摘 要：文章針對目前正在實施的鄭州市柿園水廠濾池自動化改造項目，采用具有實施控制功能的模塊化設(shè)計方案，充分挖掘組態(tài)軟件的功能，利用基于PLC的PID算法實現(xiàn)了水廠濾池恒水位控制。改造后的濾池真正能夠達(dá)到自動恒水位運行，實現(xiàn)無人值守，大大減輕工人的勞動強度。系統(tǒng)運行正常，具有實用價值。 關(guān)鍵詞：濾池; PID算法; 恒水位; 計算機控制 Abstract：Aiming at the filter’s automatic transforming items being carried out in ZhengZhou Shiyuan Waterworks, the article adopts the modular design plan having the instantly controlling function, develops the functions of Configuration Software to the full and makes good use of PID algorithm based on PLC to fulfill the control for constant water level in the filter. The transformed filter can realy bring about automatic constant water level move and realize self-service. The design eases the worker‘s labor strength consumedly. It works well, and is applicable. Key words: filter; PID algorithm; constant water level; computer contro 1 引言 　　濾池作為保障水質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，其作用越來越受到重視。濾池恒水位控制技術(shù)也隨之不斷發(fā)展。從模擬PID、數(shù)字PID到最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制，再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。本文以鄭州市柿園水廠為例，將改進的PID算法應(yīng)用到濾池自控流程中，使其能夠根據(jù)水位的變化實時控制清水閥開度，從而使水位始終保持平衡。 2 PID算法在恒水位控制上的實現(xiàn) 　　2.1 PID控制算法 　　PID（Proportional Integral　Differential）控制算法就是經(jīng)典的閉環(huán)控制，它是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)方式。PID調(diào)節(jié)的實質(zhì)就是根據(jù)輸入的偏差值，按比例、積分和微分的函數(shù)關(guān)系進行運算，其運算結(jié)果用以輸出控制[1]。在系統(tǒng)輸出誤差絕對值較大時系統(tǒng)采取飽和輸出工作方式，這樣可以減小液位系統(tǒng)的時滯性。同時為了防止系統(tǒng)過大的超調(diào)量，在系統(tǒng)誤差的絕對值比較小時采用增大積分系數(shù)的辦法，從而可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度[2]。微分控制算法簡單，參數(shù)調(diào)整方便，并且有一定的控制精度，能感覺出誤差的變化趨勢。增大微分控制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)減小，可以獲得比較滿意的控制效果。因此它成為當(dāng)前最為普遍采用的控制算法。 　　PID控制器，其控制規(guī)律為： 　　………………（2-1） 　　由于式（2-1）為模擬量表達(dá)式，而PLC程序只能處理離散數(shù)字量，為此，必須將連續(xù)形式的微分方程化成離散形式的差分方程。令 　　…………… （2-2） 　　則可得可得到位置式數(shù)字PID算法 　　……………（2-3） 　　使用位置式PID數(shù)字控制器會造成PID運算的積分積累，引起系統(tǒng)超調(diào)，這在生產(chǎn)過程中是不允許的。