【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 制作用可加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)減小。缺點(diǎn)是對(duì)干擾同樣敏感，使系統(tǒng)對(duì)干擾的抑 制能力降低。根據(jù)被控對(duì)象的不同，適當(dāng)?shù)卣{(diào)整 PID 參數(shù)，可以獲得比較滿(mǎn)意的控制效果。因?yàn)槠渌惴ê?jiǎn)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(dāng)前最為普遍采用的控制算法。 PID 控制器是一種線(xiàn)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(chēng) PID控制器，其控制規(guī)律為： U t Kp[ E t + + ] 上式中 :Kp 是控制器比例系數(shù) 是控制器積分時(shí)間常數(shù) 是控制器微分時(shí)間常數(shù) E 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(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 U t U KT E t E KT T 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 ] 式中： T 為采樣周期 ,Kp 為比例增益系數(shù)， Ki KpT/稱(chēng)為積分系數(shù)， Kd 二 Kp/T 稱(chēng)為微分常數(shù)。U K 是 U KT 的簡(jiǎn)寫(xiě)， E K 是 E KT 的簡(jiǎn)寫(xiě)。 位置式算法對(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。 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 [7]。 至此，式 已可以用作編程算法使用了。 現(xiàn)場(chǎng)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(gè)范圍內(nèi)，達(dá)到維持相對(duì)穩(wěn)定的濾速的目的。一般的液位控制是由調(diào)節(jié)閥來(lái)完成的。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)，如圖 所示。一般 PLC都可以實(shí)現(xiàn) PID 功能。液位控制時(shí)，把液位計(jì)測(cè)定值與設(shè)定值比較，使用比例或比例積分環(huán)節(jié)進(jìn)行計(jì)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(mén)的動(dòng)作。這種控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，效果很好，可以十分精確的控制液位。 圖 濾池液位控制框圖 但是在凈水廠濾池中，對(duì)液 位的精度要求不高，無(wú)需將液位穩(wěn)定在一指定高度，只要保持在一個(gè)較寬松的范圍內(nèi)即可。此時(shí)，可以用開(kāi)關(guān)閥替代調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)液位，降低投資成本。開(kāi)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)閥的有很大不同。開(kāi)關(guān)閥的驅(qū)動(dòng)信號(hào)有兩個(gè)，一個(gè)開(kāi)閥，一個(gè)關(guān)閥，兩者都是開(kāi)關(guān)量，只要持續(xù)為 ON，閥門(mén)就會(huì)持續(xù)動(dòng)作，直到全開(kāi)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(kāi)度信號(hào)驅(qū)動(dòng)的，閥門(mén)隨著該信號(hào)的變化而動(dòng)作，若信號(hào)不變，閥門(mén)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(kāi)關(guān)閥無(wú)效。通過(guò) PLC計(jì)算 得出閥門(mén)位置的機(jī)制也就不再適用，需要重新設(shè)計(jì)。 最簡(jiǎn)單的辦法是采用雙位調(diào)節(jié)，即液位高于設(shè)定時(shí)，打開(kāi)閥門(mén)，低于設(shè)定時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)。此方法非常容易實(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)也非常突出 :它的動(dòng)作非常頻繁。