【正文】 制方案，制定整體的工藝控制流程圖，進(jìn)而確定系統(tǒng)所需的硬件設(shè)備。最后，完成恒水位過濾和自動反沖洗過程功能的軟件的編程實現(xiàn)，根據(jù)所設(shè)計的自動控制系統(tǒng)設(shè)計出整個系統(tǒng)的監(jiān)控畫面。濾池是自來水廠處理工序中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一，它運行質(zhì)量的好壞可決定一個水廠生產(chǎn)質(zhì)量的好與壞，并對全水廠的生產(chǎn)成本、效能產(chǎn)生重大影響。因此為了做到安全可靠的生產(chǎn)，應(yīng)采用自動控制系統(tǒng)。 由于 PLC 自動控制的靈活性，可在現(xiàn)場改變某些工藝參數(shù)和動作順序，增加系統(tǒng)的功能，并取代傳統(tǒng)的繼電器控制，使設(shè)備運行更加平穩(wěn)、可靠，提高了經(jīng)濟(jì)效益。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。 V 型濾池采用了較粗、較厚的均勻顆粒的石英砂濾層；采用了不使濾層膨脹的氣、水同時反沖洗兼 有待濾水的表面掃洗；采用了氣墊分布空氣和專用的長柄濾頭進(jìn)行氣、水分配等工藝。因此 70 年代已在歐洲大陸廣泛使用。 90 年代以來，我國新建的大、中型凈水廠差不多都采用了 V 型濾池這種濾水工藝，特別是廣東省新建的凈水廠幾乎都采用了 V 型濾池 [5]。其中過濾過程又可分為正常過濾和濾池反沖洗兩個子過程，這兩個子過 程交替運行，相互之間間隔一定時間（ 24 H），圖 表示濾池工藝過程簡圖。若采用較好的反沖洗技術(shù)，使濾池經(jīng)常處于最優(yōu)條件下工作，不僅可以節(jié)水、節(jié)能，還能提高水質(zhì)，增大濾層的截污能力，延長工作周期，提高產(chǎn)水量。因此濾池的過濾周期比單純水沖洗的濾池延長了 75%左右，截污水量可提高 118%，而反沖洗水的耗量比單純水沖洗的濾池可減少40%以上。 2 氣泡在濾層中運動產(chǎn)生混合后，可使濾料的顆粒不斷渦旋擴(kuò)散，促進(jìn)了濾層顆粒循環(huán)混合，由此得到一個級配較均勻的混合濾層，其孔隙率高于級配濾料的分級濾層，改善了過濾性能，從而提高了濾層的截污能力。 4 氣泡在濾層中的運動，減少了水沖洗時濾料顆粒間的相互接觸的阻力，使水沖洗強度大大降低，從而節(jié)省沖洗的能耗 [5]。在濾池實際反沖洗時，我們觀察到：當(dāng)反沖時間約 5 分鐘時的濾層污物剝落 高達(dá) 95%以上，因此 V 型濾池的反沖洗效果是肯定的。此外濾池的表面掃洗，還加快了反沖水的漂洗速度，用原水養(yǎng)活了反沖洗濾后水用量及電能，也節(jié)約了沖洗水量。 由于本水廠濾池控制部分系統(tǒng)設(shè)計包含恒水位 過濾控制和自動反沖洗控制，而本濾池的自動反沖洗控制只需設(shè)計出氣、水的反沖洗過程便能夠達(dá)到控制要求，故本系統(tǒng)并未對濾池的表面掃洗技術(shù)進(jìn)行深入的研究與技術(shù)上的實現(xiàn)，從而在滿足系統(tǒng)功能的前提下避免了系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性。 而濾池的反沖洗，就是先后運行氣洗、水洗兩種清洗方式去除濾料層中的雜質(zhì)，是濾池自凈的工藝措施。 圖 濾池工藝結(jié)構(gòu)簡圖 濾池控制系統(tǒng)的組成及其控制任務(wù) 濾池控制系統(tǒng)一般由受控設(shè)備、電氣執(zhí)行機構(gòu)、控制器和上位機組成。常見濾池都有 5 個閥門： 進(jìn)水閥：控制水流入濾池集水渠的閥門。 氣沖閥：反沖洗時允許氣流對濾層進(jìn)行沖洗的閥門。 反沖洗系統(tǒng)一般包括： 鼓風(fēng)機：用于產(chǎn)生強勁氣流對濾層進(jìn)行沖洗。 電氣執(zhí)行 機構(gòu)負(fù)責(zé)控制的具體實施，它從控制器接收控制命令，然后相關(guān) 的繼電器接點閉合或斷開，電路導(dǎo)通，設(shè)備獲得動力繼而進(jìn)行動作?？