摘要：分析了混凝剂投加系统常规PID控制的不足，根据影响混凝剂投加效果的各方面因素，提出利用基于前馈-反馈结构的串级控制方法对其进行有效控制，实现混凝剂的自动投加。并建立投加应用模型，表明此系统更平稳和迅速调整待滤水水质情况。
关键词：混凝剂投加控制系统；前馈-反馈控制；串级控制
引言
加药混凝沉淀是自来水厂水处理工艺中的一道重要的工序，混凝剂投加控制系统对投药的控制会直接影响到后续水工艺和出厂水质，如果控制出现失误，会直接导致水质不达标，影响整个水处理工艺正常生产。而混凝剂絮凝是一个复杂的物理化学反应过程，并且影响投药量的因素很多，如原水流量、原水浊度、水温、PH值等，常规的PID控制很难取得满意的控制效果，因此需要改进投加工艺，引进先进的自动化控制技术。本文以我司第六水厂常规处理工艺的混凝剂投加为研究对象，提出了利用基于前馈-反馈结构的串级控制方法来实现对混凝剂的自动投加控制。
一、常规PID控制混凝剂投加系统的结构及其不足
第六水厂源水取自东江南支流，东江水源为二级水，水质较优，一期设计供水能力为每天50万立方米。东江原水浊度常年变化不大，只有在洪水期或者上游排涝排污期间原水浊度和水质才会有较大变化。在水质稳定时期，投药量相对稳定，水厂采用主流量配比方式控制，根据不同原水浊度区间设定不同的投加比例，待滤水浊度反馈控制，来实现PID控制混凝剂投加。此常规PID控制系统实质上是一个比值控制系统，原理如图一：
该控制方法存在的不足：
（1）存在非线性、变时滞、大惯性的特点，采用此控制方法很难取得较好的控制效果。影响投药量的因素有很多，除了原水流量和原水浊度外，还有原水温度、PH值、氨氮含量等；而且混凝剂絮凝是一个复杂的物理化学过程，原水从进入絮凝池到出平流沉淀池，一般需要100-120分钟；经过此过程后取样的待滤水浊度进行反馈控制，有很大的滞后性，影响精确控制，很难取得满意的控制效果。
（2）难以应对突发状况，无法做到自动控制。遇到排涝排污等水质变化，需要值班人员根据水质情况来调整投加比例，往往会出现认为操作失误；在水质平稳期间发生水质突变事故，或者加药系统的非在线监控设备出现故障，例如投药管道磨损破裂时，此PID控制投药系统已经无法准确控制投药量，很容易导致平流沉淀池反池，出现生产水质事故，严重时甚至需要放空整个平流沉淀池的水，造成极大的生产原料与能耗的浪费。
常规PID投加控制系统已经无法应对日益复杂的水质情况，并且存在严重的缺陷；综合考虑整个水处理流程以及成本，在改进现有工艺条件下提出利用基于前馈-反馈结构的串级控制方法来实现对混凝剂的自动投加控制。控制简图如图二：
以第六水厂的混凝剂投加系统为基础，改进其现有投加工艺，优化混凝剂自动投加控制系统。
2.1、主要投加设备。
投加采用单缸双头隔膜计量泵，流量1.5m3/h，扬程30m；主要监控设备为原水流量计、原水浊度仪、SCD游动电流仪、待滤水浊度仪、现场PLC站等。
2.2、混凝剂自动投加控制系统结构
2.2.1 主原水流量控制
混凝剂投加系统还是以比值控制系统为主，研究对象水厂源水水质稳定时，不同原水流量的投加比例，以此达到对投药量的调节效果，实现近似的比例投加。
2.2.1前馈-反馈控制
前馈控制是在外界干扰发生后，被控量还未显现出变化之前，根据干扰信号产生合适的控制作用，使受控变量维持在设定值上。前馈控制系统对干扰的克服要比反馈控制对干扰的克服及时得多，且理论上可实现对扰动的完全补偿，使被控量成为扰动绝对不灵敏的系统。但实际上前馈控制无法检测补偿的效果，且难以对多个干扰实现精确补偿。前馈-反馈控制既发挥了前馈校正及时的优点，又保持了反馈控制能抑制多个干扰并对被控量始终给予检验的长处。
2.2.3 串级控制
串级控制目前已经较成熟地应用与工业控制过程及化工过程，其根本特征就是较常规控制回路增加了一个副回路，可迅速抑制出现在副回路内的高频干扰，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。串级控制副回路的选取有两个基本原则：一是副回路时间常数小，反应灵敏；二是副回路包含主要高频干扰。
2.2.4 混凝剂投加基于前馈-反馈的串级控制结构
混凝剂投加问题是一个较复杂的过程控制问题，影响其控制的主要因素有两种：一种是源水水质情况的变化，在原水浊度、PH、氨氮、水温等出现变化时，会直接对投药量造成影响，是混凝剂投加系统的外部干扰因素；二种是混凝剂絮凝是一个复杂的物理化学过程，其工艺过程具有非线性、时变、大时滞的特性，是混凝剂投加系统的内部干扰因素。
