PID 閉環(huán)控制在杏林水廠加藥系統(tǒng)中的應用

陳介聰

（廈門水務集團，福建 廈門361021）

為了切實提升水廠中的水質(zhì)，降低成本，PID 閉環(huán)控制在杏林水廠加藥系統(tǒng)中的應用具有極重要的現(xiàn)實意義。隨著自動化和計算機技術(shù)的發(fā)展，水廠自動化逐漸成熟和普及，自動加礬也被廣泛應用，本次杏林水廠二組凈化自動化改造針對水廠的實際情況設(shè)計了一套自動加藥系統(tǒng)，以實現(xiàn)水廠加礬自動化、加氯自動化。

1 PID 閉環(huán)控制優(yōu)勢與原理分析

1.1 PID 閉環(huán)控制優(yōu)勢

PID 閉環(huán)控制作為一種新型且編程方便的終端控制技術(shù)，是新時代下高科技中人機互動界面產(chǎn)品，通常情況下被運用于水廠的生產(chǎn)過程中，其可靠性高、編程簡單以及使用維護方便的優(yōu)勢深受業(yè)內(nèi)人士青睞與喜愛。在參數(shù)復雜及又需要通過人工加藥的方式實現(xiàn)原水濁度的檢測時，使用PID閉環(huán)控制可以使得水廠中的水質(zhì)得到大大提升。與此同時，PID 閉環(huán)控制還有著運算效率高、功能強大，維護方便、編程簡單等優(yōu)勢。近些年來，隨著中國經(jīng)濟與社會的不斷發(fā)展以及科學技術(shù)的日新月異，對生產(chǎn)的設(shè)備以及自動化的控制系統(tǒng)的要求也越來越高，PID 閉環(huán)控制在杏林水廠加藥系統(tǒng)中的應用，可以有效減輕工作人員的勞動量，對于經(jīng)驗不足的工作人員來說好比一劑“良藥”。PID 閉環(huán)控制在杏林水廠加藥系統(tǒng)中的應用，已經(jīng)成為了該水廠中實現(xiàn)自動化控制的一種必然趨勢。

1.2 PID 閉環(huán)控制原理

PID 閉環(huán)控制自問世以來已有70 余年的歷史了，它以操作簡單、穩(wěn)定可靠的優(yōu)勢成為了大部分水廠中的主要技術(shù)之一，當被控制對象的結(jié)構(gòu)與參數(shù)不能得到精確的數(shù)據(jù)的情況下，必須通過現(xiàn)場測試來完成，此時的PID 閉環(huán)控制技術(shù)最為方便。簡單說，就是當人們在完全不了解某一個系統(tǒng)中被控制的對象時，最適合的方法莫過于PID 控制技術(shù)。PID閉環(huán)控制原理主要是根據(jù)水廠供水管網(wǎng)中的既定壓力與水流對水流的速度進行調(diào)節(jié)與控制。當水廠中的既定壓力大于水網(wǎng)壓力的時候，PID 閉環(huán)控制的運行頻率就會逐漸提高；相反的，當既定壓力小于水網(wǎng)壓力的時候，PID 閉環(huán)控制的運行頻率就會隨之下降。在本水廠中當供水管中的水流不斷時，就會降低PID 閉環(huán)控制中泵組的運行壓力。所以，為了保證PID 閉環(huán)控制的安全與穩(wěn)定運行，還需要多增加幾個泵組，泵組的變頻可以通過PID 閉環(huán)實現(xiàn)切換控制，進而確保本水廠中供水平穩(wěn)，降低生產(chǎn)成本，提升經(jīng)濟效益。

