楊在華，尹自萍

（云南省施甸縣水務(wù)局，云南 保山，678200）

水庫水源是農(nóng)村供水工程中的主要飲用水源。通常，農(nóng)村供水量由水庫管理單位進(jìn)行調(diào)度。供水水質(zhì)在符合地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的同時，水庫管理單位須即時向供水運營單位提供流量、壓力等參數(shù)。而通過在農(nóng)村供水自動化系統(tǒng)中安裝PID自動控制器，供水運營單位可及時獲取供水信息，不但提高了農(nóng)村供水工程信息化管理水平，而且還實現(xiàn)了科學(xué)化的調(diào)度供水[1-3]。農(nóng)村供水工程控制系統(tǒng)一般由水庫控制子系統(tǒng)、進(jìn)出廠監(jiān)控子系統(tǒng)、加藥自控子系統(tǒng)、消毒自控子系統(tǒng)、自用水自控子系統(tǒng)、排泥閥控制子系統(tǒng)及水廠管理中心組成[4]。

水庫控制子系統(tǒng)的功能是自動控制、調(diào)節(jié)供水量。通常由水庫管理單位進(jìn)行調(diào)度，供水運營單位顯示、記錄各參數(shù)信息。進(jìn)出廠監(jiān)控子系統(tǒng)的功能是監(jiān)控進(jìn)廠水流量、水壓、出廠水流量、清水池液位計液位、濁度儀的濁度值參數(shù)等。加藥自控子系統(tǒng)功能是監(jiān)控水廠加藥系統(tǒng)的各設(shè)備運行參數(shù)。加氯自控子系統(tǒng)功能是監(jiān)控加氯系統(tǒng)的各設(shè)備運行參數(shù)及狀態(tài)，以及加氯值、余氯值、漏氣報警等。自用水自控子系統(tǒng)功能是通過高位水箱水位信號，控制自用水泵啟停。排泥閥控制子系統(tǒng)功能是監(jiān)控排泥閥的運行狀態(tài)并控制上述設(shè)備的啟停。以上子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)均采集到水廠中心管理站，并由計算機接收與顯示PLC采集的水廠加藥系統(tǒng)、水廠排泥設(shè)備和水廠加氯系統(tǒng)的主要參數(shù)和報警數(shù)據(jù)。同時，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地對控制工藝中要求控制的設(shè)備進(jìn)行控制，并對主要工藝流程進(jìn)行模擬顯示，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲至數(shù)據(jù)報表計算機。

水庫控制系統(tǒng)是農(nóng)村供水工程自動控制系統(tǒng)的重要組成部份，也是嚴(yán)格水資源管理與取水許可的具體措施。本文以云南省施甸縣紅谷田水庫為例，開展了PID控制技術(shù)在農(nóng)村供水自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了PID比例、積分、微分控制技術(shù)，并采用臨界比例度法現(xiàn)場調(diào)試整定PID控制器參數(shù)，實現(xiàn)了農(nóng)村供水工程水庫供水的遠(yuǎn)程、精確調(diào)控[5]，提高了水資源的利用率。

1 運行管理現(xiàn)狀

我國的農(nóng)村供水工程大多數(shù)由水庫供水，一般將引水管接入水庫內(nèi)。庫內(nèi)取水有深層和表層兩種取水方式，取水計量由下游的水廠采用閘閥進(jìn)行人工調(diào)控。由于水庫的功能通常具有農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村供水兩種，紅谷田水庫采用了下游水廠進(jìn)行調(diào)控取水量，其存在的主要問題如下：

（1）計量設(shè)施不完善，水資源管理粗放，水資源利用率低；

（2）“跑冒滴漏”和“爆管”突出，造成水資源浪費；

（3）節(jié)水降損意識不強，無人管理。

2 PID控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

紅谷田水庫總庫容1 190.3萬m3，水庫年供水量1 505.9萬m3。其中，農(nóng)村人畜供水量204.9萬m3，農(nóng)業(yè)灌溉供水量1 301.0萬m3。下游河道生態(tài)放水量244萬m3。農(nóng)村人畜供水、下游河道生態(tài)放水采用庫內(nèi)表層取水的方式，農(nóng)業(yè)灌溉用水采用閘門開啟供水的方式。在輸水隧洞出口設(shè)置控制室，室內(nèi)分別布置供水管、生態(tài)放水管。上述管道均采用DN300無縫鋼管供水或放水。同時，分別在供水管、生態(tài)放水管安裝電動閘閥、電磁流量計、流量控制閥、壓力表，控制、調(diào)節(jié)供水量和生態(tài)放水量。每套計量和控制設(shè)備投資7.6萬元，其中：閘閥、流量計投資7.1萬元，S7-200SMARTPLC控制器0.5萬元。

