PLC在水厂次氯酸钠自动化系统中应用探讨论文_邹海明

(深圳市深水龙华水务有限公司)

摘要:PLC在水厂自动化建设中的应用,可以有效提高自动化水平,节约资源。对自动化控制领域中的各个工作运转起到稳定有序的运行状态。本文主要对PLC在水厂次氯酸钠自动化控制系统中的应用进行分析,供同行借鉴参考。

关键词:水厂;PLC;次氯酸钠;自动化控制

一、PLC的定义

PLC的发展代替了传统的继电器,在工业环境下实现整个工厂流程的自动化控制,并且具备可靠性强、体积小、组装灵活、编程简单等特点。如今电力、水务等领域都广泛应用PLC系统,极大程度地推进PLC的发展速度。过程控制、生产管理、顺序控制等均是PLC技术主要涉及的领域。由于越来越成熟的PLC技术,和越来越短的更新换代周期,新型的PLC的性价比也相对更高。其功能特点:1、高速计数器已经达到了32位,拥有100kHz的基数频率,改变PLC的输出可采用显示计数频率的方式。2、输出功能非常高速。3、拥有捕获脉冲的功能,对输入脉冲能够迅速捕获。其具体结构如图1所示。

图1 PLC的组成结构

二、次氯酸钠系统设计

水厂使用消毒剂主要是用于原水的预氧化、滤后水的消毒及出厂水补充消毒,因此在此次改造设计设置了前投加、滤后水和出厂水补加三段投加方式,确保水质稳定达标。水厂制水工艺流程如图2。

图2 水厂制水工艺流程

三、次氯酸钠自控系统设计

(一)控制方式设计

前加次氯酸钠和滤前加次氯酸钠采用比例控制,根据原水量变化比例调节,后加和补加次氯酸钠则采用带复合环控制,根据水量和投加后余氯值复合控制。

1.前加次氯酸钠控制设计

前加次氯酸钠的作用主要是防止藻类和破坏胶体,所以前加次氯酸钠一般根据原水流量按比例投加,控制的数学模型如下:

=比例系数

=原水瞬时流量

比例系数 的设定根据前加次氯酸钠量的多少而定。

2.滤前加次氯酸钠控制设计

滤前加次氯酸钠一般比较少用,其作用主要是防止藻类以及滤砂消毒除藻等,所以滤前加次氯酸钠也根据原水流量按比例投加,控制的数学模型如下:

=比例系数

=原水瞬时流量

比例系数 的设定根据滤前加次氯酸钠量的多少而定。

3.后加次氯酸钠控制设计

在后次氯酸钠控制中,以投加后水中所含游离余氯作为被控对象。控制模型见下图3所示。

图3 后次氯酸钠 PID 控制的数学模型

以滤后水流量作前馈,投加点混合后的游离余氯作反馈,通过 PID 调节控制次氯酸钠量,使游离余氯控制在设定的范围内,以达到消毒和保持一定的余氯在管网中的目的。PID 控制的数学模型如图 3-1所示。

其中: :控制器输出(4~20mA)

B:输出补偿或前馈

E:偏差(设定值SP—过程变量PV)

:比例增益

:积分增益(1/秒)

:微分调节(秒)

:复合环系数(小于1)

:比例系数

=滤后水瞬间流量

其输出补偿或前馈 B 取与滤后水流量成比例的值。游离余氯的设定值根据水质要求进行设定,保证清水池的游离余氯达到要求。

4.补加次氯酸钠控制设计

补加次氯酸钠直接关系到出厂水余氯的合格和稳定性,在补加次氯酸钠控制中,以出厂水余氯作为被控对象。其控制模型见下图4。以出厂水流量作前馈,出厂水余氯作反馈,通过 PID 调节控制次氯酸钠量,使出厂水余氯控制在设定的范围内,以达到消毒和保持一定的余氯在管网中的目的。PID 控制的数学模型如图5 所示。

图4 补加次氯酸钠 PID 控制的数学模型

其中: :控制器输出(4~20mA)

B:输出补偿或前馈

E:偏差(设定值SP—过程变量PV)

:比例增益

:积分增益(1/秒)

:微分调节(秒)

:复合环系数(小于1)

