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[摘 要]本文介绍在水处理过程中，PID控制在水厂氯气自动投加系统中的应用，并叙述了PID系统构成、控制原理、应注意的问题。
[关键词]加氯；控制；PID
中图分类号：TU991.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）03-0014-01
一、总论
在水处理过程中，加氯消毒是水厂水质控制的重要环节。消毒时在水中的加氯量，可以分为两部分，即需氯量和余氯。对于生活饮用水工艺而言，原水加氯后经过一定时间接触，用于灭活水中微生物、氧化有机物和还原性物质等所消耗的氯量称为需氯量。为了抑制水中残余微生物的再度繁殖，管网中尚需维持少量的余氯。我国生活饮用水卫生标准规定出厂水游离余氯在接触30min后不低于0.3mg/L，管网未稍不低于0.05mg/L。后者的余氯量虽然仍具有消毒能力，但对再次污染的消毒尚嫌不足，而可作为预示再次污染的信号。
正确选择和使用可靠的加氯设备，是保证加氯安全和计量准确的关键。为了满足不断提高的城市供水水质要求，提高加氯系统的安全可靠性，降低操作工人的劳动强度，提高水质的余氯合格率，应积极采用先进的氯投加设备和控制技术。
二、PID控制加氯介绍
PID调节规律使比例、积分、微分三种调节规律结合，它仍以比例作用为基本调节规律，以微分的超前作用克服容量滞后、测量之后，以积分作用最后消除余差，PID方程计算的结果驱使受控的过程变量达到期望值。
氯消毒是一个比较复杂的过程，对它的动态特性进行数学描述比较因难。在PID方程中，PID参数设定根据原水水质和经验进行设定，比例调节的作用是快速调节偏差的大小，偏差大调节大，偏差小调节小。积分调节的作用是逐步改变调节作用，偏差大调节作用变化速度快，反之则慢。微分调节的作用是使偏差快速消除，可以选择方程中的微分项是作用于误差的变化还是作用于过程变量的变化，我们只须对设定值的变化作出正常反应，根据经验微分增益值不宜过大。
三、氯气投加的自动控制
对于氯气的自带投加控制，按控制系统的形式划分，可以有以下几种：
（1）流量比例前馈：即控制投加量与水流量成一定比例。前加氯主要目的是杀死水中的微生物或氧化有机物，对投加量准确性要求不高，以采用原水量进行比例投加为好。
（2）余氯反馈控制：按照投加以后水中的余氯进行反馈控制。在处理水出厂前，检查水中余氯，该值被反馈到控制系统中，并与余氯设定值比较，控制系统根据两者的偏差情况，采用PID调节方式调节投加量，使滤后水余氯稳定在设定值附件。这种控制方式从滤后投加点要经过清水池，系统滞后较大，通常在30min以上，控制系统的调节特性不好，尤其是当水质水量变化较大时问题更为突出。一般这种方式较少采用。
（3）复合环控制：即按照水流量和余氯进行的复合控制，或双重余氯串级控制等。
（4）其他控制方式，如以PH值和氧化还原电势为参数进行控制等。
四、氯气投加自动控制的实现
4.1 流量比例前馈
流量比例前馈具体的实现投加量控制的原理为：
原水流量信号经PLC输入到前加氯控制器（比例控制器），比例控制器根据流量的大小，输出相应的调节量，调节电动阀的开度。
4.2 余氯反馈控制
余氯反馈控制的实现原理如下：余氯分析仪对取样泵取来的水进行余氯分析，之后将余氯量转换为电信号发送给控制系统，控制系统作出分析后输出相应的调节量给加氯机，加氯机根据电信号，调节电动阀的开度。
4.3 复合环控制
复合控制是流量比例控制与余氯PID控制的有机给合，在复合控制过程中，流量比例控制根據流量的大小，根据其控制的数学模型，快速地给调节阀一个初始的阀门开度信号，建立一个基本的控制模型。
4.4 其他控制
其他控制方式与前边集中方式相似，只是测量的指标不一样，如根据PH值转化的调节信号进行调节，以及根据氧化还原电势转换的调节信号进行调节等等。
五、影响加氯自动控制的主要因素及应注意的问题
5.1 加氯机控制器PID参数的整定
（1）比例增益和积分增益