水庫供水控制系統(tǒng)一般由水庫管理中心、現(xiàn)場監(jiān)控站組成?，F(xiàn)場監(jiān)控站由PLC控制柜、電動閘閥、電磁流量計、流量控制閥、壓力表等設(shè)備組成。詳見圖1。

圖1 農(nóng)村供水工程現(xiàn)場監(jiān)控站

2.2 系統(tǒng)布置

現(xiàn)場監(jiān)控站位于控制室，監(jiān)控站內(nèi)布置PLC控制柜及輔助設(shè)備，并通過光纖以太網(wǎng)連接水庫管理中心。為實現(xiàn)農(nóng)村供水和生態(tài)放水的自動控制，布置了一套西門子S7-200SMARTPLC控制器。同時，對兩個電動閘閥進(jìn)行現(xiàn)地手動控制和遠(yuǎn)程控制，對兩個流量控制閥進(jìn)行現(xiàn)地手/自動和遠(yuǎn)程自動控制。

2.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能包括：現(xiàn)地操控、遠(yuǎn)程操控、調(diào)節(jié)供水量。

2.3.1 現(xiàn)地操控

操作人員在控制柜上可以觀察到供水管、生態(tài)放水管的壓力、流量、閥門開度等各種運行狀態(tài)和運行參數(shù)?？赏ㄟ^控制柜上的按鈕對電動閘閥、流量控制閥進(jìn)行手動開關(guān)控制，并用控制柜上的電位器對流量控制閥進(jìn)行自動控制。

2.3.2 遠(yuǎn)程操控

在控制中心，操作人員通過人機對話窗口，可實時監(jiān)測農(nóng)村供水和生態(tài)放水的運行狀態(tài)，并對相應(yīng)閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

（1）電動閘閥，可通過人機界面進(jìn)行遠(yuǎn)程開關(guān)控制；

（2）流量控制閥，可在電腦上設(shè)置閥門開度，確認(rèn)命令發(fā)出后，PLC控制相應(yīng)的電動控制閥運行到該設(shè)定開度，即為遠(yuǎn)程手動控制；

（3）設(shè)置供水管、生態(tài)放水管出流量。命令下到PLC后，由PLC自動控制流量控制閥開度以實現(xiàn)流量達(dá)到設(shè)定值，并且在來水量及供水壓力發(fā)生變化時，不需管理人員干預(yù)，PLC均能自動控制流量控制閥開度保證出流量的恒定，即任何時刻均保持為設(shè)定流量。

2.4 PID參數(shù)設(shè)置

為實現(xiàn)供水管道的恒流量控制，本系統(tǒng)設(shè)計的過程中采用了PID控制算法。PID控制雖然在工業(yè)控制中已普遍應(yīng)用，但在農(nóng)村供水系統(tǒng)中，因以往供水需求比較粗放，所以應(yīng)用并不多見。隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，對水資源的需求越來越大，對供水流量的計量和控制提出了更高要求。PID控制圖如圖2所示。

圖2 PID控制圖

PID控制即為比例積分微分控制，是最早發(fā)展起來的控制策略之一。經(jīng)典控制理論在實際控制系統(tǒng)中的應(yīng)用就是PID控制器。其具有可靠性高、穩(wěn)定性好、算法簡單的特點。PID控制算法是閉環(huán)控制算法，閉環(huán)控制的核心即為反饋，PID控制器的給定值和實際輸出的反饋值之差稱為偏差。將偏差按比例（P）、積分（I）和微分（D）作用相加構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

