李普新，張 斌

(晉中供水有限責(zé)任公司 天湖水廠, 山西 晉中 030600)

0 引言

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，一些大中型PLC系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域中，不但減少了人力，而且保證了生產(chǎn)工藝的可靠性，提高了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。很多PLC設(shè)備都提供了PID自整定模塊，在滿足周期采樣的條件下進(jìn)行參數(shù)自整定，用戶可根據(jù)實際運行情況進(jìn)行微調(diào)，在溫度控制、壓力控制、流量控制、液位控制等方面都取得了較好的效果。有些水廠的濾池濾后出水閥直徑較大，考慮到設(shè)備成本等因素，采用調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器來滿足生產(chǎn)需求。電動執(zhí)行器不需要穩(wěn)定的氣源、控制精度稍差、結(jié)構(gòu)簡單、不需要經(jīng)常維護(hù)。某水廠采用Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器控制V型濾池的出水閥，工作過程中該調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器故障較多、機械傳動部分磨損較嚴(yán)重，為此，對發(fā)生故障的原因進(jìn)行分析，提出了修改 PID參數(shù)來解決問題的辦法。

1 V型過濾池濾后出水的外部設(shè)備和濾池恒液位的目的

某水廠的V型濾池過濾系統(tǒng)由4個石英砂濾池和4個活性炭濾池組成，石英砂濾池恒液位系統(tǒng)和活性炭濾池恒液位系統(tǒng)完全相同， V型過濾池PLC系統(tǒng)的PID控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 V型過濾池PLC系統(tǒng)的PID控制結(jié)構(gòu)框圖

1.1 濾池外部設(shè)備

濾池外部設(shè)備主要由PLC、變頻器、壓力變送器、超聲液位計、調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器等組成。PLC系統(tǒng)選用西門子S7-315PLC，采用PID閉環(huán)控制方式對生產(chǎn)系統(tǒng)的液位、管網(wǎng)壓力進(jìn)行控制。壓力變送器輸出DC4 mA～DC20 mA電流反饋給PLC，與用戶輸入的設(shè)定值比較并輸出DC4 mA ～DC20 mA偏差值，從而對變頻器輸出頻率進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，變頻器控制水泵的轉(zhuǎn)速對管網(wǎng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證水壓和流量恒定。石英砂濾池過濾后的水經(jīng)中間水池和變頻器恒壓供水注入V型活性炭濾池再次過濾后進(jìn)入清水池。

V型濾池的液位由超聲液位計顯示液位值，并輸出DC4 mA ～DC20 mA電流反饋給PLC系統(tǒng)，與用戶設(shè)定的液位(本系統(tǒng)恒液位值設(shè)成1 m)進(jìn)行比較，輸出DC4 mA～DC20 mA電流控制Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器動作，調(diào)整濾池出水閥開度來恒定濾池液位。超聲液位計的設(shè)定和精度直接影響到濾池液位的準(zhǔn)確度，PID參數(shù)的設(shè)定直接影響到系統(tǒng)恒液位功能的穩(wěn)定性。

本V型濾池過濾系統(tǒng)中超聲液位計的測量范圍為0.4 m ～5 m，測量精度為±0.5%，電源電壓為220 VAC，超聲波頻率為50 kHz，電流信號隔離輸出范圍為DC4 mA ～DC20 mA； Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器的電源電壓為三相380 VAC，工作制式為短時10 min,動作次數(shù)≤10次/ min, 指示誤差為±1%，延遲時間為1 s～3 s，伺服電機電流為2.2 A，遠(yuǎn)程控制方式輸入信號為DC4 mA ～DC20 mA，輸出信號為DC4 mA ～DC20 mA，輸入通道阻抗為150 Ω，輸出電流負(fù)載電阻≤750 Ω。

