【正文】 高于繼電器控制系統(tǒng)，體積卻小于繼電氣控制系統(tǒng)。 5．有利于整個濾池控制系統(tǒng)的靈活運(yùn)行，提高了濾池的效率。 早期的水廠濾池控制各個單元是獨(dú)立的，每個濾池單元有獨(dú)自的控制系統(tǒng)，每個控制系統(tǒng)之間也沒有任何的聯(lián)系，這就使得其中的一個環(huán)節(jié)出錯都會影響出水的質(zhì)量，每個環(huán)節(jié)也是獨(dú)立的，沒有協(xié)調(diào)的能力，必要的時候還需要人工的干預(yù)操作，使得濾池的效率不高，并且還耗費(fèi)人力物力財(cái)力。一臺計(jì)算機(jī)往往同時控制多個回路，即多個水處理工藝環(huán)節(jié)。一旦控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)就都會陷于癱瘓。 IPC+PLC系統(tǒng)是由工業(yè)計(jì)算機(jī) IPC 和可編程序控制器 PLC 組成。 IPC+PLC 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要有： 可實(shí)現(xiàn)分級控制； 可靠性高、組網(wǎng)方便； 編程方便、開發(fā)周期短、維護(hù)方便； 可靈活方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部配置和調(diào)整； 能與現(xiàn)場信號直接相連接，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化； 易于實(shí)現(xiàn)“集中管理、分散控制”的功能。且由于 DCS 系統(tǒng)是用于工業(yè)現(xiàn)場的測量控制，局限于有線通訊信組網(wǎng)場合，雖然近年來各大 DCS 供應(yīng)商在其原有設(shè)備基礎(chǔ)上選配一些第三方設(shè)備增強(qiáng)了其通信組網(wǎng)能力，也得到一些應(yīng)用，但由于其無法從系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段就考慮到網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的合理性、可行性，因此對于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，多媒體的通信要求，惡劣的工作環(huán)境就顯得力不從心。 我國的改革開放政策加速了我國濾池控制技術(shù)的發(fā)展，十九世紀(jì)八十年代，通過引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)，以及引進(jìn)外資，建立的中外合資企業(yè)，我國的濾池控制技術(shù)取得了顯著的發(fā)展，控制系統(tǒng)也逐漸全面化，一些控制系統(tǒng)能對生產(chǎn)工藝的各個環(huán)節(jié)連續(xù)自動地監(jiān)測、調(diào)節(jié)、記錄、報(bào)警等等。 發(fā)展趨勢 近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、 PLC 技術(shù)、新器件、新方法的促進(jìn)水廠濾池控制系統(tǒng)技術(shù)相關(guān)領(lǐng)域也出現(xiàn)了許多新的發(fā)展。有的 PLC 系統(tǒng)采用光纖分布式數(shù) 據(jù)接口（ FDDI 局域網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸速度率達(dá) 1024 個節(jié)點(diǎn)，這樣便于形成大型的管理與控制信息系統(tǒng)。 向開放式系統(tǒng)發(fā)展 PLC 系統(tǒng)是較早在過程領(lǐng)域發(fā)展起來的分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，經(jīng)過幾十年的發(fā)展， DeviceNet 在北美和日本比較普遍。在實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)化和開放型的過程中，逐漸趨向于采用 UNIX OSE/1 ， HP UX,Solaris,AIX ,Windows NT 這樣的開放式操作系統(tǒng)和視窗技術(shù)。這就使得一些中小企業(yè)在選擇控制設(shè)備時往往感到為難。 CRT 操作臺在簡化操作、減少可能發(fā)生誤操作及提高操作臺自身可靠性方面進(jìn)一步取得了進(jìn)展。目前，照片、工業(yè)電視的圖像、過程中產(chǎn)生的聲音已進(jìn)入控制系統(tǒng)。過程的聲音也是相當(dāng)重要的，通過一定的轉(zhuǎn)換手段，可以將過程聲音引到操作臺的終端和話筒喇叭上，這樣操作員可以聽到故障機(jī)件的聲音，幫助辨別故障發(fā)生的位置。可以預(yù)計(jì)，多媒體技術(shù)引入控制領(lǐng)域?qū)o該領(lǐng)域帶來一種全新的變化。