源水水质情况是可以用在线仪表测量和估计的干扰量，可以通过前馈控制来进行预估补偿；而经过非线性、时变、大时滞的工艺处理后的过程量是对被控量的反馈，可以通过反馈控制来进行反馈校验。
在水厂取水管道设立原水流量计，对投加系统进行流量比例控制。考虑水质突变的外部干扰因素，首先高频干扰为原水浊度的变化，可以通过在线原水浊度仪测得水质情况，进行前馈控制，从而可以对加药量作出迅速补偿；其次温度、PH、氨氮量等水质变化为低频干扰，可以在静态混合器后设一取样点，加设SCD游动电流仪，通过检测水中胶体杂质表明电荷变化来对混凝投药量进行调整控制；再根据实际平流沉淀水的浊度进行一定程度的微调修正；此反馈环节采用串级控制的方法，通过在线水质检测仪表获得数据克服干扰。从而既能迅速响应原水的水质变化，快速调节投药量，又能自动跟踪沉淀水浊度进行适当调整，在保证沉后水浊度指标的同时节约矾耗。
（1）前馈控制
由PLC站连续采集原水流量、浊度等原水参数，并计算出瞬时变化量，对这个变化量进行比例运算，得出相应的控制增量，去控制计量泵的投加频率。一般情况下，混凝剂加药量与原水流量成正比例关系，而加药量与原水浊度成非线性关系，为此，要针对不同源水水质、原水浊度和不同混凝剂浓度的投加曲线，选取混凝效果最佳的曲线输入控制，由PLC进行分段线性化运算处理。对原水浊度的大幅度变化进行跟踪控制，这样使得混凝剂加药量有了基本保证，从而使待滤水水质有了基本保证。
（2）后馈控制
SCD游动电流仪反馈控制系统是根据SCD游动电流仪可以连续测量水中胶体杂质的电荷情况（又称流动电流），以此作为投药量控制的依据，这一系统的工作过程是：SCD游动电流仪连续测量投药混合后的水样，并将水样中胶体杂质的表面电荷情况送给PLC站；PLC站计算出实测电荷与设定值的相差值，并进行PID运算。得出相对应的控制增量，去控制计量泵投量，使得实测电荷始终向着设定值逼近，而保证平流沉淀水的浊度稳定。设定值通过经验或试验确定的，若流动电流实测值高于设定值，就减少投药量；若实测值低于设定值，就调高投药量。由此实现了投药量的准确、及时的自动控制。
PLC站采集平流沉淀水的待滤水浊度，自动调整PID回路控制，对加药量进行微调。
三、混凝剂自动投加控制系统实际应用建模。
混凝剂投加系统的自动控制，是采用多参数复合环控制，基于前馈-反馈结构的串级控制方法实现。即根据原水流量、浊度进行前馈控制，根据SCD游动电流仪即时反馈复合环控制，再根据实际平流沉淀水浊度进行一定程度的微调修正，从而抗干扰，做到节能降耗，达到保证水质达标的效果。此控制数学模型如图三：
根据此控制系统应加混凝剂量的计算公式：
Q药=（Fi ×Ki/ m）/ρ＋Q调
Q药 ——应加混凝剂的量，单位l/h
Fi ——原水流量，单位m3/h
Ki ——混凝剂单位耗量，单位Kg/Km3
m ——混凝剂溶液质量百分比浓度
ρ ——混凝剂溶液密度
Q调 ——PID调节量
混凝剂的单位耗量Ki曲线先由分段浊度所做的混凝实验得出，再根据实际运行情况的经验数值进行充实调整，由PLC对加药单位耗量曲线进行分段线性化运算处理。加药曲线按照春、夏、秋、冬四季各设一条，将天气温度因素考虑进去。PLC站自动计算出当前待滤水浊度与设定值的差值并对整个差值进行PID运算，得出相应的控制增量，使得待滤水浊度始终向设定值逼近，从而保证待滤水的浊度稳定。PID调节量及滞后时间等参数可以通过SCD游动电流仪的反馈控制补偿调整。PLC能够计算出实时出药量Q实和应加药量Q药，通过调节隔膜计量泵的频率和冲程来使Q实和Q药逼近。
结束语
本文以第六水厂混凝剂投加系统为研究对象，分析了常规PID控制投加的不足，提出一种基与前馈-反馈结构的串级控制方案，建立应用计算数学模型，系统的控制更加准确，抗扰动能力增强，达到迅速调控投加量的效果，同时做到节能降耗，有很好的实用性和推广价值。
参考资料：
[1]MICRO200 SCM 游动电流仪说明书.
[2]第六水厂一期净配水厂工程技术说明书。
论文作者:翟志盛
论文发表刊物:《基层建设》2016年32期
论文发表时间:2017/1/17
标签：混凝剂论文; 浊度论文; 原水论文; 水质论文; 反馈论文; 干扰论文; 控制系统论文; 《基层建设》2016年32期论文;