在設(shè)計和應(yīng)用PID控制器的過程中，PID參數(shù)的選取是一個難題。PID控制器的參數(shù)選取必須兼顧動態(tài)與靜態(tài)性能指標(biāo)要求。PID參數(shù)的設(shè)置主要為設(shè)置和調(diào)整控制器的Kp、Ki和Kd三個參數(shù)，以獲得比較滿意的控制性能，并使得控制系統(tǒng)在調(diào)試后滿足運行管理的要求。

理論計算法和工程整定法是PID控制器參數(shù)的主要設(shè)定方法。理論計算法得到的參數(shù)實際上也需要通過試驗進(jìn)行修正才能應(yīng)用，所以工程實際應(yīng)用中多數(shù)采用工程整定法。經(jīng)驗試湊法在工程整定法中應(yīng)用較為廣泛，其它各種整定方法也各有優(yōu)、缺點。但其共同之處就是按照工程經(jīng)驗公式對控制器參數(shù)進(jìn)行整定，必須在實際運行中進(jìn)行修正與完善，才能得到較好的控制效果。在本系統(tǒng)中，采用的是臨界比例度法進(jìn)行參數(shù)整定，進(jìn)行試驗整定的步驟如下：

（1）積分時間（I）設(shè)為最大值，微分時間（D）設(shè)為零，選擇較大的適當(dāng)值比例（P），控制器為純比例作用，此時將系統(tǒng)投入自動運行；

（2）從大到小逐漸改變比例度值，每改變一次觀察一定時間，直到系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩過程，此時記下臨界比例度和臨界振蕩周期；

（3）根據(jù)前面得到的臨界值，按經(jīng)驗公式表1計算得到PID控制器各個參數(shù)。

表1 臨界比例度法參數(shù)計算公式表

（4）計算求得各參數(shù)后，按比例、積分、微分的順序?qū)⒏鲄?shù)設(shè)為計算值，并反復(fù)進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到最佳控制效果為止。

圖3為試驗中臨界振蕩圖和最后的控制效果圖。

圖3 臨界振蕩圖與效果圖

2.5 PID控制分析

農(nóng)村供水工程規(guī)模小、點多面廣。水源分散，水源至水處理廠距離較長。由于投資等因素的制約，暫不具備構(gòu)建自動化信息系統(tǒng)的條件。因此，在多數(shù)農(nóng)村供水工程中，面臨無自動化控制設(shè)備的情形。同時，一部分農(nóng)村供水工程的水處理雖具備加藥、消毒等自動化的措施，但無專業(yè)管理人員。一些自動控制系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的運行，由于長期缺乏管理造成其逐漸癱瘓。此外，大部份農(nóng)村供水工程采用的是人工控制設(shè)備，無疑增加了運行成本[5]。

隨著人民生活水平的不斷提高，生活用水量越來越大，尤其是最高日、最高時的用水高峰期。加之供水處理廠調(diào)節(jié)能力有限，往往造成部分用戶用水困難。上述問題的有效解決方案為：增加水庫供水量和科學(xué)調(diào)度供水。水庫供水控制技術(shù)通過利用PID控制原理，并運用臨界比例度法現(xiàn)場調(diào)試整定得到PID控制器參數(shù)。在供水運行中，讓時間、水壓、流量3個參數(shù)自動進(jìn)行在線調(diào)整，不斷優(yōu)化PID控制系統(tǒng)，從而適應(yīng)時間、水壓、流量不斷變化的供水系統(tǒng)。其解決了控制設(shè)施不完善，頻繁調(diào)整供水量的運行難題，實現(xiàn)農(nóng)村供水工程水庫供水的遠(yuǎn)程、精確調(diào)控，并提高了水資源利用率。

3 結(jié)語

農(nóng)村供水工程水庫供水計量和控制采用SIMATIC S7-200SMART控制設(shè)備，其具有抗干擾能力強、工作可靠性高、平均無故障時間長的優(yōu)勢。通過運用成熟的PID控制算法，實現(xiàn)了對紅谷田水庫供水的遠(yuǎn)程、精確控制。通過近兩年的運行，水庫控制系統(tǒng)操作方便、運行精準(zhǔn)，提高了水庫的運行管理能力。隨著水利信息化水平的提高，供水自動化需求日益增長，該系統(tǒng)可在農(nóng)村供水工程自動控制系統(tǒng)中進(jìn)一步廣泛使用，使我國水利自動化水平得到不斷提高。