基于PLC的自動加氯系統(tǒng)在智能水廠中的應(yīng)用

黃 磊

(金華市自來水有限公司仙源湖水廠，浙江金華321000)

隨著智慧城市的發(fā)展，關(guān)于“智慧水務(wù)”、“智能水廠”的技術(shù)應(yīng)用成為行業(yè)熱點。智能水廠是智慧城市在水務(wù)領(lǐng)域深化的一個分支，包含了2個重要的含義：一是指水廠作為城市供水及輸配水的核心環(huán)節(jié)，與城市的供水系統(tǒng)、水資源循環(huán)利用等管理職能有著密不可分的聯(lián)系，是智慧城市的核心之一，是建設(shè)生態(tài)社會、實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分；二是指在物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)為代表的新一代信息技術(shù)的推動下，創(chuàng)新運營管理模式，逐步實現(xiàn)供水系統(tǒng)的自動化、智能化、智慧化的運營與管理。

智能水廠的基本目的是將智慧賦予人以外的系統(tǒng)，使之具有一定程度的識別問題與解決問題的能力，能將人從各類簡單重復(fù)的工作中解放出來，實現(xiàn)少人或無人化運行。PLC技術(shù)作為過程工業(yè)應(yīng)用最為廣泛的自動化控制技術(shù)，其在水廠中的應(yīng)用，為提高供水品質(zhì)和供水的智能化、無人值守化提供了重要保障。在凈水過程中，加氯消毒是水質(zhì)控制的重要環(huán)節(jié)，其安全、高效運行直接影響水廠供水。隨著社會對供水質(zhì)量和生產(chǎn)可靠性要求的不斷提高，智能控制技術(shù)在加氯消毒流程中的應(yīng)用變得越來越重要。筆者結(jié)合金華仙源湖水廠在智能水廠建設(shè)中對加氯系統(tǒng)的升級改造實例，探討了PLC在智能加氯系統(tǒng)中的設(shè)計與應(yīng)用。

1 系統(tǒng)概述

仙源湖水廠位于浙江省金華市，以浙江省城市供水現(xiàn)代化水廠為標準一次性規(guī)劃建設(shè)，設(shè)計供水能力為25×104m3/d。原水取自安地水庫，經(jīng)由隧道進入水廠，投加混凝劑(聚合氯化鋁)、助凝劑(氫氧化鈣)同時調(diào)節(jié)pH值，前加氯消毒進入折板反應(yīng)池混合反應(yīng)，再經(jīng)過沉淀、濾池過濾、濾后水加氯二次消毒進入清水池，補氯后通過出廠管網(wǎng)供給用戶。

在水廠凈水過程中，加氯消毒是水質(zhì)控制的重要環(huán)節(jié)。仙源湖水廠加氯藥劑采用次氯酸鈉，次氯酸鈉與水的親和性好，在水中幾乎完全水解成次氯酸，水解度高于99%，同時能有效解決氯氣、二氧化氯、臭氧等氣體消毒劑所存在的難溶于水、投加不準確的技術(shù)困難，并消除了跑、泄、漏、毒等安全隱患，消毒效果好，操作安全，使用方便，易于儲存，對環(huán)境無毒害[1]。

仙源湖水廠加氯工藝包括前加氯、后加氯和補氯3個過程。前加氯在原水進反應(yīng)池前的管路上投加，殺死原水中的微生物或氧化分解有機物；后加氯在濾后水進清水池的管路上投加，起消毒作用并保持氯后水余氯含量；補氯在清水池出水管路上投加，發(fā)揮消毒作用并保持出廠水余氯含量。水廠加氯工藝流程見圖1。

圖1 加氯工藝流程Fig.1 Process flow of chlorination

智能加氯系統(tǒng)主要包括2個子系統(tǒng)，分別為智能配藥系統(tǒng)和智能投加系統(tǒng)。

智能配藥系統(tǒng)：儲液罐共10只，單只容量為15 000 L，每只罐均配有1只進液電動閥、1只出液電動閥和1臺超聲波液位計，如圖2所示。當罐內(nèi)次氯酸鈉藥液使用至液位0.25 m時，罐體間進行低液位切換，將低液位儲液罐的出液閥關(guān)閉，同時打開另一只高液位儲液罐的出液閥，切換至高液位儲液罐使用。當次氯酸鈉原液運送至水廠時，需將其稀釋為低濃度儲存，配藥時先將需配藥的儲液罐的進液閥打開，通過卸料泵將原液送入罐內(nèi)，完成進藥后再打開稀釋水總閥，將原液與水混合稀釋至所需濃度。