由此，經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到增量式算法 　　……………（2-4） 　　增量式PID控制算法是對偏差增量進行處理，然后輸出控制量的增量，即執(zhí)行機構(gòu)位置的增量。增量式PID數(shù)字控制器不會出現(xiàn)飽和，而且當(dāng)計算機出現(xiàn)故障時能保持前一個采樣時刻的輸出值，保持系統(tǒng)穩(wěn)定，因此在此系統(tǒng)中增量式算法被采用作為編程算法來使用。 　　2.2 恒水位控制 　　為保證生產(chǎn)安全，濾池分站的待濾水流量和濾后水流量應(yīng)基本保持平衡，所以每個濾格在過濾時應(yīng)保持水位恒定。正常濾水工作期間，每組濾池在就地PLC控制臺的控制下，依據(jù)來水量的大小，及時調(diào)整濾水閥的開度，保證濾池恒水位運行;當(dāng)達(dá)到反沖洗條件或人為強制反沖時，每組濾池就地控制柜向主站發(fā)出反沖洗請求，主PLC對需要反沖洗的濾組進行排序，采用先進先出的堆棧式管理，在滿足反沖洗條件后，調(diào)整首先要反沖的濾組的閥門狀態(tài)，待水位降到一定高度后，啟動鼓風(fēng)機，進行氣洗，按約定時間氣洗結(jié)束后，開啟反沖泵進行氣水聯(lián)洗，聯(lián)洗結(jié)束后，關(guān)閉鼓風(fēng)機，再開啟一臺反沖水泵進行水洗，水洗結(jié)束后，恢復(fù)本組濾池的正常濾水狀態(tài)，進行下一組反沖洗。所有反沖結(jié)束后，進入正常的恒水位濾水工作周期。 　　由于恒水位的根本目的是保證待濾水流量與濾后水流量基本恒定，因此轉(zhuǎn)化為控制各個濾格的水位保持基本恒定[3]。用PID閉環(huán)控制可以根據(jù)水位的變化實時控制清水閥開度，把以上所有影響水量變化的條件轉(zhuǎn)化為濾格水位的控制。 　　2.3 PID對清水閥的邏輯控制指令及參數(shù)的設(shè)定 　　當(dāng)進水量增大或因池內(nèi)水頭損失增大導(dǎo)致出水量減少，使水位上升高于設(shè)定水位時水位偏差e為正，e越大則u也越大，從而使出水閥開度增大，相應(yīng)地出水量也增大，使水位下降趨于設(shè)定水位;當(dāng)進水量減少或因其它因素使水位下降低于設(shè)定水位時，水位偏差e為負(fù)，e的絕對值越大則u越小，從而使出水閥減小開度，相應(yīng)地出水量也減小，使水位上升趨于設(shè)定水位，從而把水位控制在以設(shè)定水位為中心的一定波動范圍之內(nèi)。從式（2-1）中的積分控制項可知，控制器輸出u與積分時間T成反比。當(dāng)T。較小時，相同的水位偏差將造成較大的積分控制作用。若積分控制作用過強，將造成過調(diào)現(xiàn)象：當(dāng)水位偏離設(shè)定水位時，過強的積分控制作用使出水閥開度改變過大，使水位矯正過大，造成大的振蕩起伏。積分時間T愈小，過調(diào)現(xiàn)象愈嚴(yán)重，被控量（水位）的振蕩幅度愈大，最終超出允許范圍。因此，正確設(shè)定控制參數(shù)是保證控制系統(tǒng)能達(dá)到設(shè)計要求的重要前提[4]。對于實際生產(chǎn)過程，要精確確定其數(shù)學(xué)模型比較困難，本系統(tǒng)是通過試驗方法來確定控制參數(shù) 　　2.3.1參數(shù)設(shè)計中的特殊處理 　　設(shè)定完參數(shù)后，根據(jù)現(xiàn)場實際情況在外部程序還可進行一些程序處理，該項目中作了以下處理: 　　①把PID的計算結(jié)果放到一個中間變量中，當(dāng)水位處于設(shè)定水位的上下5cm以內(nèi)，3分鐘輸出一次PID的計算結(jié)果到輸出模板;反之10秒鐘輸出一次PID的計算結(jié)果，這是為了水位在可接受的范圍之內(nèi)盡量少動作清水閥，但超過范圍以外則以保證生產(chǎn)安全和水質(zhì)為第一，同時很大程度上消除了輸入模擬量在受到外界干擾時而出現(xiàn)的計算誤差。 　?、诩词乖谏鲜鰲l件滿足的條件下，程序會比較當(dāng)前的PID計算結(jié)果與上一次輸出值的差值，如開度在兩個開度范圍以內(nèi)則不輸出當(dāng)前PID計算結(jié)果，反之則輸出計算結(jié)果。