FC滤池控制器在双阀滤池改造中的应用

朱千和， 黄秀华?
（南通恒太科技有限公司， 江苏 南通 226001）

　　摘要：针对水厂滤池的阀门多、运行操作繁琐等特点，开发了由PLC及OP板构成的全新FC滤池控制器，可实现对滤池运行的全自动控制，并成功地应用于双阀 滤池的改造。
?　关键词：FC滤池控制器；滤池改造；自动控制?
　　中图分类号：TU991.24
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2000)02-0041-03

　　滤池是水厂工艺处理过程中的一个重要环节，而滤池反冲洗的效果又直接影响滤池的运行。目前国内大部分水厂普遍采用四阀滤池、V型滤池，这种滤池的手动操作往往比较复杂，工作量大。正常过滤时，必须对各滤格的出水阀门进行调节以维持水位恒定，避免滤池露砂或漫水，同时还必须对滤池不断监测，以确定需要冲洗的滤格；反冲洗时，操作人员必须按预先确定的反冲洗程序逐一对所有阀门和相关设备操作一遍。由于是根据操作人员的经验或按季节、水质的变化决定进行反冲洗及调整冲洗时间，所以缺乏科学依据，盲目性大。?
　　因此，各种针对快滤池的控制系统应运而生，然而效果并不尽如人意。其中，有的因对工艺设备的性能要求过高而导致成本上升，如要求出水阀门为带模拟量输出的电动调节阀；有的处于半自动状态即只能由人工控制联动冲洗；有的运行不久系统就处于瘫痪状态。产生这些现象的原因是：?
　　① 普通电动阀门无法控制其开启度，因而不能控制滤格水位。?
　　② 传感器的可靠性差，如水位计或水头损失仪长期浸没于水中，受到泥沙和青苔影响而引起测量误差或故障。?
　　针对以上问题，通过多年对滤池控制系统的开发研究，由PLC及OP板构成的全新FC滤池控制器摈弃了传统的控制方法，实现了对滤池运行的全自动控制。

1 控制原理 ?

　　选择滤格水位作为控制参数。正常过滤时，保持恒水位过滤。根据设定水位和实际水位值，通过PID运算来调节出水阀的开启度，使实际水位控制在±0.03m内。因为出水阀门采用的是普通电动(气动)阀门，所以，不能采用普通的位置式PID控制算法，必须采用改进的PID控制算法——增量式PID控制算法，从而达到自动控制水位的目的。实际过程中还必须去除微分环节。?
　　数字化的增量式PID控制算法：
　　dY_k=K[(XW_k-XW_k-1)R+TI×XW_k+1/2TD(XW_k-2XW_k-1+XW_k-2)+dD_k-1]
　　去除微分环节：
　　dY_k=K[(XW_k-XW_k-1)R+TI×XW_k]=K(dPWk+dIk)
　　式中　XW_k=X_k-W_k-1
　　　　　PW_k=XW_k-XW_k-1
　　　　　QW_k=PW_k-PW_k-1=XW_k-2XW_k-1+XW_k-2
　　　　　dPW_k=(XW_k-XW_k-1)R
　　　　　dI_k=TI×XW_k
　　　　　dD_k=１/2(TD×QW_k+dD_k-1)
　　　　　k--第k次取样
　　　　　R--比例常数
　　　　　K--常数
　　　　　X--实际测量值
　　　　　W--设定值
　　　　　TI--积分常数
　　　　　TD--微分常数
　　　　　dX--控制输出的增加量
　　控制程序将每次计算结果dY转换成相应脉宽的时间脉冲，根据脉冲的宽度开启或关闭出水阀。?
　　反冲洗时，根据各种滤池冲洗的程序要求自动完成冲洗过程；当滤池的实际运行时间超过设定运行周期或滤池堵塞后，自动反冲洗。
　　当两格或两格以上的滤池同时需要反冲洗时，由系统按照FIFO的原则进行排队等待一一冲洗，冲洗系统自动运行。?
　　就地通过OP板实现对滤格的状态监测、操作及控制参数的设定。?

2 技术特点

　　① 全自动：采用PLC及超声波液位计通过软件实现对滤池水位控制，真正做到恒水位过滤。同时所有控制器通过通讯链路连接，使各滤格相互协调，从而实现整个滤池系统的全自动运行，并留有全厂自控接口。?
　　② 简单：控制柜中除PLC外，只有强电回路，整个系统没有一个按钮；可随意安装OP板操作，非常简单直观；安装、接线、维护方便。?
　　③ 可靠：每一滤格配备一套控制器，硬件和软件彼此独立，避免了由一台PLC控制整个滤池而引起故障相对集中的弊端，最大限度地提高了系统的可靠性。?
　　④ 通用：适用于四阀、表冲、气水反冲、V型滤池，只需对控制回路及软件稍加调整即可 。?
　　⑤ 经济：用户或设计院无需配备或设计任何控制屏、操作台、按钮等，只需对控制器提供电源即可，对所控制的阀门也无特殊要求。?

