智能控制在鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠中的應(yīng)用研究

(成都工業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院 四川 成都 610000)

近年來，隨著四川各地經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)人口大幅增加、人均用水量和企業(yè)用水量增加顯著、自然水體污染加劇以及供水設(shè)施老化嚴(yán)重，使得四川農(nóng)村地區(qū)飲水安全問題非常突出。而解決這些問題的辦法就是運用智能控制和遠(yuǎn)程控制技術(shù)來建設(shè)技術(shù)較先進(jìn)、供水質(zhì)量好的水廠。本文通過充分研究了廣安農(nóng)村幾個鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠自控系統(tǒng)存在的問題，采用智能控制的技術(shù)來設(shè)計適合當(dāng)?shù)剜l(xiāng)鎮(zhèn)水廠的智能控制算法。

一、原控制系統(tǒng)分析

在鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠的整個工藝流程中，整個控制系統(tǒng)屬于一個時變非線性控制系統(tǒng)，其中的恒壓供水控制就是一種非線性系統(tǒng)。對于這種系統(tǒng)，系統(tǒng)的建模非常困難，很難實現(xiàn)精確控制。本文將以水廠恒壓供水控制為例進(jìn)行研究。由于PID控制不需要建立系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，而且其魯棒性較強(qiáng)，因此在工控領(lǐng)域PID控制占百分之九十以上。所以在本項目中，下位機(jī)還是使用PID控制算法。但是整個系統(tǒng)單靠下位機(jī)運行傳統(tǒng)的PID算法還是不夠的，這是因為對于本項目這種時變控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)參數(shù)一旦變化，原有的P、I、D參數(shù)還是保持不變，在原有工況下運行良好的系統(tǒng)，可能會在新工況下產(chǎn)生調(diào)節(jié)緩慢、系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題。

二、控制算法改進(jìn)

以送水泵房恒壓供水為例，通過借鑒專家控制的基本原理和思路，首先分析本項目中引起各種工況可能的原因，同時通過對系統(tǒng)試運行時各種數(shù)據(jù)的采集分析，形成一定的知識庫、規(guī)則控制集等。如果發(fā)現(xiàn)有新的工況或者新的引起某工況的原因，就可以增加知識庫的規(guī)則。相反的，若發(fā)現(xiàn)有的規(guī)則不合理，則可以從知識庫刪除。在系統(tǒng)運行時，將隨時根據(jù)規(guī)則集從經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫中查找當(dāng)前工況相適應(yīng)的控制參數(shù)。具體的，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)集中供水項目中，供水量除了和季節(jié)、氣溫等緊密相關(guān)外，還因為農(nóng)村的人口流動，在傳統(tǒng)節(jié)假日(特別是清明、春節(jié)等)會因為返鄉(xiāng)人口突然增多、節(jié)后離鄉(xiāng)而改變。對于這種情況，本系統(tǒng)擬采用這樣的設(shè)計思路：本系統(tǒng)的下位機(jī)中還是使用經(jīng)典的PID算法控制，其PID參數(shù)可以采用FX-5U自帶的自整定功能或通過人工調(diào)試獲得。但因為自整定過程較長，不可能每次工況巨變時采用自整定功能。所以可按氣溫分區(qū)，按濁度、流量分區(qū)，按用水人口(結(jié)合傳統(tǒng)節(jié)日返鄉(xiāng)時間分析)分區(qū)，在幾個典型的情況，做相應(yīng)的自整定測試，再加上人工微調(diào)(基于原水加氯加藥實驗分析、管網(wǎng)末端水壓水質(zhì)分析)，得到不同分區(qū)下適合的比例P、積分I、微分D參數(shù)。再通過力控7.0的配方功能，將PID參數(shù)存為對應(yīng)不同情況的“配方”，當(dāng)控制程序通過對各個數(shù)據(jù)分析，再調(diào)出不同“配方”并下傳給各控制單元，控制單元就按此參數(shù)執(zhí)行控制。中控系統(tǒng)通過計算，根據(jù)傳感器檢測的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理員預(yù)存的各種表格參數(shù)(如人口變動情況)，再考慮相應(yīng)權(quán)重計算出配方序號，通過配方表找到對應(yīng)工控的P、I、D參數(shù)，然后通過通信網(wǎng)絡(luò)下發(fā)給有關(guān)控制單元的PLC,控制原理框圖如圖1所示(以送水泵房恒壓供水控制為例)。

圖1 送水泵房恒壓供水控制原理圖

本控制系統(tǒng)的具體控制功能是盡量下放到各分散控制單元的，但一些管理功能還是要集中在中控系統(tǒng)中。在力控7.0開發(fā)系統(tǒng)中，提供了動作腳本解釋運行系統(tǒng)，具有一套較為完善、功能豐富的面相對象的程序語言系統(tǒng)，其語法類似于PASCAL語言。通過這個腳本程序系統(tǒng)，就可以完成一些在下位機(jī)PLC上不能完成或者很難實現(xiàn)的算法程序。使用腳本程序可以增強(qiáng)監(jiān)控系統(tǒng)的功能和操控的靈活性。例如：在工藝流程主窗口上，通過鼠標(biāo)點擊激活顯示相應(yīng)功能分區(qū)的子窗口界面，就是用鍵腳本(按下鼠標(biāo)或鍵盤是執(zhí)行的特定動作)來實現(xiàn)的。所有的腳本程序都是事件驅(qū)動的。事件可以是數(shù)據(jù)改變(可以用于參數(shù)超極限報警)、條件、鼠標(biāo)或鍵盤、計時器等。對事件的響應(yīng)由對應(yīng)的腳本程序來完成。除了上述的鍵腳本，力控7.0還提供窗口腳本、應(yīng)用程序腳本、數(shù)據(jù)改變腳本、條件腳本等類型。其中的窗口腳本和應(yīng)用程序腳本還分為進(jìn)入時動作，即一次性執(zhí)行程序，一般用于初始化；運行期間動作，用于周期性掃描程序，這對于控制系統(tǒng)是非常實用的，可以構(gòu)造“軟PLC”功能；退出時動作，退出時執(zhí)行一次程序，一般用于退出時數(shù)據(jù)保存，數(shù)據(jù)清零等。以送水恒壓控制為例,選擇應(yīng)用程序動作的程序運行周期執(zhí)行，因為參數(shù)修改的周期較長，所以將程序運行周期設(shè)置為最大(32767ms)。圖2是送水恒壓控制PID參數(shù)計算算法流程圖。

圖2 送水泵房恒壓控制PID參數(shù)計算算法流程圖

三、結(jié)語

本文所研究的控制算法已在達(dá)州某鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠試運行一年以上，經(jīng)過試運行期間的多次修改升級，現(xiàn)系統(tǒng)運行穩(wěn)定，供水壓力穩(wěn)定，符合設(shè)計要求。本文所述之控制方法在其他類似的應(yīng)用環(huán)境中也有較大的推廣價值。