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(mén)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(mǎn)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 工作頻率提高，工作周期縮短。 這就是雙位調(diào)節(jié)導(dǎo)致閥門(mén)頻繁開(kāi)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(mén)動(dòng)作頻率，并增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。 下面談?wù)勅绾螌?shí)現(xiàn)。實(shí)際上開(kāi)關(guān)閥的開(kāi)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(mén)開(kāi)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(kāi)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(mén)都要持續(xù)動(dòng)作到底 關(guān)死或開(kāi)足 ，不會(huì)中途停止。也就是說(shuō)，閥門(mén)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(mén)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(mén)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(mén)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(kāi)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 以日產(chǎn)量為 144000 噸為例： V （米 /秒） 假設(shè)這個(gè)速度是在閥門(mén) 90%開(kāi)啟度的時(shí)候達(dá)到的，那么閥門(mén)每改變百分之一的開(kāi)度，對(duì)濾速的影響為 厘米 /秒。由于事實(shí)上不斷地有水流入濾池，實(shí)際的液位下降速度要比 厘米 /秒慢很多，所以采樣的間隔可以 設(shè)的比較長(zhǎng)，達(dá)到十幾秒鐘。閥門(mén)的動(dòng)作時(shí)間也不必很長(zhǎng)，有整個(gè)開(kāi)啟 或關(guān)閉 時(shí)間的 5%即可。在本例中，最終的取值是這樣的 :采樣間隔 15秒，一次動(dòng)作時(shí)間 1 秒 由全開(kāi)至全關(guān)的動(dòng)作時(shí)間為 18 秒 。 至此，液位控制己經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，但仍然可以進(jìn)一步優(yōu)化該控制，繼續(xù)減低閥門(mén)的動(dòng)作頻率。當(dāng)液位變化的趨勢(shì) 上升或下降 與控制預(yù)期相同時(shí)，閥門(mén)的動(dòng)作是非必要的，可以免除，當(dāng)趨勢(shì)與預(yù)期不同時(shí)，才需要閥門(mén)動(dòng)作進(jìn)行調(diào)節(jié)。所以，如果能夠判斷液位的變化趨勢(shì)，就可以進(jìn)一步減少閥門(mén)動(dòng)作。具體實(shí)現(xiàn)是一次采樣后，將該值備份，使其不會(huì)在下次采樣時(shí)被更新 。這樣就可以對(duì)連續(xù)兩次采樣的值作一個(gè)比較，判斷液位的升降。之后再結(jié)合液位情況，確定閥門(mén)是否動(dòng)作。比如：液位高于設(shè)定值，而正處于下降狀態(tài)，則閥門(mén)不動(dòng)作。相應(yīng)的，液位低于設(shè)定而正在上升，閥門(mén)也不動(dòng)作。 圖 出水閥的液位控制流程 現(xiàn)場(chǎng)控制器與反沖洗控制器的協(xié)調(diào) 先從反沖洗的一般過(guò)程說(shuō)起。在一般濾池系統(tǒng)的五個(gè)閥門(mén)中，進(jìn)水閥、出水閥在過(guò)濾時(shí)應(yīng)打開(kāi)，而反沖氣閥、反沖水閥和排污閥則應(yīng)關(guān)閉。在反沖洗時(shí)，進(jìn)水、出水閥關(guān)閉，氣沖、水沖、排污閥打開(kāi)。所以，反沖洗過(guò)程會(huì)伴隨著一系列的開(kāi)閥關(guān)閥動(dòng)作。具體過(guò)程是這樣的 :得到信號(hào)開(kāi)始反沖洗后，首先關(guān)閉進(jìn)水閥，并將清水閥開(kāi)至最大，液位加速下降，濾池即將真正退出過(guò)濾。液位降至設(shè)定的反沖洗水位時(shí)，關(guān)閉出水閥，打開(kāi)排污閥，待排污閥信號(hào)到位后準(zhǔn)備開(kāi)始反沖洗。