圖2 配藥系統(tǒng)Fig.2 Dispensing system

智能投加系統(tǒng)：投加點共8處，其中前加氯投加點2處，分別在1期、2期反應(yīng)池進水總管前；后加氯投加點4處，分別在濾后水進入清水池前的管道上；補加氯投加點2處，分別在DN1600出水管、DN1400出水管管道混合器前。

如圖3所示，計量泵共9臺，1#泵為一期前加氯計量泵，2#泵為二期前加氯計量泵，3#泵為備用計量泵，4#泵為1#沉淀池后加氯計量泵，5#泵為4#沉淀池后加氯計量泵，6#泵為2#沉淀池后加氯計量泵，7#泵為DN1600管道出廠水補氯計量泵，8#泵為1400管道出廠水補氯計量泵，9#泵為3#沉淀池后加氯計量泵。

圖3 加氯系統(tǒng)Fig.3 Chlorine dosing system

2 自動化平臺架構(gòu)

仙源湖水廠主干網(wǎng)采用光纖環(huán)網(wǎng)，傳輸速率為1 000 Mbps，該網(wǎng)絡(luò)防電磁干擾，輸入輸出光電隔離，能適應(yīng)惡劣的工業(yè)環(huán)境。加氯系統(tǒng)的配藥PLC和次投加PLC通過加氯間的光纖交換機(TCP/IP 以太網(wǎng)通訊協(xié)議)與其它PLC站、服務(wù)器等互聯(lián)互通，網(wǎng)絡(luò)拓撲見圖4。

圖4 網(wǎng)絡(luò)拓撲Fig.4 Topology of network

上位機人機界面(HMI)軟件基于Intouch 2014R2平臺開發(fā)，主要功能包括對廠區(qū)集中管理、調(diào)度、操作、監(jiān)視、記錄、控制參數(shù)設(shè)置及修改、報表生成及打印、故障報警和歷史數(shù)據(jù)的查詢、顯示及保存等[2]。

下位機采用Schneider PLC，配藥PLC CPU選用Schneider QUANTUM 140CPU65150，離散量輸入、輸出模塊分別選用140DDI35300和140DDO84300，模擬量輸入、輸出模塊分別選用140ACI04000和140ACO13000；投加PLC CPU選用Schneider BMXP342020，離散量輸入、輸出模塊分別選用BMXDDI1602和BMXDDO1602，模擬量輸入、輸出模塊分別選用BMXAMI0810和BMXAMO0410。

系統(tǒng)設(shè)計考慮在高可靠性、管理便利性、系統(tǒng)合理性的前提下，按照技術(shù)領(lǐng)先、設(shè)備先進為主要設(shè)計原則，同時兼顧經(jīng)濟性[3]。自控系統(tǒng)、在線檢測儀表系統(tǒng)、水泵節(jié)能調(diào)度系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和綜合布線系統(tǒng)等各部分的設(shè)計，綜合運用、相互協(xié)調(diào)，形成完整有效、自動化程度高的管理控制一體化系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)功能與實現(xiàn)

3.1 控制方式

就過程控制而言，仙源湖水廠的自動控制分為一般控制和高級控制。一般控制是控制設(shè)備的開/停、液位、流量等以邏輯控制為主的環(huán)節(jié)，在水廠過程控制中占70%～90%，以小閉環(huán)為主，邏輯運算量較大。高級控制是為實現(xiàn)節(jié)能、出水水質(zhì)穩(wěn)定、節(jié)省能耗和藥耗等目標，建立數(shù)學(xué)模型和尋優(yōu)算法，實現(xiàn)高效能的輔助決策[4]。精細化運行管理以大閉環(huán)控制為主。

實現(xiàn)自來水廠精細化控制需要一般控制和高級控制并舉，一般控制解決常規(guī)運行問題，高級控制解決運行過程優(yōu)化(例如工藝穩(wěn)定、節(jié)能降耗等)問題，是水廠高效運行的保障。

智能加氯系統(tǒng)的控制方式分為手動控制和遙控兩種。

手動控制：操作人員可在現(xiàn)場控制柜上操作，將控制柜上的轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到手動位，通過操作控制柜按鈕來控制對應(yīng)的運行設(shè)備，控制柜上的電位器用來調(diào)節(jié)泵的頻率。

遙控：分為自動控制和中控，自動控制需將現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到遙控位，操作人員把控制模式切換至自動控制，PLC就可根據(jù)設(shè)定好的程序控制相應(yīng)設(shè)備，完成相關(guān)操作；中控需將現(xiàn)場轉(zhuǎn)換開關(guān)轉(zhuǎn)到遙控位，操作人員把控制模式切換至中控，PLC就可根據(jù)中控計算機發(fā)出的指令來控制相應(yīng)的運行設(shè)備。

3.2 智能控制實現(xiàn)