1.2 恒定濾池液位保證生產(chǎn)工藝

PID控制用于恒定濾池液位的目的是：使流過濾池的濾層(石英砂或活性炭)和池底過濾頭的水壓、水流量基本恒定，對水的濾阻沒有明顯大的變化，過濾后的水中雜質(zhì)較少，可達(dá)到生產(chǎn)工藝要求(參照GB5749—2006)。濾池進(jìn)水處采用開關(guān)型電動執(zhí)行器，沒有自動調(diào)節(jié)流量的功能。濾池使用一段時間后，濾池的過濾層、池底過濾頭被水中雜質(zhì)積累堵塞，對水的阻力發(fā)生變化，很難保證濾池進(jìn)水和濾后出水流量恒定，濾池液位逐漸升高。濾池出水處采用Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器，濾池上裝設(shè)超聲液位計對濾池液位實時監(jiān)測，并輸出DC4 mA～DC20 mA電流反饋到PLC系統(tǒng)，經(jīng)PID程序與設(shè)定恒液位值比較，PID程序輸出DC4 mA ～DC20 mA電流控制Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器動作，調(diào)整濾池出水閥的開度，保證濾池液位恒定。為達(dá)到生產(chǎn)工藝要求，Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器每次調(diào)整幅度不能過大(調(diào)整幅度過大會使水流量和水壓變化較大，把濾層、過濾頭堵塞的雜質(zhì)帶入水中影響濾后出水的濁度)。

2 工作過程中出現(xiàn)的問題

原PLC系統(tǒng)中PID的比例系數(shù)為6，積分作用時間為100 ms,積分采樣周期為2 s,微分作用時間為5 s。使用V型濾池工作過程中，數(shù)小時后濾池過濾層對水的濾阻會發(fā)生變化，濾后出水量逐漸減少，濾池液位逐漸升高；Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器動作次數(shù)較多，每次對濾池出水閥調(diào)整幅度較小，伺服電機溫度較高，機械磨損較嚴(yán)重，濾池液位變化較大，濾池出水閥開度變化較大(由開始的30%增加到60%左右)，濾后出水濁度逐漸變大，經(jīng)常出現(xiàn)濾池出水閥開或關(guān)過最大限位。修改PID參數(shù)前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 修改PID參數(shù)前的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

3 解決問題的方法及可行性

3.1 PID參數(shù)對調(diào)節(jié)型電動執(zhí)行器工作狀態(tài)的影響及整定方法

根據(jù)Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器的主要技術(shù)參數(shù)和表1中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，原PID參數(shù)設(shè)定不合理是導(dǎo)致Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器動作次數(shù)較多、伺服電機升溫較快、機械磨損較嚴(yán)重的主要原因，重新設(shè)定PID參數(shù)才有可能解決問題。PID參數(shù)的設(shè)定一般有兩種方法：①理論計算整定法，依據(jù)數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定參數(shù)，得到的數(shù)據(jù)須通過實際進(jìn)行調(diào)整和修改；②工程整定法，主要是依據(jù)實踐中積累的經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的實驗中進(jìn)行，方法簡單易于掌握。本文采用臨界比例法對PID參數(shù)進(jìn)行整定，具體步驟如下：①選擇一個足夠短的采樣周期讓系統(tǒng)工作；②加入比例控制環(huán)節(jié)直到系統(tǒng)對輸入的階躍響應(yīng)出現(xiàn)臨界振蕩，記錄此時的比例放大系數(shù)和臨界振蕩周期；③在一定的控制度下利用公式計算得到PID控制的參數(shù)。

修改PID參數(shù)的主要目的是：①參考Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器主要技術(shù)參數(shù)使其工作在正常狀態(tài)中；②使系統(tǒng)滿足生產(chǎn)工藝要求。

3.2 解決問題的具體措施

3.2.1 減少Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器的動作次數(shù)

減少Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器動作次數(shù)的措施如下：

(1) 降低比例系數(shù)P。比例調(diào)節(jié)的作用是按比例反映濾池實際液位值與濾池設(shè)定液位值的偏差,濾池液位一旦出現(xiàn)偏差,比例調(diào)節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用減少偏差。比例系數(shù)大, 可以加快調(diào)節(jié)、減小誤差,過大的比例系數(shù)使得濾后出水閥的調(diào)節(jié)次數(shù)較多, 影響設(shè)備的使用壽命。