刂破魇菍崿F(xiàn)自動控制的關(guān)鍵，所有自動控制的內(nèi)容都由控制器編程實現(xiàn)。為了降低控制器故障的風(fēng)險性，可以采取主、從多個控制器共同工作的方式，這是濾池控制系統(tǒng)發(fā)展的一種趨勢。過濾時要求維持一定的濾速，這通過控制濾池的液位實現(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、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。每格濾池設(shè)置一個現(xiàn)場 PLC，主要功能是完成濾池的自動反沖洗和恒水位過濾控制。 2CM 的范圍內(nèi)實現(xiàn)等速恒水位過濾。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)先出的原則排隊進(jìn)行。 當(dāng)系統(tǒng)接收到手動的強制沖洗信號、水頭損失信號、定時沖洗信號中的任何一個指令時，進(jìn)行單格濾池反沖洗。打開反沖水閥，開啟反沖水泵，水洗 6MIN，完成后關(guān)閉反沖水閥、停水泵，關(guān)閉排 污閥、開啟進(jìn)水閥接受待濾水。 在中控室設(shè)置主控 PLC，其主要功能是負(fù)責(zé)和各現(xiàn)場的 PLC通信，收集反沖洗水泵、鼓風(fēng)機等反沖洗設(shè)備的信號，協(xié)調(diào)各格濾池的反沖洗。 2 給每個濾池的 PLC編制運行程序，以保證每個濾池按生產(chǎn)工藝的要求自動運行。 4 每個濾池的反沖洗，均可在 2 種狀態(tài)下進(jìn)行：①自動反沖洗：②半自動反沖洗。 5 各濾格的 PLC運行均由一臺主控 PLC控制。如果一旦主 PLC發(fā)生故障，并不會影響到各格濾池的正常運行。 6 濾池的控制操作和數(shù)據(jù)顯示 :使用一臺 PC 機作為上位機，配有專為用戶開發(fā)的監(jiān)控軟件。 該軟件具有功能： ①各模擬量和各開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集。 ③重要參數(shù)的顯示和設(shè)置，包括每個濾池的 PID 參數(shù)，反沖洗起始水位，反沖洗的水沖時間，氣洗時間等等。 ⑤模擬數(shù)據(jù)的比較曲線，即對同一數(shù)據(jù)作不同日期的比較。 ⑦各故障報警。 ⑨數(shù)據(jù)統(tǒng)計。 7 采用 Rockwell AB 公司的 PLC系列產(chǎn)品，以保證濾池運行的穩(wěn)定和可靠。主控部分由一臺主控 PLC，一臺上位工控機組 成，主控 PLC負(fù)責(zé)和現(xiàn)場 PLC的通信和氣水反沖洗的協(xié)調(diào)控制，上位機用于實現(xiàn)人機對話；每個現(xiàn)場 PLC負(fù)責(zé)管理每個濾池的恒水位運行和自動反沖洗。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙? 所示。 PID 調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是根 據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分和微分的函數(shù)關(guān)系進(jìn)行運算，其運算結(jié)果用以輸出控制。 PLC作為一種新型的工業(yè)控制裝置，在科研、生產(chǎn)、社會生活的諸多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的 應(yīng)用。一般中小型 PLC控制系統(tǒng)只對一路或幾路模擬量進(jìn)行閉環(huán)控制。常規(guī) PID 控 制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示，系統(tǒng)由模擬 PID和被控對象組成 [7]。