【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 、水的反沖洗過(guò)程便能夠達(dá)到控制要求，故本系統(tǒng)并未對(duì)濾池的表面掃洗技術(shù)進(jìn)行深入的研究與技術(shù)上的實(shí)現(xiàn)，從而在滿足系統(tǒng)功能的前提下避免了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。 現(xiàn)將濾池的基本的工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖繪制如下圖所示。 圖 22 濾池工藝結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)圖 濾 池控制系統(tǒng)的控制任務(wù)及其設(shè)計(jì) 務(wù) 濾池控制系統(tǒng)的控制任務(wù)就是控制過(guò)濾、反沖洗和兩者的交替，目的就是保證濾后水的濁度符合要求。過(guò)濾時(shí)要求維持一定的濾速，這通過(guò)控制濾池的液位實(shí)現(xiàn)，即過(guò)濾時(shí)要把液位控制在一定范圍之內(nèi)。當(dāng)過(guò)濾進(jìn)行一段時(shí)間后，濾料吸收的懸濁物積累到一定數(shù)量，對(duì)濾后水濁度的穩(wěn)定有不利影響，需要進(jìn)行反沖洗。反沖洗就是對(duì)濾層的清洗，需要控制鼓風(fēng)機(jī)、水泵等沖洗設(shè)備，以及濾池相關(guān)閥門的開、關(guān)。反沖洗與過(guò)濾是交替進(jìn)行的，反沖過(guò)后進(jìn)入過(guò)濾，過(guò)濾一段時(shí)間后也需要啟動(dòng)反沖洗。反沖洗的啟動(dòng)有兩種方法 :人為命令和控制器依 條件判斷是否啟動(dòng)。判斷的條件可以有很多，比如 :是否到達(dá)設(shè)定時(shí)間、過(guò)濾己經(jīng)進(jìn)行的時(shí)間、水頭損失大小等。更先進(jìn)一些的還可以直接根據(jù)濾池濾后出水的濁度決定是否反沖洗。 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及其組成 濾池的設(shè)計(jì)及其控制系統(tǒng)決定了濾后水的水質(zhì)。后者既不會(huì)引起出水突變也不會(huì)波動(dòng)地工作，既不會(huì)引起擺動(dòng)也不會(huì)太敏感，這些因素可導(dǎo)致清水水質(zhì)惡化及濾池過(guò)早穿透，此外，控制系統(tǒng)必須滿足以下要求： 濾后水出口的變化緩慢 持續(xù)地控制液位，沒(méi)有復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)。 在水廠流量的各種變化中，限制人為的加入。 控制系統(tǒng)的組成 濾池 控制系統(tǒng)一般由受控設(shè)備、電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)、控制器和上位機(jī)組成。其中受控設(shè)備可以分為兩部分：濾池閥門和反沖洗系統(tǒng)。常見(jiàn)濾池閥門有：反沖洗閥、氣閥、清水閥、排水閥。 自動(dòng)反沖洗系統(tǒng)的運(yùn)行可分為排水、氣沖洗、氣水混合沖洗、水沖洗和進(jìn)水五個(gè)階段，反沖洗各階段運(yùn)行時(shí)間根據(jù)濾池工況預(yù)置到 PLC。系統(tǒng)接到對(duì)某池進(jìn)行反沖洗的指令后進(jìn)入排水階段，先關(guān)閉進(jìn)水閥，把濾池的水位降至預(yù)置水位，然后關(guān)閉出水閥，打開排水閥；排水閥打開以后，濾池進(jìn)入氣沖洗階段，這時(shí)氣沖計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，排氣閥打開，同時(shí)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)、風(fēng)機(jī)出口打開，當(dāng)風(fēng)機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài) 后，打開氣沖閥，同時(shí)關(guān)閉排氣閥；氣沖洗時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，氣水混合洗計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，反沖水閥被打開，同時(shí)啟動(dòng)反沖水泵，打開水泵出口閥，濾池進(jìn)入氣水混合反沖洗狀態(tài)；汽水混合反沖洗時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，水洗計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，反沖氣閥被關(guān)閉，開放氣閥（放氣閥開 30s 后自動(dòng)關(guān)閉）排空風(fēng)管余氣，同時(shí)停風(fēng)機(jī)，關(guān)閉風(fēng)機(jī)出氣閥，濾池進(jìn)入水沖洗狀態(tài)；水沖洗時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值后，關(guān)閉反沖水閥，同時(shí)停止反沖水泵，關(guān)閉水泵出口閥，最后關(guān)閉排水閥，打開進(jìn)水閥，濾池進(jìn)入進(jìn)水狀態(tài)，當(dāng)水為上升到恒水位過(guò)濾位置時(shí)，自動(dòng)反沖洗完成，該池轉(zhuǎn)入正常的過(guò)濾程序 。 本設(shè)計(jì)水廠模擬濾池有六個(gè) V 型濾池組成，每個(gè)濾池的尺寸規(guī)格為5M*5M*5M，濾池的濾料采用單層 加厚均粒石英砂濾料。