（控制理论与控制工程专业论文）水厂氯气投加自动控制的研究.pdf

摘要 摘要 氯气投加是水厂给水处理工艺中最重要的环节之一。具有有大惯性、大时延的特点，并且其过 渡过程时间和纯滞后时间均较长。对于这样一个复杂的工艺过程，目前在国内给水行业中还没有很 好的自动控制解决方案。本文通过建立余氯在清水池中混合、停留及反应的过程模型，并在此基础 上应用基于前馈一反馈的串级系统的控制方法提出了一种自动加氯的控制方案：利用串级系统中副 回路的快速反应来抑制清水池迸水量等因素的突变对系统所造成的高频干扰；主回路则通过建立氯 气投加的过程模型，并使用s m i t h 预估器进行预估补偿控制，可以有效地改善系统的控制品质。另 外，本文通过建立基于s c a d a 结构的硬件平台，并结合p l c 和组态技术，在工程上实现了对南京市 北河口自来水厂氯气投加工艺过程的实时监测及自动控制，使该厂出厂水余氯指标的合格率得到了 较大提高 关键词：水厂；氯气投加；自动控制；大时延；串级系统；s m i t h 预估器；s c a d a a b s t r a c t a b s t r a c t l i k em o s tp r o c e e si ni n d u s t r y , c h l o r i n e - f e e d i n gd i s i n f e c t i o np r o c e s si nw a t e r w o r k sa l s oh a sf e a t u r e so f b o t hb i gi n e r t i aa n dl a r g et i m e - d e l a y i ti sac o m p l e xp r o g e s sf o rt h a ti t st r a n s i t i o nt i m ea n dp u r et i m e - d e l a y a r eb o t hv e r yl a r g e t h e r es t i l lh a v en ov e r yg o o da u t o m a t i cc h l o r i n e - f e e d i n gs o l u t i o ni no u rw a t e rs u p p l y i n d u s t r yf o rt h a tt oc o n t r o ls u c hac o m p l e xs y s t e mu s i n gc o m m o nm e t h o di su n f e a s i b l e b ye s t a b l i s h i n gt h e m o d e lo f t h ec h l o d n a t i o np r o c e s s ，a n dm i n gam e t h o do f f e e d f o r w a r d - f e e d b a c kc a s c a d ec o n t r o l ”，w eg o t ac o n t r o ls c h e m ef o ra u t o m a t i cc h l o r i n e - f e e d i n g 1 1 碡b a s i ci d e ao ft h i ss c h e m e i st om a k eu s eo ft h e f a s t - r e a c t i o nf e a t u r eo ft h es u b s i d i a r y1 0 i nc a s c a d es y s t e mt or e s t r a i nt h ed i s t u r b a n c ec j m s c db yt h e v a r i e t yo fw a t e r - q u a l i t ya n do t h e rf a c t o r s , w h i l et h em a i nl o o pu s i n gt h ee s t a b l i s h e dm o d e la n ds m i t h c o n t r o l l e rt oi m p r o v et h ec o n t r o lq u a i l t ye m c i e n t i y b yt h ew a y , b ye e t a b l i s h i n ga p l a t f o r mo f s c a d a a n d u s i n gt e c h n i q u e so fp l ca n dc o n f i g n m t i o n , w eh e l p e dt h en a n j i n gb e i h e k o uw a t e r w o r k sd e s i g n e da n a u t o m a t i cc h l o r i n e - f e e d i n gs y s t e m ，a n dt h ec o n t r o le f f e c ti sv