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摘要 由于自来水厂的加药凝絮过程受到来自多个方面因素的影响，使其具有非线性、大惯性、大时滞以及时变性的特点，因此对其采用传统的、简单的控制方式很难达到控制要求。为此笔者提出了一套基于Rockwell公司生产的Controllogix系列PLC和上位机的自来水加药凝絮自动控制方案，系统采用经改进的数字PID控制算法，实现了水厂加药的全自动化控制。
关键词 自来水；加药凝絮；自动控制；PLC
中图分类号 TU991.62 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）012-0088-02
随着社会经济的繁荣发展及人们生活水平日益提高，尤其是在食品安全危机的大背景下，人们对饮食安全的关注越来越多，而自来水作为关乎城市居民身体健康的日常生活必需品，人们对自来水水质的期望也越来越高。自来水厂的加药凝絮沉淀是保证其出厂的自来水水质达标的重要工艺环节。目前有许多的自来水厂仍然沿用着人工凭经验、看“矾花”的方式，粗略的调节加药计量泵的冲程来控制加药量；或者是采用由进水浊度进行简单的开环控制。实践证明，这些方法既造成了大量的絮凝剂及人力的浪费，又由于加药凝絮过程本身存在的严重滞后现象，而使其无法准确的将出水浊度控制在符合标准的范围内。
为了提高自来水厂出水水质，降低絮凝剂等药品原料的浪费，有必要对自来水厂加药环节进行自动化控制方式改造。从经济性、实用性和系统稳定性的角度出发，本文提出了一套基于下位机PLC和上位机工控机的自来水加药凝絮自动控制方案，该方案将上位机和下位机PLC与浊度仪、流量计、游动电位系统合理结合，使其组成一个二级监控系统，在对加药系统的数学模型分析的基础上，应用Rslogix5000软件编制下位机控制程序，在上位机上应用RSView32编制加药系统的动态显示界面，并同时引入经过改进的数字PID控制算法，从而实现了水处理过程中絮凝剂投加的全自动化控制，达到了合理控制加药量，并将沉淀池出水浊度控制到预期范围内的目的。
1 加药凝絮原理
我们知道絮凝剂加入水中后呈现正电荷，而原水中的各种悬浮粒子带有负电荷，根据絮凝理论，当向富含各种悬浮粒子而带负电的原水中加入带有相反电荷的絮凝剂时，原水中的负电荷会被絮凝剂所带的正电荷中和，而使胶体杂质脱稳。当原水中的负电荷完全被加入的絮凝剂所带的正电荷中和时，原水则呈现中性状态，这时候胶体杂质达到最佳的脱稳状态，所以当加药后的原水呈中性状态而达到最佳脱稳状态时，加入的絮凝剂量为理论最佳投入量，这个投入量也是确保后续最佳沉淀的必要条件。
在自动控制系统中我们充分应用絮凝剂与原水中的悬浮粒子所带电荷的中和效应，采用游动电位在线传感技术，对添加絮凝剂的水体中的剩余（净余）电荷进行连续监测，并以此来反映待处理原水中杂质的脱稳程度，当检测所得信号为正值时则表征水体中的正电荷过剩，即絮凝剂投加过量；如果测量所得信号为负值则表征水体中的负电荷被完全中和，也就是说絮凝剂的投加量尚未使水体中的悬浮粒子完全脱稳，即絮凝剂投加量不足；如果测量所得信号为零，则表征水体呈现中性状态，投加的絮凝剂量达到最佳值，胶体杂质实现最佳脱稳。
2 控制系统原理
系统控制原理如图1所示，系统为凝絮和沉淀双闭环控制，内环控制凝絮，外环控制沉淀。在凝絮闭环控制中，将加入一定量絮凝剂后的水样经过管道搅拌器之后连续送入游动电位传感器中对其进行检测，并以检测结果作为反馈值，在加药间设置一台PLC控制柜，将游动电位传感器检测所得反馈值（4mA～20mA电流信号）和流量计提取的原水流量信号输入至PLC的I/O模块，然后根据运行工艺参数和确定的数学模型，通过内置的PID模块运算后输出控制信号给变频器，由变频器控制隔膜计量泵驱动电机的运转频率，从而达到控制计量泵冲程而调节加药量的目的。