每一個(gè)濾池現(xiàn)場(chǎng)都設(shè)置一個(gè) PLC，主要功能是完成濾池的自動(dòng)反沖洗過(guò)程和濾池的恒水位控制，在正常的濾池過(guò)濾過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)濾池的恒水位控制，本設(shè)計(jì)要求濾池的水位波動(dòng)限制在 400177。 2CM 的范圍內(nèi)，當(dāng)濾池的運(yùn)行滿足了反沖洗的條件（運(yùn)行周期到、水頭信號(hào)或強(qiáng)沖信號(hào)）時(shí)，需要進(jìn)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(jìn)行反沖洗，當(dāng)多格濾池同時(shí)要求進(jìn)行反沖洗時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)按照先進(jìn)先出的原 則排隊(duì)進(jìn)行。 濾池正常過(guò)濾時(shí)，為實(shí)現(xiàn)恒水位過(guò)濾，設(shè)計(jì)以水流量為控制參數(shù)的濾池液位PID 控制系統(tǒng)。 在中控室設(shè)置主控 PLC，其主要功能是負(fù)責(zé)各現(xiàn)場(chǎng)的 PLC 通信，數(shù)據(jù)的傳送，收集反沖洗水泵、鼓風(fēng)機(jī)等反沖洗設(shè)備的信號(hào)，協(xié)調(diào)各個(gè)濾池的反沖洗順序，確保濾池的反沖洗過(guò)程正常有序的。 第 3 章 系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 濾池自控方案及總體結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn) 自來(lái)水廠的工藝特點(diǎn)是各工藝單元既相對(duì)獨(dú)立，同時(shí)各單元之間又存在一定的聯(lián)系。正因?yàn)楦鞴に噯卧鄬?duì)獨(dú)立，因此通常將整個(gè)工藝按控制單元?jiǎng)澐帧? 采用 PLC+IPC 系統(tǒng)的水廠自動(dòng)化控 制設(shè)計(jì)一般采用多主站加多從站結(jié)構(gòu)，能夠較好的滿足國(guó)內(nèi)水廠自動(dòng)化的監(jiān)控、保護(hù)要求?？刂泣c(diǎn)分布在水廠內(nèi)不同的位置，采用就近控制原則，在設(shè)備集中區(qū)分別設(shè)置不同的 PLC 站對(duì)該區(qū)域設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，再通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)，各 PLC 站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)水廠的自動(dòng)化控制。在控制單元內(nèi)， PLC 站實(shí)現(xiàn)對(duì)該單元內(nèi)設(shè)備的自動(dòng)控制。這樣的優(yōu)點(diǎn)是使控制系統(tǒng)更加可靠，當(dāng)某一控制單元發(fā)生故障時(shí)不會(huì)嚴(yán)重影響其它單元的自動(dòng)運(yùn)行，同時(shí)由于單元內(nèi)控制設(shè)備、檢測(cè)儀表就近相連，減少了布線成本。 一般根據(jù)土建設(shè)計(jì)，將水廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)按設(shè)備位置情況 及功能進(jìn)行組織，分為如下一些控制站點(diǎn)。 （ 1）中央控制室站點(diǎn)：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)度，同時(shí)留有四遙（遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控）系統(tǒng)接口，與上層管理系統(tǒng)進(jìn)行通訊。 （ 2）濾池公共部分控制站點(diǎn)：對(duì)反沖洗（每個(gè)濾池的反沖洗，均可在 2 種狀態(tài)下進(jìn)行：①自動(dòng)反沖洗：②半自動(dòng)反沖洗。）公共部分（反沖洗泵、鼓風(fēng)機(jī)、干燥機(jī)及相關(guān)閥門）進(jìn)行監(jiān)控。 （ 3）濾池控制站點(diǎn)：根據(jù)單格濾池?cái)?shù)量進(jìn)行配置，每格濾池一個(gè)，對(duì)單個(gè)濾池設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，使用一臺(tái) PC 機(jī)作為上位機(jī)，配有專為用戶開發(fā)的監(jiān)控軟件。用戶可以在 PC 機(jī)上控制濾池的操作以及監(jiān)測(cè)濾池 的運(yùn)行情況。 整個(gè)濾池的運(yùn)行可在以下二種方式下工作： 1 半自動(dòng)控制； 2 PLC 自動(dòng)控制； 3 上位機(jī)遠(yuǎn)程控制。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙?31 所示。 圖 31 濾池自控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D 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，按比例、積分、微分進(jìn)行控制的控制器稱為 PID 控制器。模擬 PID 控制器的原理框圖如圖 32 所示： 圖 32 模擬 PID 控制器原理框圖 圖中 r t 為系統(tǒng)的給定值， c t 為實(shí)際輸出值， u t 為控制量。 PID 控制解決了自動(dòng)控制理論所要解決的最為基本的問(wèn)題，即系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性。