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摘要：本文针对自来水厂的投氯控制系统，通过与传统的单反馈控制、PID控制、前馈－反馈控制等各种控制方案进行较深入细致的对比分析，提出了以PLC系统实现多变量复合控制投加的控制方法。运行实践表明，经过技术改造后投氯控制系统在运行和控制两方面都更加符合实际生产的需要，取得了良好效果。
关键词：净水处理 ；投氯系统 ；PLC控制；多变量复合控制；软件控制
中图分类号： G356.9文献标识码：A 文章编号：
投氯控制系统介绍
目前，一般自来水厂为保证液氯消毒的安全与正确计量，一般都应用真空加氯设备，并相应配备了自动加氯所需各种设备，而且加氯系统运行的安全可靠性将直接影响全厂的水质指标和运行管理。
A水厂使用的是美国W&T公司生产的V-2000和V-2020加氯机，是化学溶液投加装置，该装置在音速流动条件下，进行真空操作，可以手动或自动控制，当要求自动控制时，安装在控制柜里的控制阀响应来自流量变送器或余氯分析仪的控制信号，也可以响应来自SCU或PCU等控制器的控制信号，该控制器具有独特而丰富多样的显示功能和控制功能，对加氯机可实现流量比例控制、余氯控制等[1]。
A水厂加氯系统中加氯机分为两组，一组用于预加氯；一组用于滤后加氯。其中预加氯按水量比例投加：
公式：
----原水预加氯投加量(g／s)
----单位投氯量设定值（1～5mg/l可调）
----原水流量（m3/s）
后加氯按滤后水余氯反馈进行单信号直接调节：
公式：
f2 —— 滤后水投加氯量（g/s）
k —— 投加比例
—— 设定值SP与测定值PV之差
—— 积分增益
存在问题
图1 采用单信号控制方式下某日余氯值
我們希望在生产过程中出厂水余氯值保持在一个国标范围内且较稳定的值上，较少变动。图1是A水厂投产初期某日的余氯指标图， 由图1中可以看出出厂水余氯值未有稳定，且耗氯量也高。经过分析，我们认为之所以存在余氯值不稳定这个问题，主要是后加氯的控制上采用了按滤后水余氯反馈进行的“单信号直接调节”上。而在A水厂的实际生产过程中，取水流量的变化时间短而幅度大，对投氯控制系统的冲击较为剧烈，而过程控制总是具有滞后特性，所以采用按滤后水余氯反馈进行“单信号直接调节”的控制方式，余氯值容易产生突变和振荡。
PCU的PID控制算法
首先，我们从简单入手，直接在投氯机自带的PCU控制器中选用PID控制。控制器利用PID计算对偏差信号操作，产生一个按正确方向操作加氯阀的输出信号，从而使导致过程负载改变或调整点变化的偏差信号的持续时间与大小都达到最小。明显地，水厂加氯系统是一典型的时间滞后的系统，所以在加氯系统中，只采用PI调节作用即可。
由于加氯系统为一随动自调系统，它除了要考虑扰动引起的过渡过程以外，还要考虑系统在给定值发生变化时被调量随给定值变化而产生的过渡过程。PCU调节器的PI调节中积分部分可以消除偏差，有其有利的一面，却还有它不利的一面，它容易使系统的调节过程产生振荡，这是因为比例积分自调系统中有干扰f(t)，系统会产生偏差e，此偏差加到PI调节器上，调节器便输出比例作用部分和积分作用部分的迭加，从施加干扰的瞬间开始，偏差开始增大，于是比例和积分部分都同时增大，其作用效果是使偏差回降，因此偏差上升速度越来越慢，当偏差达到最大时，比例作用部分也达到最大，由于仍在同方向，积分作用．部分仍将继续积累并增加上去；当偏差从最大值回降到零时，比例作用部分也随之回降到零，但积分作用部分却仍将按同一方向继续上升直到最大值，这样势必会使被调参数在这段时间调过了头，所以偏差会继续下降，正偏差变为负偏差，形成振荡，所以积分作用部分产生的调节作用，助长了被调参数的变化，使振荡性加剧，积分时间越小，积分作用越强，这种振荡也越强。
