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一、引言

自來水廠對原水的殺菌消毒廣泛地采用加氯的方法進行，出廠水余氯是水質的一個主要指標，余氯太低不能很好地起到消毒作用，太高不僅將造成生產成本的提高，而且還會產生不利的負作用。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。后加氯控制的穩(wěn)定、準確與否，將直接影響出廠水和管網末梢水余氯的高低，關系到廣大用戶的身體健康。但是因為系統存在較大的慣性和滯后問題，以及各種復雜的耗氯擾動因素的影響，采用單回路反饋控制系統不能按要求獲得穩(wěn)定的控制，因此構成一個具有良好控制品質的自動控制系統，是出廠水余氯穩(wěn)定的重要措施。由于串級控制系統利用副控回路動作速度快、抑制擾動能力強等多方面特點，用于抑制控制系統的擾動、克服對象的純滯后、減少對象的非線性影響，所以根據生產工藝要求和現場具體情況，投氯系統采用了比值控制系統和串級比值控制系統。

二、系統設備儀表

系統由上位機、SattCon35 PLC、OP45（SattCon05 PLC）操作顯示盤、0—3000m3/h KROHNE電磁流量計、0—1mg/l ALLDOS余氯檢測儀、0—10kg/h ALLDOS真空加氯機、水射器、電磁閥和壓力控制器等組成。上位機可進行設備狀態(tài)、工藝流程、儀表實時數據顯示、參數設定、報警以及實施控制等功能。SattCon35 PLC為模塊化結構，一個機架可插入16個I/O模塊，可擴展為三個機架，經由SattBus總線與上位機通信?，F場的OP45為帶液晶顯示板的微型PLC，可對設備進行控制操作和顯示設備的運行狀態(tài)等，通過COMLI通信協議與SattCon35 PLC進行通信。系統總體如圖1所示。

三、控制原理

該投氯系統利用PLC有三種方式實施控制，即比值控制、串級控制和固定調節(jié)閥開度控制。控制模式的轉換通過上位機實現。

1、控制過程

當原水泵起動后，流量計檢測到濾后水的流量由0m3/h開始增加，水射器前的電磁閥打開，在清水管內的壓力達到工作值時，由壓力控制器將觸點信號送到PLC，PLC產生輸出，控制加氯機內的調節(jié)閥打開，并調節(jié)到控制要求的開度，通過水射器，將氯水投加到濾后水管道中。

當原水泵停泵后，原水流量低于一定值時，加氯機調節(jié)閥及電磁閥關閉，加氯機停止工作。

2、比值控制

此方式是根據輸送的濾后水流量的大小，按設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系，比值參數可隨實際情況通過上位機進行修改，以滿足生產要求。比值控制原理如圖2。其中，三點控制器是用于將模擬量轉換為開關量輸出要求的場合，其原理為模擬量輸入與一個位置反饋信號比較，偏差經過控制算法，決定通過PLC數字量模塊輸出的是“開”還是“關”信號，或者保持原來的狀態(tài)不變，輸出開關量控制信號的改變可以在PLC的一個掃描周期內完成。R / I的作用是利用調節(jié)閥上的電位器，將調節(jié)閥的位置信號（閥的開度）轉換為4—20mA電流信號，送到PLC。從圖可以看出，比值器的輸出是調節(jié)器的給定輸入，因流量是變化的，所以系統是一個隨動系統，調節(jié)器可以快速地隨動于主動量，不管是主動量流量變化還是從動量閥開度受擾動而變化，總是能通過調節(jié)控制閥的開啟度來保持設定的加氯比值，以達到氯氣投加穩(wěn)定控制的目的。

3、串級比值控制

比值控制雖然結構簡單，但是它也有應用的局限性，比如溫度變化或濾后水水質波動大時，對余氯的穩(wěn)定控制能力就有影響，而且究竟比值設定值合不合理，只有靠操作人員憑經驗去調節(jié)，采用串級控制就能較好地解決這個問題。本系統如圖3所示，它由流量計、余氯檢測儀、調節(jié)閥和PLC等組成。串級控制系統采用兩級調節(jié)器，這兩級調節(jié)器串接在一起，新增加的調節(jié)器為主調節(jié)器，比值控制環(huán)內的調節(jié)器為副調節(jié)器，副控制環(huán)是串在主控制環(huán)之中，用余氯調節(jié)器（主調節(jié)器）的輸出作為比值器的輸入設定值，比值器的輸出作為位置調節(jié)器（副調節(jié)器）的輸入設定值，位置調節(jié)器的輸出值作為三點控制器的輸入值，通過三點控制器輸出“開”或“關”的數字量信號，控制加氯機調節(jié)閥的開度，利用在線余氯檢測儀不斷將水中的余氯值反饋到主調節(jié)器的輸入端，與余氯給定值進行比較，通過它們的協調工作，使被控量余氯準確地保持為給定值。對流量波動等擾動因素的影響由副控回路迅速地調節(jié)，而水的耗氯量等擾動因素的影響則由主控回路調節(jié)，具有很好的對負荷變化的適應能力。主控回路具有“細調”作用，副控回路具有“粗調”作用，而兩者相互配合，使控制質量高于比值控制系統。系統除了能克服落在主，副環(huán)內的擾動外，還提高了系統的工作頻率，加快過渡過程。