調(diào)節(jié) PID 的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，兼顧系統(tǒng)的帶載能力和抗擾能力，同時(shí)由于在 PID 控制器中引入了積分項(xiàng)，系統(tǒng)增加了一個(gè)零極點(diǎn)，這樣系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差就為零。 PID 控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值 R t 與實(shí)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(guò)組合構(gòu)成控制量對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱 PID 控制器，其控制規(guī)律為： U t Kp[ E t + + ] 式中， e t 為系統(tǒng)偏差； Kp 為比例系數(shù) 。 Ti 為積分時(shí)間常數(shù)； Td 為微分時(shí)間常數(shù)。 式 也可寫成： U t Kpe t +Ki∫ to e ?） d?+Kd （ ） 式中， Kp 為比例系數(shù)； Ki 為積分系數(shù)， Ki Kp/Ti。 Kd 為微分系數(shù)， Kd Kp/Td。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)， PID 控制器中各校正環(huán)節(jié)的作用如下： 比例環(huán)節(jié) 及時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào) e t ,偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，以減少偏差。 積分環(huán)節(jié) 主要用于消除靜差提高系統(tǒng)的無(wú)差度，積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù) Ti, Ti 越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。 微分環(huán)節(jié) 能夠反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，即偏差信號(hào)的變化速率，并能在偏差信號(hào)值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早起修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。 計(jì)算機(jī)控制是一種離散的采樣控制，在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中所使用 的是數(shù)字PID 控制器，而式 和式均為模擬 PID 控制器的控制表達(dá)式，通過(guò)將模擬 PID 表達(dá)式中的積分、微分運(yùn)算用數(shù)值計(jì)算方法來(lái)逼近，便可實(shí)現(xiàn)數(shù)字 PID 控制。只要采樣周期 T 取得足夠小，這種逼近就可以相當(dāng)精確。 將微分項(xiàng)用矩形和式代替，數(shù)字 PID 控制器的控制表達(dá)式如式（ ： U K KpE K +Ki+Kd[E K E K1 ] 其中： T 為采樣周期； Kp 為比例增益系數(shù)； Ki KpT/稱為積分系數(shù)； Kd Kp/T 稱為微分常數(shù)； U K 是 U KT 的簡(jiǎn)寫； E K 是 E KT 的簡(jiǎn)寫。 數(shù)字 PID控制器的算法通?？梢苑譃槲恢檬?PID控制算法和增量式 PID控制算法，因?yàn)槲恢檬剿惴▽?duì)偏差進(jìn)行累加，然后給出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置控制量。使用位置式 PID 數(shù)字控制器會(huì)造成 PID 運(yùn)算的積分積累，引起系統(tǒng)超調(diào)，這在生產(chǎn)過(guò)程中是不允許的。故本系統(tǒng)使用的是增量式 PID 控制算法，因此下面將討論如何建立增量式 PID 控制算法的數(shù)學(xué)模型。 由 不難得到： U K1 KpE K1 +Ki+ Kd[E K1 E K2 ] 將式 與式 相減即可得到增量式算法： 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(duì)偏差增量進(jìn)行處理，然后輸出控制量的增量，即執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置的增量。增量式 PID 數(shù)字控制器不會(huì)出現(xiàn)飽和，而且當(dāng)計(jì)算機(jī)故障時(shí)能保持前一個(gè)采樣時(shí)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。所以，式 已可以用作編程算法使用了。 現(xiàn)場(chǎng)濾池控 制器 由于本設(shè)計(jì)采用的是恒水位設(shè)計(jì)，因此保持濾池水位的大致不變是濾池控制器最主要的任務(wù)之一，大多數(shù)的水廠濾池的液位都是通過(guò)濾池調(diào)節(jié)閥來(lái)控制的，典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的信息來(lái)及時(shí)的進(jìn)行調(diào)整處理，從而實(shí)現(xiàn)濾池水位的大致不變，以來(lái)自液位計(jì)的液位信號(hào)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(gè)典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其模型可以簡(jiǎn)化成下圖： 圖 33 濾池液位控制框圖 但是在水廠濾池中，濾池的水位不用控制的那么精確 不變，只要穩(wěn)定在一個(gè)大致的范圍就好了，如果用以上的控制方法，不僅加大了設(shè)備的成本，而且安裝起來(lái)特別繁瑣，所以實(shí)際應(yīng)用中，只要用開關(guān)閥來(lái)代替調(diào)節(jié)閥就可以了，開關(guān)閥的液位控制仍然適用閉環(huán)反饋的基本原理，但具體情況與調(diào)節(jié)閥的有很大的不同。