智能控制在乡镇水厂中的应用研究

(成都工业学院智能制造学院 四川 成都 610000)

近年来，随着四川各地经济的快速发展，由于乡镇人口大幅增加、人均用水量和企业用水量增加显著、自然水体污染加剧以及供水设施老化严重，使得四川农村地区饮水安全问题非常突出。而解决这些问题的办法就是运用智能控制和远程控制技术来建设技术较先进、供水质量好的水厂。本文通过充分研究了广安农村几个乡镇水厂自控系统存在的问题，采用智能控制的技术来设计适合当地乡镇水厂的智能控制算法。

一、原控制系统分析

在乡镇水厂的整个工艺流程中，整个控制系统属于一个时变非线性控制系统，其中的恒压供水控制就是一种非线性系统。对于这种系统，系统的建模非常困难，很难实现精确控制。本文将以水厂恒压供水控制为例进行研究。由于PID控制不需要建立系统精确的数学模型，而且其鲁棒性较强，因此在工控领域PID控制占百分之九十以上。所以在本项目中，下位机还是使用PID控制算法。但是整个系统单靠下位机运行传统的PID算法还是不够的，这是因为对于本项目这种时变控制系统，其系统参数一旦变化，原有的P、I、D参数还是保持不变，在原有工况下运行良好的系统，可能会在新工况下产生调节缓慢、系统不稳定等问题。

二、控制算法改进

以送水泵房恒压供水为例，通过借鉴专家控制的基本原理和思路，首先分析本项目中引起各种工况可能的原因，同时通过对系统试运行时各种数据的采集分析，形成一定的知识库、规则控制集等。如果发现有新的工况或者新的引起某工况的原因，就可以增加知识库的规则。相反的，若发现有的规则不合理，则可以从知识库删除。在系统运行时，将随时根据规则集从经验数据库中查找当前工况相适应的控制参数。具体的，在乡镇集中供水项目中，供水量除了和季节、气温等紧密相关外，还因为农村的人口流动，在传统节假日(特别是清明、春节等)会因为返乡人口突然增多、节后离乡而改变。对于这种情况，本系统拟采用这样的设计思路：本系统的下位机中还是使用经典的PID算法控制，其PID参数可以采用FX-5U自带的自整定功能或通过人工调试获得。但因为自整定过程较长，不可能每次工况巨变时采用自整定功能。所以可按气温分区，按浊度、流量分区，按用水人口(结合传统节日返乡时间分析)分区，在几个典型的情况，做相应的自整定测试，再加上人工微调(基于原水加氯加药实验分析、管网末端水压水质分析)，得到不同分区下适合的比例P、积分I、微分D参数。再通过力控7.0的配方功能，将PID参数存为对应不同情况的“配方”，当控制程序通过对各个数据分析，再调出不同“配方”并下传给各控制单元，控制单元就按此参数执行控制。中控系统通过计算，根据传感器检测的数据和系统管理员预存的各种表格参数(如人口变动情况)，再考虑相应权重计算出配方序号，通过配方表找到对应工控的P、I、D参数，然后通过通信网络下发给有关控制单元的PLC,控制原理框图如图1所示(以送水泵房恒压供水控制为例)。

图1 送水泵房恒压供水控制原理图

本控制系统的具体控制功能是尽量下放到各分散控制单元的，但一些管理功能还是要集中在中控系统中。在力控7.0开发系统中，提供了动作脚本解释运行系统，具有一套较为完善、功能丰富的面相对象的程序语言系统，其语法类似于PASCAL语言。通过这个脚本程序系统，就可以完成一些在下位机PLC上不能完成或者很难实现的算法程序。使用脚本程序可以增强监控系统的功能和操控的灵活性。例如：在工艺流程主窗口上，通过鼠标点击激活显示相应功能分区的子窗口界面，就是用键脚本(按下鼠标或键盘是执行的特定动作)来实现的。所有的脚本程序都是事件驱动的。事件可以是数据改变(可以用于参数超极限报警)、条件、鼠标或键盘、计时器等。对事件的响应由对应的脚本程序来完成。除了上述的键脚本，力控7.0还提供窗口脚本、应用程序脚本、数据改变脚本、条件脚本等类型。其中的窗口脚本和应用程序脚本还分为进入时动作，即一次性执行程序，一般用于初始化；运行期间动作，用于周期性扫描程序，这对于控制系统是非常实用的，可以构造“软PLC”功能；退出时动作，退出时执行一次程序，一般用于退出时数据保存，数据清零等。以送水恒压控制为例,选择应用程序动作的程序运行周期执行，因为参数修改的周期较长，所以将程序运行周期设置为最大(32767ms)。图2是送水恒压控制PID参数计算算法流程图。

图2 送水泵房恒压控制PID参数计算算法流程图

三、结语

本文所研究的控制算法已在达州某乡镇水厂试运行一年以上，经过试运行期间的多次修改升级，现系统运行稳定，供水压力稳定，符合设计要求。本文所述之控制方法在其他类似的应用环境中也有较大的推广价值。