楊在華，尹自萍

（云南省施甸縣水務(wù)局，云南 保山，678200）

水庫(kù)水源是農(nóng)村供水工程中的主要飲用水源。通常，農(nóng)村供水量由水庫(kù)管理單位進(jìn)行調(diào)度。供水水質(zhì)在符合地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，水庫(kù)管理單位須即時(shí)向供水運(yùn)營(yíng)單位提供流量、壓力等參數(shù)。而通過(guò)在農(nóng)村供水自動(dòng)化系統(tǒng)中安裝PID自動(dòng)控制器，供水運(yùn)營(yíng)單位可及時(shí)獲取供水信息，不但提高了農(nóng)村供水工程信息化管理水平，而且還實(shí)現(xiàn)了科學(xué)化的調(diào)度供水[1-3]。農(nóng)村供水工程控制系統(tǒng)一般由水庫(kù)控制子系統(tǒng)、進(jìn)出廠監(jiān)控子系統(tǒng)、加藥自控子系統(tǒng)、消毒自控子系統(tǒng)、自用水自控子系統(tǒng)、排泥閥控制子系統(tǒng)及水廠管理中心組成[4]。

水庫(kù)控制子系統(tǒng)的功能是自動(dòng)控制、調(diào)節(jié)供水量。通常由水庫(kù)管理單位進(jìn)行調(diào)度，供水運(yùn)營(yíng)單位顯示、記錄各參數(shù)信息。進(jìn)出廠監(jiān)控子系統(tǒng)的功能是監(jiān)控進(jìn)廠水流量、水壓、出廠水流量、清水池液位計(jì)液位、濁度儀的濁度值參數(shù)等。加藥自控子系統(tǒng)功能是監(jiān)控水廠加藥系統(tǒng)的各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。加氯自控子系統(tǒng)功能是監(jiān)控加氯系統(tǒng)的各設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)，以及加氯值、余氯值、漏氣報(bào)警等。自用水自控子系統(tǒng)功能是通過(guò)高位水箱水位信號(hào)，控制自用水泵啟停。排泥閥控制子系統(tǒng)功能是監(jiān)控排泥閥的運(yùn)行狀態(tài)并控制上述設(shè)備的啟停。以上子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)均采集到水廠中心管理站，并由計(jì)算機(jī)接收與顯示PLC采集的水廠加藥系統(tǒng)、水廠排泥設(shè)備和水廠加氯系統(tǒng)的主要參數(shù)和報(bào)警數(shù)據(jù)。同時(shí)，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)控制工藝中要求控制的設(shè)備進(jìn)行控制，并對(duì)主要工藝流程進(jìn)行模擬顯示，然后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲(chǔ)至數(shù)據(jù)報(bào)表計(jì)算機(jī)。

水庫(kù)控制系統(tǒng)是農(nóng)村供水工程自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部份，也是嚴(yán)格水資源管理與取水許可的具體措施。本文以云南省施甸縣紅谷田水庫(kù)為例，開(kāi)展了PID控制技術(shù)在農(nóng)村供水自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用，介紹了PID比例、積分、微分控制技術(shù)，并采用臨界比例度法現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試整定PID控制器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村供水工程水庫(kù)供水的遠(yuǎn)程、精確調(diào)控[5]，提高了水資源的利用率。

1 運(yùn)行管理現(xiàn)狀

我國(guó)的農(nóng)村供水工程大多數(shù)由水庫(kù)供水，一般將引水管接入水庫(kù)內(nèi)。庫(kù)內(nèi)取水有深層和表層兩種取水方式，取水計(jì)量由下游的水廠采用閘閥進(jìn)行人工調(diào)控。由于水庫(kù)的功能通常具有農(nóng)業(yè)灌溉和農(nóng)村供水兩種，紅谷田水庫(kù)采用了下游水廠進(jìn)行調(diào)控取水量，其存在的主要問(wèn)題如下：