反沖洗包括氣沖、水沖。先開(kāi)反沖氣閥、鼓風(fēng)機(jī)，氣沖開(kāi)始。 6 分鐘后，關(guān)閉鼓風(fēng)機(jī)、反沖氣閥。打開(kāi)反沖水閥，開(kāi)啟反沖水泵，水洗 6 分鐘，完成后關(guān)閉反沖水閥，停水泵，關(guān)閉排污閥。最后，打開(kāi)進(jìn)水閥，等液位升到接近恒水位時(shí)，濾池反沖洗正式結(jié)束，打開(kāi)清水閥，系統(tǒng)進(jìn)入正常的過(guò)濾程序。整個(gè)過(guò)程，如圖 所示。 這樣一個(gè)繁瑣的過(guò)程，要由兩套控制器共同完 成，一套 濾池控制器，即現(xiàn)場(chǎng) PLC 控制閥門(mén)，另一套 反沖系統(tǒng)控制器，即主控 PLC 控制鼓風(fēng)機(jī)和水泵，它們之間的協(xié)調(diào)與溝通至關(guān)重要，需要約定一個(gè)可靠的溝通機(jī)制。基本上，這個(gè)機(jī)制就是一系列的標(biāo)識(shí)，用來(lái)向其它控制器表明自己當(dāng)前的狀態(tài)。這些標(biāo)識(shí)作為信號(hào)在通訊網(wǎng)絡(luò)上發(fā)送，以“ O”、“ 1”表示。當(dāng)濾池或反沖系統(tǒng)處于某一狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)標(biāo)識(shí)置“ 1”，向另一控制器發(fā)送，當(dāng)這一狀態(tài)結(jié)束時(shí)，標(biāo)識(shí)清零，再向另一控制器發(fā)送。標(biāo)識(shí)的值隨著狀態(tài)的變化而變化。一般的通訊溝通都要求接收方返回一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，表明正確收到被發(fā)送信號(hào)，以備信號(hào)在傳 送過(guò)程中丟失。但這里無(wú)須考慮此問(wèn)題，因?yàn)檫B接控制器的網(wǎng)絡(luò)自身的通訊協(xié)議己能夠確保信號(hào)傳送的可靠性 [8]。 下面再討論一下標(biāo)識(shí)的設(shè)立。首先，不能有兩個(gè)濾池同時(shí)進(jìn)行反沖洗，一旦有兩個(gè)濾池的氣沖或水沖閥同時(shí)打開(kāi)，沖洗就不能順利進(jìn)行。 圖 調(diào)整前的反沖洗過(guò)程 因此，要建立一個(gè)標(biāo)識(shí)，表明有濾池在反沖洗，其它濾池不能進(jìn)行反沖洗，以阻止濾池控制器控制濾池進(jìn)入反沖洗狀態(tài)。接著，當(dāng)氣沖閥打開(kāi)后，要有一個(gè)標(biāo)識(shí)，傳遞給反沖洗系統(tǒng)主控制器通知它開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)。同樣，還要有一個(gè)標(biāo)識(shí)，通知反沖洗系統(tǒng)主控制器開(kāi)反沖水泵。在鼓風(fēng)機(jī)和水泵停 止后，又分別要有一個(gè)標(biāo)識(shí)，通知濾池控制器關(guān)閉反沖氣閥和反沖水閥。這一系列的標(biāo)識(shí)，就是兩套控制器之間實(shí)現(xiàn)溝通協(xié)調(diào)的方法。然而，若不對(duì)反沖洗的過(guò)程作一些調(diào)整和簡(jiǎn)化，這種方法會(huì)十分復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。原因如下 :上述的標(biāo)識(shí)只是一部分，實(shí)際的工程中還涉及了故障報(bào)警，故障處理等問(wèn)題，需要添加大量標(biāo)識(shí)。這不但提高了工作程復(fù)雜程度，還很難保證遇到突發(fā)故障時(shí)的有效處理，整個(gè)溝通過(guò)程將會(huì)設(shè)計(jì)的很龐大、復(fù)雜。而且當(dāng)系統(tǒng)中不只兩臺(tái)控制器時(shí)，標(biāo)識(shí)個(gè)數(shù)又會(huì)成倍增加，尤其在大系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，如此數(shù)量龐大的標(biāo)識(shí)使溝通的編程實(shí)現(xiàn)十分困難。 要減少 表明濾池或反沖洗系統(tǒng)所處狀態(tài)的標(biāo)識(shí)，須從反沖洗過(guò)程入手，減少需要向其他控制器傳送的中間狀態(tài)。經(jīng)過(guò)與老師和同學(xué)們的討論，可以對(duì)原先的反沖洗過(guò)程作一些修改，以得到一套簡(jiǎn)化許多的通訊方案。原先溝通機(jī)制過(guò)于復(fù)雜的原因在于閥門(mén)控制和反沖洗系統(tǒng)的控制穿插進(jìn)行，兩套控制器各自實(shí)施控制常要以對(duì)方的控制完成為條件。新的方案則可以減少這種條件，使通訊大為簡(jiǎn)化。 