混凝专家

——石家庄市润石水厂自动加药系统简介

张建弟 袁乃煜

　　一、引言

　　混凝是指在原水中加入一定量的药剂，经充分反应后，使水中的悬浮物和胶体杂质形成易于沉淀的大颗粒絮凝体，在后继处理过程中分离去处的过程；是水处理过程中的一个重要环节。对后继沉淀、过滤和消毒工艺的效果有很大的影响，在净水技术中有着十分重要的地位。
　　专家系统是指计算机控制与生产实践相结合所产生的，适合各行业或不同工艺环节的专业控制系统。它以保证和提高生产过程中的经济性、稳定性和安全性为目标，是自动控制技术的发展方向，对促进生产力的发展，促进各行业技术水平的提高发挥着越来越重要的作用。
　　石家庄市第八水厂建于二十世纪九十年代初期，由地方政府投资并引进澳大利亚贷款850万美元，总投资额6．2亿元人民币，净水厂区占地214亩，日供水能力为30万立方米，净水技术采用传统的混凝、沉淀、过滤和消毒工艺。原水来自位于市区西北几十公里的滹沱河上游的两个串联水库，水库水质较好，达到国家二类饮用水水源标准。投资中，澳方贷款部分主要用于引进设备、仪器仪表和自动控制技术，使水厂具有较高的配置和技术水平，在国内供水行业中处于领先地位。但是自投入运行之日起我们便发现，在总体水平较高，处理水水质较好的同时，还有一些不尽如人意的环节。特别是控制部分。原设计自动加药、自动加氯和送水机变频调速恒压供水等目标一直没能调试成功。
　　在加药自动控制中，鉴于生产工艺及构筑物、设备等都已定型的情况下，加药量的是否最佳是影响混凝效果和整个水厂处理效果的关键因素，为保证水厂处理水水质的稳定性降低药耗，提高经济效益，充分发挥现有设备的作用，我厂选择了“自动加药系统”为攻关课题，历时两年时间，取得了一定的成绩，收到了良好效益。

　　二、 原加药控制单元组成、原理及存在的问题

　　1、组成及控制原理
　　我厂原加药控制系统是大多数引进水厂都采用以流量信号作为前馈，游动电流信号作为负反馈控制加药泵的流量。主要硬件组成有：入厂水流量计、加药流量计、游动电流分析仪、可调加药泵、可编程控制器及其它设备。控制思想利用入厂水流量开环控制加药量，减小入厂水流量对系统的影响；用SCD监测加药后混凝效果，以其作为负反馈，形成闭环控制，控制加药泵流量，使加药混凝达到理想效果。
　　2、存在问题
　　控制理论及思想是成熟的，但在实际运行中该系统自始至终都没能投入运行，主要原因有：①流量信号波动频繁和SCD信号不稳定，这些都导致系统难于稳定，操作机构不断调节，无法投入自动。②原控制设计思想存在缺陷，没有考虑在不同的水质条件下，加药的SCD响应曲线发生重大变化，导致调节参数不合适，若不修正会导致SCD值在大范围变化，加药投加量不合适，系统难于稳定运行。从而不能正常工作，这是绝大多数基于此种设计思想的水厂不能实现自控的主要原因。②我厂处理工艺在厂区分为两个系列，原设计加药控制系统为两线同时运行，而在实际中需要两线进水单线运行时无法使用。

