董劍 羅志虎 黃躍華 楊偉明

摘要：隨著變頻節(jié)能技術(shù)的成熟與發(fā)展，越來(lái)越多的污水泵站采用變頻器來(lái)控制泵站泵機(jī)的日常運(yùn)轉(zhuǎn)，紹興市排水管理有限公司在泵站自控系統(tǒng)建設(shè)中，將變頻調(diào)頻與PID自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，使得泵站集水池保持恒液位運(yùn)行，不僅減少了泵機(jī)的啟停次數(shù)，延長(zhǎng)了泵機(jī)的使用壽命，而且取得了明顯的節(jié)能效果。

關(guān)鍵詞：PLC；PID控制；自控系統(tǒng)；液位

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市化工業(yè)進(jìn)程的不斷增快，城市排水問(wèn)題日益突出：一方面要求將各企業(yè)生產(chǎn)、居民生活產(chǎn)生的廢水安全排放出去而不能污染周邊環(huán)境；另一方面要求在生產(chǎn)過(guò)程中盡量節(jié)約能源，最大限度地控制排水企業(yè)的污水輸送成本。由于各工業(yè)污水及生活污水排放具有不規(guī)律性，泵站瞬時(shí)流量變化較大，從而導(dǎo)致各污水泵站出現(xiàn)泵機(jī)啟、停頻繁等不合理控制工況，造成生產(chǎn)效率低下、生產(chǎn)電耗偏高等問(wèn)題。傳統(tǒng)的控制方法已不再適應(yīng)污水泵站日常的運(yùn)行需求。

隨著變頻調(diào)速技術(shù)的成熟與發(fā)展，近年來(lái)，變頻器已在國(guó)內(nèi)工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前低壓電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速產(chǎn)品應(yīng)用已非常成熟和普及。變頻技術(shù)就是通過(guò)改變交流電頻率的方式實(shí)現(xiàn)交流電控制的技術(shù)，其核心元件是變頻器。紹興市排水管理有限公司自1997開(kāi)始對(duì)泵機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)施變頻改造，取得明顯的節(jié)能效果，并逐步在各排水泵站進(jìn)行了推廣應(yīng)用。泵機(jī)安裝變頻器控制后，由于污水泵站時(shí)流量變化較大，值班員需時(shí)常對(duì)泵機(jī)控制頻率進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)、這使得值班員的日常操作工作量大增。

為進(jìn)一步提高排水系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、經(jīng)濟(jì)性，排水公司按照“統(tǒng)一規(guī)劃、分批建設(shè)、逐步實(shí)施”的原則組建了具有“集中管理、分散控制”現(xiàn)代控制和管理理念的排水泵站廣域網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)度管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)建成后，排水泵站的泵機(jī)控制模式從原先的人工手動(dòng)工、變頻控制轉(zhuǎn)變?yōu)镻LC自動(dòng)工、變頻控制。針對(duì)泵機(jī)變頻控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)泵站集水池液位的數(shù)據(jù)采集、對(duì)比，將變頻調(diào)頻與PLC的PID控制相結(jié)合，使得泵站集水池保持恒液位運(yùn)行。

2 PID控制技術(shù)的原理及算法

2.1 PID控制技術(shù)原理

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，常常需要用閉環(huán)控制方式來(lái)控制溫度、壓力、流量、液位和速度等連續(xù)變化的模擬量。目前工業(yè)自動(dòng)化水平已成為衡量各行各業(yè)現(xiàn)代化水平的一個(gè)重要標(biāo)志。PID控制器問(wèn)世至今已有近70年歷史，它以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為工業(yè)控制的主要技術(shù)之一。PID控制器就是根據(jù)系統(tǒng)的誤差，利用比例、積分、微分計(jì)算出控制量進(jìn)行控制的。其積分控制可以消除系統(tǒng)的靜差，提高系統(tǒng)控制精度和抗外界干擾能力；微分控制改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，用于克服系統(tǒng)的慣性滯后，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；比例、積分、微分控制結(jié)合具有較強(qiáng)的靈活性和適應(yīng)性。

典型的基于數(shù)字PID的閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖1所示：

系統(tǒng)采樣后，將液位實(shí)際值與設(shè)定液位值進(jìn)行比較，得出偏差值ΔL(t)。當(dāng)ΔL(t)＞0時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸入頻率增大，直至最大頻率，使得液位呈下降趨勢(shì)，向設(shè)定液位靠攏，最終保持恒水位運(yùn)行。當(dāng)ΔL(t)＜0時(shí)，，電動(dòng)機(jī)的輸入頻率減小，直至最小頻率，使液位呈上升趨勢(shì)，最終達(dá)到恒水位。