总之，积分时间越小，积分作用越强，偏差消除快，但衰减比变小，振荡性加剧，稳定性变差；反之，增大积分时间则积分作用减弱，消除偏差慢，衰减比变大，稳定性改善，所以只有选择适当的积分时间才可以解决这个问题。
直接利用投氯机的PCU进行PID控制，效果比之前采用的滤后水余氯反馈进行“单信号直接调节”稳定，但当水质或者天气发生较大变化时，如果没有及时调整PCU中的积分系数，系统也出现振荡加剧和不稳定的情况，并且在取水量变化的时候，还是会出现超调现象。
基于PLC的多变量复合算法
由于硬件控制器在PID调节过程中遇到积分系数不能随着相关因子变化而自动调节的局限性，因此，我们引入PLC进行编程，由PLC程序来实现PI调节，并且增加控制因子，加入前馈控制，完善控制。
4.1. 增加积分分离PI控制算法
由于系统执行机构的线性范围受限制，当偏差e较大时，不能很快消除，因而公式中近似积分将取值很大，必然导致系统在消除偏差时出现较大的超调现象。使用PLC编写控制算法，具有很大的灵活性，首先，我们在原来PCU的PI控制基础上，增加了“积分分离PI”算法，一方面可以减少超调量，另一方面也可以达到积分较正的预期效果，即：
式中——为一系数
当e(k)≥A（A为分离阈值）时，积分项不起作用，只有当偏差较小时，积分作用才加入，使调节器稳定性得到改善。
4.2. 增加带死区的PI控制算法
解决超调量的问题后，我们还注意到投氯机的执行器动作比较频繁，这样不但使余氯指标出现振荡，也很容易引起投氯机的执行机构出现磨损的现象。于是，我们在PI算法中又加入了“死区”控制。即：
式中——为一系数
图2采用改良PI控制方式某日的余氯曲线
式中死区B为一个可调参数，适当调节这个参数可以避免控制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡。
图2为采用“积分分离”和“死区”控制的PI算法后，某日的余氯曲线，可以看出，滤后水余氯值在大部分时间都能稳定在以设定值1.5mg/L为中心，0.5mg/L为死区的范围中，但仍然存在两次较明显的突变。
4.3. 增加前馈控制算法
图3前馈—反馈控制系统方框图
经过分析，之所以仍有不定期的振荡，且甚至还有超调的现象。主要是因为滤后投氯点和余氯仪表的取样点距离比较远，从而使滤后水到余氯仪表的时间有了延迟，这时如果出现取水泵站增加机组或者减少机组的情况，对于这个控制系统来讲，相当于出现了强扰动。根据我们的生产经验，在原水水质一定的情况下，投氯量与原水流量基本上成正比，如果引入原水流量作为另外一个控制因子，使投氯量按原水流量变化，则后氯投加的效果有了一个大体的宏观控制，而其控制误差及原水水质的变化则由改良后的PI控制进行调整。所以，我们决定在原有改良PI控制的基础上，增加原水流量为前馈控制的多因子控制系统。
由图可知，系统的校正作用是PI反馈控制器与前馈补偿器的叠加。若流量不参与控制，即去掉图中虚线部分，采用PI控制，此时流量波动经扰动与过程值叠加，因滞后环节的影响，致使输出在一定时间内仍继续波动；若采用流量与PI多因子控制，则当Gff(s) = -Gd(s)/Gp(s)时，因流量而引起的扰动在投加点（图中2环节）已经消失，从而保证了系统的稳定。
其控制过程如下图4所示
图4滤后投氯自动控制系统图
经过以上对后氯投加算法的完善，我们将后氯投加的数学模型归纳为：
其中：S1――流量信号，采用比例控制