在此基礎(chǔ)上，人們從不同的工藝角度發(fā)展了其它型式的濾池。它是我國于 20 世紀(jì)80 年代末從法國 Degremont 公司引進(jìn)的技術(shù)。它具有出水水質(zhì)好、濾速高、運(yùn)行周期長、反沖洗效果好、節(jié)能和便于自動化管理等特點(diǎn)。 水廠生產(chǎn)的基本工藝可分為加藥、反應(yīng)、沉淀、過濾、消毒、儲存、送水等幾個相關(guān)過程。 圖 21 濾池工藝過程簡化圖 工作過程 （ 1）過濾過程： 所謂濾池的正常過濾過程就是通過濾料層將待濾水去除雜質(zhì)顆粒、細(xì)菌的過程，其主要目的是使濾后水的渾濁度達(dá)到國家飲用水的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。被均質(zhì)濾料濾層過濾的濾后水經(jīng)長柄濾頭流入底部空間，由方孔匯入氣水分配管渠，在經(jīng)管廊中的水封井、出水堰、清水渠流入清水池。 關(guān)閉進(jìn)水閥，但有一部分進(jìn)水仍從兩側(cè)常開的方孔流入濾池，由 V 型槽一側(cè)流向排水渠一側(cè)，形成表面掃洗。反沖洗過程常采用“氣沖→氣水同時反沖→水沖”三步。 氣水同時反沖洗 在氣沖的同時啟動沖洗水泵，打開沖洗水 閥，反沖洗水也進(jìn)入氣水分配渠，氣、水分別經(jīng)小孔和方孔流入濾池底部配水區(qū)，經(jīng)長柄濾頭均勻進(jìn)入濾池，濾料得到進(jìn)一步?jīng)_洗，表掃仍繼續(xù)進(jìn)行 停止氣沖，單獨(dú)水沖 表掃仍繼續(xù)，最后將水中雜質(zhì)全部沖入排水槽。 采用單層加厚均粒濾料，粒徑一般為 ～ ，允許擴(kuò)大到 ～，不均勻系數(shù) ～。 底部采用帶長柄濾頭 底板的排水系統(tǒng)，不設(shè)礫石承托層。 反沖洗一般采用氣沖、氣水同時反沖和水沖三個過程，反沖洗效果好，大大節(jié)省反沖洗水量和電耗。 整個濾料層在深度方向的粒徑分布基本均勻，在反沖洗過程中濾料層不膨脹，不發(fā)生水力分級現(xiàn)象，保證深層截污，濾層含污能力高。 綜上所述，氣、水反沖洗時，由于氣泡的激烈運(yùn)動作用，大大加強(qiáng)了污物剝落能力及截污能力。此外反沖洗時，原水通過與反沖洗排水槽相對的兩個 V 型槽底部的小孔進(jìn)入濾池，它掃洗濾層的表面，并把濾層反沖上來的污物、雜質(zhì)推向排水槽，同時掃洗了水平速度等于零的一些地方，在這些地方漂起來的砂又重新沉淀下來。養(yǎng)活沖洗水量是原水表面清掃的一個特別優(yōu)點(diǎn)，事實(shí)上，它還起到了在一個濾池反沖洗時防止其它濾池在最大輸出負(fù)荷下運(yùn)行的作用。 現(xiàn)將濾池的基本的工藝結(jié)構(gòu)簡圖繪制如下圖所示。過濾時要求維持一定的濾速，這通過控制濾池的液位實(shí)現(xiàn)，即過濾時要把液位控制在一定范圍之內(nèi)。反沖洗就是對濾層的清洗，需要控制鼓風(fēng)機(jī)、水泵等沖洗設(shè)備，以及濾池相關(guān)閥門的開、關(guān)。反沖洗的啟動有兩種方法 :人為命令和控制器依 條件判斷是否啟動。更先進(jìn)一些的還可以直接根據(jù)濾池濾后出水的濁度決定是否反沖洗。后者既不會引起出水突變也不會波動地工作，既不會引起擺動也不會太敏感，這些因素可導(dǎo)致清水水質(zhì)惡化及濾池過早穿透，此外，控制系統(tǒng)必須滿足以下要求： 濾后水出口的變化緩慢 持續(xù)地控制液位，沒有復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)的組成 濾池 控制系統(tǒng)一般由受控設(shè)備、電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器和上位機(jī)組成。常見濾池閥門有：反沖洗閥、氣閥、清水閥、排水閥。系統(tǒng)接到對某池進(jìn)行反沖洗的指令后進(jìn)入排水階段，先關(guān)閉進(jìn)水閥，把濾池的水位降至預(yù)置水位，然后關(guān)閉出水閥，打開排水閥；排水閥打開以后，濾池進(jìn)入氣沖洗階段，這時氣沖計(jì)時器開始計(jì)時，排氣閥打開，同時風(fēng)機(jī)啟動、風(fēng)機(jī)出口打開，當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài) 后，打開氣沖閥，同時關(guān)閉排氣閥；氣沖洗時間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，氣水混合洗計(jì)時器開始計(jì)時，反沖水閥被打開，同時啟動反沖水泵，打開水泵出口閥，濾池進(jìn)入氣水混合反沖洗狀態(tài)；汽水混合反沖洗時間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，水洗計(jì)時器開始計(jì)時，反沖氣閥被關(guān)閉，開放氣閥（放氣閥開 30s 后自動關(guān)閉）排空風(fēng)管余氣，同時停風(fēng)機(jī)，關(guān)閉風(fēng)機(jī)出氣閥，濾池進(jìn)入水沖洗狀態(tài)；水沖洗時間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，關(guān)閉反沖水閥，同時停止反沖水泵，關(guān)閉水泵出口閥，最后關(guān)閉排水閥，打開進(jìn)水閥，濾池進(jìn)入進(jìn)水狀態(tài)，當(dāng)水為上升到恒水位過濾位置時，自動反沖洗完成，該池轉(zhuǎn)入正常的過濾程序 。