開關(guān)閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)有兩個(gè)開關(guān)量，開閥和關(guān)閥，只要持續(xù)為 ON，閥門就會(huì)持續(xù)動(dòng)作，直到全開或全關(guān)，不會(huì)始終保持在一個(gè)位置上；而調(diào)節(jié)閥是由一個(gè)模擬量的開度信號(hào)驅(qū)動(dòng)的，閥門隨著該信號(hào)的變化而動(dòng)作，若信號(hào)不變，閥門位置不變。所以，可以對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制的 PID 計(jì)算結(jié)果，對(duì)開關(guān)閥無(wú)效。通過(guò) PLC計(jì)算得出閥門位置的機(jī)制也就不再適用，需要重新設(shè)計(jì)。 根據(jù)實(shí)際情況和普遍的應(yīng)用，采用雙液位控制是最簡(jiǎn)單的，所謂雙液位控制就是當(dāng)濾池液位高于設(shè)定時(shí)，閥門打開，液位低于設(shè)定時(shí)，閥門關(guān)閉。雙液位控制方法簡(jiǎn)單以實(shí)現(xiàn)，但是其也存在著許多缺點(diǎn)：它的動(dòng)作頻率很頻繁，系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)部件，如閥桿、閥芯和閥座等會(huì)經(jīng)常摩擦，很容易損壞。這一點(diǎn)在實(shí)際工程中非常重要，許多場(chǎng)合都必須刻意避免閥門頻繁動(dòng)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(gè)極端的比例系數(shù)很大的比例控制，對(duì)任何一個(gè)偏差，不論大小，都會(huì)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(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響，當(dāng)比例系數(shù)增大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生如下變化： 1 振蕩傾向加強(qiáng)，穩(wěn)定程度下降； 2 工作頻率增大，工作周期縮短。 這就是雙位調(diào)節(jié)導(dǎo)致閥門頻繁開關(guān)的原因。如果減小這個(gè)所謂的比例系數(shù)，就可以減小閥門動(dòng)作頻率，并增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。 實(shí)際上開關(guān)閥的開與關(guān)不是瞬時(shí)完成的，而是有一個(gè)動(dòng)作時(shí)間。如果對(duì)這個(gè)動(dòng)作時(shí)間做出限制，就可以對(duì)閥門開度進(jìn)行控制。這首先要求電氣執(zhí)行機(jī)構(gòu)的改變。一般的開關(guān)閥，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由連鎖的，只要?jiǎng)幼餍盘?hào)一給出，不管是否保持，閥門都要持續(xù)動(dòng)作到底 關(guān)死或開足 ，不會(huì)中途停止。也就 是說(shuō)，閥門每次的動(dòng)作時(shí)間都是相同的，不可更改。所以，要控制動(dòng)作時(shí)間，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中就不能有連鎖。這樣一來(lái)， PLC 就可以通過(guò)控制動(dòng)作信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，控制閥門的動(dòng)作時(shí)間了。 然而，僅僅縮短一次性動(dòng)作時(shí)間仍然不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。液位的滯后性較強(qiáng)，PLC 在檢測(cè)到其改變 由低于設(shè)定變?yōu)楦哂谠O(shè)定，或反之 前，會(huì)不斷發(fā)出閥門動(dòng)作信號(hào)，直至動(dòng)作到底。情況跟先前并沒(méi)什么不同，只是由一次動(dòng)作變?yōu)槎啻蝿?dòng)作了，頻繁性沒(méi)有得到根本的改變。單純的比例控制在對(duì)付滯后系統(tǒng)時(shí)確實(shí)很困難。參考常被應(yīng)用在較強(qiáng)的滯后系統(tǒng)中的采樣 PID，它通過(guò)延長(zhǎng)反饋 信號(hào)的采樣周期，延緩 PID 輸出的更新頻率，以適應(yīng)系統(tǒng)的滯后性。采樣周期和動(dòng)作時(shí)間的結(jié)合，極大的降低了閥門的動(dòng)作頻率，系統(tǒng)也更加穩(wěn)定了。 這樣，對(duì)雙位調(diào)節(jié)增加兩個(gè)時(shí)間控制，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)閥對(duì)液位的調(diào)節(jié)。具體兩個(gè)時(shí)間如何確定，可以先估算，再具體調(diào)試。首先估算濾速，平均的濾速 V 可通過(guò)下式求得： V 假設(shè)以日產(chǎn) 202000 噸為例計(jì)算： 假設(shè)這個(gè)速度是在閥門 90%開啟度的時(shí)候達(dá)到的，那么閥門每改變百分之一的開度，對(duì)