Система автоматического управления процессами водоподготовки с измерительным микрореактором
Разработана система автоматического управления (САУ) процессами водоподготовки с измерительным микрореактором. Полезная модель относится к области водоочистки.
Задачей полезной модели является повышение качества управления процессами водоподготовки, путем уменьшения инерционности САУ.
Сущность полезной модели состоит в том, что в САУ введен измерительный микрореактор, установленный в напорный трубопровод, с датчиком концентрации хлора (ДКХ), обеспечивающий вычисление концентрации остаточного хлора на выходе из резервуара чистой воды, используя математическую модель окислительных процессов в измерительном микрореакторе.
Предложенная схема САУ позволяет улучшить точность регулирования остаточного хлора в воде.
Полезная модель относится к области автоматизации процесса водоподготовки и может быть использована, в частности, для повышения качества обеззараживания питьевой воды хлором.
Известна система автоматического управления (САУ) хлоратором типа С-0378 [Д.Н.Смирнов. Автоматическое регулирование процессов очистки природных и сточных вод. М.: Стройиздат, 1985. - 312 с.], обеспечивающая автоматическое дозирование хлора пропорционально расходу воды с коррекцией по отклонению от заданной концентрации. САУ содержит: датчик расхода хлор-газа (ротаметр с дистанционной передачей показаний), датчик расхода обрабатываемой воды типа ДМЭР, регулирующий клапан, исполнительный механизм, два ручных задатчика РЗД, анализатор хлора АХС-203, блок динамических преобразователей БДП, блок вычислительных операций БВО, ПИ-регулятор типа РПИЗ, нормирующий преобразователь НП. Принцип работы САУ заключается в том, что сигнал с датчика расхода хлора сравнивается с сигналом датчика расхода обрабатываемой воды и разница их подается в регулирующий прибор типа РПИЗ, устанавливая таким образом расход хлор-газа пропорционально расходу воды. Для коррекции по остаточному хлору сигнал с анализатора хлора, установленного на выходе системы очистки, сравнивается с сигналом задатчика, далее, сигнал рассогласования подается на блок динамических преобразований БДП, далее на блок вычислительных операций БВО. С выхода БВО сигнал поступает на вход ПИ-регулятора, который, воздействуя на регулирующий орган дозатора хлор-газа (регулировочный клапан), обеспечивает компенсацию отклонения от заданной концентрации остаточного хлора.
Недостаток САУ заключается в том, что регулирование осуществляется при запаздывании 
max корректирующего сигнала не менее 30 мин с момента
ввода хлора в воду и по этому не может быть обеспечена высокая точность регулирования при отработке возмущений, связанных с изменением потребления готовой воды, переключением групп фильтров при их промывке и т.п.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является система автоматического регулирования содержания остаточного хлора в воде [Патент RU на полезную модель №39413] включающая: измеритель расхода воды, установленного на входе смесителя, схемы сравнения; регулятор, исполнительный механизм, дозирующее устройство, хлоратор, датчик расхода хлора, датчик остаточного хлора, два датчика концентрации хлора (ДКХ), установленные в напорный трубопровод, задатчик, решающий блок и интегратор, причем, первый ДКХ расположен в точке напорного трубопровода, где завершилось смешение хлор-воды с обеззараживаемой водой, а второй ДКХ ˜ далее по напорному трубопроводу, в любом, достаточно близком от первого ДКХ месте по направлению течения воды, до резервуара чистой воды.
Недостатком известной полезной модели является то, что для очистных сооружений средней и большой производительности продолжительность контакта воды с хлором составляет незначительное время, связанное с ограниченной длиной напорного трубопровода, что увеличивает погрешность измерения и снижает точность регулирования.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение качества управления процессами водоподготовки, путем уменьшения инерционности САУ.
Технический результат заключается в повышении точности регулирования содержания остаточного хлора в воде, обусловленной возможностью вычисления прогнозируемого значения концентрации остаточного хлора на выходе на основании математической модели окислительных процессов в измерительном микрореакторе с учетом их динамики.
Поставленная задача решается с помощью системы автоматического управления процессами водоподготовки с измерительным микрореактором
включающая измеритель расхода воды, установленный на входе смесителя и подключенный к первой схеме сравнения, по входу к которой подключены датчик расхода хлора, интегратор, а по выходу регулятор и далее исполнительный механизм, подключенный к дозирующему устройству, установленному на хлораторе, выход которого подключен к смесителю, напорный трубопровод, датчик концентрации хлора, датчик остаточного хлора, установленный на выходе резервуара чистой воды, вторая схема сравнения, к которой подключены задатчик и решающий блок по входу и интегратор по выходу, имеющая два контура регулирования, а в напорный трубопровод, где завершилось смешение воды с хлором, через впускной клапан подключен измерительный микрореактор на котором установлены выпускной клапан и датчик концентрации хлора, подключенный к решающему блоку.
