一、引言

自来水厂对原水的杀菌消毒广泛地采用加氯的方法进行，出厂水余氯是水质的一个主要指标，余氯太低不能很好地起到消毒作用，太高不仅将造成生产成本的提高，而且还会产生不利的负作用。后加氯的作用是在滤后水中加氯，以保证出厂水余氯值控制在规定的范围内。后加氯控制的稳定、准确与否，将直接影响出厂水和管网末梢水余氯的高低，关系到广大用户的身体健康。但是因为系统存在较大的惯性和滞后问题，以及各种复杂的耗氯扰动因素的影响，采用单回路反馈控制系统不能按要求获得稳定的控制，因此构成一个具有良好控制品质的自动控制系统，是出厂水余氯稳定的重要措施。由于串级控制系统利用副控回路动作速度快、抑制扰动能力强等多方面特点，用于抑制控制系统的扰动、克服对象的纯滞后、减少对象的非线性影响，所以根据生产工艺要求和现场具体情况，投氯系统采用了比值控制系统和串级比值控制系统。

二、系统设备仪表

系统由上位机、SattCon35 PLC、OP45（SattCon05 PLC）操作显示盘、0—3000m3/h KROHNE电磁流量计、0—1mg/l ALLDOS余氯检测仪、0—10kg/h ALLDOS真空加氯机、水射器、电磁阀和压力控制器等组成。上位机可进行设备状态、工艺流程、仪表实时数据显示、参数设定、报警以及实施控制等功能。SattCon35 PLC为模块化结构，一个机架可插入16个I/O模块，可扩展为三个机架，经由SattBus总线与上位机通信。现场的OP45为带液晶显示板的微型PLC，可对设备进行控制操作和显示设备的运行状态等，通过COMLI通信协议与SattCon35 PLC进行通信。系统总体如图1所示。

三、控制原理

该投氯系统利用PLC有三种方式实施控制，即比值控制、串级控制和固定调节阀开度控制。控制模式的转换通过上位机实现。

1、控制过程

当原水泵起动后，流量计检测到滤后水的流量由0m3/h开始增加，水射器前的电磁阀打开，在清水管内的压力达到工作值时，由压力控制器将触点信号送到PLC，PLC产生输出，控制加氯机内的调节阀打开，并调节到控制要求的开度，通过水射器，将氯水投加到滤后水管道中。

当原水泵停泵后，原水流量低于一定值时，加氯机调节阀及电磁阀关闭，加氯机停止工作。

2、比值控制

此方式是根据输送的滤后水流量的大小，按设定的比值控制氯气的投加量，也既控制投加的氯气量与滤后水量为给定的比值关系，比值参数可随实际情况通过上位机进行修改，以满足生产要求。比值控制原理如图2。其中，三点控制器是用于将模拟量转换为开关量输出要求的场合，其原理为模拟量输入与一个位置反馈信号比较，偏差经过控制算法，决定通过PLC数字量模块输出的是“开”还是“关”信号，或者保持原来的状态不变，输出开关量控制信号的改变可以在PLC的一个扫描周期内完成。R / I的作用是利用调节阀上的电位器，将调节阀的位置信号（阀的开度）转换为4—20mA电流信号，送到PLC。从图可以看出，比值器的输出是调节器的给定输入，因流量是变化的，所以系统是一个随动系统，调节器可以快速地随动于主动量，不管是主动量流量变化还是从动量阀开度受扰动而变化，总是能通过调节控制阀的开启度来保持设定的加氯比值，以达到氯气投加稳定控制的目的。

3、串级比值控制

比值控制虽然结构简单，但是它也有应用的局限性，比如温度变化或滤后水水质波动大时，对余氯的稳定控制能力就有影响，而且究竟比值设定值合不合理，只有靠操作人员凭经验去调节，采用串级控制就能较好地解决这个问题。本系统如图3所示，它由流量计、余氯检测仪、调节阀和PLC等组成。串级控制系统采用两级调节器，这两级调节器串接在一起，新增加的调节器为主调节器，比值控制环内的调节器为副调节器，副控制环是串在主控制环之中，用余氯调节器（主调节器）的输出作为比值器的输入设定值，比值器的输出作为位置调节器（副调节器）的输入设定值，位置调节器的输出值作为三点控制器的输入值，通过三点控制器输出“开”或“关”的数字量信号，控制加氯机调节阀的开度，利用在线余氯检测仪不断将水中的余氯值反馈到主调节器的输入端，与余氯给定值进行比较，通过它们的协调工作，使被控量余氯准确地保持为给定值。对流量波动等扰动因素的影响由副控回路迅速地调节，而水的耗氯量等扰动因素的影响则由主控回路调节，具有很好的对负荷变化的适应能力。主控回路具有“细调”作用，副控回路具有“粗调”作用，而两者相互配合，使控制质量高于比值控制系统。系统除了能克服落在主，副环内的扰动外，还提高了系统的工作频率，加快过渡过程。