e r y9 0 0 dw h e nt h es y s t e mi sb r o u g h ti n t ou s e k e yw o r d s ：w a t e r w o r k s ；c h l o r i n e - f e e d i n g ；a u t o m a t i cc o n t r o l ；l a r g et i m e - d e l a y ；c a s c a d ec o n t r o l s y s t e m ；s m i t hc o n t r o l l e r ；s c a d a n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 蟹日期：砷一岁 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 投加氯气消毒工序是给水处理中至关重要的一个环节，其目标是要控制出厂水中的余氯含量在 一个规定的范围之内。出厂水余氯含量是衡量自来水质量的重要指标之一，余氯太低无法起到在管 网中持续杀毒的效果，太高则易与杂质生成致癌物质，这就要求必须要有一种可靠的氯气投加控制 方式来确保出厂水余氯含量的稳定。 目前在我国绝大部分水厂都是采用依靠人工经验来控制氯气投加的。但是由于氯气投加过程受 到配水流量、水质、温度等多种因素的影响，且控制目标与投加点间存在着大时延。因此整个过程 非常复杂，仅依靠人工经验进行氯气投加很难取得良好的控制效果，并且还存在着供水质量的安全 隐患。为改变这种状况，迫切需要研究一套水厂氯气投加自动控制系统来进一步提高供水质量。对 此国内一些机构已经开始进行了一些氯气投加机理和自动化处理方面的研究，但尚未形成一套切实 有效的自动控制方法。本文在深入研究氯气投加过程的工艺特点的基础上，通过机理分析、建立过 程模型，并结合先进的控制方法，提出了一套具有相当高的实用价值和可靠的氯气投加的自动控制 方案。 1 2 氯气投加工艺简介 我国大部份自来水厂挣水工艺流程都包括取水、加矾、沉淀、过滤、加氯、出水等过程，其流 程图如图1 - 1 所示i l | 加矾 詹加t 萌加氯摊花 圈1 - 1 净水工艺流程图 利用氯气对自来水进行消毒时，为了有比较好的消毒效果。必须保证氯气和水一定的接触时间； 另外，为了使自来水在城市管网中还具有持续杀菌和消毒作用，必须在经过氯与水的充分接触之后， 出厂水中还要有一定的余氯含量。我国生活饮用水卫生标准中明确规定【2 j ：集中式给水用氯消 毒时，在与水接触3 0 分钟后，水中游离性余氯应不低于0 3 m g l ，管网末梢应不低于0 0 5 m g l 自来水公司会依据其制定出相应的出厂水余氯指标作为各个自来水厂加氯环节的考核标准。加氯系 统的目标就是通过控制氯气的投加量来保证出厂水中的余氯含量在自来水公司的考核标准要求的范 围之内。 在一般的自来水厂中，加氯工艺包含两个部分：滤前水加氯环节( 前加氯) 和滤后水加氯环节 ( 后加氯) 。前加氯在原水进入沉淀池之前进行，目的主要是为了杀灭原水中的藻类，以防止其在沉 淀池或滤池中滋生繁殖。由于前加氯环节中投加的氯气并不是非常多，而沉淀池和滤池对氯的消耗 量较大，使得滤后水中一般无剩余氯的存在，因此前加氯对出厂水的余氯含量基本上没有影响。后 加氯在滤后水进入清水池前进行，其目的是通过氯气与水在清水池中充分接触后水解生成的强氧化 剂次氯酸杀灭水中的各种细菌和病毒。另外，出厂水中的余氯含量也要靠滤后水加氯环节来保证。 由于对于一般水厂来说，前加氯不是必须的，并且其对加氯系统控制的目标( 出厂水余氯含量) 几 乎没有影响，因此在本文中所研究的加氯系统如无特殊说明，指的均是滤后水加氯环节。 l 东南大学硕士学位论文 在滤后水加氯工艺中，储存在氯瓶中的液氯通过管道送入液氯蒸发器，再通过真空调节器送入 加氯机，利用加氯机中的水射器在投加点处进行氯气投加，工艺流程如图卜2 所示。 堕 c=了 匝骊藏蚕卜透磊孺卜医丽阽i 幽l 燃 i 加氯机i 匪叫 图1 - 2 加氯工艺流程圈 氯气的投加点一般在清水池入口管道中或直接在清水池入口处。加氯的接触时间是保证消毒效 果的重要条件，规程规定，氯与水应充分混合，其接触时间不应小于3 0 分钟。一般水厂均为利用清 水池作为接触池或另建造接触池来保证接触时间大于3 0 分钟。滤后水经加氯后，水中的氯与杂质在 清水池中充分接触、反应，然后流出清水池，并通过二泵房送入城市自来水管网中。自来水厂在二 泵房出水处置一块监测余氯含量的仪表，通过其来确定出厂水中的余氯含量是否达标。 整个流程的控制目标是二泵房的余氯含量，可以控制的量为加氯机的加氯量。由于含氯的水要 在清水池中停滞较长的时间，必然会发生混合及与杂质反应等现象，因此二泵房出水余氯含量受很 多因素的影响，包括滤后水的流量、清水池水位、清水池出水量、水质( 水中氨氮含量、p h 值、水 温、滤后水浊度、其他杂质等) 等等因素，其中有很多因素对余氯含量的干扰影响很大，并且这些 干扰因素往往变化很快。由于种种因素的影响，氯气投加在一般的水厂中都是最难控制的一个环节。 