蔡建斌

(上海市自來水市南有限公司，上海 200002)

源江水廠采用的是先沙后碳的深度處理模式。黃浦江原水經(jīng)過取水泵房取水后，加入高錳酸鉀、次氯酸鈉、硫酸銨和礬液后，經(jīng)過臭氧預(yù)處理池消毒后，進(jìn)入平流沉淀池沉淀淤泥，然后進(jìn)入V型沙濾池過濾后，經(jīng)提升泵房軸流泵將濾后清水打入碳濾池過濾，最后根據(jù)水質(zhì)情況加入次氯酸鈉和硫酸銨進(jìn)入水庫(kù)，再通過出水泵房打入管網(wǎng)。

提升泵房有進(jìn)水管、前池、進(jìn)水流道及水泵、出水管及出水渠這幾大部分組成。進(jìn)水管直徑DN 1 800 mm，布置在前池進(jìn)水墻的底部，表現(xiàn)為底部出水，然后通過前池?cái)U(kuò)散，進(jìn)入流道，提升后至碳濾池。

當(dāng)水從砂濾池過來后，直接經(jīng)過提升泵提升至碳濾池。由于濾池的水是波動(dòng)的，每當(dāng)沖洗的時(shí)候，水量會(huì)減少。然而，提升泵的穩(wěn)定運(yùn)行，就需要保證提升泵吸水水位的恒定，使其一直工作在高效區(qū)，減少汽蝕和震動(dòng)對(duì)泵體造成的損傷。所以，我們提升泵需要PLC來進(jìn)行PID控制，使得無論濾池的進(jìn)水多少，保證水泵的吸水水位保持恒定。

1 提升泵房機(jī)泵控制方案

1．1 增泵流程

常態(tài)運(yùn)行時(shí)，提升泵中一臺(tái)運(yùn)行在變頻狀態(tài)(定義為變頻泵)，其余各臺(tái)運(yùn)行在全頻狀態(tài)(定義為全頻泵)。當(dāng)濾后水進(jìn)水渠道，水位持續(xù)上升，其中的變頻泵頻率調(diào)至全頻時(shí)(＞47 Hz)，系統(tǒng)將以變頻方式啟動(dòng)下一臺(tái)提升泵，啟動(dòng)頻率設(shè)為20 Hz，在選擇啟動(dòng)泵前，控制系統(tǒng)搜索可選泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，首選累計(jì)運(yùn)行時(shí)間最少的提升泵;隨后，繼續(xù)對(duì)進(jìn)水渠道水位不斷采樣對(duì)比，進(jìn)入下一程變頻調(diào)節(jié)階段，直至該變頻泵調(diào)節(jié)至全頻運(yùn)行(＞47 Hz)，再同樣方式啟動(dòng)下一臺(tái)提升泵，以此類推，如圖1所示。

圖1 變頻器邏輯控制圖Fig．1 Logic Control Chart of Frequency Transformer

1．2 減泵流程

通過此設(shè)計(jì)理念，使得5臺(tái)提升泵在保證運(yùn)行水位的同時(shí)，還可以輪流啟動(dòng)和停止。有效地預(yù)防了一臺(tái)機(jī)泵不間斷工作的情況。

2 提升泵房的PID設(shè)置

PID變頻控制流程:變頻運(yùn)行的提升泵采用PID閉環(huán)調(diào)節(jié)控制方式，如圖2、圖3所示［1］。

變頻泵的頻率調(diào)節(jié)采用ControlLogix專用PID指令完成。為及時(shí)跟蹤進(jìn)水渠道水位變化過程，PID指令執(zhí)行周期設(shè)定為200 ms。

PID指令參數(shù):

SP—水位控制設(shè)定值，單位:m，該工藝參數(shù)由操作人員根據(jù)工藝要求設(shè)定;

圖2 PID變頻控制流程Fig．2 Process of PID Frequency Conversion

PV—水位控制實(shí)測(cè)值，單位:m，該工況參數(shù)由液位儀反饋給PLC;

E—實(shí)測(cè)值對(duì)設(shè)定值的偏差，即:E=PV-SP;

Kp—PID設(shè)定的比例增益(P增益);

