水厂滤池恒水位过滤PLC自动化控制系统的优化

汕头市自来水总公司
刘 峰

　　一、引言

　　月浦水厂一期第一阶段供水规模日产水量20万m³，该工程的滤池恒水位过滤自动 化控制就是采用PID闭环调节控制，控制的参数是以10万m³的日生产水量设定的，水位波动在2cm以内。现在产水量接近20万m³，需要解决的问题：1、取水流量变化大时，造成滤池水位超限报警；2、流量大时清水阀门动作幅度过大，及动作次数过频；3、清水阀阀板有时出现微小幅度开关的“颤抖”现象；4、某些滤格过滤过程出现阀门突然全关后又几乎全开现象。为适应供水量的变化，有必要对滤池PLC自动化控制系统进行优化。

　　二、控制原理

　　滤池水位的变化是受进水量的变化、过滤周期、待滤水浊度等因素影响的。由于滤池恒水位的过滤要求是保证待滤水流量与滤后水流量基本恒定，因此转化为各个滤格的水位保持恒定。用PID闭环控制可以根据水位的变化实时控制清水阀的开度,把所有影响水量变化的条件转化为对滤格水位的控制。
　　每个滤格的水位和清水阀开度信号直接送到可编程序控制器，经过PID运算后把清水阀开度送给可调节清水阀。月浦水厂的恒 水位位置现控制在3.5m，报警水位为3.75m，清水阀开度为0～100％，分为100个开度，0度为全关状态，100度为全开状态。可编程序控制器为Rockwell AB公司的SLC502，AB的SLC通过逻辑梯形图的PID指令编程实现清水阀的逻辑控制。
　　滤格水位的控制是一个典型的PID闭环控制系统，控制过程是：具有参数可调的PID方程根据设定值和过程变量输入之间的误差，经运算后把输出信号传送给输出附加处理程序，再输出给控制阀，对整个过程进行控制。即实际水位比设定水位的值大得越多， 输出的开度就越大。开度增大的数值是由一定累积时间内水位上升的速度及实际水位和设定水位的差檀共同决定的。反映为进水流速越快，清水出水阀开度越大，反之亦然。PID方程计算的目标是把受控的过程变量保持在设定值，附加值可作为补偿添加到输出控制中。输出附加处理程序是把PID方程的运算输出按一定的规律输出给清水阀。其控制方框图如图1。

　　具有相关增益的PID标准方程如下：

　　

　　Kc：比例增益Kc(无量纲)
　　Ti:复位项l／Ti(1／min)
　　Td：比率项Td(min)
　　E:设定值和过程变量之间的偏差
　　PV：过程变量，此系统即为水位输入值
　　Bias：输出补偿或前馈

　　上式各个参数可看为：Kc是比例增益Kc／Ti是积分增益，Kc×Td是微分增益。比例增益是每次输出的幅度比例，如控制效果偏慢，可适当增大此值；积分增益是积分项在输出中的比例，积分项是设定过程变量之间的偏差的原函数在一定的积分区间[O，t]内 的增值，反映控制的灵敏度，如果控制系统反应迟钝，可微调增大积分增益。微分增益是微分项在输出中的比例，微分项反映出函数相对于自变量变化的快慢程度，即反映水位变化的速率，如果控制系统反应速度慢，可增大微分增益。由于对特定的控制系统，建立数学模型比较困难，所以对上述参数不能够定量的推算，只能定性的分析，并在一定经验值的基础上，再在现场运行中不断调试，找出最优控制效果的最佳参数结合点。

　　三、控制系统PID参数的优化

　　因滤池控制参数在原设定值控制下，取水流量变化大时，由于控制系统反应迟钝，造成滤格水位超限报警。在取水流量大时，由于控制系统反应较慢，在控制系统响应时，这时水位已偏高(或偏低)，PID运算出来的开度就偏大(或偏小)，造成清水阀门运作幅度过大。所以要解决上述问题的关键是修改控制参数，使系统响应速度比原来快一点。
　　打开PID指令的主要参数的设定界面，其中Kc、Ti、Td是PID标准方程的三个主要参数。现在需要加快系统响应速度，根据上述的控制原理，即是增大Kc、Ti，减少Ti，通过微调这三个值，可达到目的。另外因滤池水位要求控制的精度不高，一般波动在3—5cm 以内就可以了，实际上在满足控制水位的要求下更重要的是尽量减少清水阀的动作次数，这对清水调节阀的使用寿命大大有利，所以调节这四个参数不是一味加快系统响应速度，而是应兼顾清水阀的动作次数，这需要在系统实际调试中，不断观察PID的处理效果，找到最佳的结合点。
　　其中设定死区是允许用户在设定值的上下选择一个偏差范围，只要偏差保持在此范围内，输出就不再改变。这样，不改变输出，便用死区来控制实际水位和设定水位之间相匹配的紧密程度。(图2)：

　　综上所述，对于取水流量大时，控制系统反应较慢，主要偏重于微调增大Kc、Td，减少Ti；对于流量变化大时，控制系统反应迟钝，偏重于把死区调小。本人对这几个参数进 行反复修改调试，找到了最佳结合点。经过一段时间的运行，结果证明效果不错，并且在小流量时，控制效果也与原来基本一致。

　　四、控制系统程序的优化

　　 PID、运算输出不是直接输出给清水阀，而是经过控制输出附加处理程序。这里面有二个处理，一是把PID运算输出第3min输出一次给清水阀；二是PID运算出的开度与 实际开度相差在一个开度以上才输出给清水阀，否则不与理睬。因为过小的开度调节清水阀实际上会造成阀门开度不到位而阀内电磁阀频繁动作的现象。以上的处理已经在原设定参数的基础上大幅减少清水阀的动作次数，在优化了上述PID参数的基础上，再作下面修改，在解决了上述问题的同时进一步减少清水阀的动作次数。
　　针对取水流量变化大时，滤水池水位超限的问题把附加处理程序改为水位变化在土5cm以内，把PID运算输出每3min输出一 次给清水阀，水位变化在±5cm以外，每5s输出一次，结果滤池水位不再超限报警。而把PID运算出的开度与实际开度改为相差三个开度以上才输出给清水阀，结果不但解决清水阀阀板的“颤抖”现象，而且又进一步减少了清水阀的动作次数。

　　五、控制系统信号的优化

　　控制系统输入信号是系统的“眼睛”，“眼睛”受骗，系统就要出问题。对于要解决某些滤格过滤过程出现阀门突然全关后又几乎全开的问题，粗看是控制程序PID参数设置问题，但经过分析检查，是由于水位信号干扰造成的。水位信号有时从3.5m向下跳变到2m多，PID控制系统以滤格水位2m多的水位计算出的开度很小，就把阀门关得很小，其实实际水位还有3.5m左右。本人通过改善接地、加固接线消除干扰，优化超声波水位计的参数设置(如多次回波的响应问题)，杜绝了上述现象。

　　六、结论

　　经过上述系统优化，不但解决前面的控制问题，而且减少清水阀的动作次数。经统计，清水阀的动作次数基本上一天少于200次，比其它水厂一天2800～4000次少得多，滤格水位波动在上下2cm以内，与其它水厂基本一致，结果说明上述方法是可行的。