唐忠華，金太東，盧世坤，劉 微，馬躍強

（遼寧石油化工大學 信息與控制工程學院，遼寧 撫順 113001）

自來水對城市居民是至關(guān)重要的生活物質(zhì)，自來水的質(zhì)量直接影響到城市居民的身體健康、日常生活和工業(yè)生產(chǎn)等。隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對自來水質(zhì)量的要求越來越高。用戶的用水經(jīng)常隨季節(jié)、晝夜和時間的變化而相差很大，對居民飲用水，不僅涉及供水水壓和流量等問題，更重要的是要確保飲用水質(zhì)量，比如水的渾濁度和水中余氯含量等都不能超標。針對上述問題，設(shè)計了該控制系統(tǒng)來提高自來水的質(zhì)量。

1 水廠的工藝流程

原水經(jīng)過取水泵房到穩(wěn)壓間，再到加藥間投放堿、礬和氯進行消毒，后到凈化間反應，沉淀和過濾，然后到清水池檢測水的余氯、pH值和濁度等最后到送水泵房將水送給各市區(qū)。該傳統(tǒng)工藝不能實現(xiàn)精確加藥和恒壓供水，不能及時準確的了解水的pH值，濁度和余氯等指標。

2 控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

該控制系統(tǒng)主要由兩部分組成：1）采用PID控制方法，形成一條閉合回路，余氯測試儀（Cl－500）采集余氯的值，通過（4～20 mA）模擬信號傳給 PLC[1]，然后經(jīng) D/A和 D/Q轉(zhuǎn)換后直接控制氣動閥的開度，從而精確控制加氯的量。同時測得的pH值和濁度等通過RS－485傳到上位機，便于對水的指標進行實時監(jiān)測。2）模糊PID控制實現(xiàn)恒壓供水。以S7－200作為控制系統(tǒng)的核心部件，結(jié)合模糊PID參數(shù)控制算法構(gòu)成PLC數(shù)字調(diào)節(jié)器。PLC接收壓力變送器（JPG3）的信號，PLC通過RS－485協(xié)議接口與變頻器MM440進行通訊。通過PLC編程設(shè)定壓力值，實際壓力值通過壓力變送器（4～20 mA）傳給PLC，數(shù)字調(diào)節(jié)器根據(jù)實測值和設(shè)定值的差值輸出調(diào)節(jié)量，發(fā)送給變頻器命令，變頻器控制水泵電機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)恒壓供水。

由于總控制中心距水廠較遠，采用GPRS無線模塊將數(shù)據(jù)接受和發(fā)送給PC機，PC機通過報警模塊將報警信息及時發(fā)送給不在現(xiàn)場和控制中心的管理者?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 恒壓供水模糊PID控制結(jié)構(gòu)

模糊PID參數(shù)自整定控制是把壓力誤差e和壓力誤差變化率ec作為模糊PID控制器的輸入，把3個PID作用系數(shù)Kp、Ki、Kd作為輸出[2]。模糊控制器利用模糊控制規(guī)則在線對PID3個控制參數(shù)進行修改，便構(gòu)成了恒壓供水的自整定模糊PID控制器。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control system structure

圖2 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of fuzzy PID control system

2.2 模糊規(guī)則表的制定及實現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)的實際情況，結(jié)合現(xiàn)場工作者操作規(guī)律及控制系統(tǒng)中不同誤差情況下PID參數(shù)的調(diào)整方向規(guī)律，得到針對Kp、Ki、Kd3個參數(shù)的模糊控制調(diào)整表。由于3個表相似，只列出Kp的表。如表1所示。

表1 Kp的模糊規(guī)則Tab.1 Kpof the fuzzy rules

Kp、Ki、Kd的模糊規(guī)則表建立以后根據(jù)如下方法進行3個參數(shù)的自適應校正。

將系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec變化范圍定為:e，ec={－5，－4，－3，－2，1，0，1，2，3，4，5}， 其模糊子集 e，ec={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}，子集中元素分別代表負大，負中，負小，零，正小，正中，正大[3]。 設(shè) e、ec 和 Kp、Ki、Kd均服從正態(tài)分布， 因此可得出各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應用模糊合成推理完成對PID參數(shù)的在線自校正。通過模糊推理修正后的PID參數(shù)Kp、Ki、Kd應用在普通的PID算法上，形成具有自適應模糊PID控制算法的恒壓供水系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)的硬件組成

