魏日强、周力尤

 

摘要： 本文主要介绍水厂的DCS集散监控系统的结构和功能要求，并分析和讨论了主要的水厂控制策略。

 

关键词： 水厂，自动化，DCS.，控制策略

 

 

Abstract: This paper introduces the structure，function and performance of DCS for water treatment plant. Then some control strategies are discussed.

 

Keyword: Water treatment plant, Automation, DCS, Control strategy

接Ⅰ

 

　　针对水厂的水平衡控制、加药自动控制、恒液位控制、恒水压控制、滤池反冲洗控制、自动排泥控制和一步化开机等，主要的控制策略有以下几类：

　　第一类，传统控制策略：如手动控制、远程手动控制、PID控制、比例控制、串级控制前馈控制和SCD反馈控制等。

　　第二类，先进控制策略：如复合环控制、预测控制和模糊专家系统等。

　　第三类，计算机软件控制策略：如FCD图像分析控制和多参数软测量控制等。

　　特别需要指出，在水处理工艺中，消毒和混凝反应过程是一个复杂的过程，需要一定的反应时间，同时水质的测量一般采用光电测量和电化学测量方法较多，其取样及反应更新也需要一定的时延，因此水处理控制过程是一个大时滞的过程。而且其控制结果受多种因素的影响（特别是混凝反应过程，其控制结果受原水浊度、上水流速、水温、水的色度和水的pH值等多种参数的影响），因此，它又是一个复杂的非线性控制过程。因此，加药控制近年来受到了人们的重视。针对其特点，近年来开发了一些先进控制的策略，取得了一定的效果。

 

　　其控制策略为：

y:控制信号；u:输入信号；k:比例系数

　　主要应用有水厂的滤前投氯、投氨、投矾的简单远程人工控制，其特点是简单，投加量与水量或投氯量成正比。但当水质发生变化时无法自动适应，需人工及时调整干预。

　　其控制策略为：

　　y:控制信号；u:输入信号；k:比例系数；sp: 设置点；T：系统的延迟时间

　　其特点是能较好的控制振荡，易实现自动控制。现在的水厂DCS系统一般都内置有PID控制模块，很容易实现而且运行稳定，主要应用于恒水位控制、恒流量控制和恒水压控制。

　　SCD流动电流法是一种采用通过检测絮凝过程中胶体Zeta电位的方法，来预测絮凝反应的效果。因此只需流动电流这一单因子就有可能对加药量进行控制。这种方法具有控制变量单一、设备简单、操作方便，反应速度快，但这种方法的前提是水样中的微粒完全覆盖在探头活塞表面上，无人为的电性干扰才能形成一个微粒“膜”，此时流动电流值与Zeta电位才成正比。而这种假设前提有时不能满足，如有害物质干扰，强吸附钝化，强检测室积泥和电极腐蚀等因素存在时都会导至流动电流胶体状态的线性关系失调，特别是原水受污染时往往使用效果不佳。而且系统的设定值也会因水质污染、水量变化需经常实时修改。

　　其控制策略为：控制器把信号1与设置点比较产生一个偏差值，这个偏差分别与比例增益，积分增益相乘，得出两个偏差合计生成一个总偏差。这个总偏差再与信号2相乘后来调节执行器的位置。其计算公式如下：

y:控制信号；u1:输入信号1；u2:输入信号2 ；k:比例系数；sp:设置点 ；T：系统的延迟时间

　　其特点是有两个控制信号，对于水处理过程来说水质控制的反应效果受水流量和水质参数影响，而在DCS控制系统上很方便采用这种控制方式，因此采用复合环控制的效果较好，控制稳定安全。如滤前滤后的消毒剂投加控制，很多水厂都采用了这种控制方式。

　　预测和反馈控制的基本出发点与传统的PID控制不同。通常的PID控制，是根据过程当前的和过去的输出测量值和设定值的偏差来确定当前的控制输入。而预测和反馈串级控制不但利用当前和过去的偏差值，而且还利用预测模型来预估过程未来的所需的控制输入，以滚动优化确定当前的最优输入策略。见图3，它可以根据过程控制的特点和控制要求，以最方便的方法根据系统的输入输出信息中，建立起预测模型。并考虑了不确定性及其他复杂性因素，把这些因素体现在优化过程中，形成动态优化控制，因此能适合复杂工业过程的控制。

                                                              图3：预测和反馈控制原理

　　其应用如水厂的滤后投氯自动控制，砂滤池的出水阀门控制等等，通过预测控制点的流量变化提前作出反应对策，能使控制目标更加平稳。

　　模糊专家系统是一类在知识获取、知识表示和运用过程中全部或部分地采用了模糊技术的专家系统，模糊专家系统通常包括：输入输出接口、模糊数据库、模糊知识库、模糊推理机、学习模块和解析模块等，其一般体系结构如图4所示。模糊专家控制的实质是使系统的构造和运行都是基于控制对象和控制规律的各种专家知识。而且要以智能的方式来利用这些知识，使受控系统尽可能优化和实用化。

                                                   图4：模糊专家控制原理

　　这种控制依赖以水厂的历史数据，需要一段较长的建数据库过程，优点是非常贴合运行控制人员的习惯，控制安全稳定。

　　FCD矾花图象分析控制是通过采用对反应混凝过程中的矾花颗粒进行图像分析来判断混凝效果的好坏，来控制加药泵的投加量。摄像系统采集矾花图像数据，送至工业用PC机，用图像分析软件分析其效果，从而决定加减混凝剂的投加量，整个过程为一个独立的封闭自动控制系统，其应用如上海临江水厂的投矾自动控制等。

　　DCS系统在一个现代化的水厂中扮演着不可或缺的角色。根据水厂的各种工艺和各个工艺环节，选择和开发合适的控制策略，特别是针对水处理的大时滞和多参数特性的先进控制策略，对水厂的安全运行、保证水质和优化成本有极其重要的意义。

 

参考文献

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注：本文曾发表于《电气时代》2007年第4期