在江河湖泊設(shè)置入河排污口的建設(shè)項(xiàng)目，建設(shè)單位應(yīng)當(dāng)取得縣級(jí)以上地方人民政府水行政主管部門或者流域管理機(jī)構(gòu)出具的入河排污口設(shè)置同意文件。在進(jìn)行入河排污口設(shè)置審批時(shí)，應(yīng)結(jié)合廢污水產(chǎn)排分析及納污水域調(diào)查成果，分析判斷其是否符合清潔生產(chǎn)、達(dá)標(biāo)排放與總量控制、水功能區(qū)限排等方面要求。因保留區(qū)、緩沖區(qū)主要是采用現(xiàn)狀污染物入河量作為納污能力及限排總量，因此在進(jìn)行入河排污口設(shè)置審批時(shí)，需削減水功能區(qū)內(nèi)相應(yīng)的排污量，以滿足新增加入河排污量后不會(huì)超過限排總量；而開發(fā)利用區(qū)的納污能力及限排總量主要是采用模型法進(jìn)行計(jì)算，新增加入河排污量與現(xiàn)有入河排污量的總和不得超過該水功能區(qū)限排總量。

Ki—PID設(shè)定的積分增益(i增益);

Kd—PID設(shè)定的微分增益(d增益)。

用于PID指令的PID方程是一個(gè)可以選擇獨(dú)立增益或者相關(guān)增益的位置形式方程。本程序采用獨(dú)立增益方式，其比例、積分、微分只影響各自特定的分項(xiàng)。

圖3 PID設(shè)置圖Fig．3 Diagram of PID Setup

PID方程式:

CV=Kp(E)+Ki∫(E)dt+Kd(PV)/dt+BIAS

其中:

CV—PID控制輸出。

BIAS—輸出偏置。

Kp、Ki、Kd參數(shù)在調(diào)試時(shí)根據(jù)實(shí)際工況在PLC的PID指令中設(shè)置。

通常，在確定 PID 參數(shù)(Kp、Ki、Kd)時(shí)要兼顧系統(tǒng)靈敏性和穩(wěn)定性，因此，對(duì)上述分量的設(shè)置，都要在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試過程中，采用經(jīng)驗(yàn)的方式和逐步逼近的方式，小心地進(jìn)行試驗(yàn)，最終得到最佳設(shè)定值［2，3］。

3 結(jié)論

通過調(diào)節(jié)提升泵的頻率，來達(dá)到調(diào)節(jié)水泵輸出功率的目的，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)出水流量的控制。這種方法最大的特點(diǎn)是節(jié)能，其次是調(diào)節(jié)精度高，無機(jī)械損傷，運(yùn)行壽命較長(zhǎng)。源江水廠提升泵房使用的效果證實(shí)了這些特點(diǎn)。

圖4記錄了實(shí)際運(yùn)行時(shí)，提升泵房蓄水池水位控制的趨勢(shì)曲線(2013年1月1日～2013年4月21日)，從實(shí)際記錄的趨勢(shì)曲線看，水位控制相當(dāng)平穩(wěn)，基本在3 m附近波動(dòng)。

圖4 提升泵房蓄水池水位趨勢(shì)曲線Fig．4 Trend Curve of Reservoir Water Level in Pumping Station

該系統(tǒng)自投運(yùn)以來，運(yùn)行正?？煽浚瑥奈窗l(fā)生蓄水池漫溢事故。

提升泵房由于設(shè)計(jì)上的缺陷，導(dǎo)致了水流成側(cè)向進(jìn)水，渦流較大。同時(shí)，提升泵房的儲(chǔ)水容積又偏小，因此，只要水位一有波動(dòng)，輕者會(huì)引起提升泵的汽蝕與振動(dòng)，重者便會(huì)使得提升泵葉輪折斷。通過PLC系統(tǒng)的改造，可以很大程度上緩解設(shè)計(jì)上的缺陷，保證設(shè)備的使用安全。

［1］吳勇．智能儀表在水廠中的應(yīng)用與管理［J］．中國(guó)科技博覽．2011，19(30):298-299．

［2］盛宴．論自來水廠中的PLC自控技術(shù)的運(yùn)用［J］．現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)．2008，20(3):288-289．

［3］王勇，陳曉恂．PLC在水廠真空系統(tǒng)控制中的應(yīng)用［J］．凈水技術(shù)，2008，27(5):66-68．