PID技術在泵站自控系統中的應用

董劍 羅志虎 黃躍華 楊偉明

摘要：隨著變頻節能技術的成熟與發展，越來越多的污水泵站采用變頻器來控制泵站泵機的日常運轉，紹興市排水管理有限公司在泵站自控系統建設中，將變頻調頻與PID自動控制技術相結合，使得泵站集水池保持恒液位運行，不僅減少了泵機的啟停次數，延長了泵機的使用壽命，而且取得了明顯的節能效果。

關鍵詞：PLC；PID控制；自控系統；液位

1 引言

隨著國民經濟的高速發展，城市化工業進程的不斷增快，城市排水問題日益突出：一方面要求將各企業生產、居民生活產生的廢水安全排放出去而不能污染周邊環境；另一方面要求在生產過程中盡量節約能源，最大限度地控制排水企業的污水輸送成本。由于各工業污水及生活污水排放具有不規律性，泵站瞬時流量變化較大，從而導致各污水泵站出現泵機啟、停頻繁等不合理控制工況，造成生產效率低下、生產電耗偏高等問題。傳統的控制方法已不再適應污水泵站日常的運行需求。

隨著變頻調速技術的成熟與發展，近年來，變頻器已在國內工業生產中得到了廣泛的應用。目前低壓電動機變頻調速產品應用已非常成熟和普及。變頻技術就是通過改變交流電頻率的方式實現交流電控制的技術，其核心元件是變頻器。紹興市排水管理有限公司自1997開始對泵機控制系統實施變頻改造，取得明顯的節能效果，并逐步在各排水泵站進行了推廣應用。泵機安裝變頻器控制后，由于污水泵站時流量變化較大，值班員需時常對泵機控制頻率進行手動調節、這使得值班員的日常操作工作量大增。

為進一步提高排水系統運行的安全性、經濟性，排水公司按照“統一規劃、分批建設、逐步實施”的原則組建了具有“集中管理、分散控制”現代控制和管理理念的排水泵站廣域網絡優化調度管理系統。該系統建成后，排水泵站的泵機控制模式從原先的人工手動工、變頻控制轉變為PLC自動工、變頻控制。針對泵機變頻控制系統，該系統通過對泵站集水池液位的數據采集、對比，將變頻調頻與PLC的PID控制相結合，使得泵站集水池保持恒液位運行。

2 PID控制技術的原理及算法

2.1 PID控制技術原理

在工業生產過程當中，常常需要用閉環控制方式來控制溫度、壓力、流量、液位和速度等連續變化的模擬量。目前工業自動化水平已成為衡量各行各業現代化水平的一個重要標志。PID控制器問世至今已有近70年歷史，它以其結構簡單、穩定性好、工作可靠、調整方便而成為工業控制的主要技術之一。PID控制器就是根據系統的誤差，利用比例、積分、微分計算出控制量進行控制的。其積分控制可以消除系統的靜差，提高系統控制精度和抗外界干擾能力；微分控制改善系統的動態響應速度，用于克服系統的慣性滯后，提高系統的穩定性；比例、積分、微分控制結合具有較強的靈活性和適應性。

典型的基于數字PID的閉環控制系統如圖1所示：

系統采樣后，將液位實際值與設定液位值進行比較，得出偏差值ΔL(t)。當ΔL(t)＞0時，電動機的輸入頻率增大，直至最大頻率，使得液位呈下降趨勢，向設定液位靠攏，最終保持恒水位運行。當ΔL(t)＜0時，，電動機的輸入頻率減小，直至最小頻率，使液位呈上升趨勢，最終達到恒水位。

2.2 PID算法

PLC的PID控制器的設計是以連續系統的PID控制規律為基礎，將其數字化寫成離散形式的PID控制方程，再根據離散方程進行控制程序設計。在連續系統中，典型的PID控制器的輸入輸出關系如下：

(1)

式中:L(t)為控制器的輸出量，M0為輸出的初始值；e(t)為給定值與被控變量的誤差信號；Kp為比例系數；Ti積分時間常數；Td微分時間常數。

假設采樣周期為T ,系統開始運行時刻為t = 0 ,將(1)式離散化后得到第k次采樣時控制器的輸出為:

(2)

其中： Ki=KpT/Ti為積分系數， Kd=KpTd/T為微分系數，k為采樣序號，k=1,2,3……，e( k) 和e( k - 1) 分別為第k時刻和第( k - 1) 時刻所得的偏差信號。

3 PID控制器PLC的實現方法

3.1 泵機全自動控制流程

以一臺泵機，在全自動控制方式下來講述泵機的控制流程：

工作過程：當水位高于啟泵液位時，PLC控制一臺泵運行，泵機運行后PID控制器開始開工作，通過對實際液位值和設定液位值的對比來控制泵站運行頻率，如實際液位值大于設定液位值時，增大泵機運行頻率，如實際液位值小于設定液位值時，減少泵機運行頻率，通過頻率的上下調節，最后使得實際液位達到設定液位，保持恒液位運行。如進水流量發生了變化，實際液位有所升高，PID控制器再次對泵機運行頻率進行調整，最終達到恒液位控制。

3.2 PID的程序實現

我公司采用的PLC主要為GE的90-30系統PLC模塊，其PLC控制開泵程序如圖3所示：

1、確定開泵臺數

通過將實際運行液位與開一臺泵設定液位、開二臺泵設定液位進行比較，確定開泵臺數。

2、開泵和關泵：

通過對泵機工作狀態及故障情況的判別，開、停泵機，其控制程序如下所示：

3、泵站頻率的PID控制

注：上圖中SP為設定液位值，PV為實際液位值，CV為輸出頻率，MAN為手/自動切換開關量，UP、DN為手動模式下，調大或調小輸出CV值。

3.3 PID參數調整

由于污水泵站時流量變化較大，因此PID控制器的參數整定是自控系統安全、經濟運行的核心內容。PID控制器參數整定的方法主要有兩大類：一是理論計算整定法。它主要是依據系統的數學模型，經過理論計算確定控制器參數。這種方法所得到的計算數據未必可以直接用，還必須通過工程實際進行調整和修正。二是工程整定方法，它主要依賴工程經驗，直接在控制系統的試驗中進行，且方法簡單、易于掌握，在工程實際中被廣泛采用。PID控制器參數的工程整定方法，主要有臨界比例法、反應曲線法和衰減法。我們采用了臨界比例法來整定PID控制器的運行參數，其整定步驟如下：(1)首先預選擇一個足夠短的采樣周期讓系統工作；(2)僅加入比例控制環節，直到系統對輸入的階躍響應出現臨界振蕩，記下這時的比例放大系數和臨界振蕩周期；(3)在一定的控制度下通過公式計算得到PID控制器的參數。 通過上述步驟，我們得到了P、D、I三個參數值并對其進行了設置。

4 結束語

污水泵站泵機通過變頻恒液位自動控制，有效地改善了水泵的運行工況，降低了日常水泵的啟、停次數，這不僅延長了水泵的使用壽命，杜絕了因人工操作失誤造成的污水外溢事故的發生，提高了系統運行的安全性，同時由于各泵站水泵經濟運行，排水系統生產電耗逐年下降，取得了明顯的經濟效益。

5 參考文獻

[1] 張文慶. PID 算法在PLC 模擬量閉環控制中的實現[J ].信息技術,2003

[2] 黃立培，張學.變頻器應用技術及電動機調速.北京：人民郵電出版社，1998

[3] 王雄海等.污水泵站系統的最優控制策略.浙江大學學報，2002.11,36（6）

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。