【正文】 自動加氯的流程圖和梯形圖分別如圖33，圖34： 圖33 自動加氯流程圖 圖34 自動加氯子程序梯形圖梯形圖程序依次說明：原水流量檢測及按比例投氯:把原水流量采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到VW10。前加氯設(shè)一個投加點(diǎn)，根據(jù)原水流量比例投加；后加氯和出廠水補(bǔ)氯各設(shè)一個投加點(diǎn)，均根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)余氯值反饋，通過PID運(yùn)算得出控制值控制各自加氯機(jī)的開度，使實(shí)際余氯值向給定值逼近。每次完成PID運(yùn)算后，都要更新回路表內(nèi)的輸出值，～【11】?；芈繁泶鎯τ糜诳刂坪捅O(jiān)控回路運(yùn)算的參數(shù)，包括程序變量、設(shè)置點(diǎn)、輸出、增益、樣本時間、整數(shù)時間（重設(shè)）、導(dǎo)出時間（速率）以及整數(shù)和（偏差）的當(dāng)前值及先前值。PID指令對回路表中的某些輸入值不進(jìn)行范圍檢查，應(yīng)保證過程變量、給定值等不超限，如表31： 表31 PID回路表 偏移量 域 格式 類型 說明 0 進(jìn)程變量 雙字—實(shí)數(shù) 入包含進(jìn)程變量， 4 設(shè)定值 雙字—實(shí)數(shù) 入包含設(shè)定值， 8 輸出 雙字—實(shí)數(shù) 入 出包含輸出， 12 增益 雙字—實(shí)數(shù) 入包含增益，此為比例常數(shù)，可為正數(shù)或負(fù)數(shù) 16 采樣時間 雙字—實(shí)數(shù) 入包含采樣時間，以秒為單位，必須為正數(shù) 20 積分時間 雙字—實(shí)數(shù) 入包含積分時間，以分鐘為單位，必須為正數(shù) 24 微分時間 雙字—實(shí)數(shù) 入包含微分時間，以分鐘為單位，必須為正數(shù) 28 偏差 雙字—實(shí)數(shù) 入 出 32 以前的進(jìn)程變量 雙字—實(shí)數(shù) 入 出包含最后依次執(zhí)行PID指令存儲的進(jìn)程變量以前的數(shù)值 程序中可使用八條PID指令。 PID指令及回路表S7200的PID指令圖如圖32所示： PID TBL LOOP指令中TBL是回路表的起始地址，LOOP是回路編號。余氯分析儀的余氯信號經(jīng)PLC作為一個過程變量輸入控制器，控制器通過比較過程變量與余氯設(shè)定值產(chǎn)生的誤差，由PID方程計(jì)算出其輸出量，即修正量，每經(jīng)過一個滯后時間周期，從流量比例控制賦予調(diào)節(jié)閥的初始開度開始，逐步對其進(jìn)行修正，直到余氯達(dá)到期望值。比例系數(shù)Kf的設(shè)定值可通過在上位監(jiān)控機(jī)上由操作人員根據(jù)工藝要求及原水需氯量的大小進(jìn)行改變【7】。原水流量信號經(jīng)PLC輸入到前加氯控制器（比例控制器），比例控制器根據(jù)流量的大小，輸出相應(yīng)的調(diào)節(jié)量，調(diào)節(jié)電動閥的開度，其控制的數(shù)學(xué)模型如公式37所示： （37） 其中：I0—控制器輸出（4~20mA）；Kf—比例系數(shù)；Qm—原水瞬時流量。微分調(diào)節(jié)（D）的作用是使偏差快速消除，可以選擇方程中的微分項(xiàng)是作用于誤差的變化還是作用于過程變量的變化【8】。 比例（P）的作用是快速調(diào)節(jié)偏差的大小，偏差大調(diào)節(jié)大，偏差小調(diào)節(jié)小。 在實(shí)際閉環(huán)控制系統(tǒng)中，誤差是一個很小的變化量。第一次采樣時，數(shù)值 PVn1 被初始化，等于PVn 。微分項(xiàng)MD與錯誤變化成比例。 （3）微分項(xiàng)微分環(huán)節(jié):阻止偏差的變化，根據(jù)偏差的變化速率作出控制，偏差變的越快，微分控制器輸出越大，并能在偏差值變大之前進(jìn)行修正。偏差的初始值通常被設(shè)為第一次回路輸出計(jì)算之前的輸出Minitial。CPU采用的積分項(xiàng)公式為： （35）其中： MIn 采樣時間n的回路輸出積分項(xiàng)數(shù)值 Kc 回路增益 Ts 回路采樣時間 T1 積分時間（亦稱為積分時間或復(fù)原） SPn 采樣時間n的設(shè)定值數(shù)值 PVn 采樣時間n的進(jìn)程變量數(shù)值 MX 采樣時間n 1的積分項(xiàng)數(shù)值（亦稱為積分和或偏差） 積分和或偏差是積分項(xiàng)所有先前數(shù)值的運(yùn)行和。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù)越大，積分作用越弱，系統(tǒng)穩(wěn)定越強(qiáng)。