3 控制系统硬件组成
自来水加药凝絮是一个比较缓慢的生产过程流程，从控制模式的角度看属于离散控制，因而最佳的硬件系统方案采用总控室上位机监控和加药间现场的下位机现场控制方式。结合上文讨论的加药凝絮自动控制需求，构建的加药凝絮自动控制系统硬件主要由上位机工控机、下位机PLC、游动电位传感器、变频器、隔膜计量投加泵、搅拌器、采样泵、流量计和若干电动阀门组成。
3.1 上位机及功能
系统上位机为一台工业计算机，按照集中控制的原则将上位机安装于中控室，上位机和下位机通过现场总线实现数据交换，从而实现对下位机的各种监控功能。在上位机上采用RSView32编制直观、友好的動态图形显示界面，使其具有现场数据采集、历史数据归档及输出、实时故障报警、设备运行状态动态显示以及画面自动切换等功能。在功能上上位机主要负责对系统运行参数的处理和管理，监控工作人员可以通过工控机显示画面对现场设备及自来水水质情况实施检测与控制，可以通过工控机远程设定或修改系统运行参数，同时还可以通过监控画面的相关操作远程控制系统运行情况。
3.2 下位机及其功能
下位机采用Rockwell公司的Controllogix系列PLC，PLC是加药凝絮自动控制系统的核心。在本系统中，PLC控制器设置于加药间现场，实现对自来水加药作业的现场控制和操作的控制装置。下位机通过现场总线向上位机传输现场运行参数，同时从上位机接收由其发出的远程控制指令。下位机主要负责各种现场设备运行状态参数的数据采集、量程转化以及执行来自上位机或者下位机内部控制指令的执行等，从而实现加药凝絮自动控制系统的全部功能。
4 控制系统软件
4.1 上位机软件系统
上位机采用RSView32软件编制系统监控及远程控制程序。RSView32是基于组件集成并用于监视和控制自动化设备和过程的人机界面监控软件，它主要由图形编辑器、时间检测、报警、趋势图、数据库管理等功能图组成，能够完成数据采集、处理以及相关操作控制，具有高度的可靠性和适用性。
4.2 控制对象数学模型
自来水加药凝絮自动控制系统的广义控制对象有变频器、采样系统和流量仪等，它的等效数学模型可以用一阶惯性环节加纯延迟来表示。从总体上看，本系统是一个集合了水、机、电的一体化复杂控制系统，其输入变量有浊度、流量和游动电位的设定值。控制系统的目的是要使整个自来水加药凝絮环节所输出的水体浊度达到稳定，在控制实践中，如果系统一旦达到稳定状态，而输入参数和外界影响因素都不再发生改变的话，控制参数也会保持在一个恒定的水平而不发生改变，但是外界的各种影响因素不可能稳定不变，在存在外界影响因素变化时，系统通过PID调节可以使输出维持在设定值，所以我们可以把游动电位（SC）设定值作为系统的输入。
D（S）的物理构件是PLC，M（S）为零阶保持器，Gc（S）为投药装置，Gm（S）包括游动电位检测仪和取样装置，H（S）反映扰动输入（流量、浊度等）等的变化对系统的影响。
4.3 下位机控制软件
控制系统的软件设计根据自动加药凝絮工艺控制要求采用模块化结构，主要由查询模块、设定模块和运行模块三部分组成。查询模块用于对设定值、报警值以及加药系统等参数的查询；设定模块主要实现对以上各个参数的重新设定或修改；运行模块则用于根据具体的设定值应用RSlogix5000提供的PID回路指令，通过PID运算实现控制系统的自动运行。
5 结语
本文介绍的自来水厂加药凝絮自动控制系统运用了目前较为先进的工业控制计算机和PLC作为系统控制核心，并结合检测仪表等构成二级监控系统。该系统具有操作简单、易于维护管理和运行稳定、高效的优势，通过在城市自来水生产中进行实际应用，很好的改善了自来水厂的生产效率和质量，同时大大降低了工作人员的劳动强度和节约了原材料，其广泛的推广应用必然会带来可观的经济效益。
参考文献
[1]孙兴胜，王俊莅.新型游动电位技术在给水处理中的应用[J].中国给水排水，2005，21（12）.