　　三、混凝专家系统简介

　　1、混凝专家系统硬件组成
　　我们在原有的硬件基础上增加了PLC的内存容量，由2K增加到4K，通过编制软件实现自动控制。
　　2、混凝专家控制系统原理
　　a、提出“两线分离”的控制思路，引入了平流沉淀池运行方式参量，增加了单双线运行的判断，将两线分开独立控制，可以区分不同的运行方式分别自动选用相应流量信号控制加药泵投加药液(运行方式见附录1)，这样就解决在自动运行中不能单线处理的矛盾；
　　b、改变原有程序增加数字滤波系统，此方法可在不增加任何硬件的基础上，既可达到要求。我们对流量选用递推平均滤波，使流量曲线平滑，取得了良好的控制效果(见附录2)；对SCD负反馈信号采用带死区的PI调节(见附录3)，减少由于SCD波动引起的系统频繁调节，增加系统稳定性、减少了加药泵的调节、延长加 药泵的使用寿命；
　　c、通过混凝实验及历史数据的统计分析，得出不同季节的投加规律，采用不同的算法，改变流量比例系数和闭环控制的PI参数。根据浊度信号，并且进一步考虑水温度、PH值对混凝的影响，使系统更趋完善，更加适应我市水厂的实际运行。
　　由于它们的引入，极大的完善了加药的自动控制，将给水理论中“浊度作为反映杂质含量的指标，是影响对混凝剂的需求量的重要指标”的理念引入到了控制系统，才给SCD创造了一个合适的工作环境，从而发挥作用。通过将水质参数的引入，使自控技术真正的与水处理专业相结合，形成了真正属于水处理专业的这个“专家系统”。

　　四、该系统存在的不足及我们下一步的构想

　　1、目前，我厂是根据不同季节的水源水质特点，总结历年的投加规律，结合混凝实验数据，调节SCD的控制控制参数，它存在着调节分段不能连续控制，控制参数调节不及时等弊端。
　　2、今后，我们将利用原水的浊度信号以及不同季节的水温，PH等水质特性直接控制药液的投加，达到SCD参数的自动调节实现加药的连续控制，这样本系统将进一步完善，并且更适应我国地表水处理的国情，可以在国内同类水厂进行推广。

　　附录１
　　梯形图控制程序设计思路如下：
　　1）在双线运行时，我厂三台加药泵两用一备的运行方式。即：1、2；2、3；1、3分别向两线投药。
　　2）在单线运行时，我厂采取一用一备的运行方式
　　　a、一线运行时，使用1、2号加药泵，一用一备向一线投药；
　　　b、二线运行时，使用2、3号加药泵，一用一备向二线投药。
　　3）当单线运行时，为防止因单线运行形成一条管线内“死水”而变质，通过阀室手动阀门，将两线水同时注入一系列进行处理。
　　　a、当一线运行时，1、2号沉淀池在运行（“IN SERV”）状态，3、4号沉淀池退出运行（“IN SERV”）状态，使用流量信号之和控制1或2号加药泵。
　　　b、当二线运行时，1、2号沉淀池退出运行（“IN SERV”）状态，3、4号沉淀池在运行（“IN SERV”）状态，使用流量信号之和控制2或3号加药泵。
　　　c、当两线运行时，1、2、3、4号沉淀池均在运行（“IN SERV”）状态，使用1和2流量信号分别控制加药泵。
　　运行方式见下表：（见下表）

　　附录2：
　　流量采用递推平均滤波：

　　n=100；采样周期80mS经过滤波后效果见下图：

　　附录3：
　　在PI控制回路中，由于加入了前馈调节致使控制负荷变化减小，控制精度要求较高，并且要求加药泵不能频繁调节，因此我们采用带死区的比例积分（PI）控制。

　　当│E（t）│＞│e₀│时
　　U（s）=KpE(s)+ki×[E（s)/s]
　　Kp为比例系数，Ki为积分系数

　　当│E（t）│＜│e₀│时
　　U（t)=0或U（s）=0
　　将上式离散化后得到
　　U（s）=Kp[E（s）-E（k-1)]+E(s)/Ti
　　我们为编程方便将上式简化为偏差系数控制算式
　　△U(s)=AE（s)-BE(s-1)
　　A=K_p+Ki;B=Kp+2Ki
通过对不同季节的原水，经过混凝实验后，得到最佳投加比率，采用工程整定中的响应曲线法，既可得到不同季节水质的控制响应的曲线。通过修改参数，既可将系统投入自动控制。

控制程序