（1）計(jì)量設(shè)施不完善，水資源管理粗放，水資源利用率低；

（2）“跑冒滴漏”和“爆管”突出，造成水資源浪費(fèi)；

（3）節(jié)水降損意識(shí)不強(qiáng)，無(wú)人管理。

2 PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

紅谷田水庫(kù)總庫(kù)容1 190.3萬(wàn)m3，水庫(kù)年供水量1 505.9萬(wàn)m3。其中，農(nóng)村人畜供水量204.9萬(wàn)m3，農(nóng)業(yè)灌溉供水量1 301.0萬(wàn)m3。下游河道生態(tài)放水量244萬(wàn)m3。農(nóng)村人畜供水、下游河道生態(tài)放水采用庫(kù)內(nèi)表層取水的方式，農(nóng)業(yè)灌溉用水采用閘門開(kāi)啟供水的方式。在輸水隧洞出口設(shè)置控制室，室內(nèi)分別布置供水管、生態(tài)放水管。上述管道均采用DN300無(wú)縫鋼管供水或放水。同時(shí)，分別在供水管、生態(tài)放水管安裝電動(dòng)閘閥、電磁流量計(jì)、流量控制閥、壓力表，控制、調(diào)節(jié)供水量和生態(tài)放水量。每套計(jì)量和控制設(shè)備投資7.6萬(wàn)元，其中：閘閥、流量計(jì)投資7.1萬(wàn)元，S7-200SMARTPLC控制器0.5萬(wàn)元。

水庫(kù)供水控制系統(tǒng)一般由水庫(kù)管理中心、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站組成?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站由PLC控制柜、電動(dòng)閘閥、電磁流量計(jì)、流量控制閥、壓力表等設(shè)備組成。詳見(jiàn)圖1。

圖1 農(nóng)村供水工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站

2.2 系統(tǒng)布置

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控站位于控制室，監(jiān)控站內(nèi)布置PLC控制柜及輔助設(shè)備，并通過(guò)光纖以太網(wǎng)連接水庫(kù)管理中心。為實(shí)現(xiàn)農(nóng)村供水和生態(tài)放水的自動(dòng)控制，布置了一套西門子S7-200SMARTPLC控制器。同時(shí)，對(duì)兩個(gè)電動(dòng)閘閥進(jìn)行現(xiàn)地手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制，對(duì)兩個(gè)流量控制閥進(jìn)行現(xiàn)地手/自動(dòng)和遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

2.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能包括：現(xiàn)地操控、遠(yuǎn)程操控、調(diào)節(jié)供水量。

2.3.1 現(xiàn)地操控

操作人員在控制柜上可以觀察到供水管、生態(tài)放水管的壓力、流量、閥門開(kāi)度等各種運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)?？赏ㄟ^(guò)控制柜上的按鈕對(duì)電動(dòng)閘閥、流量控制閥進(jìn)行手動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，并用控制柜上的電位器對(duì)流量控制閥進(jìn)行自動(dòng)控制。

2.3.2 遠(yuǎn)程操控

在控制中心，操作人員通過(guò)人機(jī)對(duì)話窗口，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)村供水和生態(tài)放水的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)相應(yīng)閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程操控。

（1）電動(dòng)閘閥，可通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)控制；

（2）流量控制閥，可在電腦上設(shè)置閥門開(kāi)度，確認(rèn)命令發(fā)出后，PLC控制相應(yīng)的電動(dòng)控制閥運(yùn)行到該設(shè)定開(kāi)度，即為遠(yuǎn)程手動(dòng)控制；

（3）設(shè)置供水管、生態(tài)放水管出流量。命令下到PLC后，由PLC自動(dòng)控制流量控制閥開(kāi)度以實(shí)現(xiàn)流量達(dá)到設(shè)定值，并且在來(lái)水量及供水壓力發(fā)生變化時(shí)，不需管理人員干預(yù)，PLC均能自動(dòng)控制流量控制閥開(kāi)度保證出流量的恒定，即任何時(shí)刻均保持為設(shè)定流量。

2.4 PID參數(shù)設(shè)置

為實(shí)現(xiàn)供水管道的恒流量控制，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中采用了PID控制算法。PID控制雖然在工業(yè)控制中已普遍應(yīng)用，但在農(nóng)村供水系統(tǒng)中，因以往供水需求比較粗放，所以應(yīng)用并不多見(jiàn)。隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，人民生活水平不斷提高，對(duì)水資源的需求越來(lái)越大，對(duì)供水流量的計(jì)量和控制提出了更高要求。PID控制圖如圖2所示。

圖2 PID控制圖

PID控制即為比例積分微分控制，是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一。經(jīng)典控制理論在實(shí)際控制系統(tǒng)中的應(yīng)用就是PID控制器。其具有可靠性高、穩(wěn)定性好、算法簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。PID控制算法是閉環(huán)控制算法，閉環(huán)控制的核心即為反饋，PID控制器的給定值和實(shí)際輸出的反饋值之差稱為偏差。將偏差按比例（P）、積分（I）和微分（D）作用相加構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

