【文章內容簡介】 關閉鼓風機，關閉反沖氣閥。打開反沖水閥，開啟反沖水泵，水洗 6MIN，完成后關閉反沖水閥、停水泵，關閉排污閥、開啟進水閥接受待濾水。當水位升到接近過濾恒水位時，濾池反沖洗正式結束，系統轉入正常的過濾程序。在中控室設置主控 PLC，其主要功能是負責和各現場的 PLC 通信，收集反沖洗水泵、鼓風機等反沖洗設備的信號，協調各格濾池的反沖洗。 系統總體方案的設計 濾池自控方案及總體結構的實現根據本濾池的結構，考慮到自動控制方式的先進性，穩(wěn)定性，可靠性和連續(xù)不停運行的特點，提出如下自控方案:(1)在每個濾池上，各配置一臺 PLC(Programmable Logic Controller)，分別控制這個濾格在正常過濾狀態(tài)下和反沖洗狀態(tài)下的運行。(2)給每個濾池的 PLC 編制運行程序，以保證每個濾池按生產工藝的要求自動運行。(3)整個濾池控制系統配一臺主控 PLC，負責和各個現場 PLC 的通信，協調各格濾池的反沖洗，使每個濾池的反沖洗能按照反沖洗的時間，或水頭 計6損失的大小自動和穩(wěn)定的進行。(4)每個濾池的反沖洗，均可在 2 種狀態(tài)下進行：①自動反沖洗：② 半自動反沖洗。其中，半自動反沖洗為強制反沖洗，即用戶可以在任何時候進行反沖洗。(5)各濾格的 PLC 運行均由一臺主控 PLC 控制。主 PLC 和各分 PLC 既聯系又獨立，在正常運行時，它們各司其職，統一運行。如果一旦主 PLC 發(fā)生故障，并不會影響到各格濾池的正常運行。同時，還能把濾池的各信號，如濾后水流量，濁度，余氯，以及濾池的各個工作狀態(tài)，運行時間等，在聯網后，傳送到中央控制室。(6)濾池的控制操作和數據顯示:使用一臺 PC 機作為上位機，配有專為用戶開發(fā)的監(jiān)控軟件。用戶可以在 PC 機上控制濾池的操作以及監(jiān)測濾池的運行情況。該軟件具有功能：①各模擬量和各開關量的數據采集。②數據的實時顯示，包括各濾池的水位，濾池運行時間，濾池目前的運行狀態(tài)，各濾池的出水閥的開度，濾后水流量，各閥門的工作狀態(tài)等。③重要參數的顯示和設置，包括每個濾池的 PID 參數，反沖洗起始水位，反沖洗的水沖時間，氣洗時間等等。④模擬數據的實時曲線顯示和歷史曲線顯示。⑤模擬數據的比較曲線，即對同一數據作不同日期的比較。⑥上下限設置。⑦各故障報警。⑧各類數據的查詢。⑨數據統計。⑩濾池的自動，半自動選擇。 計7(7)采用 Rockwell AB 公司的 PLC 系列產品，以保證濾池運行的穩(wěn)定和可靠。濾池自控系統構成一個獨立的 PLC 控制系統，包括主控部分、現場分控部分。主控部分由一臺主控 PLC，一臺上位工控機組成，主控 PLC 負責和現場 PLC 的通信和氣水反沖洗的協調控制，上位機用于實現人機對話；每個現場 PLC 負責管理每個濾池的恒水位運行和自動反沖洗。整個濾池的運行可在以下二種方式下工作：(1)半自動控制；(2)PLC 自動控制；(3)上位機遠程控制。其網絡拓撲如 所示。3 濾池P C主控 P L C現場P L C 1現場P L C 2現場P L C 3現場P L C 4現場P L C 5現場P L C 6現場P L C 7現場P L C 81 濾池2 濾池 4 濾池 5 濾池 6 濾池 7 濾池 8 濾池圖 濾池自控網絡拓撲圖 PID 控制算法的基本原理PID(proportional Integral Differential)控制算法就是經典的閉環(huán)控制，它是連續(xù)系統中技術最成熟、應用最廣泛的調節(jié)方式。PID 調節(jié)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。在模擬系統中，控制器最常用的控制規(guī)律就是 PID 控制，在工業(yè)生產過程控制中，模擬量的 PID(比例、積分、微分)調節(jié)是常見的一種控制方式，這是由于 PID 調節(jié)不需要求出控制系統的數學模型，對于這一類系統，使用 PID 控制可以取得比較令人滿意的效果，同時 PID調節(jié)器又具有典型的結構，可以根據被控對象的具體情況，采用各種 PID 計8的變種，有較強的靈活性和適用性。PLC 作為一種新型的工業(yè)控制裝置，在科研、生產、社會生活的諸多領域得到了越來越廣泛的應用。