仅实现了对人力资源的解放，更重要的是实现了精确控制，这对提高出厂水质和改善水厂的经济效益具有十分重要的意义。

参考文献

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