積分環(huán)節(jié)的作用是把偏差的積累作為輸出，在控制過程中，只要偏差存在，積分環(huán)節(jié)的輸出就會不斷增大，直到系統(tǒng)偏差為零，輸出才可能保持在某一常量。比例環(huán)節(jié)不能徹底消除系統(tǒng)偏差，系統(tǒng)偏差隨比例系數(shù)凡的增大而減少，比例系數(shù)過大將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。修改后的公式為： （33） 輸出 = 比例項(xiàng) + 積分項(xiàng) + 微分項(xiàng)其中： Mn 采樣時間n的回路輸出計(jì)算值 MPn 采樣時間n的回路輸出比例項(xiàng)數(shù)值 MIn 采樣時間n的回路輸出積分項(xiàng)數(shù)值 MDn 采樣時間n的回路輸出微分項(xiàng)數(shù)值 （1）比例項(xiàng)比例環(huán)節(jié):成比例地反映控制系統(tǒng)偏差信號的作用，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。這個理論和應(yīng)用自動控制的關(guān)鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統(tǒng)。反饋理論的要素包括三個部分：測量、比較和執(zhí)行。 PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。 圖22 CPU224接線圖 圖23 模擬量輸入輸出模塊接線圖1 圖24 模擬量輸入輸出模塊接線圖2 圖25 模擬量輸出模塊接線圖水廠自動加氯系統(tǒng)S7200外部接線圖如圖9所示： 圖26 自動加氯系統(tǒng)S7200外部接線圖 第三章 水廠加氯系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PID算法 在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的是基于偏差的比例、積分和微分的控制器簡稱為PID控制器，它是工業(yè)過程控制中最常見的一種過程控制器。 由于本系統(tǒng)選用的是CPU224，其有14個模擬量輸入點(diǎn)，10個模擬量輸出點(diǎn)【6】。具體PLC的I/O表如表21所示。因此選用西門子S7200系列PLC。整個加氯系統(tǒng)程序分配如圖21所示。 PLC的輸入與輸出 加氯系統(tǒng)的主要設(shè)備包括氣源切換裝置、加氯機(jī)、漏氯報警系統(tǒng)和吸氯裝置3個部分【5】。在選擇機(jī)型時，要注意指令系統(tǒng)的總語句數(shù)、指令系統(tǒng)的種類、指令系統(tǒng)的表達(dá)方式[4]。另外還要考慮I/O點(diǎn)數(shù)的余量，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中，要留有充分的I/O點(diǎn)數(shù)作為備用。 （5）I/O點(diǎn)數(shù)I/O點(diǎn)數(shù)是PLC的一個簡單明了的性能參數(shù)，也是應(yīng)用設(shè)計(jì)中的最直接的參數(shù)。 （4）輸出形式PLC 的各種機(jī)型都有多種輸出形式，包括繼電器輸出、三端雙向可控硅開關(guān)元件輸出、晶體管輸出等。一定要選擇適應(yīng)實(shí)際工作環(huán)境的產(chǎn)品。 （2）工作環(huán)境工作環(huán)境是PLC工作的硬性指標(biāo)。 PLC的選型 對PLC的正確選擇是非常重要的，一般基于以下原則： （1）工作量這一點(diǎn)尤為重要。 PLC控制系統(tǒng)有輸入量—PLC—輸出量組成，外部的各種開關(guān)信號、模擬信號、傳感器檢測的各種信號均作為PLC的輸入量，它們經(jīng)PLC外部輸入端子輸入到內(nèi)部寄存器中，經(jīng)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算或其他各種運(yùn)算，處理后送到輸出端子，作為PLC的輸出量對外圍設(shè)備進(jìn)行各種控制。電源輸入類型有：交流電源（220VAC或110VAC），直流電源（常用的為24VAC）。 （3）電源模塊 PLC電源用于為PLC各模塊的集成電路提供工作電源。I/O分為開關(guān)量輸入（DI），開關(guān)量輸出（DO），模擬量輸入（AI），模擬量輸出（AO）等模塊。 （2) I/O模塊 PLC與電氣回路的接口，是通過輸入輸出部分（I/O）完成的。CPU的控制器控制CPU工作，由它讀取指令、解釋指令及執(zhí)行指令。主要包括CPU、存儲器、輸入輸出接口電路、電源、I/O擴(kuò)展接口、外部設(shè)備接口等。風(fēng)機(jī)將含氯氣體由下往上送入吸收塔，泵抽取吸收液由上往下噴淋，含氯氣體在吸收塔內(nèi)接觸反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后，尾氣返還至加氯間。