[2]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3]吴裕高.自来水厂混凝投药过程的自动控制研究[D].广州：华南理工大学，2006.
关键词 自来水；加药凝絮；自动控制；PLC
中图分类号 TU991.62 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-（2013）012-0088-02
随着社会经济的繁荣发展及人们生活水平日益提高，尤其是在食品安全危机的大背景下，人们对饮食安全的关注越来越多，而自来水作为关乎城市居民身体健康的日常生活必需品，人们对自来水水质的期望也越来越高。自来水厂的加药凝絮沉淀是保证其出厂的自来水水质达标的重要工艺环节。目前有许多的自来水厂仍然沿用着人工凭经验、看“矾花”的方式，粗略的调节加药计量泵的冲程来控制加药量；或者是采用由进水浊度进行简单的开环控制。实践证明，这些方法既造成了大量的絮凝剂及人力的浪费，又由于加药凝絮过程本身存在的严重滞后现象，而使其无法准确的将出水浊度控制在符合标准的范围内。
为了提高自来水厂出水水质，降低絮凝剂等药品原料的浪费，有必要对自来水厂加药环节进行自动化控制方式改造。从经济性、实用性和系统稳定性的角度出发，本文提出了一套基于下位机PLC和上位机工控机的自来水加药凝絮自动控制方案，该方案将上位机和下位机PLC与浊度仪、流量计、游动电位系统合理结合，使其组成一个二级监控系统，在对加药系统的数学模型分析的基础上，应用Rslogix5000软件编制下位机控制程序，在上位机上应用RSView32编制加药系统的动态显示界面，并同时引入经过改进的数字PID控制算法，从而实现了水处理过程中絮凝剂投加的全自动化控制，达到了合理控制加药量，并将沉淀池出水浊度控制到预期范围内的目的。
1 加药凝絮原理
我们知道絮凝剂加入水中后呈现正电荷，而原水中的各种悬浮粒子带有负电荷，根据絮凝理论，当向富含各种悬浮粒子而带负电的原水中加入带有相反电荷的絮凝剂时，原水中的负电荷会被絮凝剂所带的正电荷中和，而使胶体杂质脱稳。当原水中的负电荷完全被加入的絮凝剂所带的正电荷中和时，原水则呈现中性状态，这时候胶体杂质达到最佳的脱稳状态，所以当加药后的原水呈中性状态而达到最佳脱稳状态时，加入的絮凝剂量为理论最佳投入量，这个投入量也是确保后续最佳沉淀的必要条件。
在自动控制系统中我们充分应用絮凝剂与原水中的悬浮粒子所带电荷的中和效应，采用游动电位在线传感技术，对添加絮凝剂的水体中的剩余（净余）电荷进行连续监测，并以此来反映待处理原水中杂质的脱稳程度，当检测所得信号为正值时则表征水体中的正电荷过剩，即絮凝剂投加过量；如果测量所得信号为负值则表征水体中的负电荷被完全中和，也就是说絮凝剂的投加量尚未使水体中的悬浮粒子完全脱稳，即絮凝剂投加量不足；如果测量所得信号为零，则表征水体呈现中性状态，投加的絮凝剂量达到最佳值，胶体杂质实现最佳脱稳。
2 控制系统原理
系统控制原理如图1所示，系统为凝絮和沉淀双闭环控制，内环控制凝絮，外环控制沉淀。在凝絮闭环控制中，将加入一定量絮凝剂后的水样经过管道搅拌器之后连续送入游动电位传感器中对其进行检测，并以检测结果作为反馈值，在加药间设置一台PLC控制柜，将游动电位传感器检测所得反馈值（4mA～20mA电流信号）和流量计提取的原水流量信号输入至PLC的I/O模块，然后根据运行工艺参数和确定的数学模型，通过内置的PID模块运算后输出控制信号给变频器，由变频器控制隔膜计量泵驱动电机的运转频率，从而达到控制计量泵冲程而调节加药量的目的。
3 控制系统硬件组成
自来水加药凝絮是一个比较缓慢的生产过程流程，从控制模式的角度看属于离散控制，因而最佳的硬件系统方案采用总控室上位机监控和加药间现场的下位机现场控制方式。结合上文讨论的加药凝絮自动控制需求，构建的加药凝絮自动控制系统硬件主要由上位机工控机、下位机PLC、游动电位传感器、变频器、隔膜计量投加泵、搅拌器、采样泵、流量计和若干电动阀门组成。