Предложенная нами схема САУ представлена на фигуре, где измеритель расхода воды (ИРВ) 1, установлен на входе смесителя 2, и подключен к первой схеме сравнения (СС1) 3, по входу к которой подключены, также, датчик расхода хлора (ДРХ) 4, интегратор (И) 5, а по выходу - регулятор (Р) 6 и, далее, исполнительный механизм (ИМ) 7, подключенный к дозирующему устройству (ДУ) хлора 8, установленному на хлораторе (X) 9, выход которого подключен к смесителю 2, далее установлен напорный трубопровод к которому, в свою очередь, через впускной клапан 10, подключен измерительный микрореактор 11, на котором установлены выпускной клапан 12 и датчик концентрации хлора (ДКХ) 13, подключенный к решающему блок (РБ) 14, к которому подключены измеритель расхода воды (ИРВ) 1 и датчик остаточного хлора (ДОХ) 15, установленный на выходе резервуара чистой воды (РЧВ) 16 - по входу, а по выходу - вторая схема сравнения (СС2) 3, к которой подключены задатчик (3) 17 - по входу и интегратор (И) 5 - по выходу.
Схема работает следующим образом. Исходная вода, подлежащая хлорированию, подается в смеситель 2. Расход воды контролируется измерителем расхода воды (ИРВ) 1, сигнал Q с которого поступает на первую схему
сравнения (СС1) 3 и решающий блок (РБ) 14. В первой схеме сравнения (СС1) 3 сравниваются сигналы, подаваемые от измерителя расходы воды (ИРВ) 1 и датчика расхода хлора (ДРХ) 4. Сигнал с выхода первой схемы сравнения (СС1) 3 подается на регулятор (Р) 6 и, далее, на исполнительный механизм (ИМ) 7, управляющий дозирующим устройством (ДУ) хлора 8. Хлоратор (X) 9 обеспечивает получение хлорной воды, которая поступает в смеситель 2, смешивается там с исходной водой и, затем, по напорному трубопроводу подается в резервуары чистой воды (РЧВ) 16.
Таким образом, формируется первый контур регулирования, обеспечивающий дозирование хлора по приходу исходной воды.
Второй контур регулирования обеспечивает коррекцию управляющего воздействия для регулятора (Р) 6 по значению концентрации остаточного хлора, определяемой на основании математической модели окислительных процессов в измерительном микрореакторе и содержанию остаточного хлора на выходе РЧВ 16. Он состоит из датчика концентрации хлора (ДКХ) 13, установленного в измерительном микрореакторе 11, решающего блока (РБ) 14, выполняющего вместе со второй схемой сравнения (СС2) 3, интегратором (И) 5 и датчиком остаточного хлора (ДОХ) 15 следующие функции:
1) автоматическое определение значения концентрации остаточного хлора на основании математической модели окислительных процессов в измерительном микрореакторе, с использованием сигналов с датчика концентрации хлора (ДКХ) 13 и с измерителя расхода воды (ИРВ) 1;
2) коррекцию расчетных значений в соответствии со значением концентрации остаточного хлора на выходе, измеряемой датчиком остаточного хлора (ДОХ) 15;
3) формирование сигнала управляющего воздействия, подаваемого на регулятор (Р) 6, по отклонению от задающего воздействия по концентрации остаточного хлора, создаваемого задатчиком (3) 17.
Режим работы САУ циклический. Измерительный микрореактор 11 с помощью впускного клапана 10 и выпускного клапана 12 периодически, с
интервалом в 30 минут, производит отбор хлорированной воды из напорного трубопровода.
Повышение качества регулирования предложенной САУ обеспечивается уменьшением инерционности системы, обусловленное вычислением прогнозируемого значения концентрации остаточного хлора на выходе РЧВ на основании математической модели окислительных процессов в измерительном микрореакторе.
Доказательством могут служить следующие соображения Процесс хлорирования воды в закрытом микрореакторе можно описать системой уравнений:
где 
- оператор дифференцирования;
Спхр - концентрация поглощенного хлора в измерительном микрореакторе, равная уменьшению концентрации хлора из-за окисления;
- коэффициент самовыравнивания, обратно пропорциональный объему измерительного микрореактора;
С - концентрация окисляемых примесей на входе в измерительный микрореактор, выраженная в виде концентрации хлора, поглощаемого для полного окисления примесей;
Сохр - концентрация остаточного хлора в измерительном микрореакторе,
Свхр - концентрация остаточного хлора в момент заполнения измерительного микрореактора.
Уравнения (1) отражают тенденцию асимптотического убывания до нуля скорости поглощения хлора.
Из (1), в частности, следует, что в статике Спрр=С пхр, т.е. соответствует графику хлоропоглощаемости.
Предложенное техническое решение позволяет повысить точность регулирования содержания хлора в воде, так как в момент измерения концентрации хлора t=ti с запаздыванием 1 решающий блок по информации от ДКХ вычисляет прогнозируемое значение концентрации остаточного хлора на выходе, при этом величина запаздывания может быть 1<max.
Практическую реализацию системы легко осуществить, например, на базе программно-логического контроллера.
Система автоматического управления процессами водоподготовки с измерительным микрореактором, включающая измеритель расхода воды, установленный на входе смесителя и подключенный к первой схеме сравнения, по входу к которой подключены датчик расхода хлора, интегратор, а по выходу регулятор и далее исполнительный механизм, подключенный к дозирующему устройству, установленному на хлораторе, выход которого подключен к смесителю, напорный трубопровод, датчик остаточного хлора, установленный на выходе резервуара чистой воды, вторую схему сравнения, к которой подключены задатчик и решающий блок по входу и интегратор - по выходу, имеющая два контура регулирования, отличающаяся тем, что в напорный трубопровод, через впускной клапан подключен измерительный микрореактор, на котором установлены выпускной клапан и датчик концентрации хлора, подключенный к решающему блоку.