本控制系統(tǒng)的硬件部分主要由下位機 （西門子S7－200及其擴展的模擬輸入單元EM231、模擬輸出單元EM232，GPRS模塊（F2103 DTU））和上位機（PC機、紫金橋軟件和短信報警模塊（F1003 GSM））組成。

3.1 西門子S7-200

西門子S7－200是緊湊型可編程控制器。它能夠滿足各種設(shè)備的自動化控制需求。西門子S7－200的CPU222單元本體內(nèi)置輸入8點/輸出6點，直流輸入、繼電器輸出，交流供電。模擬量的輸入模塊EM231，4通道電流/電壓輸入。模擬量輸出模塊 EM232，2通道電流/電壓輸出。它具有功能強大的指令集，指令能容包括邏輯指令、計數(shù)器、定時器、復雜指令、字符串指令、時鐘指令、以及和智能模塊配合的專用指令等。具有豐富強大的通訊功能，提供近10種通訊方式以滿足不同的應用需求。其中RS－485接口與上位機或者其他PLC進行連接，支持Profibus－DP和MPI通訊，還支持工業(yè)以太網(wǎng)通訊，支持多語言編程，具有豐富的指令系統(tǒng)。編程軟件的易用性，為用戶提供了開發(fā)，編輯和監(jiān)控的良好編程環(huán)境。全中文界面、中文的在線幫助信息、Windows的界面風格以及豐富的編程向?qū)?，能使用戶快速進入狀態(tài)[4]。

3.2 GPRS模塊

無線數(shù)據(jù)終端GPRS（F2103 DTU）采用高性能嵌入式處理器，以實時操作系統(tǒng)為軟件支撐平臺，內(nèi)嵌自主知識產(chǎn)權(quán)的TCP/IP協(xié)議棧。高性能嵌入式處理器，主頻100M，512kFlash。接口支持RS232/RS485串口。串口速率 110～230 400 bits/s。指示燈具有電源、通信及在線指示燈。天線接口是標準SMA陰頭天線接口，特性阻抗50 Ω。

3.3 短信報警模塊

F1003 GSM MODEM基于2 G GSM網(wǎng)絡(luò)，采用高性能工業(yè)級GSM無線模塊，支持短信和CSD數(shù)據(jù)功能無線參數(shù)。支持EGSM900/GSM1800無線網(wǎng)絡(luò)，支持DTMF，支持短信和CSD數(shù)據(jù)功能。無線參數(shù)，支持EGSM900/GSM1800無線網(wǎng)絡(luò)；支持GPRS multi-slot class 10和 Compliant to GSM phase 2/2+；支持短信、CSD數(shù)據(jù)及撥號上網(wǎng)功能和標準AT命令集。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 上位機組態(tài)軟件

紫金橋監(jiān)控組態(tài)軟件6.1是紫金橋公司在長期的工程實踐中逐步開發(fā)的一套計算機監(jiān)控軟件。具有豐富高效的數(shù)據(jù)采集手段，強大的數(shù)據(jù)庫處理核心，可靠的冗余系統(tǒng)，豐富的IO驅(qū)動，逼真的圖形系統(tǒng)，功能強大的腳本系統(tǒng)，報表系統(tǒng)，豐富的組件對象，Web發(fā)布和周密的安全管理系統(tǒng)，能連接多種設(shè)備如智能儀表、智能模塊、復雜的PLC和DCS等。已經(jīng)廣泛應用于石化、煉油、汽車、化工、冶金、制藥、建材、輕工、造紙、采礦、環(huán)保、電力、交通、智能樓宇、倉儲、物流、水利等多個行業(yè)和領(lǐng)域的過程控制、管理監(jiān)測、現(xiàn)場監(jiān)視、遠程監(jiān)視、故障診斷、企業(yè)管理、資源計劃等系統(tǒng)[5]。

將整個水廠工藝流程做成畫面。首先設(shè)置了顯示工藝參數(shù)窗口；然后分別設(shè)置了各個參數(shù)的在線值、設(shè)定值的顯示窗口，用于顯示參數(shù)的狀態(tài)；最后設(shè)置了系統(tǒng)中用于手動、自動的切換按鈕，用于完成現(xiàn)場閥、泵的手動和自動控制切換。設(shè)置了報警，將報警信息通過報警模塊發(fā)送給不在現(xiàn)場和控制中心的管理者。設(shè)置了報表查詢功能，查詢每天、每月pH值、濁度、和余氯的含量以及任意時間段的累計流量。將pH值，余氯等重要參數(shù)繪制成曲線，記錄發(fā)生異常時間等。