3 应用效果

　　嘉兴市自来水公司南门水厂一期工程于1983年建成投产，生产能力为2.5×10⁴m³/d，采用双阀滤池。设计滤速8.5m/h，反冲洗强度15L/(s·m²)，冲洗时间6min，共5格。在运行中存在以下问题：?
　　① 沉淀水进入进水渠后，由于跌水或在虹吸管附近形成旋涡等原因使空气以气泡形式存在水中，使进水虹吸管真空破坏，停止进水。
　　② 虹吸管上的抽气电磁阀、真空破坏电磁阀易漏气，在户外的使用寿命短，需要经常更换 。?
　　③ 由于手动调节滤池出水阀门不能准确、安全地控制滤格的水位，经常会出现漫水和露砂现象。?
　　④ 由于进、排水真空系统不稳定，常造成滤池露砂和反冲洗中断。?
　　⑤ 滤池手动电气控制系统按钮太多，电气回路复杂，操作量大，一旦出现故障，较难查找故障点进行维护。
　　这些问题的存在已严重影响滤池的工作，滤层受到破坏，造成反冲洗周期减小，滤砂使用寿命缩短，水头损失增长快，易产生负水头、气阻等不良后果，影响出水水质。为提高水厂生产的安全性、可靠性，决定对滤池进行技术改造。
3.1 净水工艺改造
　　① 将原有的双阀滤池工艺改造为四阀滤池工艺，即将双阀滤池的每格进、排水虹吸管及真空管路、电磁阀等全部拆除。?
　　② 在原有的配水渠、排水渠内，设计安装进水管和排水管，并与原有的进水总管和排水总管连接。?
　　③ 在每格进水管、排水管上安装电动蝶阀。
3.2 控制工艺改造
　　将原有的双阀滤池阀门控制电气回路、提升水泵控制电气回路及操作台全部拆除，采用FC系列滤池控制器来完成对滤池的自动控制。共设7套控制器，分别控制5格滤格的阀门、2台提升水泵(见图1)。

　　该系统具有两种控制操作方式：全自动运行、手动操作运行。?
　　① 全自动控制运行?
　　控制器根据检测到的滤池系统各项运行参数，自动控制滤池的反冲洗、提升泵的开停、阀门的开启等。
　　a.滤池反冲洗申请指令：根据季节性源水水质变化的特点和水处理工艺要求，通过OP板的键盘设定最长过滤时间，控制器检测滤格的过滤运行时间，达到过滤时间后，控制器发出冲洗申请指令。在一个运行时间内，控制器通过超声波液位计检测每格滤池的水位，当清水阀门全开状态下，滤格的水位超过设定值一定时间，即发出冲洗申请指令。
　　b.控制器发出冲洗指令，程序关闭进水电动阀门；当滤池水位降至设定值(键盘设定)时，程序关闭出水电动阀门；打开排水电动阀门，再打开冲洗阀门，进行反冲洗；冲洗结束(冲洗时间键盘设定)后，程序关闭冲洗阀门、排水阀门；打开进水阀门；将出水阀门开到一定的 开启度，滤池反冲洗结束，进入正常过滤工作状态。
　　c.滤池正常过滤工作时，控制系统将其设计为恒水位恒速过滤，根据运行经验设定滤池的工作水位(键盘设定)，控制器通过超声波液位计检测滤池水位，根据检测值与设定值的偏差及变化趋势，PID调节出水电动阀门的开启度，使滤池水位维持在设定值±0.03 m范围内波动运行。
　　d.控制器通过超声波液位计检测高位水箱水位，当水位降到设定低水位时，自动启动提升水泵，打开出水电动阀门；当水位上升到设定高水位时，关闭提升水泵和出水电动阀门。
　　② 手动控制运行
　　如需要提前对某一格滤池进行即时反冲洗，可通过控制器的OP板控制，也分两种方式：?
　　a.独立控制。根据滤池运行经验，通过OP板键盘对设备进水阀门、气冲、水冲阀门、排水阀门、反冲洗水泵等进行单独开、关控制，对出水阀门可进行启、闭和开启度的调节控制。?
　　b.强制联动控制。通过OP板键盘发出强制联动冲洗命令，控制器将对这一格滤池立刻执行冲洗，按全自动冲洗中的a～c项程序进行。?
　　控制系统还具有故障报警功能，当冲洗水泵、阀门、水位计等发生故障时，控制器自动进行保护，并有故障信息显示。?

4 结语

　　滤池系统通过技术改造，已投入生产运行3年多，净水工艺改造运行良好，控制系统稳定可靠，效果明显。?
　　① 改造前滤后水浊度、色度极不稳定，反冲洗周期无规律。改造后滤后水平均浊度为2NTU，色度为5倍，反冲洗周期控制在30h。?
　　② 由于改用阀门控制进水、排水，用滤池控制器控制阀门的开启度和反冲洗周期，基本杜绝了滤池露砂和反冲洗的中断，每格滤池进水均衡，并保证了反冲洗强度。?
　　③ 恒水位过滤有效地降低冲洗完成后滤格初始工作时的滤速，减少初滤水的影响，提高了滤池出水的稳定性。?
　　④ 滤池控制器取代了滤池控制台和操作箱，使操作布局更为简洁有序，最大限度地提高了系统的可靠性。?
　　⑤ 滤池控制器通过通讯链路连接起来，使各个滤池相互协调，从而实现整个滤池系统的全自动运行，提高了系统的先进性和运行管理水平。?
　　⑥ 留有通过网络与水厂监控系统连网的接口，具有较强的扩展性。

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收稿日期： 1999-11-09