1 3 国内外水厂氯气投加系统现状 近几年我国由于工业的蓬勃发展，而环保治理没有及时跟上，地面水污染日益严重，水源水质 逐渐恶化。为了降低出厂水色度、氨氮和有机污染物的含量，许多水厂在常规处理工艺中加大了氯 的投加量，但其净化效果不明显，反而增加了出厂水中三氯甲烷等卤代烃和致突变物质的含量。面 对这种状况，传统的常规水处理工艺已显得力不从心，研究新的水处理工艺，利用先进的自动化控 制技术，改善出厂水水质，已成为国内水处理界的共识。 目前国内一些大型水厂，从国外引进加氯设备和仪表，氯气投加控制尝试采用复合环控制方式 ”j ，但从实际使用的效果来看通用性并不很理想，特别在不同的水质、流量波动和不同的清水池结 构下，出厂水的余氯变化非常大，并且十分不稳定，因此最后大部分的水厂往往仍旧采用人工投加 方式。 相对国内而言，国外主要的自来水处理厂已经实现了包括消毒工艺在内的工艺流程中主要参数 的自动测试和控制。8 0 年代以来在美国召开了多次水处理仪器和自动化的国际学术会议，会上发表 的数百篇论文反映出水处理自动化已发展到实用水平。近年来。国外有许多学者进一步对自来水处 理自动控制工艺进行研究，寻求更加精确和可靠的方法来实施自动控制，因而许多发达国家已率先 全面实现了包括消毒工艺在内的水处理自动化。另外，在消毒工艺上国外也进行了许多改进，例如 普遍使用成本较高但消毒效果好的二氧化氯代替氯气作为消毒药剂，并对整个消毒过程采用多点投 加、多点检测的手段，从而大大降低了进行自动控制的难度，促进了自动加氯的普及。 与国外相比，我国自来水处理自动化起步较晚，进入9 0 年代以后的自来水处理厂才开始引入自 动控制系统，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统在自来水处理厂应用很少。 此外，国内很大一批自来水厂为八十年代以前建造的老厂，其设备更新缓慢，原有设备陈旧及 老化现象十分严重，受种种客观条件的限制，其加氯设备和在线检测仪表不能满足自动加氯控制的 要求，因而导致这些厂家的加氯系统的自动化程度整体较低。 氯气投加系统是一个典型的大时延系统，必须采用相应的特殊控制方式才能拥有较好的控制效 2 第一章绪论 果。近几年，国内一些新建的水厂也开始着手建立自动加氯系统。但由于在控制方式的研究上，普 遍的设计思路基本上均为基于p i d 调节【4 】 3 1 。而p i d 调节本身并不适合处理大时延工业过程，非常 容易产生振荡，因而这些系统在实际中往往控制效果并不好，不能投入长期使用或进行推广。对此， 必须研究和应用新的方法，采取适合大时延系统的控制方式，从真正意义上实现氯气投加的自动控 制 1 4 课题简介及本文研究内容 本课题在北河口水厂进行氯气自动投加的试点研究。北河口水厂建厂历史悠久，平均日供应水 量为6 5 万立方米，是南京市最大的自来水处理厂。两年前，北河口水厂对老厂区的加氯设施进行了 设备改造，更换了加氯设备，改变了投加工艺，增加了漏氯报警和氯气中和系统，实现了安全系统 的自动控制，氯气泄漏时能自动报警、中和等，加氯的设备和性能得到了很大的提高。但由于加氯 过程本身的复杂性，以及部分检测仪表存在缺陷，导致其未能实现氯气投加的自动控制，目前该厂 氯气的投加仍采用人工投加方式。由于人工投氯气经常发生出厂水余氯超标的情况，水厂方面迫切 希望能够应用一套氯气投加自动控制系统来改善供水质量，并借以提高水厂生产的自动化程度、降 低生产成本 本文通过分析水厂氯气投加工艺，针对加氯过程具有大惯性、大时延的特点，通过建立余氯在 清水池中混合、停留及反应的过程模型，并在此基础上应用基于前馈一反馈的串级系统的控制方法， 提出了一种自动加氧的控制方案。其基本思想是利用串级系统中副回路的快速反应来抑制进水量、 水质等因素的突变对系统所造成的高频；主回路通过建立加氯的过程模型，并使用s m i t h 预估器进 行预估补偿，从而有效地改善系统的控制品质。除此之外，针对北河口水厂存在的一些特殊的情况， 例如检测设备存在比较大的检测滞后、氯气投加设备的非线性控制特性等问题，本文也提供了相应 的解决办法。在确定了控制方案的可行性之后，通过对北河口水厂原有加氯设施进行系统化改造， 建立基于s c a d a 结构的硬件平台，并通过运用p l c 及组态技术，以组态软件r s v i e w 3 2 和嵌入式v b a 脚本语言为软件平台，开发了一套加氯监控系统，实现了北河口老厂氯气投加的自动控制。系统在 实际运行中，控制效果非常良好。 3 东南大学硕士学位论文 第二章水厂氯气投加过程的工艺分析 2 1 氯气投加过程的初步分析 在对氯气投加过程进行了机理分析和实验研究之后，我们深入的解了加氯工艺过程的一些特点， 从而为自动控制方案的确定提供了有力的依据。 2 1 1 余氯变化规律 氯气被投加到水中之后，主要要经历水解、与杂质反应、在清水池中停留、流出清水池几个过 程。以下重点从机理上分析余氯在这几个过程中的变化规律。 1 氯气的水解规律 氯气投加到水中后，首先水解生成盐酸( n c l ) 和次氧酸m c l o ) ： c 1 2 + h 2 0 一h c i o + h c l 式2 1 ) 这一反应大概在几秒钟之内就可以完成，由于氯气的溶解度很大，所基本上投入水中的氯气都 能迅速生成次氯酸和盐酸，并且次氯酸会进一步部分水解生成次氯酸根离子( c l o + ) 和氢离子( h + ) 。