從模擬 PID、數(shù)字 PID 到最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在 PID 控制算法中，存在著比例、積分、微分 3 種控制作用： 1 比例控制作用的特點： 即成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 E t ，系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)生，控制器立即就有控制作用，使被 PID 控制的對象朝著減小誤差的方向變化， 控制作用的強弱取決于比例系數(shù) Kp。加大 Kp 可減少靜差，但 Kp 過大，會導(dǎo)致系統(tǒng)超調(diào)增大，使系統(tǒng)的動態(tài)性能變壞。不足之處在于積分作用具有滯后特性，積分作用太強會使被控對象的動態(tài)品質(zhì)變壞，以至于導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。缺點是對干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對干擾的抑 制能力降低。因為其算法簡單，參數(shù)調(diào)整方便，并且有一定的控制精度，因此它成為當(dāng)前最為普遍采用的控制算法。令 U t U KT E t E KT T 則可得可得到位置式數(shù)字 PID 算法： U K KpE K +Ki+Kd[E K E K1 ] 式中： 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 二 Kp/T 稱為微分常數(shù)。 位置式算法對偏差進(jìn)行累加，然后給出執(zhí)行機構(gòu)的位置控制量。 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)行機構(gòu)位置的增量。 至此，式 已可以用作編程算法使用了。一般的液位控制是由調(diào)節(jié)閥來完成的。一般 PLC都可以實現(xiàn) PID 功能。這種控制實現(xiàn)簡單，效果很好，可以十分精確的控制液位。此時，可以用開關(guān)閥替代調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)液位，降低投資成本。開關(guān)閥的驅(qū)動信號有兩個，一個開閥，一個關(guān)閥，兩者都是開關(guān)量，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計算 得出閥門位置的機制也就不再適用，需要重新設(shè)計。此方法非常容易實現(xiàn)，但缺點也非常突出 :它的動作非常頻繁。這一點在實際工程中非常重要，許多場合都必須刻意避免閥門頻繁動作。 雙位調(diào)節(jié)可以看作是一個極端的比例系數(shù)很大的比例控制，對任何一個偏 差，不論大小，都會產(chǎn)生飽和滿載的輸出。 這就是雙位調(diào)節(jié)導(dǎo)致閥門頻繁開關(guān)的原因。 下面談?wù)勅绾螌崿F(xiàn)。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)槎啻蝿幼髁耍l繁性沒有得到根本的改變。參考常被應(yīng)用在較強的滯后系統(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 以日產(chǎn)量為 144000 噸為例： V （米 /秒） 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。 圖 出水閥的液位控制流程 現(xiàn)場控制器與反沖洗控制器的協(xié)調(diào) 先從反沖洗的一般過程說起。在反沖洗時，進(jìn)水、出水閥關(guān)閉，氣沖、水沖、排污閥打開。具體過程是這樣的 :得到信號開始反沖洗后，首先關(guān)閉進(jìn)水閥，并將清水閥開至最大，液位加速下降，濾池即將真正退出過濾。