PID 闭环控制在杏林水厂加药系统中的应用

陈介聪

（厦门水务集团，福建 厦门361021）

为了切实提升水厂中的水质，降低成本，PID 闭环控制在杏林水厂加药系统中的应用具有极重要的现实意义。随着自动化和计算机技术的发展，水厂自动化逐渐成熟和普及，自动加矾也被广泛应用，本次杏林水厂二组净化自动化改造针对水厂的实际情况设计了一套自动加药系统，以实现水厂加矾自动化、加氯自动化。

1 PID 闭环控制优势与原理分析

1.1 PID 闭环控制优势

PID 闭环控制作为一种新型且编程方便的终端控制技术，是新时代下高科技中人机互动界面产品，通常情况下被运用于水厂的生产过程中，其可靠性高、编程简单以及使用维护方便的优势深受业内人士青睐与喜爱。在参数复杂及又需要通过人工加药的方式实现原水浊度的检测时，使用PID闭环控制可以使得水厂中的水质得到大大提升。与此同时，PID 闭环控制还有着运算效率高、功能强大，维护方便、编程简单等优势。近些年来，随着中国经济与社会的不断发展以及科学技术的日新月异，对生产的设备以及自动化的控制系统的要求也越来越高，PID 闭环控制在杏林水厂加药系统中的应用，可以有效减轻工作人员的劳动量，对于经验不足的工作人员来说好比一剂“良药”。PID 闭环控制在杏林水厂加药系统中的应用，已经成为了该水厂中实现自动化控制的一种必然趋势。

1.2 PID 闭环控制原理

PID 闭环控制自问世以来已有70 余年的历史了，它以操作简单、稳定可靠的优势成为了大部分水厂中的主要技术之一，当被控制对象的结构与参数不能得到精确的数据的情况下，必须通过现场测试来完成，此时的PID 闭环控制技术最为方便。简单说，就是当人们在完全不了解某一个系统中被控制的对象时，最适合的方法莫过于PID 控制技术。PID闭环控制原理主要是根据水厂供水管网中的既定压力与水流对水流的速度进行调节与控制。当水厂中的既定压力大于水网压力的时候，PID 闭环控制的运行频率就会逐渐提高；相反的，当既定压力小于水网压力的时候，PID 闭环控制的运行频率就会随之下降。在本水厂中当供水管中的水流不断时，就会降低PID 闭环控制中泵组的运行压力。所以，为了保证PID 闭环控制的安全与稳定运行，还需要多增加几个泵组，泵组的变频可以通过PID 闭环实现切换控制，进而确保本水厂中供水平稳，降低生产成本，提升经济效益。

2 加药系统曲线的测定方法及运用

制约加药的因素有很多，比如原水的浊度、色度、温度、pH 值、进水管的流速以及进水设备的载荷情况，其中最主要的影响因素还是原水浊度与pH 值。而进水管的流速和水温可以通过人为的方式对其进行控制与预处理，使其在理想的状态下进行加药。本方案在特定的条件下，通过PID 闭环控制在加药系统中应用进行研究，使得沉淀水的浊度可以达到0.5～0.7 NTU。加药系统中的PID 闭环控制的应用是通过对水浊度的测定，找出在原水样可以实现最佳加矾矾液流量调节目的以及最经济实用的加矾和加氯的投加量。由于中国各地区中的水质以及水厂中硬件设施配置不同，使加药系统的曲线测定出现了不一样的情况。因此，PID 闭环控制在本水厂加药系统中的应用具有极其重要的现实意义。

具体步骤如下：①1%的混凝剂配置。先用托盘天平准确地称出一定数量的聚合双酸铝铁将其放入容量为1 L 的水样杯中，用蒸馏水将其配置成浓度为10 mL 的混凝剂药液，以1∶3 的比例分别将其放置于搅拌台上，插入浆板。②水样的配置方法。分别取出1000 mL 的原水，将其调制呈为4 NTU、7 NTU、9 NTU、14 NTU 等不同浊度的原水液体，通过浊度仪进行测量，对比原水与含泥块原水的浑浊度。③加药量的界定。分别取出容量为1 L 的6 只水样杯，在杯内依次加入5 N'NTU 的原水样液，再利用刻度为5 cm 的虹吸1%的聚合双酸铝铁，接着往6 只装有1 L 原水样的烧杯中滴入0.1 mL、0.15 mL、0.2 mL、0.25 mL、0.3 mL、0.35 mL的混凝剂药液，用搅拌棒搅拌之后，静置沉淀15～30 min。④通过以上测定方法分析得出，通过PID 闭环控制技术后原水的矾花效果最好，且投药量较小，烧杯中原水浊度的上层水最清楚的水样是该浊度下最理想的投药加量。此实验过程虽耗时较长，但对原水浊度的测定却最为合理，有些时候可能还需要重复去做实验，就是为了得出最合理的加药量的数据。在PID 闭环控制技术的支持下，杏林水厂的加药系统中也获得了可靠的实验数据，在特定条件下，假设进流水管的速度为3000 m3/h，水温为28 ℃，pH 值为7.4 的情况下，即加药曲线的测定。