次 氯酸和次氯酸根离子由于其中的c l 都是+ l 价因而具有非常强的氧化性，可以杀死病菌，因此它们 都是有效氯；而盐酸由于其中的c l 是1 价，不具有氧化性，因此不是有效氯一般余氯分析仪测得 的都是实际中起消毒作用的有效氯，即具有强氧化性的次氯酸和次氯酸根离子的含量，不包含盐酸。 2 氯与水中杂质的反应 实际的原水中由于水源的原因，总是不可避免的存在其他杂质，有效氯会因为与杂质的反应而 大量减少。在各种杂质中影响比较大的便是氨氮0 , a - 1 3 ) ，氨氮与次氯酸的反应生成一氯胺0 c r 1 2 c i ) 和 二氯胺( n h c l 2 ) 1 6 1 ： h c i o + n h 3 一n h 2 c i + z ，2 0 ( 式2 ，2 ) h c i o + n h z ahn h c l 2 + h 2 0 ( 式2 3 ) 但是上面的两个反应存在区别：式2 2 的反应只需要1 秒钟左右即可完全完成，基本上在氯气 投入水中后立刻完成；而式2 3 的反应是一个可逆反应，其反应程度若达到9 0 至少需要经过几个 小时，也就是说该反应会一直在清水池中持续进行，相当于对余氯的“二次干扰” 原水中一般还含有一些有机物和其它类型的杂质，它们与氯的反应较为复杂，但是一般都认为 在初始的很短时间内很快就能发生反应。并且其消耗的氯量不多而且相对比较稳定。 3 折点加氯f 7 】 在氯气投加工艺中，还存在一个“折点加氧”的概念。当水中含较多氨氮时，若氯气投加量低 于一定量时，有效氯与氨氮只会发生式2 2 和式2 3 的两个反应。后者是一个可逆反应，此时水中还 会存在一定量的有效氯，继续增大氯气投加量会导致水中有效氯含量持续增加。但当继续增大氯气 的投加量时，会导致前面生成的二氯胺不稳定，发生分解： 2 n h 2 c l 十h c i o n 2t + 日2 0 + 3 h c l ( 式2 4 ) 该反应要消耗一些有效氯，使得水中残留的有效氯又开始不断减小。当氯气投加量达到水中氨 氮浓度的8 1 0 倍时( 理论比值是7 6 ) 即到达“折点”时，所有的不稳定的二氯胺都被分解，进一步 4 第二章水厂原氯气投加系统概况及分析 增大加氯量，就会使得水中的有效氯又开始继续上升。图2 - 1 是折点加氯的原理图。 圈2 1 折点加氯的原理冒 在实际进行氯气投加时，都必须要保证氯气投加量超过折点，以保证水中的有效余氯含量能保 持稳定。 4 氯在清水池中的停留过程 当滤后水经加氯后，就进入清水池了。水厂的清水池一般为了保证水的停留时间，并且为了防 止存在水流死角和保持各部分水流停留时间的均衡。一般都在清水池中建有水道。水经过弯弯曲曲 的水道流淌，经过一定的时间之后从清水池的出口流向二泵房。 在清水池的整个停留过程中，氯在水中除了发生种种的反应和损耗之外。由于扩散作用，水中 不同浓度的氯之间还会发生混合。混合的程度受本身的余氯含量、水的流速等因素的影响，另外， 对于不同的季节所导致的水的温度和p h 值的不同，水中余氯的混合情况差别很大。 2 1 2 氯气投加过程的特点及影响因素 在生产现场进行一段时间的跟踪观察，结合机理分析、历史数据等进行综合比较后，我们对整 个氯气投加过程有了比较深入的认识。在记录数据时，由于清水池进水量不断变化，考虑到氯气投 加量与出水余氯含量的关系不能很直接的反映问题，因此，这里是通过分析清水池进水余氯和出水 余氯含量间的关系来研究控制对象的特点的。在对原有余氯仪的检测位置进行调整后，我们记录下 清水池入口投加点附近的余氯含量作为进水余氯数据，二泵房处余氯含量作为出水余氯数据。通过 在不同工况下进行了大量的飞升试验等实验后，我们取得了许多有用的数据( 部分曲线见图2 - 2 ) 东南大学硕士学位论文 图2 - 2 部分不同工况下的实验曲线 从实验的结果来看，可以初步确定加氯系统的控制对象具有工业上的大时延系统的特征，并且 其纯时延和过渡时间都较长 在氯气投加过程中，氯气通过加氯机投加到水中，单位水中的加氯量越大，氯的浓度也越大。 加氯量是该系统中唯一的可控量。另外，整个加氯环节受到众多因素的干扰，经仔细调研分析，总 结出系统主要的几种因素的特点及其影响如下： 1 、清水池进水流量。清水池进水流量即滤后水的流量，流量的变化直接影响投加入水中的氯的浓度。 滤后水流量会因为工艺上或用水调度等方面的原因发生较大的变化。 2 、水中氨氮含量。水中的氨氮会消耗很大一部分氯，是最主要的干扰因素。水中的氨氮含量随着长 江上游水质的变化而有很大不同，由于我国长江中上游存在较多的污染源，因此水中氨氮含量随时 问起伏很大。 3 、清水池出水量。清水池出水量越小，含氯的水在清水池中滞留的时间就越长，反应、混合及挥发 的程度就越大，相应的氯含量的衰减的程度就大。 4 、清水池水位。在不同的清水池水位下，氯气的反应和混合过程会发生改变。 5 、温度、浊度、p h 值等。这些因素同样会影响出厂水中的余氯含量，但相对其他因素而言，影响 要小一些。 