基于PLC 的液位區間判斷算法的研究

王懋蕾，潘 罡

(1．上海市自來水市南有限公司南市水廠，上海 200011;2．上海市自來水市南有限公司，上海 200002)

1 概述

中間提升泵房是南市水廠二期改造工程的一個重要組成，工程實施前進行了為期半年的適應性實驗，該工藝于2010年在南市水廠二期正式建成并投入運行，總規?？蛇_200 000 m3/d。

中間提升泵房內設3臺水泵，2用1備。水泵形式均采用軸流泵，每臺水泵配有變頻調速裝置，適應水量變化，單排布置。單臺流量4 375 m3/h，揚程9．0 m，電機功率185 kW。每臺水泵出口設置DN700拍門1只。每臺水泵設一出水渠，井內設薄壁堰，水泵出水經堰跌落，進入出水總渠后，經1根DN1400管道送至后臭氧接觸池。提升前配備了2臺超聲波液位儀(1用1備)，提升后有1臺超聲波液位儀，在出水管上設同口徑流量儀。

2 現有PID算法的缺陷

由于先前的提升泵是通過變頻調速進行恒液位控制，并通過PID進行控制。PID控制器由比例單元(P)、積分單元(I)和微分單元(D)組成。

(1)比例單元(P)來控制當前，誤差值和一個負常數P(表示比例)相乘，然后和預定的值相加。P只是在控制器的輸出和系統的誤差成比例的時候成立。

(2)積分單元(I)來控制過去，誤差值是過去一段時間的誤差和，然后乘以一個負常數I，然后和預定值相加。I從過去的平均誤差值來找到系統的輸出結果和預定值的平均誤差。一個簡單的比例系統會振蕩，會在預定值的附近來回變化，因為系統無法消除多余的糾正。通過加上一個負的平均誤差比例值，平均的系統誤差值就會總是減少。所以，最終這個PID回路系統會在預定值穩定下來。

(3)微分單元(D)來控制將來，計算誤差的一階導，并和一個負常數D相乘，最后和預定值相加。這個導數的控制會對系統的改變做出反應。導數的結果越大，那么控制系統就對輸出結果做出更快速的反應。這個D參數也是PID被稱為可預測的控制器的原因。D參數對減少控制器短期的改變很有幫助。一些實際中的速度緩慢的系統可以不需要D參數。

PID控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋回路部件。這個控制器把收集到的數據和一個參考值進行比較，然后把這個差別用于計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統的數據達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，這樣可以使系統更加準確，更加穩定［1］?？梢酝ㄟ^數學的方法證明，在其他控制方法導致系統有穩定誤差或過程反復的情況下，一個PID反饋回路卻可以保持系統的穩定。PID控制器參數的自動調整是通過智能化調整或自校正、自適應算法來實現的，其要素包括三個部分:測量、比較和執行。測量變量，與期望值相比較，用這個誤差糾正調節控制系統的響應?？刂破鲝膫鞲衅鞯玫綔y量結果，然后用需求結果減去測量結果來得到誤差。然后用誤差來計算出一個對系統的糾正值來作為輸入結果，這樣系統就可以從它的輸出結果中消除誤差。這個理論和應用自動控制的關鍵是，做出正確的測量和比較后，如何才能更好地糾正系統。具體如圖1。

圖1 基本反饋系統框圖Fig．1 Basic Frame Diagram of Feedback System

經過運行下來發現，雖然是恒液位控制，但提升泵提升后的流量十分不穩定，誤差在±2 000 m3/h，且頻率波動也很大，嚴重影響了后面的臭氧投加，加氯及加氨流量。當二期3、4線進水水量較小時，經沉淀、過濾后，再經中間提升泵提升，在平時制水工作中，經常出現加氯量及臭氧流量時高時低、低流量報警的情況，如不及時調整處理，就會對過程水的余氯控制造成影響，導致出廠水余氯、氨氮達不到所需標準，如長期不能解決，將會減少泵機壽命，影響出廠水質。PLC程序中以恒液位控制提升泵，接觸池加氯量控制是根據提升水量的大小來達到自動調節，當提升水量較小時，加氯管道會受到接觸池反壓力影響，導致余氯偏低。

在一些情況下針對特定的系統設計的PID控制器控制得很好，但在這個系統里仍存在一些問題:1．如果自整定以模型為基礎，為了PID參數的重新整定，尋找和保持過程模型是較難的。閉環工作時，要求在過程中插入一個測試信號。這個方法會引起擾動，所以基于模型的PID參數自整定在工業應用不是太好。2．如果自整定是基于控制律的，經常難以把由負載干擾引起的影響和過程動態特性變化引起的影響區分開來，因此受到干擾的影響控制器會產生超調，產生一個不必要的自適應轉換。另外，由于基于控制律的系統沒有成熟的穩定性分析方法，參數整定可靠與否存在很多問題［2］。因此，許多自身整定參數的PID控制器經常工作在自動整定模式而不是連續的自身整定模式。自動整定通常是指根據開環狀態確定的簡單過程模型自動計算PID參數。