大型的可編程序控制器配備過程控制模塊可同時對幾十路模擬量進行閉環(huán)控制，但造價昂貴。一般中小型 PLC 控制系統只對一路或幾路模擬量進行閉環(huán)控制。硬件上只需配備 A/D 及 D/A轉換模塊，軟件可購買相應廠家提供的 PID 編程功能模塊，只需設定好PID 功參數，運行 PID 控制指令，就能求得輸出控制值，而廠家一般只提供標準 PID 算法，靈活性和適應性較差，如根據被控對象的具體情況不同，采用各種 PID 控制的變種，如積分分離 PID、不完全微分 PID 等則操作上有些困難，這時用戶可根據控制的算法，自行設計梯形圖程序。常規(guī) PID控制系統原理框圖如圖 所示，系統由模擬 PID 和被控對象組成 [7]。R ( t )E ( t )比例 P積分 I微分 DU ( t )被控對象C ( t )圖 模擬 PID 系統原理框圖濾池恒水位控制技術的發(fā)展日新月異。從模擬 PID、數字 PID 到最優(yōu)控制、自適應控制、再發(fā)展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。在現有的濾池控制系統方案中，PID 控制應用最多，也最具代表性。在 PID 控制算法中，存在著比例、積分、微分 3 種控制作用：(1)比例控制作用的特點：即成比例地反映控制系統的偏差信號 E(t)，系統誤差一旦產生，控制器立即就有控制作用，使被 PID 控制的對象朝著減小誤差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數 Kp。缺點是對于具有自平衡 (即系統階段響應終值為一有限值)能力的被控對象 計9存在靜差。加大 Kp 可減少靜差，但 Kp 過大，會導致系統超調增大，使系統的動態(tài)性能變壞。(2)積分作用的特點：能對誤差進行記憶并積分，有利于消除系統的靜差。不足之處在于積分作用具有滯后特性，積分作用太強會使被控對象的動態(tài)品質變壞，以至于導致閉環(huán)系統不穩(wěn)定。(3)微分控制作用的特點：通過對誤差進行微分，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。缺點是對干擾同樣敏感，使系統對干擾的抑制能力降低。根據被控對象的不同，適當地調整 PID 參數，可以獲得比較滿意的控制效果。因為其算法簡單，參數調整方便，并且有一定的控制精度，因此它成為當前最為普遍采用的控制算法。PID 控制器是一種線性控制器，它根據給定值 R(t)與實際輸出值 C(t)構成控制偏差： E(t)==R(t)－C(t) () 將偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D) 通過組合構成控制量對被控對象進行控制，故稱 PID 控制器，其控制規(guī)律為： U(t)=Kp[ E(t)+ + ] ()1Ti?tdE0)(()t 上式中:Kp 是控制器比例系數是控制器積分時間常數1Ti是控制器微分時間常數d 計10E(t)是系統設定值和被控量之差U(t)是控制器輸出由于式()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(xù)形式的微分方程化成離散形式的差分方程。令U(t) U(KT)?E(t) E(KT)T?tdE0)(??Kj0)( ()t?1? 則可得可得到位置式數字 PID 算法：U(K)=KpE(K)+Ki +Kd[E(K)E(K1)] ()?KjE0)( 式中：T 為采樣周期,Kp 為比例增益系數，Ki=KpT/ 稱為積分系數，KdTi二 Kp /T 稱為微分常數。U(K)是 U(KT)的簡寫， E(K)是 E(KT)的簡寫。d位置式算法對偏差進行累加，然后給出執(zhí)行機構的位置控制量。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()不難得到：U(K1)= KpE(K1)+Ki + Kd[E(K1)E(K2)] ()???10)(KjE 將式()與式 ()相減即可得到增量式算法： 計11△ U(K)=U(K)一 U(K1) =(Kp+Ki+Kd)E(K)( Kp+2Kd)E(K1)+ KdE(K2) () 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，而且當計算機故障時能保持前一個采樣時刻的輸出值，保持系統穩(wěn)定，因此增量式算法比位置式算法得到更廣泛的應用 [7]。