調(diào)整后的反沖洗過(guò)程可分為三個(gè)階段 :反沖洗前的開(kāi)、關(guān)閥階段，反沖洗階段，反沖洗后的關(guān)、開(kāi)閥階段。流程示意圖如圖 所示。第一階段由濾池控制器控制，也是先關(guān)閉進(jìn)水閥，開(kāi)足 清水閥，液位降到設(shè)定的反沖洗水位后關(guān)閉出水閥，再打開(kāi)排污閥，反沖水閥和反沖氣閥。與原來(lái)不同的是，此處現(xiàn)場(chǎng) PLC僅僅只涉及到這些閥門(mén)的動(dòng)作，沒(méi)有任何涉及反沖洗系統(tǒng)的控制。所有閥門(mén)到位后，濾格控制器向反沖洗系統(tǒng)控制器傳遞一個(gè)標(biāo)識(shí)，進(jìn)入第二階段。這一階段沒(méi)有任何涉及閥門(mén)的控制，全部是關(guān)于鼓風(fēng)機(jī)、水泵的操作，由反沖洗系統(tǒng)控制器獨(dú)立完成。沖洗完畢，反沖洗系統(tǒng)控制器回給濾池控制器一個(gè)標(biāo)識(shí)，進(jìn)入第三階段。濾池控制器關(guān)閉反沖氣閥、反沖水閥、排污閥，再打開(kāi)進(jìn)水閥，液位接近過(guò)濾恒水位時(shí)，開(kāi)出水閥，進(jìn)入正常的過(guò)濾工序。 圖 調(diào)整后的反沖洗過(guò)程 這個(gè)方案中，兩控制器的控制作用階段分得很清晰，便于控制器集中完成控制任務(wù)，不僅簡(jiǎn)化了協(xié)調(diào)過(guò)程，對(duì)于簡(jiǎn)化突發(fā)故障的處理也很有意義。比如 :在開(kāi)反沖水閥時(shí)遇到故障，原先的處理要發(fā)出報(bào)警，主控 PLC還要阻止水泵的啟動(dòng)，兩套控制器都要參與處理。而新方案中，閥門(mén)沒(méi)有到位，就不會(huì)送出標(biāo)識(shí)，故障的處理僅由濾池控制器單獨(dú)進(jìn)行。 上述的控制器協(xié)調(diào)機(jī)制是只有兩套控制器的最簡(jiǎn)情況，當(dāng)濾池控制器有多個(gè)時(shí)，情況要復(fù)雜一些，但并沒(méi)有太多不同。每個(gè)濾池控制器都可以此機(jī)制與反沖控制器溝通。由于同一時(shí)刻只允許有一個(gè)濾格處 于反沖洗狀態(tài)，其它濾格只能進(jìn)入等待隊(duì)列，所以一次反沖洗只會(huì)有一個(gè)濾格控制器與反沖洗控制器進(jìn)行溝通，換句話(huà)說(shuō)，實(shí)際上的通訊并不會(huì)很復(fù)雜，而是有一定的秩序。由此也可見(jiàn)，在多濾池系統(tǒng)中，正在反沖洗的狀態(tài)標(biāo)識(shí)是最重要的一個(gè)，它類(lèi)似于交通信號(hào)燈中的紅燈，禁止其它濾池與反沖洗系統(tǒng)進(jìn)行非法的通訊，保證通訊協(xié)調(diào)的正常秩序，避免混亂的發(fā)生。 以?xún)膳_(tái)控制器組成的濾池控制系統(tǒng)，在凈水廠濾池自動(dòng)化中有較強(qiáng)的實(shí)際意義，既可以在它的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展成為多控制器濾池系統(tǒng)，適應(yīng)大型水廠的需要，也可以用于老舊中小型水廠的擴(kuò)建、改造。在我國(guó)目前許 多城市規(guī)模擴(kuò)大、人口增加，對(duì)自來(lái)水需求量迅速增長(zhǎng)的情況下，有很大的應(yīng)用前景。 3 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 濾池實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制所需的設(shè)備 自控設(shè)備清單 整個(gè)濾池的自動(dòng)控制所需的硬件設(shè)備，由表 所示。 表 濾池自控硬件設(shè)備清單 濾池設(shè)備中，用一臺(tái) LOGIX 5550 作為主要的控制器，用于和各個(gè)現(xiàn)場(chǎng) PLC的通信，收集反沖洗水泵，鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，協(xié)調(diào)各格濾池的反沖洗。其它的 8 臺(tái) PLC分別用于各格濾池的工作，即每個(gè)濾池分別由一臺(tái) PLC和相應(yīng)的 I/O 模塊組成，保證正常過(guò)濾時(shí)的工作。 PLC 基本知識(shí)及其工作原理 可編程序控制器 Programmable Logic Controller 簡(jiǎn)稱(chēng) PLC。所謂可編程序控制器，就是一種專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，它采用一種可編程序的存儲(chǔ)器，在其內(nèi)部存儲(chǔ)并執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、記數(shù)和算術(shù)操作的指令，通過(guò)數(shù)字量或模擬量的