但仍不可否認PID也有其固有的缺點:PID在控制非線性時變系統、耦合及參數和結構不確定的復雜過程時不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制復雜過程，無論怎么調參數都是無效的。

3 判斷區間算法的方案思路

上述系統存在某種弊端，我們提出利用判斷區間法，并基于PLC平臺來實現穩定流量。首先預設定某些區間范圍，然后產生隨機數來判斷這個數值所在的區間范圍。利用判斷區間法，我們可以假定一些常用的液位工作區間，根據變頻器的特點并按照統計方法，可以在一些區間內預設置一些頻率值。經過長期摸索，具體如表1所示。

表1 液位區間與頻率關系Tab．1 Relationship between Liquid Level and Frequency

續 表

從表1可以看出，根據實際液位值只需與區間值相比較就可以得出具體工作的區間值，這樣使得區間判斷的方法大大簡化，并且使得判斷的運算時間大大減少，很利于在PLC上實現。在判斷的過程中，不僅僅利用了比較區間運算得到的結果，并且引用了延時裝置，避免了液位在臨界點的波動做出誤判斷，這樣使誤判斷大大減少，有利于算法在PLC上的實現。

3．30 ～3．60 m 之間采用0．05 m 一檔，而其余采用0．10 m一檔，其主要原因是經過不同水量的測試，3．30～3．60 m是液位主工作區。采用這一檔就能使頻率變化幅度大大減小，從而穩定流量的概率大大增加。同時，判斷區間法PLC程序實現也較為簡單，避免了復雜的判斷，使得在整個過程中都大大簡化。判斷區間法比傳統模式下的PID算法更具有可實現性和可行性。

4 判斷區間算法的實現

根據上述理論和統計結果，進行PLC編程［3］，圖2為3．00～3．10 m區間內的部分PLC程序，其他區間段的程序與此基本相似。

圖2 3．00～3．10 m區間內的PLC程序Fig．2 Part of PLC Program between 3．00 and 3．10 m

當水泵屬于運行狀態時，先根據液位來判斷水泵運行的頻率。在實際控制中，考慮到進出水量的問題，液位可能波動比較大，使得水泵運行不平穩。為了使水泵能夠平穩運行，在程序里設置了多個液位區間，當水泵的液位下降到下一個液位區間內，只要液位保持在該設定的液位區間內，頻率輸出就不會改變，直到液位繼續下降到再后一個液位區間內，頻率輸出才會改變，之后依次類推。這樣，就能夠不改變輸出，用液位區間來控制過程變量和設定值之間相匹配的緊密程度。

我們設定進水量4 000 m3/h，根據這個程序，開1臺泵頻率基本穩定在44～46 Hz左右，提升后的流量基本穩定在3 800～4200 m3/h。設定進水量6 000 m3/h，根據這個程序，開2臺泵頻率基本穩定在40～42 Hz左右，提升后的流量基本穩定在5 800～6 200 m3/h。設定進水量達到最大8 000 m3/h，根據這個程序，開2臺泵頻率基本穩定在46～48 Hz左右，提升后的流量基本穩定在7 800～8 200 m3/h，基本消除了后面的臭氧投加，加氯及加氨流量不穩的問題。

5 結論

討論了在傳統的PID控制算法的基礎上，提出了一種基于判斷區間簡便算法。該算法在參考液位區間判斷和得出相應運行頻率上，都避免了大量運算，大大降低了計算量，更易于PLC的實現。改造前，后道工藝的臭氧投加量及其余氯值極其不穩，運用該算法以來，實現了優化控制，確保了水質的提高，出廠水濁度基本穩定在 0．06～0．0 7NTU之間，出廠余氯基本也保持在1．2～1．3 mg/L之間，符合國家水質要求。自動化控制，大大降低了工人的勞動強度，提高了工作效率，同時，也提高了凈水生產的穩定性。水廠生產需要不斷地對自動化控制進行優化，改變傳統的生產運行管理方式，促進凈水處理技術水平的提高，提高加藥的準確性和連續性，提高供水安全性，降低能耗、物耗。當然，自控本身還存在某些局限性，為此，我們將精益求精，在生產實踐中不斷完善，獲得經濟效益和社會效益雙豐收。通過在PLC上的運行實驗，驗證了所提出的液位區間簡便算法的正確性和有效性。

［1］ Franklin G．F．，Powell J．D．，Naeini A．E．，李中華，張雨濃譯．自動控制原理與設計(第5版)［M］．北京:人民郵電出版社，2007．

［2］ 陶永華．新型PID控制及其應用［M］．北京:機械工業出版社，2002．

［3］ Press W．H．，Teukolsk S．A．，Vetterling W．T．，et al，胡健偉，趙志勇，薛運華等譯．C++數值算法(第二版)［M］．北京:電子工業出版社，2005．