王懋蕾，潘 罡

(1．上海市自来水市南有限公司南市水厂，上海 200011;2．上海市自来水市南有限公司，上海 200002)

1 概述

中间提升泵房是南市水厂二期改造工程的一个重要组成，工程实施前进行了为期半年的适应性实验，该工艺于2010年在南市水厂二期正式建成并投入运行，总规模可达200 000 m3/d。

中间提升泵房内设3台水泵，2用1备。水泵形式均采用轴流泵，每台水泵配有变频调速装置，适应水量变化，单排布置。单台流量4 375 m3/h，扬程9．0 m，电机功率185 kW。每台水泵出口设置DN700拍门1只。每台水泵设一出水渠，井内设薄壁堰，水泵出水经堰跌落，进入出水总渠后，经1根DN1400管道送至后臭氧接触池。提升前配备了2台超声波液位仪(1用1备)，提升后有1台超声波液位仪，在出水管上设同口径流量仪。

2 现有PID算法的缺陷

由于先前的提升泵是通过变频调速进行恒液位控制，并通过PID进行控制。PID控制器由比例单元(P)、积分单元(I)和微分单元(D)组成。

(1)比例单元(P)来控制当前，误差值和一个负常数P(表示比例)相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。

(2)积分单元(I)来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值稳定下来。

(3)微分单元(D)来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变做出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果做出更快速的反应。这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数。

PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定［1］。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现的，其要素包括三个部分:测量、比较和执行。测量变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。控制器从传感器得到测量结果，然后用需求结果减去测量结果来得到误差。然后用误差来计算出一个对系统的纠正值来作为输入结果，这样系统就可以从它的输出结果中消除误差。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。具体如图1。

图1 基本反馈系统框图Fig．1 Basic Frame Diagram of Feedback System

经过运行下来发现，虽然是恒液位控制，但提升泵提升后的流量十分不稳定，误差在±2 000 m3/h，且频率波动也很大，严重影响了后面的臭氧投加，加氯及加氨流量。当二期3、4线进水水量较小时，经沉淀、过滤后，再经中间提升泵提升，在平时制水工作中，经常出现加氯量及臭氧流量时高时低、低流量报警的情况，如不及时调整处理，就会对过程水的余氯控制造成影响，导致出厂水余氯、氨氮达不到所需标准，如长期不能解决，将会减少泵机寿命，影响出厂水质。PLC程序中以恒液位控制提升泵，接触池加氯量控制是根据提升水量的大小来达到自动调节，当提升水量较小时，加氯管道会受到接触池反压力影响，导致余氯偏低。

在一些情况下针对特定的系统设计的PID控制器控制得很好，但在这个系统里仍存在一些问题:1．如果自整定以模型为基础，为了PID参数的重新整定，寻找和保持过程模型是较难的。闭环工作时，要求在过程中插入一个测试信号。这个方法会引起扰动，所以基于模型的PID参数自整定在工业应用不是太好。2．如果自整定是基于控制律的，经常难以把由负载干扰引起的影响和过程动态特性变化引起的影响区分开来，因此受到干扰的影响控制器会产生超调，产生一个不必要的自适应转换。另外，由于基于控制律的系统没有成熟的稳定性分析方法，参数整定可靠与否存在很多问题［2］。因此，许多自身整定参数的PID控制器经常工作在自动整定模式而不是连续的自身整定模式。自动整定通常是指根据开环状态确定的简单过程模型自动计算PID参数。

但仍不可否认PID也有其固有的缺点:PID在控制非线性时变系统、耦合及参数和结构不确定的复杂过程时不是太好。最重要的是，如果PID控制器不能控制复杂过程，无论怎么调参数都是无效的。

3 判断区间算法的方案思路

上述系统存在某种弊端，我们提出利用判断区间法，并基于PLC平台来实现稳定流量。首先预设定某些区间范围，然后产生随机数来判断这个数值所在的区间范围。利用判断区间法，我们可以假定一些常用的液位工作区间，根据变频器的特点并按照统计方法，可以在一些区间内预设置一些频率值。经过长期摸索，具体如表1所示。