K1－—为S1的比例系数
Ka－—积分分离系数
Kb－—死区作用系数
E ――设定值SP－过程值PV
Ti――积分时间
4.4. 实现方法
在硬件上的设置和联接上，我们首先将后投氯机的PCU设置为比例控制，比例系数为100%，即仅将投氯机作为执行器使用，其开度完全受PLC控制。將原来输入到PCU的滤后余氯值信号（4mA～20mA）接入PLC的模拟量输入模板，再由PLC的模拟量输出模板输出一路4mA～20mA的直流电流信号接入PCU的控制输入端。这样，就完成了硬件上的联接。
在PLC软件的编写上，我们按照最后归纳出来的数学模型，利用A-B公司的RSLogix 5编程软件，完成了对后氯投加PLC多变量复合控制的编程工作，并且在工控机的RSVIEW界面上增加相关的余氯设置值输入窗口，以及显示投氯机的各种反馈信号。
4.5. 运行效果
完成后氯投加的PLC多变量复合控制编程工作后，我们经过反复调试，改变参数设定值，比较曲线，最终取得最佳的参数，并且正式投入生产运行。
从图5可以看出，采用PLC多变量复合控制滤后投氯，滤后水余氯值能够控制在设定值1.5mg/L附近，振荡基本上控制在死区mg/L之间。并且，由于加入流量进行前馈控制，有效地克服了大流量变化所引起的超调现象，有效地减少振荡，使滤后水余氯和出厂水余氯都能保持在一个稳定的水平上。
图5采用PLC多变量复合控制方式某日的余氯曲线
结论
通过将滤后投氯机的控制从单因子的反馈控制改造成多因子的PLC多变量复合控制，实现合理投加，可保证处理工艺各阶段达到所要求的标准，从而保证出厂水符合要求，避免过去使用PCU控制时由于需要就地调整系数等因素而造成的水质不合格，同时也节约了耗氯量，提高了水厂水质，降低运行成本。总之，采用多因子的PLC多变量复合控制加氯系统可以大大改善水质，提高供水的可靠性、安全性，同时也节约能源、药耗，降低设备维护的工作量，减少事故的发生，大大提高生产率。
参考文献：
[1] 高为新．大型净水厂的加氯系统设计[J]．中国给水排水, 2003-09
关键词：净水处理 ；投氯系统 ；PLC控制；多变量复合控制；软件控制
中图分类号： G356.9文献标识码：A 文章编号：
投氯控制系统介绍
目前，一般自来水厂为保证液氯消毒的安全与正确计量，一般都应用真空加氯设备，并相应配备了自动加氯所需各种设备，而且加氯系统运行的安全可靠性将直接影响全厂的水质指标和运行管理。
A水厂使用的是美国W&T公司生产的V-2000和V-2020加氯机，是化学溶液投加装置，该装置在音速流动条件下，进行真空操作，可以手动或自动控制，当要求自动控制时，安装在控制柜里的控制阀响应来自流量变送器或余氯分析仪的控制信号，也可以响应来自SCU或PCU等控制器的控制信号，该控制器具有独特而丰富多样的显示功能和控制功能，对加氯机可实现流量比例控制、余氯控制等[1]。
A水厂加氯系统中加氯机分为两组，一组用于预加氯；一组用于滤后加氯。其中预加氯按水量比例投加：
公式：
----原水预加氯投加量(g／s)
----单位投氯量设定值（1～5mg/l可调）
----原水流量（m3/s）
后加氯按滤后水余氯反馈进行单信号直接调节：
公式：
f2 —— 滤后水投加氯量（g/s）
k —— 投加比例
—— 设定值SP与测定值PV之差
—— 积分增益
存在问题
图1 采用单信号控制方式下某日余氯值