:比例系数

=出厂水瞬间流量

其输出补偿或前馈 B 取与出厂水流量成比例的值。出厂余氯的设定值根据水质要求进行设定,保证管网末端游离余氯符合国家标准。随着气候的变化和供水管网的情况以及原水水质的不同,游离余氯的设定值也会随着改变。

5.影响次氯酸钠效果的主要因素

(1) 投加次氯酸钠目的是为了消毒。在投加次氯酸钠控制中,一般以水中的游离余氯作为被控对象,保持出厂水的游离余氯在一定范围内。但是,原水的氨氮对投加次氯酸钠后的游离余氯的形成起到非常重要的作用。由于氨氮与氯在水中形成氯胺,原水的氨氮对投加次氯酸钠后的游离余氯的形成影响较大,采用游离余氯作为被控对象,很难达到理想的效果,在这种情况下,可采用总氯作为对比参考。

我们在程序设计中考虑此种情况,对次氯酸钠量进行数学建模计算,当次氯酸钠量超过设定值时,而检测到的游离氯较少的话,会报警提醒水厂值班人员进行检查和干预。

(2) 采样时间的长短,直接影响次氯酸钠投加的效果。通常后加次氯酸钠在投次氯酸钠后经过充分混合后,需要尽量缩短采样时间,一般以 3 分钟为宜。缩短采样时间通常有两种方法:一是尽量缩短采样水管的长度;二是提高采样水管的流速。

(3) 余氯分析仪的检测值的正确性是控制次氯酸钠投加的关键。由于余氯分析仪存在零点漂移,应定期进行校正。在校正时应在余氯分析仪探头附近取样,并立即进行分析,将人工检测到的余氯值对余氯分析仪进行标定。

(4) 滤后水流量因反应沉淀池排泥和滤池的反冲洗发生较大的变化。也是影响次氯酸钠投加的一个重要因素。

由于影响后加次氯酸钠控制的因素较复杂,因此,控制比较麻烦。基于以上几种因素,采用比例加 PID的复合环控制,比单独采用 PID 控制的效果要好。

(二)次氯酸钠系统 PLC 程序设计

根据水厂实际的需求,考虑到目前水厂PLC 系统大多是AB公司的产品,同时要预留以后加药系统的扩展连接,所以我们的 PLC 系统采用AB公司 Controllogix 自动化平台的标准和高性能处理器,并可轻松扩展,具有与AB全系列产品的通讯功能。

次氯酸钠系统 I/O 分配表(见表 1)

表 1 系统 I/O 分配表

(三)次氯酸钠系统控制画面设计

图5次氯酸钠系统控制画面

图5是次氯酸钠系统控制画面显示设计,输入按钮隐藏于对应的数据框中,只要点击要输入的数据,则弹出相应的数据输入窗口。

(1)显示每台次氯酸钠投加设备的运行状态

前加次氯酸钠投加设备: 手动、自动、投加量

氯前次氯酸钠投加设备: 手动、自动、投加量

后加次氯酸钠投加设备: 手动、自动、投加量、高偏差报警、低偏差报警、流量信号丢失、余氯信号灯

补加次氯酸钠投加设备 : 手动、自动、投加量、高偏差报警、低偏差报警、流量信号丢失、余氯信号灯

(2)显示每台氯机的次氯酸钠量和次氯酸钠机阀门的开度

(3)显示出厂水余氯

(4) 显示每台次氯酸钠投加设备的流量

(5)记录每台次氯酸钠投加设备的故障类型和发生时间

(6) 操作每台次氯酸钠投加设备的启 / 停

(7)原水流量、滤后水流量、出厂水流量

四、结束语

通过以上实践证明,水质达标率显著提高,工人劳动强度明显减少,水厂用消毒剂安全系数得到有效提高。同时,减少生产原材料消耗,节约生产成本。PLC自控系统维护方便,运行安全可靠。运用 PLC 实现次氯酸钠系统的复合环控制,使次氯酸钠系统能准确地自动控制投加量,确保水质达标,出厂水余氯保持在 0.6~0.8mg/L 范围内,次氯酸钠投加均匀,运行曲线平稳,无需人工干预控制,自来水杀菌消毒效果理想,达到良好的处理水消毒效果。

参考文献:

[1] 张春义. 童祯恭; 陶涛; 净水厂中自动加氯系统探讨[J];环境科学与管理;2006年03期

论文作者:邹海明

论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期

论文发表时间:2018/4/18

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