楊成海 賀東明 葉文廣

寶鋼集團廣東韶關(guān)鋼鐵有限公司,廣東 韶關(guān) 512123

引言

我國于上世紀80年代開始引進法國DEGREMONT公司開發(fā)的V型濾池。和國內(nèi)均質(zhì)濾料汽水反沖洗濾池相比，它在濾池構(gòu)造，反應(yīng)洗方式、強度、運行方式和效果等方面均有所不同。V型濾池以其深層截污，反川銑徹底，高效節(jié)能，出水水質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點受到眾多水廠的好評，但其水位控制系統(tǒng)投資大，設(shè)備復(fù)雜。如何降低投資，實現(xiàn)可靠的恒水位運行仍是國內(nèi)眾多水廠關(guān)注和有待解決的問題。V型濾池和傳統(tǒng)濾池在進水和水位控制上的比較，V型濾池在進水方式和水位控制及運行效果方面與傳統(tǒng)的虹吸濾池和普通快濾池均有所不同。V型濾池一般采用堰口自由出流，保證濾池各單元格的

進水流量基本相同.同時，V型濾池在運行時，各單元格的運行水位保持相同，即采用恒水位的等速過濾，這樣能保持濾層孔隙內(nèi)水流流速基本恒定或緩慢遞增，是保證出水水質(zhì)的最好方法閉。根據(jù)韶鋼自來水廠濾池工藝流程,進行自動化改造,利用工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)濾池的自動化控制。濾池過濾主流程圖見圖1。本文就濾池的自動化實現(xiàn)作一分析。

1 濾池工作機理分析

圖1 濾池過濾主流程圖

目前,韶鋼自來水廠的濾池是由池體、濾料層、承托層、配水系統(tǒng)、排水系統(tǒng)和為滿足過濾、反沖洗要求而配置的管道、閥門系統(tǒng)組成。濾池也稱濾格。水由進水管流入池內(nèi),經(jīng)濾層由上向下過濾,再經(jīng)下部集水裝置和出水管流至清水池。過濾進行到一定時期,濾層截留的懸浮物增多,過濾阻力增大,導(dǎo)致濾后水水質(zhì)惡化,需停止過濾,進行反沖洗。從以上分析可知,要想保持濾池的正常工作,需解決兩個問題：

(1)濾池進水量和出水量應(yīng)保持平衡,使濾層不會因池內(nèi)水位下降而外露,而水位過高而溢流,即所謂的恒水位控制。

(2)為保證濾池的過濾始終處于最佳狀況,需定期對濾層進行反沖洗。

2 濾池自動化的設(shè)計

2.1 濾池恒水位控制的數(shù)學(xué)模型

恒水位控制是通過建立濾池水位、出水閥門開度、進水量等變量的數(shù)學(xué)模型,由PLC檢測這些信號,按數(shù)學(xué)模型進行運算后,輸出控制信號來控制出水閥的開度,從而控制濾池水位保持恒定。實際應(yīng)用中,發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)PID控制容易出現(xiàn)積分飽和等現(xiàn)象。因此在線性基礎(chǔ)上加以改進,形成一種非線性PID控制算法,由以下幾項組成：

(1)變增益PID在PID之前加入非淺性環(huán)節(jié),非線性算法如下：

μ=f[e(t)]kp[e(t)+1Ti∫ t0e(t)dt+Tdde(t)dt](2 - 1)式 中,選f[e(t)]=β+(1-β)e(t),β∈(0,1)為非線性增益,是控制偏差e(t)的函數(shù)。

(2)設(shè)置誤差不靈敏區(qū)

濾池水位允許有一定余差,即被控量在允許的誤差范圍內(nèi)變化。因此,加入誤差不靈敏區(qū),當誤差在不靈敏區(qū)內(nèi)時,調(diào)節(jié)器不作任何調(diào)整,控制規(guī)律為：

(3)積分分離

采用積分作用,當偏差較大時,容易產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象。因此,加入積分分離PID控制規(guī)律,在誤差絕對值大于一定值(B2)時,取消積分作用,控制作用變?yōu)镻ID控制?？刂扑惴?/p>

(4)異常處理

對于常規(guī)線性系統(tǒng),在出現(xiàn)異常情況時,會產(chǎn)生誤調(diào)節(jié)問題,異常情況時檢測到的并不是濾池水位的真實高度,此時,如果保持調(diào)節(jié)器輸出,以異常情況出現(xiàn)時刻調(diào)節(jié)器的輸出值作為控制輸出,會出現(xiàn)水位調(diào)整不及時甚至誤調(diào)節(jié)問題,從而引起濾池水位的較大幅度波動。因此采取以下方法處理異常情況。

首先,恰當選取B3,可以為誤差絕對值大于B2時為異常情況,進入異常情況處理程序。當出現(xiàn)異常情況時,以異常情況出現(xiàn)前某個時間段控制器輸出的平均值作為異常情況出現(xiàn)時控制器的輸出來控制出水閥開度。平均值的選取尤為重要,要根據(jù)現(xiàn)場實際情況選擇。至此根據(jù)式(2-1)—(2-5)得到非線性PID控制算法。

2.2 反沖洗控制實現(xiàn)

反沖洗控制由三個條件：過濾運行時間,水頭損失,濾后水濁度決定。根據(jù)現(xiàn)場情況,當滿足一個、兩個或全部條件時,由程序判斷后,實現(xiàn)自動反沖洗：即定時反沖洗方式、水頭損失反沖方式和強制反沖洗方式。

3 濾池自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件組成

濾池子站是濾池控制系統(tǒng)的一部分。其主機選用聯(lián)想工控機。濾池控制系統(tǒng)下掛2格濾站,每格濾站都選用SIMENS公司的S7-313CPLC,能夠獨立控制單格濾池所有控制任務(wù)。通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)將兩格濾站PLC與主機連為一有機整體(濾池控制系統(tǒng))。見圖2。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 軟件設(shè)計

軟件采用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計分案,管理軟件開發(fā)工具采用WinCC組態(tài)軟件,實現(xiàn)控制過程中重要工況數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫化管理。主要模塊有：

(1)各閥門控制模塊：監(jiān)控濾池各閥門的開關(guān)啟停狀態(tài)。

(2)故障處理模塊：用于處理濾池故障報警,故障記錄和進行故障后的保護性操作。

(3)輸入、輸出模塊。

(4)顯示處理模塊：用于處理濾池的動態(tài)、實時顯示,提供良好的人機界面。

4 結(jié)語

通過適當?shù)倪x配和調(diào)節(jié),可大大提高濾池的自動化水平及可操作性。實際應(yīng)用表明,本文提出的非線性PID控制算法,對保持濾池穩(wěn)定的恒水位控制具有良好的效果。

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