一種基于PI控制策略的自動化水泵調頻腳本設計方法

［摘 要］在水處理行業，穩定的進水水量是保持出水水質穩定的關鍵。目前，大多數生活污水提升泵站所采用的浮球與變頻頻率調節相結合的控制方式，普遍存在出水穩定性不夠、水泵單元能耗浪費較高、無法與污水處理廠聯動調控等問題。文章介紹了一種在組態軟件WinCC 上基于PI 控制策略來實現水泵自動化調頻的腳本編程方法，該方法可以根據污水處理廠的實際水量需求反饋至生活污水提升泵站，并實時穩定泵站的出水水量，達到穩定水量、節約能耗、聯動控制的目的。基于組態軟件WinCC 的普遍性，該方法能夠有效并廣泛應用于水處理行業，并且已達到預期效果。

［關鍵詞］PI 控制；污水處理廠；自動化控制；WinCC 腳本；節能降耗

［中圖分類號］TP29 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）04–0163–03

1 背景

市政排水管網大多采用樹狀結構，生活污水通過管網分支匯入主提升泵站，再由主提升泵站提升至污水處理廠進行處理并達標排放。現有的生活污水提升泵站大多數都不安排值班人員，只有巡視人員定時巡視。單一依靠浮球加變頻頻率調節的控制策略，通常會導致水泵機組的頻繁啟停，這不僅縮短了設備的使用壽命，而且增加了能耗，同時流量的頻繁變化還將對后續生物處理單元造成沖擊，不利于后續處理單元的穩定運行。

組態軟件WinCC 是一個可在Microsoft Windows或Microsoft Windows Server 下使用的功能強大的HMI 系統。WinCC 提供的腳本功能十分強大，可同時實現對在線過程儀表的監控和對設備進行控制。

2 PI控制策略及WinCC腳本概述

2.1 PI控制策略

PI 控制與PID 控制在工業領域中的應用十分廣泛。PI 控制使用了比例（P）、積分（I）兩種控制行為，PID 控制則多了微分（D）的控制行為。雖然PID 控制相比PI 控制能夠減少更多的干擾，使系統運行更加穩定，但因為PID 控制多了一個微分（D）參數需要調整，設計的復雜程度及調試難度均上升。綜合考慮，文章介紹的自動化泵站調頻腳本選擇了編程難度更低、參數更加好調整的PI 控制作為該系統的控制策略。

文章所述PI 控制策略，將污水處理廠實際運行情況所反饋的需求水量設為生活污水提升泵站的目標出水水量，再根據生活污水提升泵站出水流量計得到的實際出水水量反饋至PI 控制來調節水泵運行頻率。此方法將生活污水提升泵站與污水處理廠實際運行情況相結合，能夠使污水處理廠進水量保持在最優狀態，對節能降耗、穩定出水水質等方面有顯著效果。PI 控制流程如圖1 所示。

2.2 WinCC腳本介紹

在工業行業的安全自動化生產線中，經常運用上位機與下位機軟件聯合控制。傳統的控制方法多為上位機軟件與下位機軟件通過PPI 協議進行主從式通信，這種通信方式程序復雜難懂，且不易現場調試，程序的后期擴展性不足。而腳本編程具備上手難度低、易操作、易調試等優點，且組態軟件WinCC 支持VB 腳本與C 腳本兩種功能，可以實現報警、讀寫變量、控制設備、在線儀表數據讀取、數據歸檔等功能。據此，文章利用腳本編程的形式，實現基于PI 控制策略的生活污水提升泵站的自動調頻功能。

3 實際應用情況

3.1 實例概況

以某污水處理廠及配套提升泵站為對象，該污水處理廠主提升泵站采用3 臺（兩用一備）30 kW 潛水泵（200QW450–10–30 kW）及配套施耐德變頻器（ATV610–30 kW），在該污水處理廠總生活污水進水管（DN400）上安裝了電磁流量計（E+H W 400 型），生活污水主提升泵站PLC 為西門子S7–200 SMART，該污水處理廠生化處理工藝為A2O+MBR 膜， 在MBR 膜出水管道（DN200）上安裝了電磁流量計（E+HW400 型），組態軟件WinCC 版本號為V7.4。由于該廠MBR 膜正處于調試階段，對進水水量較為敏感，所以自動化泵站調頻系統至關重要。污水處理廠流程如圖2所示。