各因素的影响程度及其它情况见表2 - 1 。 因素对加氯的影响程度变化规律相关检测仪表 加氯量大可控量有 清水池进水流量大 由滤池人工控制，变化较频繁，无 无规律 水中氨氮含量大 平时含量少且稳定，遇暴雨、上 无 游荡染等情况会突变 清水池出水量中等 由自来水公司统一调度的二泵 有 房出水量决定，不经常变化，且 水量稳定 清水池水位偏小变化较频繁，但一般在一个范围有 之内，且不会突变 温度，浊度、p h 值等小一般情况下变化不大无 表2 1 各因素对加氯系统的影响 从上表中可以知道，加氯系统最主要的影响因素是加氯量、清水池进水量、水中氨氮含量、清 水池出水量，而其他因素相对来说影响比较小。要实现氯气投加过程的自动控制，对于其中影响氯 气投加过程较大、变化较快的因素必须要求有相应的检测设备但实际上，在影响较大的因素里面， 对于清水池进水量和氨氮含量信号，由于存在安装难度和检测设备成本较高等原因，厂内并未安装 对应的检测仪表，这无疑为控制增加了较大难度。在这种情况下，要依旧能设计出高质量的自动控 制系统，就要求我们在控制算法上做出深入细致的研究，必须设计出一套具备克服大时延的能力， 对在线检测仪表要求较低的自动控制方案。 2 2 人工投加方式及其存在的问题 北河口水厂老厂加氯工艺由前加氯和后加氯两部分组成。前加氯投加点设在原水取水口处。后 加氯投加点设在清水池入口处。本文选择老厂1 3 万吨清水池后加氯环节作为研究对象，其原有氯气 投加方式为人工控制投加，加氯流程图如图2 - 3 所示。 6 第二章水厂原氯气投加系统概况及分析 圈2 - 3 原人工加氯控制框图 由上图可知，首先操作人员根据经验确定初始氯气投加量，含氯的水混合后进入清水池，经过 一定停留时间后经由二泵房出厂。在清水池出口处安装有余氯仪，指示当前余氯值，仪表集中于加 氯间，操作人员根据其读数与期望值的偏差来手工操作加氯机，相应改变氯气投加量 在本课题未进行之前，老厂原有设备已初步实现了一些数据监测及报警的功能，并且具有漏氯 报警等紧急事故处理的能力。但是由于其在设计时对自动加氯功能考虑较少，从而导致其氯气投加 方式仍处于人工控制阶段。对于氯气投加这样一个复杂的过程而言，仅仅依靠人工经验是很难取得 良好的控制效果的。经总结，人工加氯主要存在队下不足之处： 1 在线仪表的缺乏及过程的大滞后对人工控制的影响较大。 ( 1 ) 当清水池进水( 滤后水) 流量稳定但水质发生变化时，由于缺乏在线氨氮仪等水质测量仪表， 操作人员无从得知水质变化准确情况，只能根据出口余氯值浮动情况结合人工经验大致确定所需投 加量，但由于含氯的水在该清水池中的停留时间长达一个多小时甚至更多，新的投加量是否得当也 就需要一个多小时以后才能观测到以便再次调整，这样系统响应速度较慢，易导致出厂水余氯超标 情况发生； ( 2 ) 当水质稳定而清水池进水流量发生变化时，氯气投加量原则上应该与进水流量成正比，但由 于缺乏清水池进水流量仪( 该清水池的特殊结构造成流量仪的安装在施工上较困难) ，操作人员无法 知道准确的流量数据，从而无法准确调节氯气投加量。投加量不当，将导致清水池出口余氯值偏离 期望值，并且使得系统响应速度存在很大的问题。此外。由于清水池进水流量波动较为频繁( 清水 池进水量受滤池出水量的影响，但后者是由人工调节的，调节频繁度及水量大小均不定) ，并且流量 某些时候波动很大( 如滤池反冲洗对清水池进水量影响非常大，其持续时间长短不固定) ，如果仅仅 按照出口余氯情况频繁调整氯气投加量，反而会加剧出口余氯值的振荡； 2 人工控制无法考虑清水池过程模型。由于清水池水位、清水池出水量是不断变化的，因此清 水池的停留时间变化相当大，表现为从半个小时到两、三个小时不等，从而导致了清水池的余氯损 耗幅度也有所变化，这就意味着即使出口余氯偏离值相同，所需氯气投加调整量也不一定相同，这 就给人工控制增加了难度； 3 执行机构存在非线性，操作人员只能通过目测来观察投加量。实际投加量与期望投加量之间 存在误差； 4 由于不同操作人员的经验不尽相同，将会导致在同样外界情况下却出现不同的控制结果，系 统工作状况缺乏规律性和一致性。 原人工加氯系统的出口余氯部分数据变化曲线如图2 - 4 所示，可见，其值尽管没有超标( 厂控 标准为o 5 1 o r e s l ) ，但波动仍较大。一旦遇到大幅干扰，较易出现超标状况。 7 东南大学硕士学位论文 圈2 - 4 原系统某日出口余氯曲线 尽管人工控制不能完全适应各种工况，但其长期积累的工作经验仍然非常有助于自动控制方案 的选择，充分利用计算机的计算能力，并与人的智慧相结合将更加有助于系统的完善。 2 3 加氯设备现状 两年前，在北河口水厂老厂原有设备逐渐老化且投加工艺不能满足投加要求的情况下，水厂对 加氯消毒环节进行了工艺及设备改造。经改造后的老厂通过引进p l c 控制系统实现了加氯间各种设 备信号的集中监控，并增加了漏氯报警、自动中和排风等安全措施，使得生产的安全和效率方面均 得到了很有效的提高。其硬件系统结构如图2 - 5 所示： 图2 - 5 老厂原加氯系统硬件总体架构示意图 现将原氯气投加主要的设备及其特点介绍如下： 1 检测设备 ( 1 ) 两台o 一2 m 科的余氯分辑仪： 一台c l l 7 型在线检测出厂水余氯。