因清水閥開度在兩個開度范圍以內(nèi)對水位調(diào)節(jié)作用不大，而小開度調(diào)節(jié)清水閥會出現(xiàn)閥門開度不到位而造成電磁閥頻繁動作的現(xiàn)象。 　?、郛?dāng)清水閥開度小于10個開度時，過水量基本與全關(guān)時一樣，因此我們把PID計算結(jié)果為7個開度以下就直接輸出全關(guān)信號。 　　2.4 PID控制梯形圖子程序 　　每個濾池的自控部分的實現(xiàn)需要數(shù)字量輸入點 28 個，數(shù)字量輸出點 18 個，模擬量輸入輸出點 13 個，整個 PLC 自控系統(tǒng)具有自保護和掉電數(shù)據(jù)保護功能，在發(fā)生供電及其他嚴(yán)重故障時，可立即進入緊急處理狀態(tài)，工藝條件和程序時間都得以記憶，待故障消除后，系統(tǒng)能夠立即恢復(fù)到故障前的狀態(tài)，大大提高了整機可靠性[5]。 表 1 為 PLC 系統(tǒng)的 I/O 地址表. 這里僅僅列出了主要的 I/O 地址。 　　表 1PLC 控制 I/O 地址分配表（部分） 　　通過以上參數(shù)就可以完成相應(yīng)的控制過程在水廠濾池自動化的安裝調(diào)試階段，數(shù)據(jù)采樣頻率恒定，系統(tǒng)調(diào)試人員通過調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，使濾后水閥開啟度隨濾池水位的高低而變化，進而使濾池水位基本保持（2.00± 0.20）m 范圍內(nèi)。下圖為濾池在反沖洗過程中部分梯形圖程序： [align=center] 圖1：濾池在反沖洗過程中部分梯形圖程序[/align] 3 運行效果前后對比 　　調(diào)試后我們經(jīng)過統(tǒng)計，基本上一天的清水閥動作次數(shù)小于200次，比其它水廠一天平均4000次要少得多，基本上與手動憑經(jīng)驗調(diào)節(jié)清水閥的效果相同，但大大的減少了工人的勞動強度。但各個水廠的實際情況有所不同，所以在系統(tǒng)調(diào)試過程中所處理的手段也會有所不同，參數(shù)設(shè)置也會有所不同。 　　經(jīng)過對濾池改進前后數(shù)據(jù)分析，繪制出下面的波動曲線對比圖。從圖3可以看出，經(jīng)PID調(diào)解后的濾池水位變化很小，濾池液位能夠保持恒水位運行。 [align=left] 4 小結(jié) 　　本項目應(yīng)用于鄭州市柿園水廠的濾池自動化改造系統(tǒng)中，系統(tǒng)以工控機為核心，采用了模糊化積分分離數(shù)字PID控制方案、梯形圖語言以及組態(tài)王軟件。該系統(tǒng)經(jīng)過三個月來運行，完全符合生產(chǎn)要求，系統(tǒng)的可靠性、易操作性和信息容量都有了很大提高，真正實現(xiàn)了現(xiàn)場的濾池自動化管理，實現(xiàn)了自動過濾和定時自動排隊及反沖，新系統(tǒng)使濾池的凈水效果得到很大改善。采用標(biāo)準(zhǔn)PID控制軟件包實現(xiàn)了對濾池水位的閉環(huán)自動控制，使多組濾池同時自動運行，運行水位保持在工作水位的4%范圍內(nèi)。恒水位的控制使得濾池反沖洗次數(shù)減少，水量和電量損耗減少1/3，產(chǎn)生經(jīng)濟效益300萬元。大大降低了生產(chǎn)成本，同時還改善了水質(zhì)，具有重要應(yīng)用價值。 　　本文作者創(chuàng)新點是將改進了的增量式PID算法與恒水位控制相結(jié)合，優(yōu)化恒水位控制方法，降低水耗及電耗，減輕工人勞動強度，提高了濾池水處理的自動化水平和效率。 參考文獻： 　　[1]劉金混.先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社.2003.25 　　[2]丁芳，李艷芳，費玉龍.智能PID算法在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計算機信息，2006，6-1：103-105。 　　[3]何國金，任強.用PLC控制的住宅小區(qū)全自動準(zhǔn)恒壓供水系統(tǒng)[J].給水排水.2005,31（3）:97-100 　　[4]李有淳,龔利.自來水廠PLC控制系統(tǒng)的開發(fā)與利用[J].工業(yè)控制計算機.2000，13（4）:15. 　　[5]STEP 7 梯形圖邏輯參考手冊[Z]. 西門子公司，1999.[/align]