【文章內(nèi)容簡介】 鼓風(fēng)機(jī)，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(jìn)水閥接受待濾水。當(dāng)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(fù)責(zé)和各現(xiàn)場的 PLC 通信，收集反沖洗水泵、鼓風(fēng)機(jī)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(jì) 濾池自控方案及總體結(jié)構(gòu)的實(shí)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(jìn)性，穩(wěn)定性，可靠性和連續(xù)不停運(yùn)行的特點(diǎn)，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(yùn)行。(2)給每個濾池的 PLC 編制運(yùn)行程序，以保證每個濾池按生產(chǎn)工藝的要求自動運(yùn)行。(3)整個濾池控制系統(tǒng)配一臺主控 PLC，負(fù)責(zé)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 計(jì)6損失的大小自動和穩(wěn)定的進(jìn)行。(4)每個濾池的反沖洗，均可在 2 種狀態(tài)下進(jìn)行：①自動反沖洗：② 半自動反沖洗。其中，半自動反沖洗為強(qiáng)制反沖洗，即用戶可以在任何時候進(jìn)行反沖洗。(5)各濾格的 PLC 運(yùn)行均由一臺主控 PLC 控制。主 PLC 和各分 PLC 既聯(lián)系又獨(dú)立，在正常運(yùn)行時，它們各司其職，統(tǒng)一運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(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)測濾池的運(yùn)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(shí)時顯示，包括各濾池的水位，濾池運(yùn)行時間，濾池目前的運(yùn)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(shí)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(jì)。⑩濾池的自動，半自動選擇。 計(jì)7(7)采用 Rockwell AB 公司的 PLC 系列產(chǎn)品，以保證濾池運(yùn)行的穩(wěn)定和可靠。濾池自控系統(tǒng)構(gòu)成一個獨(dú)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(jī)組成，主控 PLC 負(fù)責(zé)和現(xiàn)場 PLC 的通信和氣水反沖洗的協(xié)調(diào)控制，上位機(jī)用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話；每個現(xiàn)場 PLC 負(fù)責(zé)管理每個濾池的恒水位運(yùn)行和自動反沖洗。整個濾池的運(yùn)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(jī)遠(yuǎn)程控制。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙? 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?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，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(shí)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(jìn)行運(yùn)算，其運(yùn)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(xué)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 計(jì)8的變種，有較強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(yùn)行 PID 控制指令，就能求得輸出控制值，而廠家一般只提供標(biāo)準(zhǔn) 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(jì)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(diǎn)：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(qiáng)弱取決于比例系數(shù) Kp。缺點(diǎn)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 計(jì)9存在靜差。加大 Kp 可減少靜差，但 Kp 過大，會導(dǎo)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(diǎn)：能對誤差進(jìn)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(qiáng)會使被控對象的動態(tài)品質(zhì)變壞，以至于導(dǎo)致閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。(3)微分控制作用的特點(diǎn)：通過對誤差進(jìn)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(diǎn)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(dāng)?shù)卣{(diào)整 PID 參數(shù)，可以獲得比較滿意的控制效果。因?yàn)槠渌惴ê唵?，參?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) 通過組合構(gòu)成控制量對被控對象進(jìn)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 計(jì)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(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?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(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(jì)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(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)字控制器不會出現(xiàn)飽和，而且當(dāng)計(jì)算機(jī)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(dá)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(jì)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(shí)現(xiàn)PID 功能。液位控制時，把液位計(jì)測定值與設(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，由其完成閥門的動作。這種控制實(shí)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 計(jì)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(jìn)行控制的 PID 計(jì)算結(jié)果，對開關(guān)閥無效。通過 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)。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(shí)現(xiàn)，但缺點(diǎn)也非常突出:它的動作非常頻繁。系統(tǒng)中的運(yùn)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(diǎn)在實(shí)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(dāng)比例系數(shù)增大時，會產(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(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。下面談?wù)勅绾螌?shí)現(xiàn)。實(shí)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(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(jī)構(gòu)中就不能有連鎖。這樣一來，PLC 就 計(jì)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。液位的滯后性較強(qiáng)，PLC 在檢測到其改變(由低于設(shè)定變?yōu)楦哂谠O(shè)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)槎啻蝿幼髁耍l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(tǒng)時確實(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，它通過延長反饋信號的采樣周期，延緩 PID 輸出的更新頻率，以適應(yīng)系統(tǒng)的滯后性。采樣周期和動作時間的結(jié)合，極大的降低了閥門的動作頻率，系統(tǒng)也更加穩(wěn)定了。這樣，對雙位調(diào)節(jié)增加兩個時間控制，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)閥對液位的調(diào)節(jié)。具體兩個時間如何確定，可以先估算，再具體調(diào)試。首先估算濾速，平均的濾速 V 可通過下式求得：V= 濾 格 面 積生 產(chǎn) 時 間 （ 秒 ）濾 池 個 數(shù) 生 產(chǎn) 量 ??以日產(chǎn)量為 144000 噸為例：V= =（米/秒）3624081假設(shè)這個速度是在閥門 90%開啟度的時候達(dá)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(shí)上不