新型混凝投药智能复合环控制系统

工程实例新型混凝投药智能复合环控制系统南　军,　李圭白(哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨150090) 摘　要:　通过分析原水流量对水处理混凝投药系统质量控制的影响,阐述了单一流动电流混凝投药测控系统的局限性,提出一种新型的智能复合环控制系统及相应的控制算法。

关键词:　前馈;　特性参数;　流动电流中图分类号:TU991.6 文献标识码:C 文章编号:1000-4602(2001)09-0049-031　单一流动电流投药测控系统的局限性111　常规控制方法的缺点一般的流动电流控制系统属于后反馈控制,它是按照被控参数与给定值的偏差进行控制的,能将引起被控参数变化的所有干扰都包括在系统中,并均由调节器来克服。

但是,调节器必须在被控参数出现偏差后才能对其进行调节,以补偿干扰对被控参数的影响。

如果干扰已经发生,而被控参数还没有发生变化时,调节器是不会产生校正作用的。

所以,这种控制落后于干扰作用,属不及时的控制。

实际应用中进水流量的变化时间短而幅度大,对混凝投药控制系统的冲击较为剧烈,而过程控制总是具有滞后特性的,如容量滞后和纯滞后。

从干扰作用的产生到被控参数达到新的稳定状态要经历相当长的时间。

对于这类工艺,采用单回路反馈控制系统或串级控制系统已不能满足生产要求。

112　原水流量变化的影响现有流动电流控制系统普遍采用PI 调节模式,可用传递函数来表示(见图1)。

图1　流动电流投药控制系统控制系统的控制质量取决于控制系统的参数,而流动电流混凝投药控制系统的参数即为衰减系数ζ的值或特征方程的根。

为简化起见,只考虑流动电流控制回路为单回路反馈控制系统。

图1所示流动电流混凝投药控制系统由比例积分调节器W (s )、计量泵W v (s )、对象W 0(s )以及流动电流测量变送器W m (s )组成。

由于积分控制的存在,该系统为三阶系统。

为了简便起见,只考虑PI 调节器的比例控制部分,即设W (s )=K p ,则系统的闭环传递函数:　Y (s )F (s )=K f (T m S +1)(T 0S +1)(T m S +1)+K p K v K m K 0(1)由反馈控制理论可知,这是一个二阶系统的过程控制,其过渡过程将由系统特征方程式根的衰减系数ζ决定。

要保证控制质量,就要力求维持对应最佳控制参数下的ζ值不变。

在实际应用中,根据被控对象数学模型进行理论计算或简易工程整定法得出的PI 控制器的特性参数K p 、T 1,一经整定后就不再改变。

因而在讨论流量对系统控制质量的影响时,设T 0、T m 、K p 、K m 等其他参数为定值。

由式(1)可知,流动电流混凝投药控制系统的特征方程为:　T 0T m S 2+(T 0+T m )S +(1+K ′K v )=0(2)其衰减系数:　ζ=T 0+T m2T 0T m (1+K ′K v )(3) 中国给水排水2001Vol.17 CHINA WA TER &WASTEWA TER No.9式中 K′=K p K m K0在流动电流投药控制系统中,计量泵的电源频率变化值与调节器的输出信号改变值成正比,即:　Δf=k s×ΔS C(4)式中　k s　———常数　ΔS C———流动电流调节器的输出信号改变值往复式计量泵的调节参数改变值与输出流量变化值之间的关系称为计量泵的调节特性,其数学表达式为:　ΔQ泵=K泵Δf H泵=K泵k sΔS CH泵(5)式中　ΔQ泵———计量泵输出流量变化值　K泵———常数　Δf———计量泵电源频率改变值　H泵———计量泵行程百分比而实际投加到原水中的矾量浓度变化值:　Δq=C药ΔQ泵Q水=K泵C药k sΔS CH泵Q水(6)式中　Δq———矾量浓度变化值　C药———投加的药液浓度　Q水———原水进水流量由式(6)可知,计量泵的特性参数:　K v=ΔqΔS C=K泵C药k s H泵Q水(7)由式(3)、(7)可以看出,在水厂实际生产中,药液浓度、计量泵的冲程一般维持不变,而原水进水流量每天都有较大幅度的变化,这会引起K v值的改变,从而导致系统衰减系数ζ值的相应减小或增大,降低系统调节质量,严重影响生产。

2　智能混凝投药复合环控制系统为了解决上述问题,提出并已应用了一种新的控制方法,如图2所示。

即在流动电流混凝投药串级控制系统中,引入流量比例前馈控制以进一步提高系统的控制质量。

其中,前馈部分是按照干扰作用进行控制的。

当某一干扰一出现,调节器立即根据干扰的性质和大小,对被控参数进行控制,以补偿干扰对被控参数的影响,使被控参数基本不变化(或很少变化)。

它相对反馈控制来说是及时的,在理论上,对干扰的影响可以达到完全补偿,使被控参数不变,控制效果显著提高。

图2　新型智能复合环混凝投药系统控制原理图211　常规流量比例前馈控制系统常规流量比例前馈—流动电流串级控制系统是在水厂安装原水流量计,并选取带有冲程、频率双调节的计量泵。

