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計方案，充分挖掘組態軟件的功能，利用基于PLC的PID算法實現了水廠濾池恒水位控制。改造后的濾池真正能夠達到自動恒水位運行，實現無人值守，大大減輕工人的勞動強度。系統運行正常，具有實用價值。 關鍵詞：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 　　濾池作為保障水質的重要環節，其作用越來越受到重視。濾池恒水位控制技術也隨之不斷發展。從模擬PID、數字PID到最優控制、自適應控制，再發展到智能控制，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算法應用到濾池自控流程中，使其能夠根據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 　　2.1 PID控制算法 　　PID（Proportional Integral　Differential）控制算法就是經典的閉環控制，它是連續系統中技術最成熟、應用最廣泛的調節方式。PID調節的實質就是根據輸入的偏差值，按比例、積分和微分的函數關系進行運算，其運算結果用以輸出控制[1]。在系統輸出誤差絕對值較大時系統采取飽和輸出工作方式，這樣可以減小液位系統的時滯性。同時為了防止系統過大的超調量，在系統誤差的絕對值比較小時采用增大積分系數的辦法，從而可以提高系統的穩態精度[2]。微分控制算法簡單，參數調整方便，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響應，使超調減小，可以獲得比較滿意的控制效果。因此它成為當前最為普遍采用的控制算法。 　　PID控制器，其控制規律為： 　　………………（2-1） 　　由于式（2-1）為模擬量表達式，而PLC程序只能處理離散數字量，為此，必須將連續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字PID算法 　　……………（2-3） 　　使用位置式PID數字控制器會造成PID運算的積分積累，引起系統超調，這在生產過程中是不允許的。由此，經過轉換得到增量式算法 　　……………（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，即執行機構位置的增量。增量式PID數字控制器不會出現飽和，而且當計算機出現故障時能保持前一個采樣時刻的輸出值，保持系統穩定，因此在此系統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 　　為保證生產安全，濾池分站的待濾水流量和濾后水流量應基本保持平衡，所以每個濾格在過濾時應保持水位恒定。正常濾水工作期間，每組濾池在就地PLC控制臺的控制下，依據來水量的大小，及時調整濾水閥的開度，保證濾池恒水位運行;當達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，調整首先要反沖的濾組的閥門狀態，待水位降到一定高度后，啟動鼓風機，進行氣洗，按約定時間氣洗結束后，開啟反沖泵進行氣水聯洗，聯洗結束后，關閉鼓風機，再開啟一臺反沖水泵進行水洗，水洗結束后，恢復本組濾池的正常濾水狀態，進行下一組反沖洗。所有反沖結束后，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，因此轉化為控制各個濾格的水位保持基本恒定[3]。用PID閉環控制可以根據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的設定 　　當進水量增大或因池內水頭損失增大導致出水量減少，使水位上升高于設定水位時水位偏差e為正，e越大則u也越大，從而使出水閥開度增大，相應地出水量也增大，使水位下降趨于設定水位;當進水量減少或因其它因素使水位下降低于設定水位時，水位偏差e為負，e的絕對值越大則u越小，從而使出水閥減小開度，相應地出水量也減小，使水位上升趨于設定水位，從而把水位控制在以設定水位為中心的一定波動范圍之內。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，將造成過調現象：當水位偏離設定水位時，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，過調現象愈嚴重，被控量（水位）的振蕩幅度愈大，最終超出允許范圍。因此，正確設定控制參數是保證控制系統能達到設計要求的重要前提[4]。對于實際生產過程，要精確確定其數學模型比較困難，本系統是通過試驗方法來確定控制參數 　　2.3.1參數設計中的特殊處理 　　設定完參數后，根據現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的計算結果放到一個中間變量中，當水位處于設定水位的上下5cm以內，3分鐘輸出一次PID的計算結果到輸出模板;反之10秒鐘輸出一次PID的計算結果，這是為了水位在可接受的范圍之內盡量少動作清水閥，但超過范圍以外則以保證生產安全和水質為第一，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的計算誤差。 　　②即使在上述條件滿足的條件下，程序會比較當前的PID計算結果與上一次輸出值的差值，如開度在兩個開度范圍以內則不輸出當前PID計算結果，反之則輸出計算結果。因清水閥開度在兩個開度范圍以內對水位調節作用不大，而小開度調節清水閥會出現閥門開度不到位而造成電磁閥頻繁動作的現象。 　　③當清水閥開度小于10個開度時，過水量基本與全關時一樣，因此我們把PID計算結果為7個開度以下就直接輸出全關信號。 　　2.4 PID控制梯形圖子程序 　　每個濾池的自控部分的實現需要數字量輸入點 28 個，數字量輸出點 18 個，模擬量輸入輸出點 13 個，整個 PLC 自控系統具有自保護和掉電數據保護功能，在發生供電及其他嚴重故障時，可立即進入緊急處理狀態，工藝條件和程序時間都得以記憶，待故障消除后，系統能夠立即恢復到故障前的狀態，大大提高了整機可靠性[5]。 表 1 為 PLC 系統的 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） 　　通過以上參數就可以完成相應的控制過程在水廠濾池自動化的安裝調試階段，數據采樣頻率恒定，系統調試人員通過調整相應的參數，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。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 　　調試后我們經過統計，基本上一天的清水閥動作次數小于200次，比其它水廠一天平均4000次要少得多，基本上與手動憑經驗調節清水閥的效果相同，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，所以在系統調試過程中所處理的手段也會有所不同，參數設置也會有所不同。 　　經過對濾池改進前后數據分析，繪制出下面的波動曲線對比圖。從圖3可以看出，經PID調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 　　本項目應用于鄭州市柿園水廠的濾池自動化改造系統中，系統以工控機為核心，采用了模糊化積分分離數字PID控制方案、梯形圖語言以及組態王軟件。該系統經過三個月來運行，完全符合生產要求，系統的可靠性、易操作性和信息容量都有了很大提高，真正實現了現場的濾池自動化管理，實現了自動過濾和定時自動排隊及反沖，新系統使濾池的凈水效果得到很大改善。采用標準PID控制軟件包實現了對濾池水位的閉環自動控制，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。恒水位的控制使得濾池反沖洗次數減少，水量和電量損耗減少1/3，產生經濟效益300萬元。大大降低了生產成本，同時還改善了水質，具有重要應用價值。 　　本文作者創新點是將改進了的增量式PID算法與恒水位控制相結合，優化恒水位控制方法，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中的應用[J].微計算機信息，2006，6-1：103-105。 　　[3]何國金，任強.用PLC控制的住宅小區全自動準恒壓供水系統[J].給水排水.2005,31（3）:97-100 　　[4]李有淳,龔利.自來水廠PLC控制系統的開發與利用[J].工業控制計算機.2000，13（4）:15. 　　[5]STEP 7 梯形圖邏輯參考手冊[Z]. 西門子公司，1999.[/align]