控制器所提供的比例增益和积分增益常数，其设定范围为0—100%，默认值为50%。改变其任一项均可引起PID方程的输出量（修正量）的变化。使用者投入运行后，应对常数进行整定。整定时应以控制器提供的经验常数（默认值）为基准，根据实际应用逐步作适当调整。整定时应通过来回改变设定值，比较余氯值与控制器的输出量的变化及振荡时间来选取合适的常数。值得注意的是，增益常数设置太高可能会引起振荡加剧，设置太低会引起控制器反应迟钝，常数的整定应分别独立进行。
（2）固定滞后时间和滞后时间总量
滞后时间是控制器通过PID控制对调节阀开度进行修正的时间周期。其包括固定滞后时间和滞后时间总量两个参数。滞后时间由三部分构成，①从水射器的投加点到余氯采样点所需的时间；②从取样点到余氯分析仪测出余氯值所需的时间；③从余氯分析仪的余氯信号传输到控制器所需的时间。在整定滞后时间时以流量最大时测出的滞后时间作为固定滞后时间和在流量最小时测出的滞后时间作为滞后时间总量分别输入到控制器，控制器可根据流量的大小自动计算出可变时间的大小，修正滞后时间总量。
5.2 取样时间的长短，取样点所处位置是否合理，直接影响加氯效果
后加氯在投加氯后经过充分混合后，一般以3分钟为宜。缩短取样时间通常有两种方法：一是尽量缩短取样管的长度，取样管越短则响应越快；二是加大取样水管排水管排水分流以加快取样水的流速。
5.3 余氯分析仪检测值的正确性是控制加氯的关键
由于余氯分析仪存在零点漂移，应定期进行校正，并经常清洗电极。同时应保证取样管通道畅通，正确调节取样水通过测量室的流速。
5.4 采用抗干扰措施
交流电源采用净化电源，滤除电源中的中高频谐波；电气、仪表线隔离敷设，消除交流电对直流信号的干扰，仪表信号线采用双绞屏蔽线及正确接地。
六、结束语
加氯自动控制系统可以使氯气良好准确安全的投加，既能得到良好的出水水质，又能取得较好的经济效益，在给水厂水处理过程中具有十分主要的意义，在水厂中逐步应用起来，但其还有不完善之处，如不能适应水质的较大变化，进一般研发新的控制技术，使其得到晚上，在将来的给水处理中定有大的发展前景，注意其应用中存在的问题，必将取得非常好的水处理效果。
参考文献
[1] 《给水排水工程仪表与控制》（崔福义，彭永臻编著）.
[2] 《给水工程》（严熙世，范瑾初主编）.
[3] 给排水在线网站（http：//www.gpszx.com）.
[关键词]加氯；控制；PID
中图分类号：TU991.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）03-0014-01
一、总论
在水处理过程中，加氯消毒是水厂水质控制的重要环节。消毒时在水中的加氯量，可以分为两部分，即需氯量和余氯。对于生活饮用水工艺而言，原水加氯后经过一定时间接触，用于灭活水中微生物、氧化有机物和还原性物质等所消耗的氯量称为需氯量。为了抑制水中残余微生物的再度繁殖，管网中尚需维持少量的余氯。我国生活饮用水卫生标准规定出厂水游离余氯在接触30min后不低于0.3mg/L，管网未稍不低于0.05mg/L。后者的余氯量虽然仍具有消毒能力，但对再次污染的消毒尚嫌不足，而可作为预示再次污染的信号。
正确选择和使用可靠的加氯设备，是保证加氯安全和计量准确的关键。为了满足不断提高的城市供水水质要求，提高加氯系统的安全可靠性，降低操作工人的劳动强度，提高水质的余氯合格率，应积极采用先进的氯投加设备和控制技术。
二、PID控制加氯介绍
PID调节规律使比例、积分、微分三种调节规律结合，它仍以比例作用为基本调节规律，以微分的超前作用克服容量滞后、测量之后，以积分作用最后消除余差，PID方程计算的结果驱使受控的过程变量达到期望值。
氯消毒是一个比较复杂的过程，对它的动态特性进行数学描述比较因难。在PID方程中，PID参数设定根据原水水质和经验进行设定，比例调节的作用是快速调节偏差的大小，偏差大调节大，偏差小调节小。积分调节的作用是逐步改变调节作用，偏差大调节作用变化速度快，反之则慢。微分调节的作用是使偏差快速消除，可以选择方程中的微分项是作用于误差的变化还是作用于过程变量的变化，我们只须对设定值的变化作出正常反应，根据经验微分增益值不宜过大。
三、氯气投加的自动控制
对于氯气的自带投加控制，按控制系统的形式划分，可以有以下几种：