反沖洗包括氣沖、水沖。 6 分鐘后，關(guān)閉鼓風(fēng)機、反沖氣閥。最后，打開進(jìn)水閥，等液位升到接近恒水位時，濾池反沖洗正式結(jié)束，打開清水閥，系統(tǒng)進(jìn)入正常的過濾程序。 這樣一個繁瑣的過程，要由兩套控制器共同完 成，一套 濾池控制器，即現(xiàn)場 PLC 控制閥門，另一套 反沖系統(tǒng)控制器，即主控 PLC 控制鼓風(fēng)機和水泵，它們之間的協(xié)調(diào)與溝通至關(guān)重要，需要約定一個可靠的溝通機制。這些標(biāo)識作為信號在通訊網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，以“ O”、“ 1”表示。標(biāo)識的值隨著狀態(tài)的變化而變化。但這里無須考慮此問題，因為連接控制器的網(wǎng)絡(luò)自身的通訊協(xié)議己能夠確保信號傳送的可靠性 [8]。首先，不能有兩個濾池同時進(jìn)行反沖洗，一旦有兩個濾池的氣沖或水沖閥同時打開，沖洗就不能順利進(jìn)行。接著，當(dāng)氣沖閥打開后，要有一個標(biāo)識，傳遞給反沖洗系統(tǒng)主控制器通知它開鼓風(fēng)機。在鼓風(fēng)機和水泵停 止后，又分別要有一個標(biāo)識，通知濾池控制器關(guān)閉反沖氣閥和反沖水閥。然而，若不對反沖洗的過程作一些調(diào)整和簡化，這種方法會十分復(fù)雜，不易實現(xiàn)。這不但提高了工作程復(fù)雜程度，還很難保證遇到突發(fā)故障時的有效處理，整個溝通過程將會設(shè)計的很龐大、復(fù)雜。 要減少 表明濾池或反沖洗系統(tǒng)所處狀態(tài)的標(biāo)識，須從反沖洗過程入手，減少需要向其他控制器傳送的中間狀態(tài)。原先溝通機制過于復(fù)雜的原因在于閥門控制和反沖洗系統(tǒng)的控制穿插進(jìn)行，兩套控制器各自實施控制常要以對方的控制完成為條件。 調(diào)整后的反沖洗過程可分為三個階段 :反沖洗前的開、關(guān)閥階段，反沖洗階段，反沖洗后的關(guān)、開閥階段。第一階段由濾池控制器控制，也是先關(guān)閉進(jìn)水閥，開足 清水閥，液位降到設(shè)定的反沖洗水位后關(guān)閉出水閥，再打開排污閥，反沖水閥和反沖氣閥。所有閥門到位后，濾格控制器向反沖洗系統(tǒng)控制器傳遞一個標(biāo)識，進(jìn)入第二階段。沖洗完畢，反沖洗系統(tǒng)控制器回給濾池控制器一個標(biāo)識，進(jìn)入第三階段。 圖 調(diào)整后的反沖洗過程 這個方案中，兩控制器的控制作用階段分得很清晰，便于控制器集中完成控制任務(wù)，不僅簡化了協(xié)調(diào)過程，對于簡化突發(fā)故障的處理也很有意義。而新方案中，閥門沒有到位，就不會送出標(biāo)識，故障的處理僅由濾池控制器單獨進(jìn)行。每個濾池控制器都可以此機制與反沖控制器溝通。由此也可見，在多濾池系統(tǒng)中，正在反沖洗的狀態(tài)標(biāo)識是最重要的一個，它類似于交通信號燈中的紅燈，禁止其它濾池與反沖洗系統(tǒng)進(jìn)行非法的通訊，保證通訊協(xié)調(diào)的正常秩序，避免混亂的發(fā)生。在我國目前許 多城市規(guī)模擴(kuò)大、人口增加，對自來水需求量迅速增長的情況下，有很大的應(yīng)用前景。 表 濾池自控硬件設(shè)備清單 濾池設(shè)備中，用一臺 LOGIX 5550 作為主要的控制器，用于和各個現(xiàn)場 PLC的通信，收集反沖洗水泵，鼓風(fēng)機等設(shè)備的開關(guān)量信號，協(xié)調(diào)各格濾池的反沖洗。 PLC 基本知識及其工作原理 可編程序控制器 Programmable Logic Controller 簡稱 PLC。隨著 PLC的發(fā)展，它不僅能完成編輯、運算、控制，而且能實現(xiàn)模擬量、數(shù)字量的算術(shù)運算。 2 簡單，易于使用，不必要求微機軟硬件方面的知識，編程不需要高級語言。 4 編程或修改程序容易，程序可以保存和固化。