如何在水厂恒水位过滤系统中用PLC实现PID自动化控制

如何在水厂恒水位过滤系统中用PLC实现PID自动化控制

赵兴磊

江苏四联水务科技有限公司，江苏 南通 226000

摘要：本文通过一个实际项目，阐述了利用 PLC对水厂过滤器进行 PD恒定水位的控制。该系统主要采用的是PID算法，并对外部的程序进行处理，同时通过对阀门的开度进行控制，确保水位的稳定性。而且，阀门的调整频率和人工调整是一致的，但是水质却要好很多。更关键的是，其具有很好的临场适应性和快速的响应，并且不需要人工的干扰，由此将能够实现全自动化的目标。同时也具有快速的失效保护功能，由此将能够更好地确保水厂恒水位过滤系统的安全稳定性。本文将对在水厂恒水位过滤系统中用PLC实现PID自动化控制的策略进行探究。

关键词：水厂恒水位过滤系统；PLC；PID；自动化控制

1 引言

水厂的恒水位过滤系统是一种能够自动控制的自动化设备，其能够有效地防止自来水在输送过程中出现二次污染。该系统能够自动地完成对过滤器的清洁，进而确保水厂的生产稳定。以下将对水厂恒水位过滤系统中用PLC实现PID自动化控制的实践进行分析：

2恒水位控制

平流沉淀池的水由进水口的进水阀进入 V形槽，再由 V形槽的小孔进入滤网，再由滤网的滤水层过滤，再经清水阀门进入净化池。为了确保生产的安全性，滤池的待滤水量与滤后水的流量必须达到均衡，因此在过滤过程中，各滤网的水位必须是稳定的。在过滤过程中，进水口的进水阀始终处于开启状态，因此，在滤格水位过高时，应增加清水阀门的开度，而滤格水位过低时，则要降低清水阀门的开口量。清水阀开度的大小主要受以下几种情况影响：

(1)在生产中，与滤网相对应的滤网的堵塞程度会随各滤网的过滤时间的延长而变化，而在滤网堵塞度较高的情况下，清水阀门的开度也应相应地加大。

(2)根据水流学原理，在不同的部位，过滤器的进水量是不一样的，进水量越大，则越小。

(3)在其他滤网逆向冲刷时，因为待滤水的流量是固定的，而逆冲滤网的进水量几乎为0，因此，要过滤的水应该由其他的滤格来承担，靠近反冲洗滤格的滤格分担的水量大，因此，要把水阀的开口量调节到最大。

(4)在操作刮泥机时，要过滤的水量会显著降低，所以要降低各滤网的水阀的开口度。(5)在分站水泵抽水流量变化时，待滤水量将会有较大的改变，因此，需要对每一滤网的水阀开启进行适当的调节。

(6)当所述滤池的浊度发生改变时，所述滤网的流量会发生改变，从而导致所述清水阀的开口率发生改变。

综上所述，为了确保每个滤格的水位基本不变，每个滤格的水阀门都要经常调节，工人的工作量相对较大，所以用自动控制阀门使水位稳定，经济效益也相对较高。

3控制原理

因为恒定水位的主要目标是确保要过滤的水量和过滤后的水量基本相同，所以转换成控制各滤池的水位基本不变。通过PD闭环控制，可以对水位的变化进行实时的调节，将上述各种因素转换为过滤水位的调节。PLC可实现对各过滤器的开度和水位的实时监测，并能对水阀门的开度进行控制。假定恒定水位位置为3.5米，3.75米为报警高度，清水阀门在0-100之间，0-完全关闭，100℃为完全打开，PLC采用某公司SLC502。该系统采用了基于逻辑梯形图形的PD指令，并对其进行了逻辑梯形图形的PD指令编程，从而实现了对清水阀门的逻辑控制。

当清水阀门的开度达到设定值时， PLC将输出一个固定值，且不停地对阀门进行控制。为了使系统能够准确的执行设定好的程序， PLC首先对清水阀门进行逻辑处理，然后以此为依据来对各过滤器的开度和水位进行实时的调节，使其能够满足设定的过滤要求。