3.2 PI控制策略設計

PI 控制包含比例控制與積分控制，如式（1）所示：

式中，u（t）為計算輸出值，KP為比例系數，e（t）為目標流量與實際流量之間的誤差，KI為積分系數。

在一般情況下，水泵的出水流量與頻率成正比。將不同變頻頻率下的出水流量數據進行整合分析，可以得出一個近似水泵實際運行情況的公式，將該公式代入PI 控制器進行模擬運算，使KP 與KI 系數達到最優狀態后，將KP 與KI 系數代入至系統中運行，并且通過腳本功能將運行過程中產生的頻率、出水流量、誤差值等信息保存至數據庫內。在運行一段時間后，對數據庫內信息進行整合分析，再次優化KP 與KI 系數，使系統以最優狀態運行。

3.3 WinCC腳本設計

該控制系統包含泵站中的3套潛水泵及配套變頻、1 臺泵站出水流量計（即污水處理廠生活污水進水流量計）及1 臺MBR 膜出水流量計。3 臺潛水泵的最低頻率均設為15 Hz，最高頻率均設為50 Hz。該腳本設置20 s 延時時間以等待泵站出水流量計數值穩定，且設置水泵故障報警、高低水位報警、高水位啟動應急備用水泵、低水位停泵等功能。腳本框架如圖3 所示。

腳本可讀取組態軟件WinCC 中的在線數據，如液位、設備狀態等信息，通過這些信息建立了高低液位報警及設備故障報警功能，同時可以將設備運行時間累計在數據庫中。根據設備累計運行時間，可以使腳本自動切換兩臺主常用泵。嚴格按照設備運行時間進行保養，能夠使設備保持在最優工況，也能夠使該系統運行得更穩定。

3.4 實際運行情況

通過修正KP 與KI 系數，使實際出水流量曲線與設定目標曲線相吻合。圖4 為泵站出水流量曲線對比圖（根據MBR 膜出水要求設定目標水量為284 m3/h）。由圖4 可知，使用PI 控制后，出水流量不受用水高、低峰期的影響，能保持泵站出水流量的穩定輸出，達到了預期效果。圖5 為PI 控制下的水泵運行頻率變化曲線，圖6 為泵站液位變化曲線對比。

由圖5、圖6 可知，在采用PI 控制自動化調頻后，泵站出水泵的變頻頻率與泵站液位趨勢方向相反，這是因為在高液位情況下，水泵的實際揚程變小而流量變大，為保持穩定的流量輸出，PI 控制降低了頻率，所以自動化調頻能夠大幅降低水泵能耗。

4 結論

針對該污水處理廠對穩定進水水量的實際需求，文章基于PI 控制原理，利用組態軟件WinCC 中的腳本編程功能，編寫了一個能夠實現與該污水處理廠實際需求水量聯動的多功能泵站自動化調頻腳本。通過實地運行調試發現，此腳本具有以下優點。

（1）能夠根據在線過程儀表的數據反饋自動調節生活污水提升泵站的出水水泵頻率，使泵站出水流量與污水處理廠實際需求流量相吻合，將污水處理廠的進水流量保持在最優狀態，從而穩定出水指標。

（2）能夠消除在用水高、低峰期產生的泵站液位波動帶來的泵站出水流量波動，減少對生物處理單元造成的沖擊。

（3）可在泵站液位上漲時期自動降低水泵頻率，從而降低水泵運行能耗，實現節能減排的目的。

（4）兼具設備維保指示功能，可通過累計運行時間指示保養，使設備處于最佳狀態。

參考文獻

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