4.2 PLC與紫金橋軟件通訊設(shè)置

先打開西門子梯形圖軟件V4.0 STEP7 MicroWIN SP6，點擊左側(cè)導航欄里的“通信”圖標進入通信參數(shù)設(shè)置界面。雙擊“雙擊刷新”圖標找到CPU222并確認，本地PLC的地址設(shè)為2，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和傳輸速率按缺省設(shè)定，完成通信參數(shù)的設(shè)定。

紫金橋軟件中設(shè)備驅(qū)動選擇PLC，選擇西門子S7-200（PPI），填寫名稱水廠，設(shè)備地址 2，連接方式串口，數(shù)據(jù)更新周期1 s，超時時間3 s。下一步，串口COM1，波特率設(shè)置11520，數(shù)據(jù)位8，奇偶校驗無校驗，停止位1，附加設(shè)施GPRS廠家選擇廈門四信。GPRS名稱水廠1，偵聽端口5001，設(shè)備ID10000001。

4.3 主站與從站通訊設(shè)置

主站資金橋工程中點擊公共選項，選擇數(shù)據(jù)源，雙擊本地，彈出對話框，選擇遠程節(jié)點，主機IP地址為192.168.0.1，從機IP地址為192.168.0.3，點擊高級選項，彈出對話框，更新方式選擇周期查詢，周期10 ms，超時時限60 s，故障恢復數(shù)據(jù)打勾，選擇120 min，從站與主站設(shè)置相同，主站設(shè)置如圖3所示。

圖3 主站通訊設(shè)置Fig.3 Master communication settings

主機防火墻設(shè)置，雙擊控制面板中的防火墻，彈出對話框，點擊例外，點擊添加端口，名稱5001，端口號1998，選擇TCP。

4.4 GPRS配置

1）運行軟件Four-Faith IP Modem Config Tool V1.17軟件。工作狀態(tài)切換到“配置狀態(tài)”，選擇PC機所工作的COM1口，波特率115200，無校驗。串口線對IP MODEM和電腦進行連接，連接完成后對IP MODEM進行上電[6]。

2）開始對 IP MODEM中心服務器參數(shù)設(shè)置，IP地址192.168.0.1和端口號5001。

3）工作參數(shù)設(shè)置，工作模式PORT，激活方式AUTO，數(shù)據(jù)位8，奇偶校驗無校驗，停止位1，ID10000001。SIM卡號碼的設(shè)置13612345678。

以上設(shè)置已基本完成簡易的設(shè)置，其它項如無特別要求的可為默認，最后點擊左下角的保存，同時在右邊信息框中會提示設(shè)置成。

4.5 短信報警設(shè)置

紫金橋軟件雙擊點組態(tài)，彈出對話框選擇短信報警，點確定，點名為水廠短信報警，點擊短信設(shè)置，雙擊添加人員，填寫姓名李華和手機號13942386666。點擊報警設(shè)置，類型選擇按點名，添加報警變量，過濾條件選擇低報和高報，點擊添加報警按鈕，確定，點擊保存按鈕。如圖4所示。

圖4 短信報警設(shè)置Fig.4 SMS alarm settings

4.6 下位機程序軟件設(shè)計

PLC的軟件程序用梯形圖來編制，在STEP7 V4.0 SP6上實現(xiàn)。按照工藝流程順序控制整個過程，其程序流程如圖5所示。

5 結(jié)束語

利用先進PID和模糊PID控制技術(shù)對自來水的生產(chǎn)工藝進行自動控制和監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的智能化程度。結(jié)合水廠工藝流程，實現(xiàn)了節(jié)能降耗，取得了滿意的控制效果。該自控系統(tǒng)已經(jīng)成功應用于生產(chǎn)，并得到了自來水公司的好評。

[1]童詩白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]張越，張炎，趙延軍.基于單片機和模糊控制的水溫自動控制系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（4）:71－72.

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[5]賈貴禮，吳尚慶.組態(tài)軟件控制技術(shù)[M].北京:北京理工大學出版社，2007.

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