一台a i i d o s2 3 5 0 - 2 2 0 0 型的在线检测滤后水余氯，均具备 4 - 2 0 m a 模拟量输出信号。c l l 7 型余氯分析仪使用d p d 比色法自动连续监测水样中的余氯，精度较高， 8 第二章水厂原氯气投加系统概况及分析 且无须人工校正，但其在线采样频率较低，每分析一个水样需2 5 分钟；a l l d o s 3 5 0 2 2 0 0 型余氯分析 仪采样频率非常高，近似于实时，但其缺点为精度较差，需定期由工作人员进行校正 ( 2 ) 一台a l l d o s 超声波液位仪： 负责测量清水池水位。实时检测，精度较高，4 - 2 0 m a 模拟量输出信号 2 控制设备 ( 1 ) 四台0 - - 2 0 k g h 的a l l d o s 真空加氯机： 设置在清水池入口处投加氯气，通过调节加氯机内部的阀门开合度来控制加氯量的大小。在加 氯机的控制面板上设置有电动或手动阀门调节开关，可以精确地调节阀门开合度，并且可以通过一 些设置实现0 2 0 m a 模拟信号远程控制功能。其缺点是其实际加氯量无电反馈信号，必须通过人工观 察设置在其上的浮子流量计才能得知准确投加量，且实际加氯量与阀门开度无一一对应关系。 ( 2 ) 一台a b 公司的m i c r o l o g i x l 5 0 0 型号的p l c ： 负责采集相关数据。该p l c 具有模块化结构，主机上嵌入1 2 点输入，输出模块各一个，并可外部 扩展8 个i o 模块：原系统中含7 个扩展模块。包括2 4 点数字量输入输出模块各1 个、4 点模拟量输入模 块3 个、2 点模拟量输出模块2 个。 ( 3 ) 一台p a n e l v i e w 3 0 0 触摸屏操作员终端： 负责显示加氯间部分仪表的读数及报警记录等。 整个系统基本上以m i c r o l o g i x l 5 0 0p l c 为核心，通过各个设备和仪表提供的4 - 2 0 m a 或0 2 0 m a 输 出信号，p l c 可以方便的采集到加氯机、余氯分析仪、磅秤等设备上的数据，并且依靠p l c 程序实现 漏氯报警、自动中和排风等功能；p a n e l v i e w 操作员终端通过1 7 6 1 - a i c 接口转换模块连接至p l c ，负 责显示p l c 中的相关数据。 老厂1 3 万吨清水池原加氯系统的功能主要包括以下：利用p l c 对加氯间各种设备信号进行集中 监测，并通过p a n e l v i e w 触摸屏显示：动态显示加氯工艺流程及相关设备运行状态；通过对p l c 编程 实现了漏氯报警、排风、自动中和等功能；加氯机远程手动投加控制功能；报警功能等等。 2 4 部分设备的初步调整 通过对原有设备的评估，为了能够满足自动控制的要求，并且尽可能减小设备不合理的设置对 控制所造成的难度，我们对部分检测设备进行了一些更换或调整，增加了部分必须的检测信号，另 外提高了余氯检测仪表的测量精度并减少了其检测滞后。 1 更换余氯分析仪。原本设置在清水池出口处的a l l o o s 余氯分析仪，由于采用电极式的检测方 式，实时性非常好，但精度不是很高，而且需要经常人工校对。自动控制对信号的准确程度要求比 较高，因此我们将其换成了c l l 7 型的余氯分析仪，其采用比色法检测，精度较高且无须校对，唯一 的缺点只是每检测一个样本需要2 5 分钟。 2 变更采样点的位置和采样管。原有的系统由于位处加氯间，无法直接取得二泵房的余氯分析 仪的信号，因此要通过在加氯间安装一台余氯分析仪，以检测清水池出口处余氯来代替二泵房余氯 信号。根据我们的初步设想，二泵房信号可以通过厂内的以太网络取得。并可以将设置在清水池出 口处的余氯分析仪的采样点移至清水池入口处，从而相当于为自动控制多提供了一个串联检测节点。 另外通过对采样管的改造，我们使得入口处余氯的检测滞后时间从1 2 分钟缩减到了6 分钟左右。 3 水位和反冲洗信号的接入。通过放线，将水位和反冲洗信号接入加氯间，通过充分利用这些 信号，来间接分析清水池进水量的变化规律。 9 东南大学硕士学位论文 第三章氯气投加的自动控制方案 3 1 基于串级系统的控制结构 在对氯气投加工艺和机理进行深入了解和详细分析后，针对投加过程高频干扰比较多、时延比 较大的特点。我们决定自动控制方案采用串级控制结构。通过采用分级控制的思想，可以有效提高 系统抗干扰能力和稳定性。 3 1 1 采用串级结构的合理性 串级系统的根本特征就是在常规反馈控制回路的基础上增加一个反馈副回路。通过增加副回路 可以迅速抑制出现在其内的高频干扰，实现“粗调”作用：而主回路用来完成“细调”任务，最终 保证被调量满足要求。基本控制系统框图如图3 - 1 所示。 = i 謦千扰饮芊扰 图3 1 串级控制系统基本结构 串级控制有较好控制性能的原因可以归纳为：一是对二次干扰有很强的克服能力，二是改善了 对象的动态特性，提高了系统的工作频率，三是对负荷和操作条件的变化有一定的自适应的能力 经过仔细分析。我们认为氯气投加系统采用串级控制的方案是非常合理的。