試論基于PID恒液位系統(tǒng)在污水處理的技術(shù)條件

　　隨著變頻器、PLC及儀表技術(shù)的發(fā)展，在工業(yè)生產(chǎn)中液位控制系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用，尤其污水處理中不同時(shí)段來水的差異較大[1]，各個(gè)工藝階段一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是污水池的液位控制。按照偏差的比例(Proportion)、積分(Integration )、微分(Differentiation)控制，簡稱PID控制，由于PID控制原理簡單、抗擾動(dòng)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)、適用范圍廣等特點(diǎn)[2]，特別是過程控制中，由于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型難以建立情況下，常采用PID控制，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在線調(diào)整。基于PID調(diào)節(jié)利用變頻器和PLC及儀表來實(shí)現(xiàn)恒液位的自動(dòng)控制，不僅可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、可靠性，減輕運(yùn)行工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低生產(chǎn)運(yùn)營的成本，而且減少提升水量的忽大忽小對(duì)污水處理工藝的沖擊[3]，為生產(chǎn)工藝的調(diào)控奠定良好基礎(chǔ)。

　　1 PID控制規(guī)律

　　式中比例環(huán)節(jié)成比例反映PID控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，PID調(diào)節(jié)器產(chǎn)生與系統(tǒng)偏差成比例的控制作用，增加控制的快速性，但對(duì)穩(wěn)定性不利。積分環(huán)節(jié)的控制作用對(duì)消除穩(wěn)態(tài)誤差有利，Ti越小，積分速度越快，積分作用越強(qiáng)，反之越弱，但對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性不利，甚至有可能導(dǎo)致結(jié)果不穩(wěn)定。微分環(huán)節(jié)的作用時(shí)反映偏差信號(hào)的變化率，能預(yù)見偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)，在系統(tǒng)中加一個(gè)早期的修正信號(hào)，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減小超調(diào)量和超調(diào)時(shí)間。但如果Td數(shù)值挑選不當(dāng)，控制系統(tǒng)的輸入值會(huì)反復(fù)振蕩，這導(dǎo)致系統(tǒng)可能無法達(dá)到預(yù)設(shè)值。控制系統(tǒng)的基本要求為穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，PID參數(shù)的調(diào)整對(duì)控制作用與系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響需綜合衡量。

　　2 恒液位系統(tǒng)控制要求

　　污水處理恒液位控制系統(tǒng)需滿足以下要求：(1)將液位計(jì)檢測(cè)的水池液位值傳輸?shù)絇LC，PLC根據(jù)設(shè)定值，當(dāng)液位大于設(shè)定值時(shí)，來提高變頻器的頻率，當(dāng)頻率提高到一定值仍無法滿足要求，通過開工頻泵使得液位降低;當(dāng)液位小于設(shè)定值時(shí)，來降低變頻器的頻率，當(dāng)頻率降低到一定值仍無法滿足要求，通過停泵使得液位升高。(2)根據(jù)污水池液位的設(shè)定值和液位的測(cè)量實(shí)際值進(jìn)行PID調(diào)節(jié);PLC通過模擬量輸出來控制變頻器的頻率，從而控制變頻泵的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)液位的基本恒定。(3)系統(tǒng)中變頻泵由變頻器控制，其他工頻泵由電氣軟啟動(dòng)器控制。

　　3 恒液位控制策略

　　恒液位自動(dòng)控制系統(tǒng)采用多種方式相互補(bǔ)充，操作方式為：自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)與現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)。

　　在水泵使用組合方面，變頻器泵的控制方面，一臺(tái)水泵由變頻器控制，液位計(jì)將測(cè)量的液位值轉(zhuǎn)換為4-20mA的電流信號(hào)，并送到EM231模擬量輸入模塊，PLC依據(jù)傳來液位值的大小采用PID調(diào)節(jié)，由EM232模擬量輸出模塊輸出一個(gè)0-20mA的電流信號(hào)到變頻器，來控制變頻器的輸出頻率，考慮到泵和揚(yáng)程的要求，變頻器的輸出的最低工作頻率為20Hz，最大頻率為50Hz。

　　其他工頻泵的控制，水泵在自動(dòng)控制的條件下，PLC會(huì)根據(jù)液位計(jì)傳來測(cè)量值，首先靠控制變頻器的頻率20Hz～50Hz間輸出來調(diào)節(jié)，當(dāng)在這個(gè)頻率范圍無法滿足要求時(shí)，要通過控制工頻泵的開啟與停止基礎(chǔ)上，再通過調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率來滿足要求，工頻的泵的工作狀態(tài)會(huì)通過DI口輸入到PLC，并對(duì)工作時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，一旦工頻泵過載或故障，PLC將切換到其他泵工作并報(bào)警。為了使延長工頻泵壽命，使其工作時(shí)間基本一致，工頻泵采取輪換工作的方式，泵的開啟與停止依據(jù)PLC對(duì)泵工作時(shí)間的多少，開啟時(shí)優(yōu)先開啟工作時(shí)間最短的工頻泵，停止時(shí)優(yōu)先停止工作時(shí)間最長的工頻泵。

　　4 恒液位自動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)建

　　4.1 PLC的選擇與擴(kuò)展

　　根據(jù)控制的需求及實(shí)際的數(shù)字量I/O點(diǎn)數(shù)、模擬量I/O點(diǎn)數(shù)，DP通信要求，PLC選用西門子S7-200系列，PLC的CPU為S7 226，擴(kuò)展模塊為EM221、EM222、EM231、EM232、EM277。

　　4.2 S7-200硬件連接框圖

　　恒液位控制的硬件框圖如圖1所示，采用EM231模塊做為模擬量的輸入模塊，將液位計(jì)輸出的4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入到PLC，EM232模塊做為模擬量的輸出模塊，將PLC數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換為0-20mA信號(hào)輸入到變頻器。EM221做為開關(guān)量輸入、EM222做為開關(guān)量輸出、EM277應(yīng)用于DP通信。

　　4.3 泵的控制模式

　　泵的組合方式為：4臺(tái)軟啟控制4臺(tái)工頻泵，軟啟為ABB PS S 105/181-500L，當(dāng)軟器啟啟動(dòng)完后切換到有工頻電直接對(duì)泵進(jìn)行供電，1臺(tái)變頻器控制1臺(tái)變頻泵，變頻器為ABB ACS510。對(duì)4臺(tái)軟啟泵根據(jù)是否參與自動(dòng)控制，可以對(duì)其進(jìn)行設(shè)定。

　　5 結(jié)束語

　　該系統(tǒng)基于PID控制原理，應(yīng)用西門子PLC的PID控制指令，對(duì)水池液位進(jìn)行恒定控制，對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，并設(shè)計(jì)了實(shí)際系統(tǒng)框架，對(duì)主要設(shè)備進(jìn)行了選型，系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行值和目標(biāo)設(shè)定值很小，達(dá)到了預(yù)期目的，具有一定的實(shí)際應(yīng)用參考價(jià)值。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]盧威.恒液位控制系統(tǒng)在變頻器中的應(yīng)用[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2008，5：90.

　　[2]徐麗，馬成玲.液位PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2011，6：94-95.

　　[3]魏炎光.變頻技術(shù)在城市污水處理廠生產(chǎn)控制中的應(yīng)用[J].漳州師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，2：74-75.