2 加藥系統(tǒng)曲線的測定方法及運用

制約加藥的因素有很多，比如原水的濁度、色度、溫度、pH 值、進水管的流速以及進水設(shè)備的載荷情況，其中最主要的影響因素還是原水濁度與pH 值。而進水管的流速和水溫可以通過人為的方式對其進行控制與預處理，使其在理想的狀態(tài)下進行加藥。本方案在特定的條件下，通過PID 閉環(huán)控制在加藥系統(tǒng)中應用進行研究，使得沉淀水的濁度可以達到0.5～0.7 NTU。加藥系統(tǒng)中的PID 閉環(huán)控制的應用是通過對水濁度的測定，找出在原水樣可以實現(xiàn)最佳加礬礬液流量調(diào)節(jié)目的以及最經(jīng)濟實用的加礬和加氯的投加量。由于中國各地區(qū)中的水質(zhì)以及水廠中硬件設(shè)施配置不同，使加藥系統(tǒng)的曲線測定出現(xiàn)了不一樣的情況。因此，PID 閉環(huán)控制在本水廠加藥系統(tǒng)中的應用具有極其重要的現(xiàn)實意義。

具體步驟如下：①1%的混凝劑配置。先用托盤天平準確地稱出一定數(shù)量的聚合雙酸鋁鐵將其放入容量為1 L 的水樣杯中，用蒸餾水將其配置成濃度為10 mL 的混凝劑藥液，以1∶3 的比例分別將其放置于攪拌臺上，插入漿板。②水樣的配置方法。分別取出1000 mL 的原水，將其調(diào)制呈為4 NTU、7 NTU、9 NTU、14 NTU 等不同濁度的原水液體，通過濁度儀進行測量，對比原水與含泥塊原水的渾濁度。③加藥量的界定。分別取出容量為1 L 的6 只水樣杯，在杯內(nèi)依次加入5 N'NTU 的原水樣液，再利用刻度為5 cm 的虹吸1%的聚合雙酸鋁鐵，接著往6 只裝有1 L 原水樣的燒杯中滴入0.1 mL、0.15 mL、0.2 mL、0.25 mL、0.3 mL、0.35 mL的混凝劑藥液，用攪拌棒攪拌之后，靜置沉淀15～30 min。④通過以上測定方法分析得出，通過PID 閉環(huán)控制技術(shù)后原水的礬花效果最好，且投藥量較小，燒杯中原水濁度的上層水最清楚的水樣是該濁度下最理想的投藥加量。此實驗過程雖耗時較長，但對原水濁度的測定卻最為合理，有些時候可能還需要重復去做實驗，就是為了得出最合理的加藥量的數(shù)據(jù)。在PID 閉環(huán)控制技術(shù)的支持下，杏林水廠的加藥系統(tǒng)中也獲得了可靠的實驗數(shù)據(jù)，在特定條件下，假設(shè)進流水管的速度為3000 m3/h，水溫為28 ℃，pH 值為7.4 的情況下，即加藥曲線的測定。

3 PID 閉環(huán)控制方案的比較及改進

3.1 加藥前的控制情況

在水廠的加藥過程中，在中國大部分的水廠中，特別是在一些中小型的水廠中，依然是通過人工的方式來實現(xiàn)加藥，又或者是僅憑自身的經(jīng)驗通過看“礬花”的方式來調(diào)節(jié)加藥量，本方案中的具體研究對象杏林水廠就屬于后者。在生產(chǎn)與制造自來水的過程中，從加藥量的配置到反應情況，再到沉淀需要的周期是很長的。同時，又由于濁水的檢測點離原水檢測點的距離較遠，且在具體的檢測過程中又存在著較長延時與滯后的情況。因此，人工檢測的方式很難對濁水進行準確控制，只能是采取憑感覺或憑經(jīng)驗的方式對加藥量進行控制，但最終的效果難以滿足水廠中實際的生產(chǎn)需求。

3.2 基于PID 閉環(huán)控制的運用

通過對以上加藥前的控制情況分析得出，人工方式之所以不能對加藥量進行合理的控制，主要的問題是沒有精準的控制方法。為了有效解決這一問題，依據(jù)上述實驗的加藥曲線測定與當前水廠中的水流情況進行比較，形成閉環(huán)控制。而為了得出準確的加藥量，還可以通過其他的方式來實現(xiàn)，如控制進水的流量或者是藥的濃度等。其中藥的濃度可以通過實驗的方式由工作人員自行確定，只需將其直接輸入上位機中即可。

