【文章內(nèi)容簡介】 濾池的運行滿足了反沖洗的條件（運行周期到、水頭信號或強沖信號） ，需要進行反沖洗，以去除濾料層的雜質(zhì)。按要求，每次只有一格濾池進行反沖洗，當多格濾池同時要求進行反沖洗時，系統(tǒng)自動按照先進先出的原則排隊進行。山東科技大學學士學位論文 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計5濾池正常過濾時，為實現(xiàn)恒水位過濾，設(shè)計以水流量為控制參數(shù)的濾池液位 PID 控制系統(tǒng)。當系統(tǒng)接收到手動的強制沖洗信號、水頭損失信號、定時沖洗信號中的任何一個指令時，進行單格濾池反沖洗。首先關(guān)閉進水閥，濾池內(nèi)部的存留水經(jīng)出水閥繼續(xù)過濾排除，當水位降至設(shè)定的反沖洗水位時（） ，關(guān)閉出水閥并打開排污閥，排污閥的信號到位后打開反沖氣閥，啟動風機進行氣沖 6MIN，然后關(guān)閉鼓風機，關(guān)閉反沖氣閥。打開反沖水閥，開啟反沖水泵，水洗 6MIN，完成后關(guān)閉反沖水閥、停水泵，關(guān)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(jié)束，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常的過濾程序。在中控室設(shè)置主控 PLC，其主要功能是負責和各現(xiàn)場的 PLC 通信，收集反沖洗水泵、鼓風機等反沖洗設(shè)備的信號，協(xié)調(diào)各格濾池的反沖洗。 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計 濾池自控方案及總體結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)根據(jù)本濾池的結(jié)構(gòu)，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(chǎn)工藝的要求自動運行。(3)整個濾池控制系統(tǒng)配一臺主控 PLC，負責和各個現(xiàn)場 PLC 的通信，協(xié)調(diào)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，或水頭山東科技大學學士學位論文 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)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(lián)系又獨立，在正常運行時，它們各司其職，統(tǒng)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(lián)網(wǎng)后，傳送到中央控制室。(6)濾池的控制操作和數(shù)據(jù)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(guān)量的數(shù)據(jù)采集。②數(shù)據(jù)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(shù)的顯示和設(shè)置，包括每個濾池的 PID 參數(shù)，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(shù)據(jù)的實時曲線顯示和歷史曲線顯示。⑤模擬數(shù)據(jù)的比較曲線，即對同一數(shù)據(jù)作不同日期的比較。⑥上下限設(shè)置。⑦各故障報警。⑧各類數(shù)據(jù)的查詢。⑨數(shù)據(jù)統(tǒng)計。⑩濾池的自動，半自動選擇。山東科技大學學士學位論文 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計7(7)采用 Rockwell AB 公司的 PLC 系列產(chǎn)品，以保證濾池運行的穩(wěn)定和可靠。濾池自控系統(tǒng)構(gòu)成一個獨立的 PLC 控制系統(tǒng)，包括主控部分、現(xiàn)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(xiàn)場 PLC 的通信和氣水反沖洗的協(xié)調(diào)控制，上位機用于實現(xiàn)人機對話；每個現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)拓撲如 所示。3 濾池P C主控 P L C現(xiàn)場P L C 1現(xiàn)場P L C 2現(xiàn)場P L C 3現(xiàn)場P L C 4現(xiàn)場P L C 5現(xiàn)場P L C 6現(xiàn)場P L C 7現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)拓撲圖 PID 控制算法的基本原理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。在模擬系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律就是 PID 控制，在工業(yè)生產(chǎn)過程控制中，模擬量的 PID(比例、積分、微分)調(diào)節(jié)是常見的一種控制方式，這是由于 PID 調(diào)節(jié)不需要求出控制系統(tǒng)的數(shù)學模型，對于這一類系統(tǒng)，使用 PID 控制可以取得比較令人滿意的效果，同時 PID調(diào)節(jié)器又具有典型的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)被控對象的具體情況，采用各種 PID山東科技大學學士學位論文 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)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(chǎn)、社會生活的諸多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)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(tǒng)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(zhuǎn)換模塊，軟件可購買相應(yīng)廠家提供的 PID 編程功能模塊，只需設(shè)定好PID 功參數(shù)，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(yīng)性較差，如根據(jù)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(jù)控制的算法，自行設(shè)計梯形圖程序。常規(guī) PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示，系統(tǒng)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(tǒng)原理框圖濾池恒水位控制技術(shù)的發(fā)展日新月異。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。