在設(shè)計(jì)和應(yīng)用PID控制器的過(guò)程中，PID參數(shù)的選取是一個(gè)難題。PID控制器的參數(shù)選取必須兼顧動(dòng)態(tài)與靜態(tài)性能指標(biāo)要求。PID參數(shù)的設(shè)置主要為設(shè)置和調(diào)整控制器的Kp、Ki和Kd三個(gè)參數(shù)，以獲得比較滿意的控制性能，并使得控制系統(tǒng)在調(diào)試后滿足運(yùn)行管理的要求。

理論計(jì)算法和工程整定法是PID控制器參數(shù)的主要設(shè)定方法。理論計(jì)算法得到的參數(shù)實(shí)際上也需要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行修正才能應(yīng)用，所以工程實(shí)際應(yīng)用中多數(shù)采用工程整定法。經(jīng)驗(yàn)試湊法在工程整定法中應(yīng)用較為廣泛，其它各種整定方法也各有優(yōu)、缺點(diǎn)。但其共同之處就是按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定，必須在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行修正與完善，才能得到較好的控制效果。在本系統(tǒng)中，采用的是臨界比例度法進(jìn)行參數(shù)整定，進(jìn)行試驗(yàn)整定的步驟如下：

（1）積分時(shí)間（I）設(shè)為最大值，微分時(shí)間（D）設(shè)為零，選擇較大的適當(dāng)值比例（P），控制器為純比例作用，此時(shí)將系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行；

（2）從大到小逐漸改變比例度值，每改變一次觀察一定時(shí)間，直到系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩過(guò)程，此時(shí)記下臨界比例度和臨界振蕩周期；

（3）根據(jù)前面得到的臨界值，按經(jīng)驗(yàn)公式表1計(jì)算得到PID控制器各個(gè)參數(shù)。

表1 臨界比例度法參數(shù)計(jì)算公式表

（4）計(jì)算求得各參數(shù)后，按比例、積分、微分的順序?qū)⒏鲄?shù)設(shè)為計(jì)算值，并反復(fù)進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到最佳控制效果為止。

圖3為試驗(yàn)中臨界振蕩圖和最后的控制效果圖。

圖3 臨界振蕩圖與效果圖

2.5 PID控制分析

農(nóng)村供水工程規(guī)模小、點(diǎn)多面廣。水源分散，水源至水處理廠距離較長(zhǎng)。由于投資等因素的制約，暫不具備構(gòu)建自動(dòng)化信息系統(tǒng)的條件。因此，在多數(shù)農(nóng)村供水工程中，面臨無(wú)自動(dòng)化控制設(shè)備的情形。同時(shí)，一部分農(nóng)村供水工程的水處理雖具備加藥、消毒等自動(dòng)化的措施，但無(wú)專業(yè)管理人員。一些自動(dòng)控制系統(tǒng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，由于長(zhǎng)期缺乏管理造成其逐漸癱瘓。此外，大部份農(nóng)村供水工程采用的是人工控制設(shè)備，無(wú)疑增加了運(yùn)行成本[5]。

隨著人民生活水平的不斷提高，生活用水量越來(lái)越大，尤其是最高日、最高時(shí)的用水高峰期。加之供水處理廠調(diào)節(jié)能力有限，往往造成部分用戶用水困難。上述問(wèn)題的有效解決方案為：增加水庫(kù)供水量和科學(xué)調(diào)度供水。水庫(kù)供水控制技術(shù)通過(guò)利用PID控制原理，并運(yùn)用臨界比例度法現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試整定得到PID控制器參數(shù)。在供水運(yùn)行中，讓時(shí)間、水壓、流量3個(gè)參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行在線調(diào)整，不斷優(yōu)化PID控制系統(tǒng)，從而適應(yīng)時(shí)間、水壓、流量不斷變化的供水系統(tǒng)。其解決了控制設(shè)施不完善，頻繁調(diào)整供水量的運(yùn)行難題，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村供水工程水庫(kù)供水的遠(yuǎn)程、精確調(diào)控，并提高了水資源利用率。

3 結(jié)語(yǔ)

農(nóng)村供水工程水庫(kù)供水計(jì)量和控制采用SIMATIC S7-200SMART控制設(shè)備，其具有抗干擾能力強(qiáng)、工作可靠性高、平均無(wú)故障時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)運(yùn)用成熟的PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)紅谷田水庫(kù)供水的遠(yuǎn)程、精確控制。通過(guò)近兩年的運(yùn)行，水庫(kù)控制系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行精準(zhǔn)，提高了水庫(kù)的運(yùn)行管理能力。隨著水利信息化水平的提高，供水自動(dòng)化需求日益增長(zhǎng)，該系統(tǒng)可在農(nóng)村供水工程自動(dòng)控制系統(tǒng)中進(jìn)一步廣泛使用，使我國(guó)水利自動(dòng)化水平得到不斷提高。