4 PID 閉環(huán)控制的實現(xiàn)

4.1 合理控制PID 閉環(huán)

在PID 閉環(huán)控制實現(xiàn)的過程中，主要使用的設(shè)備有PLC、變頻器以及計量泵等設(shè)備。先由PLC 對原水的濁度進行采集，通過信號處理的形式來控制計量泵中的頻率，進而對礬液和次氯酸鈉進行合理的控制。

4.2 PLC 選型

從經(jīng)濟與實用的角度來說，還可以在PID 閉環(huán)控制上進行進一步的拓展。為此，工作人員在本水廠中特別加入了一個AI 的模塊，用來采集原水的濁度。由PLC 采集到的原水濁度，經(jīng)過相關(guān)工序的處理之后，結(jié)合觸摸屏中提供的藥液濃度，計算得出原水流量的SP。再與原水流量的PV 進行比較，所得出的差再通過PID 閉環(huán)控制得出藥液的投加量。

1769-L33ER 美國羅克韋爾，羅克韋爾AB 總代理的PLC變頻器自帶的增強型閉環(huán)控制功能模塊可以較好實現(xiàn)對余氯閉環(huán)的調(diào)節(jié)，其中速度型算法是PIDE 功能模塊通常采用的算法。

4.3 其他相關(guān)硬件的配置

本水廠中選用的變頻器的型號為施耐德ATV31H075N4A，這是由于該變頻器不僅有著較好的運用效果，同時還有著較為可靠的保護功能。其中在原水濁度分析儀器的選擇方面采用美國哈希公司（HACH）的產(chǎn)品，其有著測量精準、響應較快以及量程可調(diào)節(jié)的優(yōu)勢。進水流量計和加藥流量計也均為上海科隆（KROHNE）的產(chǎn)品，這樣一來，便可以保證對原水濁度的精確控制，同時也具有測量穩(wěn)定與及時傳送信號的能力。

4.4 PID 閉環(huán)控制算法

本來在該水廠中自帶有AI 模塊，也可以方便工作人員使用。考慮到本水廠中的PID 閉環(huán)控制系統(tǒng)并不是24 h 都在運行中，所以啟停工作較為頻繁。同時，在原水濁度檢測中的干擾因素又較多，傳統(tǒng)的控制技術(shù)總是會出現(xiàn)較為嚴重的超調(diào)現(xiàn)象，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不可靠；另一方面，又由于其輸出值的不斷變化，導致本水水廠中的加藥計量泵調(diào)節(jié)頻繁出現(xiàn)問題，非常不利于延長系統(tǒng)使用壽命，難以對加藥的曲線進行及時跟蹤與控制。基于此，本方案中采用的是積分分離式的PID 閉環(huán)控制的算法，當輸入的數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化與偏差的時候，SP 與實際所采集到的PV 之間的差就會大于原水濁度的閾值，不對其進行積分，引入PID 閉環(huán)控制進行調(diào)節(jié)。

5 結(jié)束語

綜上所述，通過以上分析得出，影響本水廠原水濁度控住的主要因素是加藥曲線測定的方式。在硬件配置齊全的情況下，根據(jù)水廠中實際的生產(chǎn)需要，并依據(jù)當前水廠中的硬件設(shè)施與環(huán)境，進一步獲得更加準確的加藥曲線控制。目前，在本水廠中僅低局部區(qū)域使用了PID 閉環(huán)控制，但整體上依然使用的是開環(huán)控制的方式。所以，控制效果還需要通過原水的濁度監(jiān)測來實現(xiàn)。PID 閉環(huán)控制在杏林水廠加藥系統(tǒng)中應用以來，不僅降低了硬件的投入成本，更降低了工作人員的勞動負擔，提高了本水廠中的水質(zhì)，也為本水廠發(fā)揮出了可觀的經(jīng)濟效益。