至此，式() 已可以用作編程算法使用了。 現場濾池控制器濾池控制器首先控制濾池的液位，把液位大致穩(wěn)定在一個范圍內，達到維持相對穩(wěn)定的濾速的目的。一般的液位控制是由調節(jié)閥來完成的。以來自液位計的液位信號作為反饋信息，PLC 作為控制器，調節(jié)閥作為執(zhí)行器形成一個典型的閉環(huán)控制系統，如圖 所示。一般 PLC 都可以實現PID 功能。液位控制時，把液位計測定值與設定值比較，使用比例或比例積分環(huán)節(jié)進行計算，結果作為閥位給定值送至調節(jié)閥的比例執(zhí)行器，由其完成閥門的動作。這種控制實現簡單，效果很好，可以十分精確的控制液位。P L C調節(jié)閥 液位A / D圖 濾池液位控制框圖但是在凈水廠濾池中，對液位的精度要求不高，無需將液位穩(wěn)定在一指定高度，只要保持在一個較寬松的范圍內即可。此時，可以用開關閥替代調節(jié)閥來調節(jié)液位，降低投資成本。開關閥的液位控制仍然適用閉環(huán)反 計12饋的基本原理，但具體情況與調節(jié)閥的有很大不同。開關閥的驅動信號有兩個，一個開閥，一個關閥，兩者都是開關量，只要持續(xù)為 ON，閥門就會持續(xù)動作，直到全開或全關，不會始終保持在一個位置上；而調節(jié)閥是由一個模擬量的開度信號驅動的，閥門隨著該信號的變化而動作，若信號不變，閥門位置不變。所以，可以對調節(jié)閥進行控制的 PID 計算結果，對開關閥無效。通過 PLC 計算得出閥門位置的機制也就不再適用，需要重新設計。最簡單的辦法是采用雙位調節(jié)，即液位高于設定時，打開閥門，低于設定時，關閉閥門。此方法非常容易實現，但缺點也非常突出:它的動作非常頻繁。系統中的運動部件，如閥桿、閥芯和閥座等會經常摩擦，很容易損壞。這一點在實際工程中非常重要，許多場合都必須刻意避免閥門頻繁動作。所以，該方法不能直接使用。雙位調節(jié)可以看作是一個極端的比例系數很大的比例控制，對任何一個偏差，不論大小，都會產生飽和滿載的輸出。根據比例環(huán)節(jié)比例系數對過渡過程的影響，當比例系數增大時，會產生如下變化：(1)振蕩傾向加強，穩(wěn)定程度下降；(2)工作頻率提高，工作周期縮短。這就是雙位調節(jié)導致閥門頻繁開關的原因。如果減小這個所謂的比例系數，就可以減小閥門動作頻率，并增強系統穩(wěn)定性。下面談談如何實現。實際上開關閥的開與關不是瞬時完成的，而是有一個動作時間。如果對這個動作時間做出限制，就可以對閥門開度進行控制。這首先要求電氣執(zhí)行機構的改變。一般的開關閥，執(zhí)行機構是由連鎖的，只要動作信號一給出，不管是否保持，閥門都要持續(xù)動作到底(關死或開足)，不會中途停止。也就是說，閥門每次的動作時間都是相同的，不可更改。所以，要控制動作時間，在執(zhí)行機構中就不能有連鎖。這樣一來，PLC 就 計13可以通過控制動作信號的持續(xù)時間，控制閥門的動作時間了。然而，僅僅縮短一次性動作時間仍然不能實現穩(wěn)定控制。液位的滯后性較強，PLC 在檢測到其改變(由低于設定變?yōu)楦哂谠O定，或反之)前，會不斷發(fā)出閥門動作信號，直至動作到底。情況跟先前并沒什么不同，只是由一次動作變?yōu)槎啻蝿幼髁?，頻繁性沒有得到根本的改變。單純的比例控制在對付滯后系統時確實很困難。參考常被應用在較強的滯后系統中的采樣 PID，它通過延長反饋信號的采樣周期，延緩 PID 輸出的更新頻率，以適應系統的滯后性。采樣周期和動作時間的結合，極大的降低了閥門的動作頻率，系統也更加穩(wěn)定了。這樣，對雙位調節(jié)增加兩個時間控制，實現了開關閥對液位的調節(jié)。具體兩個時間如何確定，可以先估算，再具體調試。首先估算濾速，平均的濾速 V 可通過下式求得：V= 濾 格 面 積生 產 時 間 （ 秒 ）濾 池 個 數 生 產 量 ??以日產量為 144000 噸為例：V= =（米/秒）3624081假設這個速度是在閥門 90%開啟度的時候達到的，那么閥門每改變百分之一的開度，對濾速的影響為 厘米/秒。由于事實