此外，PLC还能实时地对各过滤器和清水阀门进行控制。该部分流程在运行过程中采用了手动执行方式，即由用户设定各个滤池不同的水位值（一般取为1）。在手动执行过程中，系统可根据设定的各过滤器水位和滤池的实际情况来进行切换。对于一个给定的系统而言，它的参数值是恒定变化的。因为设定值与实际运行状态有着一定的偏差，所以我们可以对系统运行条件进行设置。当一个给定系统中只有某一个过滤器的过滤流量为0时，则它将进入到不稳定状态。如果一个给定系统内有多个过滤器的话，那么它们之间的过滤流量将存在着较大差异性，并且随着时间变化会逐渐变得趋于稳定。

4 PID在恒水位控制中的参数设定

4.1 设定输入输出范围

设定当前滤格的水位值PV,设定清水阀的控制范围，即设定清水阀的位置及控制输出值。设定时注意将阀门调整到最佳位置，但要保持一定的压力（即水不能漏到过滤池）以及温度要求。在该系统中需要设置三个参数： PV、1-100、0-100。在 PLC程序的编写过程中，首先定义变量名，应为清水阀的控制范围，并对其进行初始化。在此例子中我们把输出值设为一个中间变量作为程序处理用。

4.2 设定死区

可调整的死区允许用户在设定值的上下选择一个偏差范围，并用该偏差值来控制输出。当偏差大于死区时，输出就会增加，而小于死区时，那么这一输出值就会减少。为了使偏差能保持在一个范围内变动，就必须使用死区来调整。例如：对于设定的 PV为10这一范围，如果要增加偏差10,只要把这个范围值由5变为0.只要偏差保持在此范围内，输出就不在改变，这样，不改变输出，便可用死区来控制过程变量和设定值之间相匹配的紧密程度。死区设定示意图如图1所示：

图1 死区设定示意图

4.3 设定控制模式

水厂在出厂前对过滤器的流量进行了设定，在这个设定值下，过滤器开始工作时需要将流量增加到1 min/m3~3s/m3。在此过程中，设定值与现场实际运行情况偏差较大，为减小偏差值，在现场将流量降低到设定值时可以进行一次调整。对于一个水厂来讲，如果没有足够的控制精度和稳定性，要实现恒水位控制是不可能的。对于清水阀随水位上下而开大关小，清水阀的控制为正偏差E=SPPV(偏差=设定值一过程变量)。

4.4 设定输出限幅

如果需要给出大于设定值的限幅，可以用“设定”对话框的“DO”键，按“RUN CONTROL”键确定当前输入值的限幅，然后再按“OUT”键确认。设定限幅后，应在运行过程中将设定值进行反复试验多次，直到获得最佳值为止。在上述实例中：YES表示最大值，即该水厂的最大取水流量；Output Max表示实际运行时流量与全开流量之差。其中把Limit Output CV设为YES,把Output Min CV设为0，把Output Max CV设为60。

4.5 设定控制器参数

在系统中，有四个控制参数，即控制器增益Kc、重置项目1/Ti、比项目Td以及输入更新时间Loop Update。同时，对PD的处理效果也进行了持续的监测，在满足水位要求的情况下，应尽可能减少水阀门的操作次数，寻找最优的接合点，进行反复的调整。

结束语

总而言之，PLC能够满足水厂自动化的要求，并能实现一定程度上的数据采集功能。而PID算法是一种在工业生产中应用广泛的控制方法，它是以PID算法为基础，结合其他控制方法而实现一个自动控制系统。这种PID控制主要有以下特点：其反应速度快、调整精确；对输入的变化很好地进行调整；可以进行自适应能力较强。其主要包括以下几个方面：一是它可以对PID算法中输入变化进行自动调节；二是它可以采用自动、手动两种方式进行调节；三是当输入不变时，PID不受外界环境因素影响，由此使得水厂恒水位过滤系统中能够在应用PLC实现PID自动化控制的过程中实现智能化操作。

参考文献：

[1]邓娜.S7-300PLC在水厂滤池自动控制系统中的应用[J].开封大学学报,2020,34(02):79-82.

[2]于泓鑫,张可菊.基于PLC与组态王水厂滤池控制系统设计[J].卫星电视与宽带多媒体,2019,(20):38+40.