汕頭市自來水總公司
劉 峰

　　一、引言

　　月浦水廠一期第一階段供水規模日產水量20萬m³，該工程的濾池恒水位過濾自動 化控制就是采用PID閉環調節控制，控制的參數是以10萬m³的日生產水量設定的，水位波動在2cm以內?，F在產水量接近20萬m³，需要解決的問題：1、取水流量變化大時，造成濾池水位超限報警；2、流量大時清水閥門動作幅度過大，及動作次數過頻；3、清水閥閥板有時出現微小幅度開關的“顫抖”現象；4、某些濾格過濾過程出現閥門突然全關后又幾乎全開現象。為適應供水量的變化，有必要對濾池PLC自動化控制系統進行優化。

　　二、控制原理

　　濾池水位的變化是受進水量的變化、過濾周期、待濾水濁度等因素影響的。由于濾池恒水位的過濾要求是保證待濾水流量與濾后水流量基本恒定，因此轉化為各個濾格的水位保持恒定。用PID閉環控制可以根據水位的變化實時控制清水閥的開度,把所有影響水量變化的條件轉化為對濾格水位的控制。
　　每個濾格的水位和清水閥開度信號直接送到可編程序控制器，經過PID運算后把清水閥開度送給可調節清水閥。月浦水廠的恒 水位位置現控制在3.5m，報警水位為3.75m，清水閥開度為0～100％，分為100個開度，0度為全關狀態，100度為全開狀態?？删幊绦蚩刂破鳛镽ockwell AB公司的SLC502，AB的SLC通過邏輯梯形圖的PID指令編程實現清水閥的邏輯控制。
　　濾格水位的控制是一個典型的PID閉環控制系統，控制過程是：具有參數可調的PID方程根據設定值和過程變量輸入之間的誤差，經運算后把輸出信號傳送給輸出附加處理程序，再輸出給控制閥，對整個過程進行控制。即實際水位比設定水位的值大得越多， 輸出的開度就越大。開度增大的數值是由一定累積時間內水位上升的速度及實際水位和設定水位的差檀共同決定的。反映為進水流速越快，清水出水閥開度越大，反之亦然。PID方程計算的目標是把受控的過程變量保持在設定值，附加值可作為補償添加到輸出控制中。輸出附加處理程序是把PID方程的運算輸出按一定的規律輸出給清水閥。其控制方框圖如圖1。

　　具有相關增益的PID標準方程如下：

　　

　　Kc：比例增益Kc(無量綱)
　　Ti:復位項l／Ti(1／min)
　　Td：比率項Td(min)
　　E:設定值和過程變量之間的偏差
　　PV：過程變量，此系統即為水位輸入值
　　Bias：輸出補償或前饋

　　上式各個參數可看為：Kc是比例增益Kc／Ti是積分增益，Kc×Td是微分增益。比例增益是每次輸出的幅度比例，如控制效果偏慢，可適當增大此值；積分增益是積分項在輸出中的比例，積分項是設定過程變量之間的偏差的原函數在一定的積分區間[O，t]內 的增值，反映控制的靈敏度，如果控制系統反應遲鈍，可微調增大積分增益。微分增益是微分項在輸出中的比例，微分項反映出函數相對于自變量變化的快慢程度，即反映水位變化的速率，如果控制系統反應速度慢，可增大微分增益。由于對特定的控制系統，建立數學模型比較困難，所以對上述參數不能夠定量的推算，只能定性的分析，并在一定經驗值的基礎上，再在現場運行中不斷調試，找出最優控制效果的最佳參數結合點。

　　三、控制系統PID參數的優化

　　因濾池控制參數在原設定值控制下，取水流量變化大時，由于控制系統反應遲鈍，造成濾格水位超限報警。在取水流量大時，由于控制系統反應較慢，在控制系統響應時，這時水位已偏高(或偏低)，PID運算出來的開度就偏大(或偏小)，造成清水閥門運作幅度過大。所以要解決上述問題的關鍵是修改控制參數，使系統響應速度比原來快一點。
　　打開PID指令的主要參數的設定界面，其中Kc、Ti、Td是PID標準方程的三個主要參數?，F在需要加快系統響應速度，根據上述的控制原理，即是增大Kc、Ti，減少Ti，通過微調這三個值，可達到目的。另外因濾池水位要求控制的精度不高，一般波動在3—5cm 以內就可以了，實際上在滿足控制水位的要求下更重要的是盡量減少清水閥的動作次數，這對清水調節閥的使用壽命大大有利，所以調節這四個參數不是一味加快系統響應速度，而是應兼顧清水閥的動作次數，這需要在系統實際調試中，不斷觀察PID的處理效果，找到最佳的結合點。
　　其中設定死區是允許用戶在設定值的上下選擇一個偏差范圍，只要偏差保持在此范圍內，輸出就不再改變。這樣，不改變輸出，便用死區來控制實際水位和設定水位之間相匹配的緊密程度。(圖2)：

　　綜上所述，對于取水流量大時，控制系統反應較慢，主要偏重于微調增大Kc、Td，減少Ti；對于流量變化大時，控制系統反應遲鈍，偏重于把死區調小。本人對這幾個參數進 行反復修改調試，找到了最佳結合點。經過一段時間的運行，結果證明效果不錯，并且在小流量時，控制效果也與原來基本一致。

　　四、控制系統程序的優化

　　 PID、運算輸出不是直接輸出給清水閥，而是經過控制輸出附加處理程序。這里面有二個處理，一是把PID運算輸出第3min輸出一次給清水閥；二是PID運算出的開度與 實際開度相差在一個開度以上才輸出給清水閥，否則不與理睬。因為過小的開度調節清水閥實際上會造成閥門開度不到位而閥內電磁閥頻繁動作的現象。以上的處理已經在原設定參數的基礎上大幅減少清水閥的動作次數，在優化了上述PID參數的基礎上，再作下面修改，在解決了上述問題的同時進一步減少清水閥的動作次數。
　　針對取水流量變化大時，濾水池水位超限的問題把附加處理程序改為水位變化在土5cm以內，把PID運算輸出每3min輸出一 次給清水閥，水位變化在±5cm以外，每5s輸出一次，結果濾池水位不再超限報警。而把PID運算出的開度與實際開度改為相差三個開度以上才輸出給清水閥，結果不但解決清水閥閥板的“顫抖”現象，而且又進一步減少了清水閥的動作次數。

　　五、控制系統信號的優化

　　控制系統輸入信號是系統的“眼睛”，“眼睛”受騙，系統就要出問題。對于要解決某些濾格過濾過程出現閥門突然全關后又幾乎全開的問題，粗看是控制程序PID參數設置問題，但經過分析檢查，是由于水位信號干擾造成的。水位信號有時從3.5m向下跳變到2m多，PID控制系統以濾格水位2m多的水位計算出的開度很小，就把閥門關得很小，其實實際水位還有3.5m左右。本人通過改善接地、加固接線消除干擾，優化超聲波水位計的參數設置(如多次回波的響應問題)，杜絕了上述現象。

　　六、結論

　　經過上述系統優化，不但解決前面的控制問題，而且減少清水閥的動作次數。經統計，清水閥的動作次數基本上一天少于200次，比其它水廠一天2800～4000次少得多，濾格水位波動在上下2cm以內，與其它水廠基本一致，結果說明上述方法是可行的。