［摘 要］在水處理行業(yè)，穩(wěn)定的進(jìn)水水量是保持出水水質(zhì)穩(wěn)定的關(guān)鍵。目前，大多數(shù)生活污水提升泵站所采用的浮球與變頻頻率調(diào)節(jié)相結(jié)合的控制方式，普遍存在出水穩(wěn)定性不夠、水泵單元能耗浪費(fèi)較高、無(wú)法與污水處理廠聯(lián)動(dòng)調(diào)控等問(wèn)題。文章介紹了一種在組態(tài)軟件WinCC 上基于PI 控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵自動(dòng)化調(diào)頻的腳本編程方法，該方法可以根據(jù)污水處理廠的實(shí)際水量需求反饋至生活污水提升泵站，并實(shí)時(shí)穩(wěn)定泵站的出水水量，達(dá)到穩(wěn)定水量、節(jié)約能耗、聯(lián)動(dòng)控制的目的?；诮M態(tài)軟件WinCC 的普遍性，該方法能夠有效并廣泛應(yīng)用于水處理行業(yè)，并且已達(dá)到預(yù)期效果。

［關(guān)鍵詞］PI 控制；污水處理廠；自動(dòng)化控制；WinCC 腳本；節(jié)能降耗

［中圖分類號(hào)］TP29 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）04–0163–03

1 背景

市政排水管網(wǎng)大多采用樹狀結(jié)構(gòu)，生活污水通過(guò)管網(wǎng)分支匯入主提升泵站，再由主提升泵站提升至污水處理廠進(jìn)行處理并達(dá)標(biāo)排放?，F(xiàn)有的生活污水提升泵站大多數(shù)都不安排值班人員，只有巡視人員定時(shí)巡視。單一依靠浮球加變頻頻率調(diào)節(jié)的控制策略，通常會(huì)導(dǎo)致水泵機(jī)組的頻繁啟停，這不僅縮短了設(shè)備的使用壽命，而且增加了能耗，同時(shí)流量的頻繁變化還將對(duì)后續(xù)生物處理單元造成沖擊，不利于后續(xù)處理單元的穩(wěn)定運(yùn)行。

組態(tài)軟件WinCC 是一個(gè)可在Microsoft Windows或Microsoft Windows Server 下使用的功能強(qiáng)大的HMI 系統(tǒng)。WinCC 提供的腳本功能十分強(qiáng)大，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)在線過(guò)程儀表的監(jiān)控和對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制。

2 PI控制策略及WinCC腳本概述

2.1 PI控制策略

PI 控制與PID 控制在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛。PI 控制使用了比例（P）、積分（I）兩種控制行為，PID 控制則多了微分（D）的控制行為。雖然PID 控制相比PI 控制能夠減少更多的干擾，使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，但因?yàn)镻ID 控制多了一個(gè)微分（D）參數(shù)需要調(diào)整，設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度及調(diào)試難度均上升。綜合考慮，文章介紹的自動(dòng)化泵站調(diào)頻腳本選擇了編程難度更低、參數(shù)更加好調(diào)整的PI 控制作為該系統(tǒng)的控制策略。

文章所述PI 控制策略，將污水處理廠實(shí)際運(yùn)行情況所反饋的需求水量設(shè)為生活污水提升泵站的目標(biāo)出水水量，再根據(jù)生活污水提升泵站出水流量計(jì)得到的實(shí)際出水水量反饋至PI 控制來(lái)調(diào)節(jié)水泵運(yùn)行頻率。此方法將生活污水提升泵站與污水處理廠實(shí)際運(yùn)行情況相結(jié)合，能夠使污水處理廠進(jìn)水量保持在最優(yōu)狀態(tài)，對(duì)節(jié)能降耗、穩(wěn)定出水水質(zhì)等方面有顯著效果。PI 控制流程如圖1 所示。

2.2 WinCC腳本介紹

在工業(yè)行業(yè)的安全自動(dòng)化生產(chǎn)線中，經(jīng)常運(yùn)用上位機(jī)與下位機(jī)軟件聯(lián)合控制。傳統(tǒng)的控制方法多為上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件通過(guò)PPI 協(xié)議進(jìn)行主從式通信，這種通信方式程序復(fù)雜難懂，且不易現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，程序的后期擴(kuò)展性不足。而腳本編程具備上手難度低、易操作、易調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，且組態(tài)軟件WinCC 支持VB 腳本與C 腳本兩種功能，可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警、讀寫變量、控制設(shè)備、在線儀表數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)歸檔等功能。據(jù)此，文章利用腳本編程的形式，實(shí)現(xiàn)基于PI 控制策略的生活污水提升泵站的自動(dòng)調(diào)頻功能。

3 實(shí)際應(yīng)用情況

3.1 實(shí)例概況

以某污水處理廠及配套提升泵站為對(duì)象，該污水處理廠主提升泵站采用3 臺(tái)（兩用一備）30 kW 潛水泵（200QW450–10–30 kW）及配套施耐德變頻器（ATV610–30 kW），在該污水處理廠總生活污水進(jìn)水管（DN400）上安裝了電磁流量計(jì)（E+H W 400 型），生活污水主提升泵站PLC 為西門子S7–200 SMART，該污水處理廠生化處理工藝為A2O+MBR 膜， 在MBR 膜出水管道（DN200）上安裝了電磁流量計(jì)（E+HW400 型），組態(tài)軟件WinCC 版本號(hào)為V7.4。由于該廠MBR 膜正處于調(diào)試階段，對(duì)進(jìn)水水量較為敏感，所以自動(dòng)化泵站調(diào)頻系統(tǒng)至關(guān)重要。污水處理廠流程如圖2所示。