（1）流量比例前馈：即控制投加量与水流量成一定比例。前加氯主要目的是杀死水中的微生物或氧化有机物，对投加量准确性要求不高，以采用原水量进行比例投加为好。
（2）余氯反馈控制：按照投加以后水中的余氯进行反馈控制。在处理水出厂前，检查水中余氯，该值被反馈到控制系统中，并与余氯设定值比较，控制系统根据两者的偏差情况，采用PID调节方式调节投加量，使滤后水余氯稳定在设定值附件。这种控制方式从滤后投加点要经过清水池，系统滞后较大，通常在30min以上，控制系统的调节特性不好，尤其是当水质水量变化较大时问题更为突出。一般这种方式较少采用。
（3）复合环控制：即按照水流量和余氯进行的复合控制，或双重余氯串级控制等。
（4）其他控制方式，如以PH值和氧化还原电势为参数进行控制等。
四、氯气投加自动控制的实现
4.1 流量比例前馈
流量比例前馈具体的实现投加量控制的原理为：
原水流量信号经PLC输入到前加氯控制器（比例控制器），比例控制器根据流量的大小，输出相应的调节量，调节电动阀的开度。
4.2 余氯反馈控制
余氯反馈控制的实现原理如下：余氯分析仪对取样泵取来的水进行余氯分析，之后将余氯量转换为电信号发送给控制系统，控制系统作出分析后输出相应的调节量给加氯机，加氯机根据电信号，调节电动阀的开度。
4.3 复合环控制
复合控制是流量比例控制与余氯PID控制的有机给合，在复合控制过程中，流量比例控制根據流量的大小，根据其控制的数学模型，快速地给调节阀一个初始的阀门开度信号，建立一个基本的控制模型。
4.4 其他控制
其他控制方式与前边集中方式相似，只是测量的指标不一样，如根据PH值转化的调节信号进行调节，以及根据氧化还原电势转换的调节信号进行调节等等。
五、影响加氯自动控制的主要因素及应注意的问题
5.1 加氯机控制器PID参数的整定
（1）比例增益和积分增益
控制器所提供的比例增益和积分增益常数，其设定范围为0—100%，默认值为50%。改变其任一项均可引起PID方程的输出量（修正量）的变化。使用者投入运行后，应对常数进行整定。整定时应以控制器提供的经验常数（默认值）为基准，根据实际应用逐步作适当调整。整定时应通过来回改变设定值，比较余氯值与控制器的输出量的变化及振荡时间来选取合适的常数。值得注意的是，增益常数设置太高可能会引起振荡加剧，设置太低会引起控制器反应迟钝，常数的整定应分别独立进行。
（2）固定滞后时间和滞后时间总量
滞后时间是控制器通过PID控制对调节阀开度进行修正的时间周期。其包括固定滞后时间和滞后时间总量两个参数。滞后时间由三部分构成，①从水射器的投加点到余氯采样点所需的时间；②从取样点到余氯分析仪测出余氯值所需的时间；③从余氯分析仪的余氯信号传输到控制器所需的时间。在整定滞后时间时以流量最大时测出的滞后时间作为固定滞后时间和在流量最小时测出的滞后时间作为滞后时间总量分别输入到控制器，控制器可根据流量的大小自动计算出可变时间的大小，修正滞后时间总量。
5.2 取样时间的长短，取样点所处位置是否合理，直接影响加氯效果
后加氯在投加氯后经过充分混合后，一般以3分钟为宜。缩短取样时间通常有两种方法：一是尽量缩短取样管的长度，取样管越短则响应越快；二是加大取样水管排水管排水分流以加快取样水的流速。
5.3 余氯分析仪检测值的正确性是控制加氯的关键
由于余氯分析仪存在零点漂移，应定期进行校正，并经常清洗电极。同时应保证取样管通道畅通，正确调节取样水通过测量室的流速。
5.4 采用抗干扰措施
交流电源采用净化电源，滤除电源中的中高频谐波；电气、仪表线隔离敷设，消除交流电对直流信号的干扰，仪表信号线采用双绞屏蔽线及正确接地。
六、结束语
加氯自动控制系统可以使氯气良好准确安全的投加，既能得到良好的出水水质，又能取得较好的经济效益，在给水厂水处理过程中具有十分主要的意义，在水厂中逐步应用起来，但其还有不完善之处，如不能适应水质的较大变化，进一般研发新的控制技术，使其得到晚上，在将来的给水处理中定有大的发展前景，注意其应用中存在的问题，必将取得非常好的水处理效果。
参考文献
[1] 《给水排水工程仪表与控制》（崔福义，彭永臻编著）.
[2] 《给水工程》（严熙世，范瑾初主编）.
[3] 给排水在线网站（http：//www.gpszx.com）.