表1 液位区间与频率关系Tab．1 Relationship between Liquid Level and Frequency

续 表

从表1可以看出，根据实际液位值只需与区间值相比较就可以得出具体工作的区间值，这样使得区间判断的方法大大简化，并且使得判断的运算时间大大减少，很利于在PLC上实现。在判断的过程中，不仅仅利用了比较区间运算得到的结果，并且引用了延时装置，避免了液位在临界点的波动做出误判断，这样使误判断大大减少，有利于算法在PLC上的实现。

3．30 ～3．60 m 之间采用0．05 m 一档，而其余采用0．10 m一档，其主要原因是经过不同水量的测试，3．30～3．60 m是液位主工作区。采用这一档就能使频率变化幅度大大减小，从而稳定流量的概率大大增加。同时，判断区间法PLC程序实现也较为简单，避免了复杂的判断，使得在整个过程中都大大简化。判断区间法比传统模式下的PID算法更具有可实现性和可行性。

4 判断区间算法的实现

根据上述理论和统计结果，进行PLC编程［3］，图2为3．00～3．10 m区间内的部分PLC程序，其他区间段的程序与此基本相似。

图2 3．00～3．10 m区间内的PLC程序Fig．2 Part of PLC Program between 3．00 and 3．10 m

当水泵属于运行状态时，先根据液位来判断水泵运行的频率。在实际控制中，考虑到进出水量的问题，液位可能波动比较大，使得水泵运行不平稳。为了使水泵能够平稳运行，在程序里设置了多个液位区间，当水泵的液位下降到下一个液位区间内，只要液位保持在该设定的液位区间内，频率输出就不会改变，直到液位继续下降到再后一个液位区间内，频率输出才会改变，之后依次类推。这样，就能够不改变输出，用液位区间来控制过程变量和设定值之间相匹配的紧密程度。

我们设定进水量4 000 m3/h，根据这个程序，开1台泵频率基本稳定在44～46 Hz左右，提升后的流量基本稳定在3 800～4200 m3/h。设定进水量6 000 m3/h，根据这个程序，开2台泵频率基本稳定在40～42 Hz左右，提升后的流量基本稳定在5 800～6 200 m3/h。设定进水量达到最大8 000 m3/h，根据这个程序，开2台泵频率基本稳定在46～48 Hz左右，提升后的流量基本稳定在7 800～8 200 m3/h，基本消除了后面的臭氧投加，加氯及加氨流量不稳的问题。

5 结论

讨论了在传统的PID控制算法的基础上，提出了一种基于判断区间简便算法。该算法在参考液位区间判断和得出相应运行频率上，都避免了大量运算，大大降低了计算量，更易于PLC的实现。改造前，后道工艺的臭氧投加量及其余氯值极其不稳，运用该算法以来，实现了优化控制，确保了水质的提高，出厂水浊度基本稳定在 0．06～0．0 7NTU之间，出厂余氯基本也保持在1．2～1．3 mg/L之间，符合国家水质要求。自动化控制，大大降低了工人的劳动强度，提高了工作效率，同时，也提高了净水生产的稳定性。水厂生产需要不断地对自动化控制进行优化，改变传统的生产运行管理方式，促进净水处理技术水平的提高，提高加药的准确性和连续性，提高供水安全性，降低能耗、物耗。当然，自控本身还存在某些局限性，为此，我们将精益求精，在生产实践中不断完善，获得经济效益和社会效益双丰收。通过在PLC上的运行实验，验证了所提出的液位区间简便算法的正确性和有效性。

［1］ Franklin G．F．，Powell J．D．，Naeini A．E．，李中华，张雨浓译．自动控制原理与设计(第5版)［M］．北京:人民邮电出版社，2007．

［2］ 陶永华．新型PID控制及其应用［M］．北京:机械工业出版社，2002．

［3］ Press W．H．，Teukolsk S．A．，Vetterling W．T．，et al，胡健伟，赵志勇，薛运华等译．C++数值算法(第二版)［M］．北京:电子工业出版社，2005．