我們希望在生产过程中出厂水余氯值保持在一个国标范围内且较稳定的值上，较少变动。图1是A水厂投产初期某日的余氯指标图， 由图1中可以看出出厂水余氯值未有稳定，且耗氯量也高。经过分析，我们认为之所以存在余氯值不稳定这个问题，主要是后加氯的控制上采用了按滤后水余氯反馈进行的“单信号直接调节”上。而在A水厂的实际生产过程中，取水流量的变化时间短而幅度大，对投氯控制系统的冲击较为剧烈，而过程控制总是具有滞后特性，所以采用按滤后水余氯反馈进行“单信号直接调节”的控制方式，余氯值容易产生突变和振荡。
PCU的PID控制算法
首先，我们从简单入手，直接在投氯机自带的PCU控制器中选用PID控制。控制器利用PID计算对偏差信号操作，产生一个按正确方向操作加氯阀的输出信号，从而使导致过程负载改变或调整点变化的偏差信号的持续时间与大小都达到最小。明显地，水厂加氯系统是一典型的时间滞后的系统，所以在加氯系统中，只采用PI调节作用即可。
由于加氯系统为一随动自调系统，它除了要考虑扰动引起的过渡过程以外，还要考虑系统在给定值发生变化时被调量随给定值变化而产生的过渡过程。PCU调节器的PI调节中积分部分可以消除偏差，有其有利的一面，却还有它不利的一面，它容易使系统的调节过程产生振荡，这是因为比例积分自调系统中有干扰f(t)，系统会产生偏差e，此偏差加到PI调节器上，调节器便输出比例作用部分和积分作用部分的迭加，从施加干扰的瞬间开始，偏差开始增大，于是比例和积分部分都同时增大，其作用效果是使偏差回降，因此偏差上升速度越来越慢，当偏差达到最大时，比例作用部分也达到最大，由于仍在同方向，积分作用．部分仍将继续积累并增加上去；当偏差从最大值回降到零时，比例作用部分也随之回降到零，但积分作用部分却仍将按同一方向继续上升直到最大值，这样势必会使被调参数在这段时间调过了头，所以偏差会继续下降，正偏差变为负偏差，形成振荡，所以积分作用部分产生的调节作用，助长了被调参数的变化，使振荡性加剧，积分时间越小，积分作用越强，这种振荡也越强。
总之，积分时间越小，积分作用越强，偏差消除快，但衰减比变小，振荡性加剧，稳定性变差；反之，增大积分时间则积分作用减弱，消除偏差慢，衰减比变大，稳定性改善，所以只有选择适当的积分时间才可以解决这个问题。
直接利用投氯机的PCU进行PID控制，效果比之前采用的滤后水余氯反馈进行“单信号直接调节”稳定，但当水质或者天气发生较大变化时，如果没有及时调整PCU中的积分系数，系统也出现振荡加剧和不稳定的情况，并且在取水量变化的时候，还是会出现超调现象。
基于PLC的多变量复合算法
由于硬件控制器在PID调节过程中遇到积分系数不能随着相关因子变化而自动调节的局限性，因此，我们引入PLC进行编程，由PLC程序来实现PI调节，并且增加控制因子，加入前馈控制，完善控制。
4.1. 增加积分分离PI控制算法
由于系统执行机构的线性范围受限制，当偏差e较大时，不能很快消除，因而公式中近似积分将取值很大，必然导致系统在消除偏差时出现较大的超调现象。使用PLC编写控制算法，具有很大的灵活性，首先，我们在原来PCU的PI控制基础上，增加了“积分分离PI”算法，一方面可以减少超调量，另一方面也可以达到积分较正的预期效果，即：
式中——为一系数
当e(k)≥A（A为分离阈值）时，积分项不起作用，只有当偏差较小时，积分作用才加入，使调节器稳定性得到改善。
4.2. 增加带死区的PI控制算法
解决超调量的问题后，我们还注意到投氯机的执行器动作比较频繁，这样不但使余氯指标出现振荡，也很容易引起投氯机的执行机构出现磨损的现象。于是，我们在PI算法中又加入了“死区”控制。即：
式中——为一系数
图2采用改良PI控制方式某日的余氯曲线
式中死区B为一个可调参数，适当调节这个参数可以避免控制动作过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡。