3.2.1智能配藥控制

仙源湖水廠升級配藥控制方式，實現(xiàn)智能配藥。把卸料泵、次氯酸鈉稀釋水總閥、需要配藥的次氯酸鈉罐的進液閥調(diào)至自動模式，設(shè)定填入原液濃度、配藥濃度和配藥液位等參數(shù)。PLC會根據(jù)設(shè)定程序自動精準計算出每個罐進藥后需達到的進藥液位，根據(jù)該進藥液位自動將原液依次打入選定的次氯酸鈉罐。進藥程序源代碼見圖5，其中PY_Level1為配藥后液位，PY_Pre_level1為配藥前液位，PY_Full_Level為配藥稀釋后目標液位，Concentration為原液濃度，PY_Concentration為配藥濃度。

圖5 進藥程序源代碼Fig.5 Source code of drug feeding system progra

完成自動進藥過程后開始稀釋，PLC程序根據(jù)設(shè)定的配藥濃度精確計算出進水稀釋后需達到的最終液位，按照此液位依次進水，自動完成次氯酸鈉溶液的稀釋。稀釋程序源代碼見圖6，其中PS_Level1為稀釋后液位，PY_Pre_level1為配藥前液位，PYH_Level[1]為配藥后液位，PY_Concentration為配藥濃度，Concentration為原液濃度。

圖6 稀釋程序源代碼Fig.6 Source code of dilution program

3.2.2智能投加控制

次氯酸鈉投加系統(tǒng)具有大慣性、大滯后的特點，其純滯后時間較長且系統(tǒng)的干擾因素較多，若采用PID控制，實際控制效果不理想。經(jīng)反復(fù)試驗，升級采用精細投藥算法，前加氯采用流量比例投加，通過設(shè)定的投加率調(diào)節(jié)投加量；后加氯、補氯采用流量比例復(fù)合環(huán)控制，根據(jù)余氯設(shè)定值與現(xiàn)場儀表的偏差自動周期性調(diào)節(jié)投加系數(shù)。

① 流量比例控制

次氯酸鈉投加量與水的流量成正比，流量計信號(4～20 mA)輸入到PLC，經(jīng)過PLC程序運算，輸出相應(yīng)的控制信號(4～20 mA)，通過調(diào)節(jié)投加泵的運行頻率來調(diào)整次氯酸鈉投加量，從而實現(xiàn)流量比例控制[5]。其投加算法為：

Pump_Roy_DB[0].Cvp:=CT_Flow1*K/(750.0*Concentration1)

式中 Pump_Roy_DB[0].Cvp——投加泵運行頻率，Hz；

CT_Flow1——沉淀池進水流量，m3/h；

K——投加率；

Concentration1——次氯酸鈉投加濃度，%。

② 流量比例復(fù)合環(huán)控制

如圖7所示，流量比例復(fù)合環(huán)控制是雙信號控制，將進水流量作為前饋量，余氯儀實際測量值作為反饋量。前饋屬于開環(huán)控制，其可對擾動進行補償。在干擾出現(xiàn)時就立即對被控參數(shù)進行控制，能更快速、有效地消除擾動對被控參數(shù)的影響。反饋量可對細微偏差進行準確細調(diào)。

圖7 流量比例復(fù)合環(huán)控制方式Fig.7 Compound loop control mode of flow ratio

在實際生產(chǎn)中，前饋控制可以迅速調(diào)整水流量波動產(chǎn)生的次氯酸鈉需求的變化，反饋調(diào)節(jié)可以對余氯偏差進行準確的修正。當余氯儀實際測量值大于余氯設(shè)定值時，將當前投加率與投加率調(diào)節(jié)量的值相減作為下一次的投加率；當余氯儀實際測量值小于等于余氯設(shè)定值時，將當前投加率與投加率調(diào)節(jié)量的值相加作為下一次的投加率。復(fù)合環(huán)算法程序源代碼見圖8，其中K2[0]為投加率，ABS_CL2_DIF1[0]為投加率調(diào)節(jié)量，ABS(CL2_Filter_1-CL2_SET1)為余氯儀實際測量值與設(shè)定余氯值的偏差。

圖8 復(fù)合環(huán)算法程序源代碼Fig.8 Source code of compound ring algorithm program

4 結(jié)論

智能加氯系統(tǒng)是智能水廠保證水質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，仙源湖水廠自動加氯系統(tǒng)充分發(fā)揮了PLC的性能，通過編程實現(xiàn)了智能配藥、智能投加，采用流量比例控制、流量比例復(fù)合環(huán)控制等精細投藥算法。該自動加氯系統(tǒng)自動化程度高，運行穩(wěn)定，操作簡易，降低了人工的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，既得到良好的出水水質(zhì)，又降低了成本，減少了能耗，具有較好的經(jīng)濟效益和社會價值。