由于自来水工艺中， 在加氯消毒之前，原水已经经过了混凝、沉淀、过滤等工艺，水质已相对稳定，变化较缓慢，因而 温度、水质等对过程造成的干扰均属于低频干扰，采用普通反馈控制即可抑制。但是由于缺乏流量 计，流量估计不可避免存在误差，且由于滤后水流量波动较频繁，这就造成了高频干扰，而清水池 停留时间至少长达一个多小时，是个典型的大时延、大惯性系统，如果采用单回路闭环控制，这一 高频干扰是难以克服的。 既然系统的主要高频干扰为流量估计的随机误差，而这一干扰只需要几分钟便可通过清水池入 口余氯仪反映出来，这样就可以迅速对其进行补偿；而温度、p h 值、浊度、氨氮量等波动为低频于 扰，可以通过出口余寡唯啵动反馈调节来逐渐克服。同时，副回路时间常数远比主回路时间常数小， 符合采用串级控制的基本要求。另外，水中诸如氨氮这种会对余氯产生二次干扰的因素，也可以通 过串级系统的不同回路进行有针对性的克服。因此可以认为，加氯系统采用串级控制是合适的。 3 1 2 串级节点的确定 如果把串级系统中整个闭环副回路作为一个等效对象来考虑：可以看到主回路与一般单回路控 制系统没有什么区别。由于串级控制的种种特点都是因为增加了副回路的缘故，因此副回路的设计 质量是保证发挥串级系统优点的关键所在。对于串级系统来讲，确定了串级节点也就等于确定了副 控制回路，因而串级节点的选取十分关键。 从结构上看。副回路也是一个单回路。系统串级节点的设计问题实质在于如何从整个对象中选 i o 第三章氯气投加的自动控制方案 取一部分作为副对象，以形成一个副控制回路。在串级节点的选取时要注意几个问题：首先，串级 节点的选择应该使副回路的时间常数小，调节通道短，反应灵敏。通常串级系统被用来克服对象的 容积滞后和纯时延。选择的副回路时间常数小、调节通道短，可以使等效对象的时间常数大大减小， 提高系统的工作频率，加速反应速度，缩短控制时间，并最终改善系统的控制品质。另外，副回路 应该包含被控对象所受到的主要干扰。串级系统对二次干扰有较强的克服能力。为了发挥这一特殊 作用，在进行系统设计时，串级节点的选择应使得副环尽可能多的包括一些扰动。但是这一点往往 与副回路要求调节通道短、反应快之间存在着矛盾。在设计时必须加以协调。 综合上述考虑，我们将系统的串级节点确定为在清水池入口处。从余氯变化的机理可知，氯气 从投加到清水池入口处这段时间基本上已经完全溶解于水并混合均匀了，并且各种因素对系统的干 扰大部分都完成了，可以使系统的副回路滤除掉系统的高频干扰；另外这段时间相对于整个投加过 程而言比较小，副回路也具备时间常数小、调节通道短等等特点因此串级节点设置在清水池入口 处是合理的。 这样就将串级控制的结构确定下来了：从加氯机投氯点到清水池入口余氯仪反馈处为副回路， 清水池入口处的余氯含量作为副控制对象，利用入口处的余氯反馈修正加氯量控制参数，并调整加 氯给定量：从清水池入口到出口之间为主回路，二泵房余氯含量作为主控制对象，利用出厂水余氯 反馈调整入口余氯给定量。其总体框图如图3 _ 2 所示。 图3 - 2 加氯系统串级控制总框图 3 2 前馈一反馈控制方案的应用 在确定了串级控制的结构之后，我们发现，在副回路中部分高频干扰的频率要远大于副回路自 身的工作频率。在这种情况下，副回路仅仅依靠反馈调节是不合适的，会导致回路的稳定性变差， 因而必须考虑采用更加合理的方法来改善副回路的性能。通过对副回路应用前馈反馈控制方案，可 以十分有效的解决这个问题。 3 2 1 单纯反馈系统的不足 工程上的控制方法最为常见的是反馈控制，如图3 3 所示。系统将当前输出值与设定值的偏差送 入控制器来调整系统的输入。进而使输出稳定。这种方法能满足大多数控制对象的要求，但在对象 特性呈现大时延、多干扰等难以控制的特性时，其控制效果往往不佳，这是因为：首先，反馈控制 的性质意味着存在一个可以测量出的偏差，并用来产生控制作用，以实现闭环控制，即系统必须存 在偏差；另外，反馈调节实质上相当于一种尝试法，这种方法对变化幅度较大且频繁的负荷扰动难 以控制完善。 东南大学硕士学位论文 圈3 3 反馈控制系统基本结构 由图3 3 可见，在北河口水厂老厂的原氯气投加系统中，人工加氯其工作原理实质上基于单纯的 反馈机制。在该机制中，清水池进水量的波动干扰需要靠反馈来克服，但实际由于清水池进水流量 波动频繁，其变化频率常高于系统工作频率，并且余氯检测仪对每个采样的检测时间比较长，使得 对系统控制目标的检测速度慢于扰动的变化速度，这样必然导致控制效果欠佳。在实际调研中我们 总结出。在氯气投加控制中。如果不设法把握清水池进水量的变化规律，而仅仅依靠反馈调节。基 本上不可能实现其自动控制。 3 2 。2 前馈一反馈控制方案的优点 鉴于单纯采取反馈的不足，我们考虑另一种控制方式前馈控制。前馈控制是基于不变性原 理的控制方法其实质是对扰动进行补偿的开环控制。它的工作原理是根据干扰的大小，在输入端 加上相应的前馈量以克服干扰，并保证输出满足期望值。图3 4 就是一个最简单的静态前馈系统嘲 设对象静态增益为k ，干扰d 精确可测，输出设定值为只。则控制器输入为只k 与干扰d 的叠加，易 知系统输出y 将保持 不变。可见前馈控制能够克服干扰。 