图2为采用“积分分离”和“死区”控制的PI算法后，某日的余氯曲线，可以看出，滤后水余氯值在大部分时间都能稳定在以设定值1.5mg/L为中心，0.5mg/L为死区的范围中，但仍然存在两次较明显的突变。
4.3. 增加前馈控制算法
图3前馈—反馈控制系统方框图
经过分析，之所以仍有不定期的振荡，且甚至还有超调的现象。主要是因为滤后投氯点和余氯仪表的取样点距离比较远，从而使滤后水到余氯仪表的时间有了延迟，这时如果出现取水泵站增加机组或者减少机组的情况，对于这个控制系统来讲，相当于出现了强扰动。根据我们的生产经验，在原水水质一定的情况下，投氯量与原水流量基本上成正比，如果引入原水流量作为另外一个控制因子，使投氯量按原水流量变化，则后氯投加的效果有了一个大体的宏观控制，而其控制误差及原水水质的变化则由改良后的PI控制进行调整。所以，我们决定在原有改良PI控制的基础上，增加原水流量为前馈控制的多因子控制系统。
由图可知，系统的校正作用是PI反馈控制器与前馈补偿器的叠加。若流量不参与控制，即去掉图中虚线部分，采用PI控制，此时流量波动经扰动与过程值叠加，因滞后环节的影响，致使输出在一定时间内仍继续波动；若采用流量与PI多因子控制，则当Gff(s) = -Gd(s)/Gp(s)时，因流量而引起的扰动在投加点（图中2环节）已经消失，从而保证了系统的稳定。
其控制过程如下图4所示
图4滤后投氯自动控制系统图
经过以上对后氯投加算法的完善，我们将后氯投加的数学模型归纳为：
其中：S1――流量信号，采用比例控制
K1－—为S1的比例系数
Ka－—积分分离系数
Kb－—死区作用系数
E ――设定值SP－过程值PV
Ti――积分时间
4.4. 实现方法
在硬件上的设置和联接上，我们首先将后投氯机的PCU设置为比例控制，比例系数为100%，即仅将投氯机作为执行器使用，其开度完全受PLC控制。將原来输入到PCU的滤后余氯值信号（4mA～20mA）接入PLC的模拟量输入模板，再由PLC的模拟量输出模板输出一路4mA～20mA的直流电流信号接入PCU的控制输入端。这样，就完成了硬件上的联接。
在PLC软件的编写上，我们按照最后归纳出来的数学模型，利用A-B公司的RSLogix 5编程软件，完成了对后氯投加PLC多变量复合控制的编程工作，并且在工控机的RSVIEW界面上增加相关的余氯设置值输入窗口，以及显示投氯机的各种反馈信号。
4.5. 运行效果
完成后氯投加的PLC多变量复合控制编程工作后，我们经过反复调试，改变参数设定值，比较曲线，最终取得最佳的参数，并且正式投入生产运行。
从图5可以看出，采用PLC多变量复合控制滤后投氯，滤后水余氯值能够控制在设定值1.5mg/L附近，振荡基本上控制在死区mg/L之间。并且，由于加入流量进行前馈控制，有效地克服了大流量变化所引起的超调现象，有效地减少振荡，使滤后水余氯和出厂水余氯都能保持在一个稳定的水平上。
图5采用PLC多变量复合控制方式某日的余氯曲线
结论
通过将滤后投氯机的控制从单因子的反馈控制改造成多因子的PLC多变量复合控制，实现合理投加，可保证处理工艺各阶段达到所要求的标准，从而保证出厂水符合要求，避免过去使用PCU控制时由于需要就地调整系数等因素而造成的水质不合格，同时也节约了耗氯量，提高了水厂水质，降低运行成本。总之，采用多因子的PLC多变量复合控制加氯系统可以大大改善水质，提高供水的可靠性、安全性，同时也节约能源、药耗，降低设备维护的工作量，减少事故的发生，大大提高生产率。
参考文献：
[1] 高为新．大型净水厂的加氯系统设计[J]．中国给水排水, 2003-09