泵的电机频率由流动电流PI控制器输出信号控制,而冲程由原水流量信号直接控制。

即计量泵冲程:H泵=K H Q水(8)式中　K H———整定后的常数式(8)代入式(7)可得:K v=K泵C药k s K H为常数,从而保证系统衰减系数ζ值不变。

所以,此方法既可以改善流动电流系统的滞后问题,及时根据进水流量变化调整加药量,又可在进水流量变化时,使计量泵的特性参数K v值不变,从而较好地保证控制质量。

但是,这种控制方式也会带来一些问题,例如:①　每台计量泵都需加装电动冲程调节器,成本较高;②　由于电动冲程调节器是齿轮传动,可靠性低,寿命较短;③　精度较低,并存在调节间隙造成的偏差;④　如果出现浊度或矾液浓度的大范围变化,需要重新调整流量比例系数,对工人操作产生难度。

212　智能混凝投药复合环控制系统为了有效地解决上述问题,对可编程控制器的模拟输出进行了改进,具体方案如下:使计量泵的电源频率f=k1×Q水×S C,即:　Δf=k1×Q水×ΔS C(9)式中　k1———常数　S C———流动电流调节器的输出信号由式(5)、(6)、(7)、(9)可得:计量泵的特性参数K v=ΔqΔS C=K泵C药k1H泵为常数。

该方案将流量前馈控制值与流动电流PI 调节器的输出值构成并行的复合环控制方式,给出一路控制信号来调节计量泵转速,达到变频调速和冲程调节两路控制的效果而同样可保证系统衰减系数ζ值不变。

该系统具有成本明显降低、使用寿命大大延长、控制精度高、智能化程度高、设备成本降低和操作管理简化等优点。

3　结论①　常规的流动电流投药测控系统存在着不完善之处,原水流量变化会影响控制质量,这就需要一些改进措施。

②　新型智能复合环控制系统可以改善计量泵特性参数,方法简便有效,可在大多数水厂中推广应用,具有广阔前景。

参考文献:[1]　崔福义,李圭白.流动电流及其在混凝控制中的应用[M].哈尔滨:黑龙江技术出版社,1995.[2]　涂植英,朱麟章.过程控制系统[M].北京:机械工业出版社,1998.电话:(0451)6282298传呼:191-1133922E-mail:nanjun@;nanjun@收稿日期:2001-04-16・讨论・给排水一体化管理的优势 从镇江市给排水管理处实际运行看,实施对城市供排水、节水和污水处理的统一管理具有一定的优势。

①　供水、污水设施建设大发展。

a.镇江市供水能力近几年有了突飞猛进的发展,随着金西水厂二期扩建工程于2000年6月28日竣工投产,市区自来水供水能力达到40×104m3/d,可以满足镇江市“十五”计划期间的用水需求。

市开发区丁卯新区水库泵站,由1.5×104m3库容扩充到3×104m3库容,完全可以满足外商企业多种用水需求。

b.污水截流工程设计规模为30×104m3/d,工程概算为30639万元,服务范围27.5km2。

预计到今年年底污水截流工程将基本告竣,届时污水截流能力可达24m3/d,处理污水8×104 m3/d,市区古老的运河、内江、运粮河三大水系的水质改善有望。

②　给排水近、中、远期发展规划衔接紧密,专业管理能力明显加强。

编制了镇江市供水、节水、雨水排放和污水处理“十五”计划和2010年规划。

给排水管理处还提出了区域供水课题,并和市政府研究室联合进行调研,探讨实施区域供水的可能性。

③　给排水建设工程重复投资、重复建设问题明显减少。

有些城市,在水厂建设中缺乏统一规划,重复建设现象比较严重。

如某市市区水厂的供水量只是供水能力的50%左右,但在市区周围和新开发区又分别建造水厂,造成巨大浪费。

给排水管理处在市区较好地解决了这个问题,如丁卯新区供水,最后决策在新区建一个3×104m3水库泵站,由市区水厂统一供水,达到投资省、见效快的目的,很好地解决了新区自来水供应问题。

④　具有全局优势。

供排水有机配合,解决市区低洼地区积水、老水表改造等一些关系到国计民生的给排水方面的突出问题。

⑤　人、财、物实力雄厚。

固定资产达7亿多元,中高级人才达200多人,拥有水处理设计研究所、水质化验中心,给排水从设计到施工配套成龙,施工技术、质量优势明显。

(江苏省镇江市给排水管理处　陈永福　供稿)。