基于PID恒液位系统在污水处理的技术条件

随着变频器、PLC及仪表技术的发展，在工业生产中液位控制系统得到广泛应用，尤其污水处理中不同时段来水的差异较大，各个工艺阶段一个重要环节就是污水池的液位控制。按照偏差的比例（Proportion）、积分（Integration ）、微分（Differentiation）控制，简称PID控制，由于PID控制原理简单、抗扰动性强、易于实现、适用范围广等特点，特别是过程控制中，由于控制对象的数学模型难以建立情况下，常采用PID控制，并根据经验在线调整。基于PID调节利用变频器和PLC及仪表来实现恒液位的自动控制，不仅可以实现整个系统的准确性、稳定性、可靠性，减轻运行工人的劳动强度，降低生产运营的成本，而且减少提升水量的忽大忽小对污水处理工艺的冲击，为生产工艺的调控奠定良好基础。
　　1 PID控制规律
　　式中比例环节成比例反映PID控制系统的偏差信号e（t），PID调节器产生与系统偏差成比例的控制作用，增加控制的快速性，但对稳定性不利。积分环节的控制作用对消除稳态误差有利，Ti越小，积分速度越快，积分作用越强，反之越弱，但对系统稳定性不利，甚至有可能导致结果不稳定。微分环节的作用时反映偏差信号的变化率，能预见偏差信号的变化趋势，在系统中加一个早期的修正信号，加快系统的响应速度，减小超调量和超调时间。但如果Td数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能无法达到预设值。控制系统的基本要求为稳定性、快速性和准确性，PID参数的调整对控制作用与系统稳定性的影响需综合衡量。
　　2 恒液位系统控制要求
　　污水处理恒液位控制系统需满足以下要求：（1）将液位计检测的水池液位值传输到PLC，PLC根据设定值，当液位大于设定值时，来提高变频器的频率，当频率提高到一定值仍无法满足要求，通过开工频泵使得液位降低；当液位小于设定值时，来降低变频器的频率，当频率降低到一定值仍无法满足要求，通过停泵使得液位升高。（2）根据污水池液位的设定值和液位的测量实际值进行PID调节；PLC通过模拟量输出来控制变频器的频率，从而控制变频泵的转速，以实现液位的基本恒定。（3）系统中变频泵由变频器控制，其他工频泵由电气软启动器控制。
　　3 恒液位控制策略
　　恒液位自动控制系统采用多种方式相互补充，操作方式为：自动控制、远程手动与现场手动。
　　在水泵使用组合方面，变频器泵的控制方面，一台水泵由变频器控制，液位计将测量的液位值转换为4-20mA的电流信号，并送到EM231模拟量输入模块，PLC依据传来液位值的大小采用PID调节，由EM232模拟量输出模块输出一个0-20mA的电流信号到变频器，来控制变频器的输出频率，考虑到泵和扬程的要求，变频器的输出的最低工作频率为20Hz，最大频率为50Hz。
　　其他工频泵的控制，水泵在自动控制的条件下，PLC会根据液位计传来测量值，首先靠控制变频器的频率20Hz～50Hz间输出来调节，当在这个频率范围无法满足要求时，要通过控制工频泵的开启与停止基础上，再通过调节变频器输出频率来满足要求，工频的泵的工作状态会通过DI口输入到PLC，并对工作时间进行计时，一旦工频泵过载或故障，PLC将切换到其他泵工作并报警。为了使延长工频泵寿命，使其工作时间基本一致，工频泵采取轮换工作的方式，泵的开启与停止依据PLC对泵工作时间的多少，开启时优先开启工作时间最短的工频泵，停止时优先停止工作时间最长的工频泵。
　　4 恒液位自动控制系统的构建
　　4.1 PLC的选择与扩展
　　根据控制的需求及实际的数字量I/O点数、模拟量I/O点数，DP通信要求，PLC选用西门子S7-200系列，PLC的CPU为S7 226，扩展模块为EM221、EM222、EM231、EM232、EM277。
　　4.2 S7-200硬件连接框图
　　恒液位控制的硬件框图如图1所示，采用EM231模块做为模拟量的输入模块，将液位计输出的4-20mA电流信号转换为数字量输入到PLC，EM232模块做为模拟量的输出模块，将PLC数字量信号转换为0-20mA信号输入到变频器。EM221做为开关量输入、EM222做为开关量输出、EM277应用于DP通信。
　　4.3 泵的控制模式
　　泵的组合方式为：4台软启控制4台工频泵，软启为ABB PS S 105/181-500L，当软器启启动完后切换到有工频电直接对泵进行供电，1台变频器控制1台变频泵，变频器为ABB ACS510。对4台软启泵根据是否参与自动控制，可以对其进行设定。
　　5 结束语
　　该系统基于PID控制原理，应用西门子PLC的PID控制指令，对水池液位进行恒定控制，对控制系统进行分析，并设计了实际系统框架，对主要设备进行了选型，系统实际运行值和目标设定值很小，达到了预期目的，具有一定的实际应用参考价值。
　　参考文献
　　卢威.恒液位控制系统在变频器中的应用.中国石油和化工标准与质量，2008，5：90.
　　徐丽，马成玲.液位PID控制系统的设计.电子测试，2011，6：94-95.
　　魏炎光.变频技术在城市污水处理厂生产控制中的应用.漳州师范学院学报，2005，2：74-75.
　　作者简介：彭红涛（1979-），男，河南濮阳县人，硕士研究生，研究方向：智能控制与计算。