每一個濾池現(xiàn)場都設(shè)置一個 PLC，主要功能是完成濾池的自動反沖洗過程和濾池的恒水位控制，在正常的濾池過濾過程中，為了實(shí)現(xiàn)濾池的恒水位控制，本設(shè)計(jì)要求濾池的水位波動限制在 400177。按要求，每次只有一格濾池進(jìn)行反沖洗，當(dāng)多格濾池同時要求進(jìn)行反沖洗時，系統(tǒng)自動按照先進(jìn)先出的原 則排隊(duì)進(jìn)行。 在中控室設(shè)置主控 PLC，其主要功能是負(fù)責(zé)各現(xiàn)場的 PLC 通信，數(shù)據(jù)的傳送，收集反沖洗水泵、鼓風(fēng)機(jī)等反沖洗設(shè)備的信號，協(xié)調(diào)各個濾池的反沖洗順序，確保濾池的反沖洗過程正常有序的。正因?yàn)楦鞴に噯卧鄬Κ?dú)立，因此通常將整個工藝按控制單元劃分?？刂泣c(diǎn)分布在水廠內(nèi)不同的位置，采用就近控制原則，在設(shè)備集中區(qū)分別設(shè)置不同的 PLC 站對該區(qū)域設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，再通過通訊網(wǎng)絡(luò)，各 PLC 站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)整個水廠的自動化控制。這樣的優(yōu)點(diǎn)是使控制系統(tǒng)更加可靠，當(dāng)某一控制單元發(fā)生故障時不會嚴(yán)重影響其它單元的自動運(yùn)行，同時由于單元內(nèi)控制設(shè)備、檢測儀表就近相連，減少了布線成本。 （ 1）中央控制室站點(diǎn)：對整個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度，同時留有四遙（遙測、遙信、遙調(diào)、遙控）系統(tǒng)接口，與上層管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊。）公共部分（反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)、干燥機(jī)及相關(guān)閥門）進(jìn)行監(jiān)控。用戶可以在 PC 機(jī)上控制濾池的操作以及監(jiān)測濾池 的運(yùn)行情況。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙?31 所示。模擬 PID 控制器的原理框圖如圖 32 所示： 圖 32 模擬 PID 控制器原理框圖 圖中 r t 為系統(tǒng)的給定值， c t 為實(shí)際輸出值， u t 為控制量。調(diào)節(jié) PID 的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力，同時由于在 PID 控制器中引入了積分項(xiàng)，系統(tǒng)增加了一個零極點(diǎn)，這樣系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。 Ti 為積分時間常數(shù)； Td 為微分時間常數(shù)。 Kd 為微分系數(shù)， Kd Kp/Td。 積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時間常數(shù) Ti, Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 計(jì)算機(jī)控制是一種離散的采樣控制，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中所使用 的是數(shù)字PID 控制器，而式 和式均為模擬 PID 控制器的控制表達(dá)式，通過將模擬 PID 表達(dá)式中的積分、微分運(yùn)算用數(shù)值計(jì)算方法來逼近，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)字 PID 控制。 將微分項(xiàng)用矩形和式代替，數(shù)字 PID 控制器的控制表達(dá)式如式（ ： U K KpE K +Ki+Kd[E K E K1 ] 其中： T 為采樣周期； Kp 為比例增益系數(shù)； Ki KpT/稱為積分系數(shù)； Kd Kp/T 稱為微分常數(shù)； U K 是 U KT 的簡寫； E K 是 E KT 的簡寫。使用位置式 PID 數(shù)字控制器會造成 PID 運(yùn)算的積分積累，引起系統(tǒng)超調(diào)，這在生產(chǎn)過程中是不允許的。 