(2) 加大積分時間常數(shù)I。積分調(diào)節(jié)的作用是消除濾池實際液位值與設(shè)定恒液位值的偏差,提高控制精度。如果有偏差,積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行,直至無偏差,積分調(diào)節(jié)停止,濾池恒液位系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù),數(shù)值越小, 積分作用就越強，反之積分作用弱,消除液位值偏差的速度減慢。

(3) 取消微分調(diào)節(jié)作用項D。微分調(diào)節(jié)的作用是反映濾池實際液位值與設(shè)定液位值偏差的變化率,具有預(yù)見性,能預(yù)見偏差變化的趨勢,產(chǎn)生超前的控制作用,在偏差還沒有形成之前,已被微分調(diào)節(jié)作用消除。

3.2.2 調(diào)整濾池液位

根據(jù)Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器的工作特點，當(dāng)濾池液位較低(設(shè)定成0.8 m)時，PID程序計算輸出的電流小于DC7 mA,一般情況可視為濾池已無進(jìn)水,為減少Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器的動作次數(shù), PID程序輸出DC 4mA電流使Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器動作，控制濾池出水閥完全關(guān)閉。當(dāng)濾池由于外部因素導(dǎo)致液位較高(設(shè)定成1.2 m)時，PID程序輸出DC 20mA電流使Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器動作，控制濾池出水閥完全打開，避免發(fā)生濾池水溢流的事故。

原程序中比例系數(shù)為6，積分作用時間為100 ms,積分采樣周期為2 s,微分作用時間為5 s,其主要目的是為了提高控制精度。當(dāng)Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器停/啟或液位隨著濾池濾阻發(fā)生變化時，由于Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器的動作延遲時間為1 s～3 s，短時間內(nèi)系統(tǒng)輸出有了偏差，造成了PID運算的積分積累，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)，濾后出水閥開度變化較大，Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器動作頻繁，超過了技術(shù)參數(shù)每分鐘允許的動作次數(shù)，導(dǎo)致伺服電機升溫較快、故障較多、機械磨損較嚴(yán)重。

調(diào)整后比例系數(shù)為4，積分作用時間為300 ms，積分采樣周期為30 s，修改PID參數(shù)后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表

2所示。

表2 修改PID參數(shù)后的數(shù)據(jù)統(tǒng)計

對比表1和表2可看出：Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器動作次數(shù)減少很多，從原來的平均每分鐘動作將近50次降低到平均每分鐘動作不到1次；伺服電機溫度降低很多，恒液位效果好于修改參數(shù)前，濾池濾后出水閥開度變化不大(由30%增加到38%)，濾后出水濁度好于修改參數(shù)前，達(dá)到工藝要求。修改PID參數(shù)后，使用一年多來濾池出水閥的8臺Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器較少出現(xiàn)故障。需要注意的是：①濾池在正常使用中，要避免濾池進(jìn)水量有較大變化，引起控制系統(tǒng)比例系數(shù)不適應(yīng)，使PID系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩對Z30-18.IN.EPC電動執(zhí)行器產(chǎn)生較大影響，遇到某個濾池維護(hù)或停止使用時，應(yīng)及時調(diào)整總進(jìn)水量，保證PID系統(tǒng)正常工作;②濾池連續(xù)使用24 h必須按照生產(chǎn)要求進(jìn)行一次反沖洗，去除濾池濾層雜質(zhì)。

4 結(jié)語

在應(yīng)用PID控制方式控制外部設(shè)備時，應(yīng)特別注意結(jié)合外部設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)選擇合適的PID參數(shù)，只有熟悉外部設(shè)備的工作特性，在設(shè)備調(diào)試過程中仔細(xì)觀察設(shè)備運行狀況，才能調(diào)試出滿足被控設(shè)備正常工作和生產(chǎn)工藝的控制程序。