4、固定调节阀开度控制

在上位机或OP45操作盘上，通过输入加氯机调节阀的开启度百分数，即可控制加氯机按照设定的开度值进行加氯运行。

四、调节器选型

因为生产工艺对余氯的稳定性要求较高，不希望被控量余氯有残余偏差，因此，为减小稳态误差，主控调节器应该具有积分作用，采用比例积分（PI）调节器。对于副控调节器，作为串级系统的副环时，为了克服进入副控回路干扰的影响，保证副变量也达到一定的控制质量要求，以便能够改善整个调节系统的品质，而且当它单独作为比值控制系统使用时，希望有好的动态性能，所以选用PI调节器。

五、串级比值系统的运行

1、控制系统的投运步骤

按照先投副环后投主环的步骤进行投运过程。

（1）对整个系统的硬件部分既外部接线、电器设备、仪表和工艺设备的状态进行检查，做好投运前必要的准备工作，另外，尽可能在保证工艺等外部条件相对稳定的状况下进行，以减少不必要的干扰影响。

（2）在上位机上，将各调节器转换为手动遥控模式，断开串级控制选择软开关。

（3）为比值控制环设定合适的输入给定值，并将现场的加氯机、电磁阀等由就地手动控制切换为遥控模式，之后，投入比值系统运行。

（4）在被控量稳定后，将比值环内调节器的TI置于zui大值，P置于经验值，按下串级控制软开关，调整主调节器的输出值，直到比值回路输入偏差接近为零。

（5）将比值系统转为自动模式，改变主调节器的输出，使被控量稳定。

（6）将主调节器的P置于经验值，TI置zui大值。观察调整系统运行情况，当输入偏差接近于零被控量稳定时，切换主调节器状态为自动。

2、调节器参数整定

串级系统副环的对象惯性小，工作频率高，而主环惯性大，工作频率低。为了提高系统的控制性能，以免频率相近时发生主控回路和副控回路之间共振和干扰现象，造成破坏它们的协调工作，主、副环的工作频率比值应选取适当，相差三倍以上。副回路的工作频率高一点可以使副回路灵敏些、控制作用快一点。主调节器的放大系数可适当大些，有利于提高系统抑制一次扰动的能力。

串级比值控制系统有主、副环两个回路，而且副控回路为比值控制回路，因此，调节器参数的整定比单回路系统要复杂，但其实质是相同的，通过改变两调节器的P、TI参数，来改善系统的静、动态特性，从而获得*的控制过程。主回路是一个定值系统，其控制质量要求较高。副回路是一个随动系统，不仅要能准确快速地跟随主调节器的输出变化，而且在它单独运行时又要保证良好的控制效果。整定步骤为先确定副控制器的参数，再整定主调节器的参数。由于副控回路是比值环路，为一个随动系统，不应有过调，应该以达到振荡与不振荡的临界过程为好，所以，将积分时间TI置于zui大，由大到小改变比例度，直到系统处于振荡与不振荡的临界过程为止，再适当放宽比例度，缓慢地把积分时间减小，直到系统处于振荡与不振荡的临界过程或微振荡过程为止。然后把串级控制系统的主调节器投入运行，按单回路控制系统调节器的整定方法，整定主调节器的参数，观察控制过程，适当调整调节器参数，直到主变量控制质量*。如果在整定过程中出现共振，只要适当增大主控制器、副控制器的任一比例度值就能够消除。

本串级比值控制系统的各参数整定值为：主调节器的比例和积分时间分别为0.1、60s，副调节器的比例和积分时间分别为0.3、 5s。

六、结束语

采用比值控制方法，所控制的氯气投加量比较稳定。而用串级比值控制方法，由于副控回路给系统带来的一系列优点，使其具有了*的*控制性能，它对于多方面的扰动因素能及时准确地克服。两种方法选择使用，增强了系统的自控程度。

系统在水厂经过多年的运行，取得了很好的效果。该控制系统操作简单，维护方便，可靠性高，后加氯余氯值能达到要求并控制稳定，出厂水余氯始终保持在控制范围内。