4、固定調節(jié)閥開度控制

在上位機或OP45操作盤上，通過輸入加氯機調節(jié)閥的開啟度百分數，即可控制加氯機按照設定的開度值進行加氯運行。

四、調節(jié)器選型

因為生產工藝對余氯的穩(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，主控調節(jié)器應該具有積分作用，采用比例積分（PI）調節(jié)器。對于副控調節(jié)器，作為串級系統的副環(huán)時，為了克服進入副控回路干擾的影響，保證副變量也達到一定的控制質量要求，以便能夠改善整個調節(jié)系統的品質，而且當它單獨作為比值控制系統使用時，希望有好的動態(tài)性能，所以選用PI調節(jié)器。

五、串級比值系統的運行

1、控制系統的投運步驟

按照先投副環(huán)后投主環(huán)的步驟進行投運過程。

（1）對整個系統的硬件部分既外部接線、電器設備、儀表和工藝設備的狀態(tài)進行檢查，做好投運前必要的準備工作，另外，盡可能在保證工藝等外部條件相對穩(wěn)定的狀況下進行，以減少不必要的干擾影響。

（2）在上位機上，將各調節(jié)器轉換為手動遙控模式，斷開串級控制選擇軟開關。

（3）為比值控制環(huán)設定合適的輸入給定值，并將現場的加氯機、電磁閥等由就地手動控制切換為遙控模式，之后，投入比值系統運行。

（4）在被控量穩(wěn)定后，將比值環(huán)內調節(jié)器的TI置于zui大值，P置于經驗值，按下串級控制軟開關，調整主調節(jié)器的輸出值，直到比值回路輸入偏差接近為零。

（5）將比值系統轉為自動模式，改變主調節(jié)器的輸出，使被控量穩(wěn)定。

（6）將主調節(jié)器的P置于經驗值，TI置zui大值。觀察調整系統運行情況，當輸入偏差接近于零被控量穩(wěn)定時，切換主調節(jié)器狀態(tài)為自動。

2、調節(jié)器參數整定

串級系統副環(huán)的對象慣性小，工作頻率高，而主環(huán)慣性大，工作頻率低。為了提高系統的控制性能，以免頻率相近時發(fā)生主控回路和副控回路之間共振和干擾現象，造成破壞它們的協調工作，主、副環(huán)的工作頻率比值應選取適當，相差三倍以上。副回路的工作頻率高一點可以使副回路靈敏些、控制作用快一點。主調節(jié)器的放大系數可適當大些，有利于提高系統抑制一次擾動的能力。

串級比值控制系統有主、副環(huán)兩個回路，而且副控回路為比值控制回路，因此，調節(jié)器參數的整定比單回路系統要復雜，但其實質是相同的，通過改變兩調節(jié)器的P、TI參數，來改善系統的靜、動態(tài)特性，從而獲得*的控制過程。主回路是一個定值系統，其控制質量要求較高。副回路是一個隨動系統，不僅要能準確快速地跟隨主調節(jié)器的輸出變化，而且在它單獨運行時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，再整定主調節(jié)器的參數。由于副控回路是比值環(huán)路，為一個隨動系統，不應有過調，應該以達到振蕩與不振蕩的臨界過程為好，所以，將積分時間TI置于zui大，由大到小改變比例度，直到系統處于振蕩與不振蕩的臨界過程為止，再適當放寬比例度，緩慢地把積分時間減小，直到系統處于振蕩與不振蕩的臨界過程或微振蕩過程為止。然后把串級控制系統的主調節(jié)器投入運行，按單回路控制系統調節(jié)器的整定方法，整定主調節(jié)器的參數，觀察控制過程，適當調整調節(jié)器參數，直到主變量控制質量*。如果在整定過程中出現共振，只要適當增大主控制器、副控制器的任一比例度值就能夠消除。

本串級比值控制系統的各參數整定值為：主調節(jié)器的比例和積分時間分別為0.1、60s，副調節(jié)器的比例和積分時間分別為0.3、 5s。

六、結束語

采用比值控制方法，所控制的氯氣投加量比較穩(wěn)定。而用串級比值控制方法，由于副控回路給系統帶來的一系列優(yōu)點，使其具有了*的*控制性能，它對于多方面的擾動因素能及時準確地克服。兩種方法選擇使用，增強了系統的自控程度。

系統在水廠經過多年的運行，取得了很好的效果。該控制系統操作簡單，維護方便，可靠性高，后加氯余氯值能達到要求并控制穩(wěn)定，出廠水余氯始終保持在控制范圍內。