PLC在凈水廠濾池控制系統中的應用及改進

王喜鋒

摘 要：隨著計算機技術的發展，PLC在工程中應用也日益廣泛。在現代凈水廠的控制系統中，PLC的身影隨處可見。文章中，筆者以某凈水廠作為例子，詳細闡述了PLC在中心控制站、現場控制站、操作員站、反沖洗間控制單元、濾池控制單元的應用并根據其缺陷提出改進措施。

關鍵詞：PLC；凈水廠；濾池；應用；改進

PLC在現代凈水廠的應用方面占到了舉足重輕的地位，一方面由于其高效、便捷、安全等優勢，而更重要的是其擴展靈活、結構開放以及強大的組網能力，使PLC不僅可以實現生產過程中“分散控制、集中管理”的功能，而且對于中心控制站、現場控制單元、現場手動控制的分級控制也起著關鍵作用。

1 PLC在凈水廠濾池控制系統中的應用

1.1 中心控制站

目前大部分凈水廠濾池的中心控制站由控制工作站、管理工作站、PLC報警屏、閉路電視監控系統以及UPS備用電源等附屬設備組成。中心控制站的功能主要是負責遠程監控、控制以及管理水廠的其他生產設備。其在整個凈水廠濾池控制系統中占據主導地位，是整個控制系統的中心樞紐和核心。

1.2 現場控制站

水廠的現場監控站主要由可編程邏輯控制器即我們所講的PLC、在線監測儀、執行器等構成。現場監控器的目的在于通過采集并處理生產過程中的邏輯控制、工況參數等，從而實現網絡通訊、修改模擬量設定點、遠程診斷、自診斷等功能。一般現場控制站由五個子控制單元組成，以工藝流程按照順序進行編號：第一號可編程邏輯控制器（PLC）為格柵及絮凝沉淀池控制單元；第二號可編程邏輯控制器（PLC）為反沖洗間控制單元；第三號可編程邏輯控制器（PLC）為自用水泵房控制單元；第四號可編程邏輯控制器（PLC）為加氯投藥間控制單元；第五號可編程邏輯控制器（PLC）為報警盤控制單元。

1.3 操作員站

操作員控制站是利用組態軟件編制的良好操作界面的工控機取代原有的操作員控制面板，從而讓操作員更加便捷的直觀了解掌握濾池中的實時工作狀態，使工作人員可以及時有效的調節濾池具體參數。

1.4 反沖洗間控制單元

反沖洗間控制單元的主要任務是對反沖洗泵及其出水閥門、鼓風機及其出氣閥門等設備進行順序控制、故障判斷和保護，此外，反沖洗間控制單元還對二十四格濾池可編程邏輯控制器的協調工作進行統一管理。

1.5 濾池控制單元

在濾池控制單元中每格濾池均設立有一臺獨立的PLC控制單元。控制單元主要功能是采集每格濾池的水位、差壓、出水閥開度、閥門等的工況，同時對每格濾池的自動反沖洗、恒水位閉環調節進行控制。濾池控制單元的工作原理為：在濾池中安裝水位傳感器、阻塞傳感器以及帶有變送器的可調節濾后水出水閥，PLC通過對設定值與濾池水位傳感器的檢測值相對比，從而對濾后水出水閥的開度進行合理調節，最終保證使濾水池在恒水位進行工作，即達到PLC控制V型濾池恒液位運行的目的。

2 PLC在凈水廠濾池控制系統中的問題

經過長時間的跟蹤調查顯示，隨著水廠實際生產運營的時間的推移，濾池的問題會逐漸暴漏。主要問題表現為：濾池出水氣動閥門的氣缸動作較剛投入使用時變得相對緩慢，閥門密封圈出現磨損導致發生氣體泄漏等。針對以上兩種問題通過排查等方法最終確定出現此項問題的原因為濾池控制程序缺乏合理性不盡完善。在以上文中講述的控制方案，所有的控制都是基于實時監測濾池水位而進行的，對濾池出水閥的工作控制主要依靠給定開關閥的時長來達到。此種模式局限在于未將出水調節閥的動作頻率考慮進來，使液位完全控制在設定的范圍之內。我們對其中一個格濾池的水位變換趨勢及閥門動作趨勢展開跟蹤記錄其動作曲線，與此同時統計濾后水調節閥的動作頻率發現：在30分鐘之內閥門開關運行了一百七十次，其動作頻率竟然高達每分鐘5.8次，合計每天需要進行八千三百五十二次動作。這樣頻繁的動作在實際運行中無可避免的會對閥門產生非常大的損傷。因此閥門各部分構件的磨損也在情理之中，這直接導致了驅動蝶閥的雙作用氣缸缸體橡膠密封圈開始漏氣。一段時間以后，氣缸就必須要更換橡膠密封圈，否則氣缸因為動作緩慢而無法正常工作。

3 PLC在凈水廠濾池控制系統中的改進措施

為了解決以上問題，完善控制程序，需要進行三個階段的分析研究。第一個階段，為了得出PID控制算法表達式，我們需要搭建實驗平臺，對此項系統進行整體辨識。第二階段，通過測試氣動蝶閥的特性以及濾池特性，展開對氣動蝶閥和濾池在整個控制系統的作用研究，從而得到其最優的工作方法，從新整定PID算法參數值。第三個階段為試驗階段。主要是借助PLC軟件進行模擬測試，通過試驗得到大量實驗數據尋找最優方式，并對相關系統增加輔助條件，從而使系統得到完善和改進。對于PID控制器參數的整定，我們采用工程整定法，借助于實際的工程相關經驗，再充分考慮了執行機構及其濾池特性對系統的影響后做出選擇，用試湊法得出結果。即：

對執行機構及濾阻分析后修正為：

為了驗證結果的可靠性，我們需隨機選擇兩格濾池進行兩個周期即四十八小時監控和檢測。實踐檢驗證明該算法無誤已經達到預期要求，但為進一步完善，我們嘗試進一步增加輔助條件：第一，每兩分鐘輸入一次PID指令；第二，在PID運算后當閥門小于百分之二的幅度時，不再輸出動作指令；第三，加大PID調節死區的調節范圍，其在0.01米范圍波動時，不再輸出閥門命令；第四，限制閥門調節幅度，禁止閥門的動作超過百分之十。經過對后期算法轉化的PLC系統、試驗控制算法系統與源控制系統相比較，在水位控制指標、閥門動作計數以及閥門開度等各項數據中，后期算法轉化的PLC系統明顯有較大幅度的提升。這樣我們便得到最優算法即改進后的算法，證實其改進的正確性、合理性，適合水廠進行生產作業。

4 結束語

總而言之，PLC在今后水廠的應用中會越來越廣泛，越來越重要，功能也將越來越強大。但是不可忽視的是，隨著其長期的不間斷運轉，PLC中部分靈敏的電子元件參數不可避免的會受到影響乃至發生改變，這就直接導致了PLC算法會出現較大誤差。因此，在今后的應用中，我們不但要享受PLC帶來的巨大效益，更應該注意到它的潛在風險。

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