圈3 4 静态前馈系统结构 从理论上来说静态前馈可以实现对干扰的静态补偿，保证静态偏差为零，但实际无法干预动态 偏差，此时采用动态前馈控制可以有效实现动态补偿。因此，当干扰及模型精确已知时，前馈控制 往往表现得比反馈控制优越且不存在闭环控制中存在的稳定性问题，甚至不需要输出的测量信号。 尽管前馈控制表现出了优越性，但它也有不足之处，一方面它要求高度的静态准确性，既要求准确 的数学模型，也要求测量仪表和计算装置非常准确，这在实际系统中难以满足：另一方面前馈控制 是针对具体的扰动进行补偿，而实际工业对象中扰动因素较多且难以测量，这也就无法完全补偿干 扰。 前馈控制往往需要与反馈控制相结合，构成前馈一反馈控制系统，这样既发挥前馈控制作用及时 的特点，又保持了反馈控制能克服多扰动并可进行反馈校验的优点。因此前馈一反馈控制是较适合过 程控制的方式。前馈一反馈控制系统基本框图如图3 5 所示。 第三章氯气投加的自动控制方案 图3 5 前馈一反馈系统基本框图 对于加氯系统而言，由于单纯反馈的结构满足控制要求比较困难，因此必须要引入前馈信号， 对影响较大的干扰因素进行前馈补偿。在此基础上再对其余的干扰进行反馈校正 对于前馈量的选择上，我们选择了对系统影响非常大，变化较频繁的清水池进水量信号作为前 馈量。由于在实际大部分的时间中，水中杂质含量较低，为了简化处理可以近似认为进水量同加氯 量基本上是一个比值关系的前馈模型。但实际中由于无法安装在线的进水流量仪，使得无法直接得 到清水池的进水量。在研究中我们通过利用安装在清水池入口附近的清水池水位信号的变化规律来 间接的估算出进水量的值，并通过优化算法来不断的修正这一前馈量。 但是由于加氯系统的复杂性，前馈控制不可能消除偏差的存在，仅仅使用前馈控制远远不够。 各种偏差产生的影响还必须通过反馈来加以处理。因此必须综合前馈控制和反馈控制各自的特点。 建立基于前馈一反馈控制的系统结构 3 2 3 前馈一反馈环节的详细设计 前馈一反馈环节总的设计思路采用按估算的原水流量前馈比例投加，并利用入口余氯的反馈以自 适应的方式进行投加量的调整。通过合适的自适应律，还能够不断修正清水池的投加参数。其控制 框图如3 - 6 所示。 圈3 - 6 基于前馈一反馈控制的控制框图 在反馈信号的采样位置的考虑上，我们一方面保证氯气和水要尽可能的混合，另一方面要尽可 能的包含与绝大部分杂质的反应( 例如式2 2 的反应) 。同时反馈信号的滞后还不能太长。在经过对 采样点的认真选取，并对采样设备进行了调整后，基本上能保证氯气充分溶解于水；其次。这段过 程也能保证与氨氮第一阶段的反应充分完成，而且由于氯与有机物等其他杂质的反应很快，基本上 也能在这个过程中完成，即包含了系统绝大部分的快速干扰；另外，检测点的滞后时间基本上能保 证在6 分钟左右，对于本系统来说基本上可以接受 前馈一反馈环节的设计主要包括前馈投加规律、清水池进水量的估算、自适应律几个方面，以下 将作详细介绍； 一，前馈投加规律 1 氯气投加量与清水池进水量的关系 通过机理分析便可知，在清水池入口余氯含量一定的情况下，氯气投加量应该与清水池进水量 成正比关系。通过设计实验，我们再次验证了这一关系。图3 - 7 为某日当入口余氯约为o 9 5 m g i 时， 投氯量与清水池进水量的关系曲线( 迸水量不能直接得到，但由于只有一个清水池在使用，二泵房 中的出水量即为清水池的出水量，利用清水池出水量和水位来间接求出清水池进水量) 。 东南大学硕士学位论文 图3 - 7 某日入口余氯一定时投氯量与进水量的关系曲线 通过多次实验得知，如果要保持入口余氯不变，那么投加量必须与清水池进水量成正比，且两 者的比例系数( 即投加比例系数) 跟入口余氯的含量以及水中含杂质量的多少有关。由于水质在大 部分情况下，短时间内不会有太大变化，于是有以下关系： k 【n ：c 瓯 ( 式3 i ) 其中，为入口余氯值，足u ) 为入口余氯为，时的投加比例系数，c 为氯气投加量，q 。为清水池进 水量。 2 投加比例系数与入口余氯的关系 从机理上分析，只要加氯量超过“折点”后，在清水池进水量一定时，新增加的加氯量与入口 余氯含量提高的部分应该基本成线性正比关系，但由于存在“折点”等因素，总加氯量与入口余氯 含量不成正比关系。图3 8 为某日当清水池进水量约为6 1 0 0 m 3 h 不变时，投加量与入口余氯之间的 关系。 圈3 - 8 某日进水量一定时投氯量与入1 ：1 余氯的关系曲线 考虑到在正常加氯时，一般系统的正常工作区域基本上能够保证加氯量超过“折点”，而且入口 余氯基本上在一个较小的区间内变动，因此可以以某个入口余氯值为基准点，这样当入口余氯在基 准点附近变动时，投加系数的就呈线性增加或减少了。于是可以推出以下关系： 1 4 第三章氯气投加的自动控制方案 g ( 1 ) = k o + k l + ( ，一l o ) = k o + k j + a ( 式3 2 ) 上式中，j 0 为入口余氯值基准点，k 。为基准点对应的投加比例系数，芷是投加系数随余氯值变化 的变化率。 需要说明的是，通过长期的实验以及对历史数据的充分分析，我们发现参数在绝大部分的情 况下在1 6 2 2g m 3 之间变