3 PID 闭环控制方案的比较及改进

3.1 加药前的控制情况

在水厂的加药过程中，在中国大部分的水厂中，特别是在一些中小型的水厂中，依然是通过人工的方式来实现加药，又或者是仅凭自身的经验通过看“矾花”的方式来调节加药量，本方案中的具体研究对象杏林水厂就属于后者。在生产与制造自来水的过程中，从加药量的配置到反应情况，再到沉淀需要的周期是很长的。同时，又由于浊水的检测点离原水检测点的距离较远，且在具体的检测过程中又存在着较长延时与滞后的情况。因此，人工检测的方式很难对浊水进行准确控制，只能是采取凭感觉或凭经验的方式对加药量进行控制，但最终的效果难以满足水厂中实际的生产需求。

3.2 基于PID 闭环控制的运用

通过对以上加药前的控制情况分析得出，人工方式之所以不能对加药量进行合理的控制，主要的问题是没有精准的控制方法。为了有效解决这一问题，依据上述实验的加药曲线测定与当前水厂中的水流情况进行比较，形成闭环控制。而为了得出准确的加药量，还可以通过其他的方式来实现，如控制进水的流量或者是药的浓度等。其中药的浓度可以通过实验的方式由工作人员自行确定，只需将其直接输入上位机中即可。

4 PID 闭环控制的实现

4.1 合理控制PID 闭环

在PID 闭环控制实现的过程中，主要使用的设备有PLC、变频器以及计量泵等设备。先由PLC 对原水的浊度进行采集，通过信号处理的形式来控制计量泵中的频率，进而对矾液和次氯酸钠进行合理的控制。

4.2 PLC 选型

从经济与实用的角度来说，还可以在PID 闭环控制上进行进一步的拓展。为此，工作人员在本水厂中特别加入了一个AI 的模块，用来采集原水的浊度。由PLC 采集到的原水浊度，经过相关工序的处理之后，结合触摸屏中提供的药液浓度，计算得出原水流量的SP。再与原水流量的PV 进行比较，所得出的差再通过PID 闭环控制得出药液的投加量。

1769-L33ER 美国罗克韦尔，罗克韦尔AB 总代理的PLC变频器自带的增强型闭环控制功能模块可以较好实现对余氯闭环的调节，其中速度型算法是PIDE 功能模块通常采用的算法。

4.3 其他相关硬件的配置

本水厂中选用的变频器的型号为施耐德ATV31H075N4A，这是由于该变频器不仅有着较好的运用效果，同时还有着较为可靠的保护功能。其中在原水浊度分析仪器的选择方面采用美国哈希公司（HACH）的产品，其有着测量精准、响应较快以及量程可调节的优势。进水流量计和加药流量计也均为上海科隆（KROHNE）的产品，这样一来，便可以保证对原水浊度的精确控制，同时也具有测量稳定与及时传送信号的能力。

4.4 PID 闭环控制算法

本来在该水厂中自带有AI 模块，也可以方便工作人员使用。考虑到本水厂中的PID 闭环控制系统并不是24 h 都在运行中，所以启停工作较为频繁。同时，在原水浊度检测中的干扰因素又较多，传统的控制技术总是会出现较为严重的超调现象，系统的稳定性不可靠；另一方面，又由于其输出值的不断变化，导致本水水厂中的加药计量泵调节频繁出现问题，非常不利于延长系统使用寿命，难以对加药的曲线进行及时跟踪与控制。基于此，本方案中采用的是积分分离式的PID 闭环控制的算法，当输入的数据出现变化与偏差的时候，SP 与实际所采集到的PV 之间的差就会大于原水浊度的阈值，不对其进行积分，引入PID 闭环控制进行调节。

5 结束语

综上所述，通过以上分析得出，影响本水厂原水浊度控住的主要因素是加药曲线测定的方式。在硬件配置齐全的情况下，根据水厂中实际的生产需要，并依据当前水厂中的硬件设施与环境，进一步获得更加准确的加药曲线控制。目前，在本水厂中仅低局部区域使用了PID 闭环控制，但整体上依然使用的是开环控制的方式。所以，控制效果还需要通过原水的浊度监测来实现。PID 闭环控制在杏林水厂加药系统中应用以来，不仅降低了硬件的投入成本，更降低了工作人员的劳动负担，提高了本水厂中的水质，也为本水厂发挥出了可观的经济效益。