氯氣傳感器輸出電流值與環(huán)境中氯氣濃度成正比。 漏氯報警儀 漏氯報警儀是用氯單位用來監(jiān)測空氣中氯氣濃度，確保人員安全及設(shè)備安全的必備儀器。余氯值會即時被讀出而不再需要取樣和等待的過程，使得在控制系統(tǒng)中的延遲時間最短。通常以檢測件形式對差壓式流量計(jì)分類，如孔板流量計(jì)、文丘里流量計(jì)、均速管流量計(jì)等。 差壓式流量計(jì) 差壓式流量計(jì)是根據(jù)安裝于管道中流量檢測件產(chǎn)生的差壓,已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計(jì)算流量的儀表。在加氯系統(tǒng)的運(yùn)行時，根據(jù)PLC發(fā)出的調(diào)節(jié)閥的開度信號來控制真空調(diào)節(jié)閥的開度。 第二章 水廠加氯系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 水廠加氯系統(tǒng)硬件構(gòu)成 加氯機(jī) 加氯機(jī)是水廠加氯系統(tǒng)中的核心裝置，是現(xiàn)代化水處理系統(tǒng)中必不可少的設(shè)備之一。 （3）清水池的出水量的變化將導(dǎo)致余氯的損耗變化。 （2）不同操作人員的經(jīng)驗(yàn)不相同對氯氣的投加也會產(chǎn)生影響。氯氣的投加量原則上應(yīng)該與進(jìn)水流量成正比，但由于缺乏清水池進(jìn)水流量儀（清水池的特殊結(jié)構(gòu)造成流量儀的安裝在施工上較困難），操作人員無法實(shí)時知道準(zhǔn)確的流量數(shù)據(jù)，從而無法準(zhǔn)確調(diào)節(jié)氯氣的投加量，將導(dǎo)致清水池出口余氯之偏離期望值。人工加氯主要存在以下不足之處： (1)人工投加過程存在很大的滯后，系統(tǒng)響應(yīng)慢，容易產(chǎn)生震蕩。在清水池出口處安裝有余氯儀，指示當(dāng)前余氯值，儀表集中于加氯間，操作人員根據(jù)其讀數(shù)與期望值的偏差來手動操作加氯機(jī)，相應(yīng)改變氯氣投加量。加氯工藝流程圖如圖12所示：生產(chǎn)參數(shù)檢測加氯機(jī)開度控制氣壓達(dá)到下限？漏氯報警？切換氯源吸排處理是是否否開始結(jié)束 圖12 加氯工藝流程圖 人工投加方式及其中存在的問題 為人工控制投加氯氣方式如圖13所示。加氯系統(tǒng)的主要設(shè)備包括氣源切換裝置、加氯機(jī)、漏氯報警系統(tǒng)和吸氯裝置等3個部分。前加氯方式控制原理為：加氯控制器根據(jù)原水流量的變化以及設(shè)定的投加率自動調(diào)節(jié)加氯量。加氯包括前加氯、后加氯于補(bǔ)加氯。 為了既能滿足自來水廠出水水質(zhì)指標(biāo)的要求，達(dá)到預(yù)期的消毒效果，又不造成氯氣的浪費(fèi)，必須根據(jù)原水流量的變化及時調(diào)整加氯量的大小，如果用人工調(diào)節(jié)是很難實(shí)現(xiàn)的。由于含氯的水要在清水池中停滯較長的時間，必然會發(fā)生混合及與雜質(zhì)反應(yīng)等現(xiàn)象，因此二泵房出水余氯含量受很多因素的影響，包括濾后水的流量、清水池水位、清水池出水量、水質(zhì)(水中氨氮含量、PH值、水溫、濾后水濁度、其他雜質(zhì)等)等等因素，其中有很多因素對余氯含量的干擾影響很大，并且這些干擾因素往往變化很快。要實(shí)現(xiàn)氯氣投加過程的自動控制，對于其中影響氯氣投加過程較大、變化較快的因素必須要有相應(yīng)的設(shè)備檢測。加氯量是該系統(tǒng)中唯一的可控量?；旌铣潭仁鼙旧淼挠嗦群?、水的流速等因素的影響，另外，對于不同的季節(jié)所導(dǎo)致的水電溫度和PH值得不同，水中余氯的混合情況差別很大。在清水池的整個停留過程中，氯在水中除了發(fā)生種種反應(yīng)和消耗之外。 氯在清水池中的停留過程 當(dāng)濾后水經(jīng)過加氯后，就進(jìn)入清水池了。當(dāng)氯氣投加量達(dá)到水中氨氮濃度的810倍時()即到達(dá)“折點(diǎn)”時，所有的不穩(wěn)定的一氯胺被分解，進(jìn)一步增大加氯量，就會使水中的有效氯開始繼續(xù)上升。后者是一個可逆反應(yīng)，此時水中還會存在一定量的有效氯，繼續(xù)增大氯氣投加量會導(dǎo)致水中有效氯含量持續(xù)增加。 折點(diǎn)加氯 在氯氣投加工藝中，必須考慮“折點(diǎn)加氯”的影響。在各種雜質(zhì)中影響比較大的便是氨氮()，氨氮與次氯酸的反應(yīng)生成一氯胺（NH2CL）和二氯胺（NHCL2），如公式12和13： （12） （13） 但是上面的兩個反應(yīng)存在區(qū)別：式2的反應(yīng)只需要1秒鐘左右即可完全完成，基本上在