3.2 PI控制策略設(shè)計(jì)

PI 控制包含比例控制與積分控制，如式（1）所示：

式中，u（t）為計(jì)算輸出值，KP為比例系數(shù)，e（t）為目標(biāo)流量與實(shí)際流量之間的誤差，KI為積分系數(shù)。

在一般情況下，水泵的出水流量與頻率成正比。將不同變頻頻率下的出水流量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，可以得出一個(gè)近似水泵實(shí)際運(yùn)行情況的公式，將該公式代入PI 控制器進(jìn)行模擬運(yùn)算，使KP 與KI 系數(shù)達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)后，將KP 與KI 系數(shù)代入至系統(tǒng)中運(yùn)行，并且通過(guò)腳本功能將運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的頻率、出水流量、誤差值等信息保存至數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)。在運(yùn)行一段時(shí)間后，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)信息進(jìn)行整合分析，再次優(yōu)化KP 與KI 系數(shù)，使系統(tǒng)以最優(yōu)狀態(tài)運(yùn)行。

3.3 WinCC腳本設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)包含泵站中的3套潛水泵及配套變頻、1 臺(tái)泵站出水流量計(jì)（即污水處理廠生活污水進(jìn)水流量計(jì)）及1 臺(tái)MBR 膜出水流量計(jì)。3 臺(tái)潛水泵的最低頻率均設(shè)為15 Hz，最高頻率均設(shè)為50 Hz。該腳本設(shè)置20 s 延時(shí)時(shí)間以等待泵站出水流量計(jì)數(shù)值穩(wěn)定，且設(shè)置水泵故障報(bào)警、高低水位報(bào)警、高水位啟動(dòng)應(yīng)急備用水泵、低水位停泵等功能。腳本框架如圖3 所示。

腳本可讀取組態(tài)軟件WinCC 中的在線數(shù)據(jù)，如液位、設(shè)備狀態(tài)等信息，通過(guò)這些信息建立了高低液位報(bào)警及設(shè)備故障報(bào)警功能，同時(shí)可以將設(shè)備運(yùn)行時(shí)間累計(jì)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。根據(jù)設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間，可以使腳本自動(dòng)切換兩臺(tái)主常用泵。嚴(yán)格按照設(shè)備運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行保養(yǎng)，能夠使設(shè)備保持在最優(yōu)工況，也能夠使該系統(tǒng)運(yùn)行得更穩(wěn)定。

3.4 實(shí)際運(yùn)行情況

通過(guò)修正KP 與KI 系數(shù)，使實(shí)際出水流量曲線與設(shè)定目標(biāo)曲線相吻合。圖4 為泵站出水流量曲線對(duì)比圖（根據(jù)MBR 膜出水要求設(shè)定目標(biāo)水量為284 m3/h）。由圖4 可知，使用PI 控制后，出水流量不受用水高、低峰期的影響，能保持泵站出水流量的穩(wěn)定輸出，達(dá)到了預(yù)期效果。圖5 為PI 控制下的水泵運(yùn)行頻率變化曲線，圖6 為泵站液位變化曲線對(duì)比。

由圖5、圖6 可知，在采用PI 控制自動(dòng)化調(diào)頻后，泵站出水泵的變頻頻率與泵站液位趨勢(shì)方向相反，這是因?yàn)樵诟咭何磺闆r下，水泵的實(shí)際揚(yáng)程變小而流量變大，為保持穩(wěn)定的流量輸出，PI 控制降低了頻率，所以自動(dòng)化調(diào)頻能夠大幅降低水泵能耗。

4 結(jié)論

針對(duì)該污水處理廠對(duì)穩(wěn)定進(jìn)水水量的實(shí)際需求，文章基于PI 控制原理，利用組態(tài)軟件WinCC 中的腳本編程功能，編寫了一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)與該污水處理廠實(shí)際需求水量聯(lián)動(dòng)的多功能泵站自動(dòng)化調(diào)頻腳本。通過(guò)實(shí)地運(yùn)行調(diào)試發(fā)現(xiàn)，此腳本具有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）能夠根據(jù)在線過(guò)程儀表的數(shù)據(jù)反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)節(jié)生活污水提升泵站的出水水泵頻率，使泵站出水流量與污水處理廠實(shí)際需求流量相吻合，將污水處理廠的進(jìn)水流量保持在最優(yōu)狀態(tài)，從而穩(wěn)定出水指標(biāo)。

（2）能夠消除在用水高、低峰期產(chǎn)生的泵站液位波動(dòng)帶來(lái)的泵站出水流量波動(dòng)，減少對(duì)生物處理單元造成的沖擊。

（3）可在泵站液位上漲時(shí)期自動(dòng)降低水泵頻率，從而降低水泵運(yùn)行能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的。

（4）兼具設(shè)備維保指示功能，可通過(guò)累計(jì)運(yùn)行時(shí)間指示保養(yǎng)，使設(shè)備處于最佳狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙冬泉，佟慶遠(yuǎn)，王浩昌，等. 城市污水處理智能控制技術(shù)介紹[J]. 水工業(yè)市場(chǎng)，2010（5）：12-16.

[2] 高君，張欲立，劉麗紅，等. 基于WINCC 的 VB 與 PLC聯(lián)合控制系統(tǒng)[J]. 新技術(shù)新工藝，2011（12）：103-105.

[3] 張亞明，高曉丁. 基于PID 控制技術(shù)的供水網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29（5）：578-582.