由 不難得到： U K1 KpE K1 +Ki+ Kd[E K1 E K2 ] 將式 與式 相減即可得到增量式算法： U K U K 一 U K1 Kp+Ki+Kd E K Kp+2Kd E K1 + KdE K2 增量式 PID 控制算法是對偏差增量進(jìn)行處理，然后輸出控制量的增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量。所以，式 已可以用作編程算法使用了。開關(guān)閥的驅(qū)動信號有兩個開關(guān)量，開閥和關(guān)閥，只要持續(xù)為 ON，閥門就會持續(xù)動作，直到全開或全關(guān)，不會始終保持在一個位置上；而調(diào)節(jié)閥是由一個模擬量的開度信號驅(qū)動的，閥門隨著該信號的變化而動作，若信號不變，閥門位置不變。通過 PLC計(jì)算得出閥門位置的機(jī)制也就不再適用，需要重新設(shè)計(jì)。雙液位控制方法簡單以實(shí)現(xiàn)，但是其也存在著許多缺點(diǎn)：它的動作頻率很頻繁，系統(tǒng)中的運(yùn)動部件，如閥桿、閥芯和閥座等會經(jīng)常摩擦，很容易損壞。所以，該方法不能直接使用。根據(jù)比 例環(huán)節(jié)比例系數(shù)對過渡過程的影響，當(dāng)比例系數(shù)增大時，會產(chǎn)生如下變化： 1 振蕩傾向加強(qiáng)，穩(wěn)定程度下降； 2 工作頻率增大，工作周期縮短。如果減小這個所謂的比例系數(shù)，就可以減小閥門動作頻率，并增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。如果對這個動作時間做出限制，就可以對閥門開度進(jìn)行控制。一般的開關(guān)閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由連鎖的，只要動作信號一給出，不管是否保持，閥門都要持續(xù)動作到底 關(guān)死或開足 ，不會中途停止。所以，要控制動作時間，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中就不能有連鎖。 然而，僅僅縮短一次性動作時間仍然不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。情況跟先前并沒什么不同，只是由一次動作變?yōu)槎啻蝿幼髁?，頻繁性沒有得到根本的改變。參考常被應(yīng)用在較強(qiáng)的滯后系統(tǒng)中的采樣 PID，它通過延長反饋 信號的采樣周期，延緩 PID 輸出的更新頻率，以適應(yīng)系統(tǒng)的滯后性。 這樣，對雙位調(diào)節(jié)增加兩個時間控制，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)閥對液位的調(diào)節(jié)。首先估算濾速，平均的濾速 V 可通過下式求得： V 假設(shè)以日產(chǎn) 202000 噸為例計(jì)算： 假設(shè)這個速度是在閥門 90%開啟度的時候達(dá)到的，那么閥門每改變百分之一的開度，對濾速的影響為 厘米 /秒。閥門的動作時間也不必很長，有整個開啟 或關(guān)閉 時間的5%即可。 至此，液位控制己經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但仍然可以進(jìn)一步優(yōu)化該控制，繼續(xù)減低閥門的動作頻率。所以，如果能夠判斷液位的變化趨勢，就可以進(jìn)一步減少閥門動作。這樣就可以對連續(xù)兩次采樣的值作一個比較，判斷液位的升降。比如：液位高于設(shè)定值，而正處于下降狀態(tài)，則閥門不動作。故出水閥的液位控制流程圖可以簡化成下圖： 圖 34 出水閥的液位控制流程圖 現(xiàn)場控制器與反沖洗控制器的鏈接 在濾池的反沖洗過程中，需要開關(guān)一系列的閥門，這就需要控制濾池的現(xiàn)場控制器與反沖洗控制器之間有很好的鏈接協(xié)調(diào)的關(guān)系，具體閥門的開關(guān)過程為：在正常過濾的過程中，進(jìn)水閥和出水閥應(yīng)該 打開，反沖氣閥、反沖水閥和排污閥則應(yīng)關(guān)閉。具體的閥門開關(guān)順序應(yīng)為：在濾池控制器得到反沖洗信號后，首先關(guān)閉進(jìn)水閥，并將清水閥開至最大，當(dāng)液位下降至最低限制液位時，濾池退出正常的過濾過程，進(jìn)入反沖洗過程，此時，出水閥關(guān)閉，排污閥打開，待排污閥信號到位后準(zhǔn)備開始反沖洗。先開反沖氣閥、鼓風(fēng)機(jī)，氣沖開始。打開反沖水閥，開啟反沖水泵，水洗 6 分鐘，完成后關(guān)閉反沖水閥，停水泵，關(guān)閉排污閥 。整個過程用簡化圖表示，如圖 35 所示 圖 35 調(diào)整前的反沖洗過程 在這樣一個看似很簡單其實(shí)很繁瑣的過程中，需要濾池控制器和反沖洗控制器之間有很好的協(xié)調(diào)關(guān)系，保證有些時候相關(guān)的閥門能及時的開啟和關(guān)閉，以確保正常的濾池過濾和反沖洗過程的順利進(jìn)行，因此他們之間可以設(shè)定一個可靠的通信機(jī)制，通過這個機(jī)制來向其他的控制器傳遞自己當(dāng)前的狀態(tài)和正在執(zhí)行的操