3.1 上位机及功能
系统上位机为一台工业计算机，按照集中控制的原则将上位机安装于中控室，上位机和下位机通过现场总线实现数据交换，从而实现对下位机的各种监控功能。在上位机上采用RSView32编制直观、友好的動态图形显示界面，使其具有现场数据采集、历史数据归档及输出、实时故障报警、设备运行状态动态显示以及画面自动切换等功能。在功能上上位机主要负责对系统运行参数的处理和管理，监控工作人员可以通过工控机显示画面对现场设备及自来水水质情况实施检测与控制，可以通过工控机远程设定或修改系统运行参数，同时还可以通过监控画面的相关操作远程控制系统运行情况。
3.2 下位机及其功能
下位机采用Rockwell公司的Controllogix系列PLC，PLC是加药凝絮自动控制系统的核心。在本系统中，PLC控制器设置于加药间现场，实现对自来水加药作业的现场控制和操作的控制装置。下位机通过现场总线向上位机传输现场运行参数，同时从上位机接收由其发出的远程控制指令。下位机主要负责各种现场设备运行状态参数的数据采集、量程转化以及执行来自上位机或者下位机内部控制指令的执行等，从而实现加药凝絮自动控制系统的全部功能。
4 控制系统软件
4.1 上位机软件系统
上位机采用RSView32软件编制系统监控及远程控制程序。RSView32是基于组件集成并用于监视和控制自动化设备和过程的人机界面监控软件，它主要由图形编辑器、时间检测、报警、趋势图、数据库管理等功能图组成，能够完成数据采集、处理以及相关操作控制，具有高度的可靠性和适用性。
4.2 控制对象数学模型
自来水加药凝絮自动控制系统的广义控制对象有变频器、采样系统和流量仪等，它的等效数学模型可以用一阶惯性环节加纯延迟来表示。从总体上看，本系统是一个集合了水、机、电的一体化复杂控制系统，其输入变量有浊度、流量和游动电位的设定值。控制系统的目的是要使整个自来水加药凝絮环节所输出的水体浊度达到稳定，在控制实践中，如果系统一旦达到稳定状态，而输入参数和外界影响因素都不再发生改变的话，控制参数也会保持在一个恒定的水平而不发生改变，但是外界的各种影响因素不可能稳定不变，在存在外界影响因素变化时，系统通过PID调节可以使输出维持在设定值，所以我们可以把游动电位（SC）设定值作为系统的输入。
D（S）的物理构件是PLC，M（S）为零阶保持器，Gc（S）为投药装置，Gm（S）包括游动电位检测仪和取样装置，H（S）反映扰动输入（流量、浊度等）等的变化对系统的影响。
4.3 下位机控制软件
控制系统的软件设计根据自动加药凝絮工艺控制要求采用模块化结构，主要由查询模块、设定模块和运行模块三部分组成。查询模块用于对设定值、报警值以及加药系统等参数的查询；设定模块主要实现对以上各个参数的重新设定或修改；运行模块则用于根据具体的设定值应用RSlogix5000提供的PID回路指令，通过PID运算实现控制系统的自动运行。
5 结语
本文介绍的自来水厂加药凝絮自动控制系统运用了目前较为先进的工业控制计算机和PLC作为系统控制核心，并结合检测仪表等构成二级监控系统。该系统具有操作简单、易于维护管理和运行稳定、高效的优势，通过在城市自来水生产中进行实际应用，很好的改善了自来水厂的生产效率和质量，同时大大降低了工作人员的劳动强度和节约了原材料，其广泛的推广应用必然会带来可观的经济效益。
参考文献
[1]孙兴胜，王俊莅.新型游动电位技术在给水处理中的应用[J].中国给水排水，2005，21（12）.
[2]廖常初.PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3]吴裕高.自来水厂混凝投药过程的自动控制研究[D].广州：华南理工大学，2006.