2.2 PID算法

PLC的PID控制器的設(shè)計(jì)是以連續(xù)系統(tǒng)的PID控制規(guī)律為基礎(chǔ)，將其數(shù)字化寫(xiě)成離散形式的PID控制方程，再根據(jù)離散方程進(jìn)行控制程序設(shè)計(jì)。在連續(xù)系統(tǒng)中，典型的PID控制器的輸入輸出關(guān)系如下：

(1)

式中:L(t)為控制器的輸出量，M0為輸出的初始值；e(t)為給定值與被控變量的誤差信號(hào)；Kp為比例系數(shù)；Ti積分時(shí)間常數(shù)；Td微分時(shí)間常數(shù)。

假設(shè)采樣周期為T(mén) ,系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)刻為t = 0 ,將(1)式離散化后得到第k次采樣時(shí)控制器的輸出為:

(2)

其中： Ki=KpT/Ti為積分系數(shù)， Kd=KpTd/T為微分系數(shù)，k為采樣序號(hào)，k=1,2,3……，e( k) 和e( k - 1) 分別為第k時(shí)刻和第( k - 1) 時(shí)刻所得的偏差信號(hào)。

3 PID控制器PLC的實(shí)現(xiàn)方法

3.1 泵機(jī)全自動(dòng)控制流程

以一臺(tái)泵機(jī)，在全自動(dòng)控制方式下來(lái)講述泵機(jī)的控制流程：

工作過(guò)程：當(dāng)水位高于啟泵液位時(shí)，PLC控制一臺(tái)泵運(yùn)行，泵機(jī)運(yùn)行后PID控制器開(kāi)始開(kāi)工作，通過(guò)對(duì)實(shí)際液位值和設(shè)定液位值的對(duì)比來(lái)控制泵站運(yùn)行頻率，如實(shí)際液位值大于設(shè)定液位值時(shí)，增大泵機(jī)運(yùn)行頻率，如實(shí)際液位值小于設(shè)定液位值時(shí)，減少泵機(jī)運(yùn)行頻率，通過(guò)頻率的上下調(diào)節(jié)，最后使得實(shí)際液位達(dá)到設(shè)定液位，保持恒液位運(yùn)行。如進(jìn)水流量發(fā)生了變化，實(shí)際液位有所升高，PID控制器再次對(duì)泵機(jī)運(yùn)行頻率進(jìn)行調(diào)整，最終達(dá)到恒液位控制。

3.2 PID的程序?qū)崿F(xiàn)

我公司采用的PLC主要為GE的90-30系統(tǒng)PLC模塊，其PLC控制開(kāi)泵程序如圖3所示：

1、確定開(kāi)泵臺(tái)數(shù)

通過(guò)將實(shí)際運(yùn)行液位與開(kāi)一臺(tái)泵設(shè)定液位、開(kāi)二臺(tái)泵設(shè)定液位進(jìn)行比較，確定開(kāi)泵臺(tái)數(shù)。

2、開(kāi)泵和關(guān)泵：

通過(guò)對(duì)泵機(jī)工作狀態(tài)及故障情況的判別，開(kāi)、停泵機(jī)，其控制程序如下所示：

3、泵站頻率的PID控制

注：上圖中SP為設(shè)定液位值，PV為實(shí)際液位值，CV為輸出頻率，MAN為手/自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)量，UP、DN為手動(dòng)模式下，調(diào)大或調(diào)小輸出CV值。

3.3 PID參數(shù)調(diào)整

由于污水泵站時(shí)流量變化較大，因此PID控制器的參數(shù)整定是自控系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的核心內(nèi)容。PID控制器參數(shù)整定的方法主要有兩大類(lèi)：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修正。二是工程整定方法，它主要依賴(lài)工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線(xiàn)法和衰減法。我們采用了臨界比例法來(lái)整定PID控制器的運(yùn)行參數(shù)，其整定步驟如下：(1)首先預(yù)選擇一個(gè)足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；(2)僅加入比例控制環(huán)節(jié)，直到系統(tǒng)對(duì)輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記下這時(shí)的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過(guò)公式計(jì)算得到PID控制器的參數(shù)。 通過(guò)上述步驟，我們得到了P、D、I三個(gè)參數(shù)值并對(duì)其進(jìn)行了設(shè)置。

4 結(jié)束語(yǔ)

污水泵站泵機(jī)通過(guò)變頻恒液位自動(dòng)控制，有效地改善了水泵的運(yùn)行工況，降低了日常水泵的啟、停次數(shù)，這不僅延長(zhǎng)了水泵的使用壽命，杜絕了因人工操作失誤造成的污水外溢事故的發(fā)生，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，同時(shí)由于各泵站水泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，排水系統(tǒng)生產(chǎn)電耗逐年下降，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

5 參考文獻(xiàn)

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[3] 王雄海等.污水泵站系統(tǒng)的最優(yōu)控制策略.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)，2002.11,36（6）

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。