在現(xiàn)有的濾池控制系統(tǒng)方案中，PID 控制應(yīng)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(tǒng)的偏差信號 E(t)，系統(tǒng)誤差一旦產(chǎn)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(shù) Kp。缺點是對于具有自平衡 (即系統(tǒng)階段響應(yīng)終值為一有限值)能力的被控對象山東科技大學學士學位論文 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計9存在靜差。加大 Kp 可減少靜差，但 Kp 過大，會導致系統(tǒng)超調(diào)增大，使系統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)變壞，以至于導致閉環(huán)系統(tǒng)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(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)減小。缺點是對干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對干擾的抑制能力降低。根據(jù)被控對象的不同，適當?shù)卣{(diào)整 PID 參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果。因為其算法簡單，參數(shù)調(diào)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(jù)給定值 R(t)與實際輸出值 C(t)構(gòu)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(gòu)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(shù)是控制器積分時間常數(shù)1Ti是控制器微分時間常數(shù)d山東科技大學學士學位論文 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計10E(t)是系統(tǒng)設(shè)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(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U(t) U(KT)?E(t) E(KT)T?tdE0)(??Kj0)( ()t?1? 則可得可得到位置式數(shù)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(shù)，Ki=KpT/ 稱為積分系數(shù)，KdTi二 Kp /T 稱為微分常數(shù)。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(gòu)的位置控制量。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()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：山東科技大學學士學位論文 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)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(gòu)位置的增量。增量式 PID 數(shù)字控制器不會出現(xiàn)飽和，而且當計算機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，因此增量式算法比位置式算法得到更廣泛的應(yīng)用 [7]。至此，式() 已可以用作編程算法使用了。 現(xiàn)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(nèi)，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(diào)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(diào)節(jié)閥作為執(zhí)行器形成一個典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖 所示。一般 PLC 都可以實現(xiàn)PID 功能。液位控制時，把液位計測定值與設(shè)定值比較，使用比例或比例積分環(huán)節(jié)進行計算，結(jié)果作為閥位給定值送至調(diào)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(xiàn)簡單，效果很好，可以十分精確的控制液位。P L C調(diào)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(nèi)即可。此時，可以用開關(guān)閥替代調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)液位，降低投資成本。開關(guān)閥的液位控制仍然適用閉環(huán)反山東科技大學學士學位論文 控制系統(tǒng)總體方案的設(shè)計12饋的基本原理，但具體情況與調(diào)節(jié)閥的有很大不同。開關(guān)閥的驅(qū)動信號有兩個，一個開閥，一個關(guān)閥，兩者都是開關(guān)量，只要持續(xù)為 ON，閥門就會持續(xù)動作，直到全開或全關(guān)，不會始終保持在一個位置上；而調(diào)節(jié)閥是由一個模擬量的開度信號驅(qū)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(diào)節(jié)閥進行控制的 PID 計算結(jié)果，對開關(guān)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(shè)計。最簡單的辦法是采用雙位調(diào)節(jié)，即液位高于設(shè)定時，打開閥門，低于設(shè)定時，關(guān)閉閥門。此方法非常容易實現(xiàn)，但缺點也非常突出:它的動作非常頻繁。系統(tǒng)中的運動部件，如閥桿、閥芯和閥座等會經(jīng)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(diào)節(jié)可以看作是一個極端的比例系數(shù)很大的比例控制，對任何一個偏差，不論大小，都會產(chǎn)生飽和滿載的輸出。根據(jù)比例環(huán)節(jié)比例系數(shù)對過渡過程的影響，當比例系數(shù)增大時，會產(chǎn)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(diào)節(jié)導致閥門頻繁開關(guān)的原因。如果減小這個所謂的比例系數(shù)，就可以減小閥門動作頻率，并增強系統(tǒng)穩(wěn)定性。下面談?wù)勅绾螌崿F(xiàn)。實際上開關(guān)閥的開與關(guān)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(gòu)的改變。一般的開關(guān)閥，執(zhí)行機構(gòu)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(guān)死或開足)，不會中途停