PID控制器在农村供水工程控制系统中的应用——以红谷田水库为例

杨在华，尹自萍

（云南省施甸县水务局，云南 保山，678200）

水库水源是农村供水工程中的主要饮用水源。通常，农村供水量由水库管理单位进行调度。供水水质在符合地表水质量标准的同时，水库管理单位须即时向供水运营单位提供流量、压力等参数。而通过在农村供水自动化系统中安装PID自动控制器，供水运营单位可及时获取供水信息，不但提高了农村供水工程信息化管理水平，而且还实现了科学化的调度供水[1-3]。农村供水工程控制系统一般由水库控制子系统、进出厂监控子系统、加药自控子系统、消毒自控子系统、自用水自控子系统、排泥阀控制子系统及水厂管理中心组成[4]。

水库控制子系统的功能是自动控制、调节供水量。通常由水库管理单位进行调度，供水运营单位显示、记录各参数信息。进出厂监控子系统的功能是监控进厂水流量、水压、出厂水流量、清水池液位计液位、浊度仪的浊度值参数等。加药自控子系统功能是监控水厂加药系统的各设备运行参数。加氯自控子系统功能是监控加氯系统的各设备运行参数及状态，以及加氯值、余氯值、漏气报警等。自用水自控子系统功能是通过高位水箱水位信号，控制自用水泵启停。排泥阀控制子系统功能是监控排泥阀的运行状态并控制上述设备的启停。以上子系统的数据均采集到水厂中心管理站，并由计算机接收与显示PLC采集的水厂加药系统、水厂排泥设备和水厂加氯系统的主要参数和报警数据。同时，能够实时、准确地对控制工艺中要求控制的设备进行控制，并对主要工艺流程进行模拟显示，然后将数据转储至数据报表计算机。

水库控制系统是农村供水工程自动控制系统的重要组成部份，也是严格水资源管理与取水许可的具体措施。本文以云南省施甸县红谷田水库为例，开展了PID控制技术在农村供水自动化系统中的应用，介绍了PID比例、积分、微分控制技术，并采用临界比例度法现场调试整定PID控制器参数，实现了农村供水工程水库供水的远程、精确调控[5]，提高了水资源的利用率。

1 运行管理现状

我国的农村供水工程大多数由水库供水，一般将引水管接入水库内。库内取水有深层和表层两种取水方式，取水计量由下游的水厂采用闸阀进行人工调控。由于水库的功能通常具有农业灌溉和农村供水两种，红谷田水库采用了下游水厂进行调控取水量，其存在的主要问题如下：

（1）计量设施不完善，水资源管理粗放，水资源利用率低；

（2）“跑冒滴漏”和“爆管”突出，造成水资源浪费；

（3）节水降损意识不强，无人管理。

2 PID控制系统设计

2.1 系统组成

红谷田水库总库容1 190.3万m3，水库年供水量1 505.9万m3。其中，农村人畜供水量204.9万m3，农业灌溉供水量1 301.0万m3。下游河道生态放水量244万m3。农村人畜供水、下游河道生态放水采用库内表层取水的方式，农业灌溉用水采用闸门开启供水的方式。在输水隧洞出口设置控制室，室内分别布置供水管、生态放水管。上述管道均采用DN300无缝钢管供水或放水。同时，分别在供水管、生态放水管安装电动闸阀、电磁流量计、流量控制阀、压力表，控制、调节供水量和生态放水量。每套计量和控制设备投资7.6万元，其中：闸阀、流量计投资7.1万元，S7-200SMARTPLC控制器0.5万元。

水库供水控制系统一般由水库管理中心、现场监控站组成。现场监控站由PLC控制柜、电动闸阀、电磁流量计、流量控制阀、压力表等设备组成。详见图1。

图1 农村供水工程现场监控站

2.2 系统布置

现场监控站位于控制室，监控站内布置PLC控制柜及辅助设备，并通过光纤以太网连接水库管理中心。为实现农村供水和生态放水的自动控制，布置了一套西门子S7-200SMARTPLC控制器。同时，对两个电动闸阀进行现地手动控制和远程控制，对两个流量控制阀进行现地手/自动和远程自动控制。

2.3 系统功能

系统功能包括：现地操控、远程操控、调节供水量。

2.3.1 现地操控

操作人员在控制柜上可以观察到供水管、生态放水管的压力、流量、阀门开度等各种运行状态和运行参数。可通过控制柜上的按钮对电动闸阀、流量控制阀进行手动开关控制，并用控制柜上的电位器对流量控制阀进行自动控制。

2.3.2 远程操控

在控制中心，操作人员通过人机对话窗口，可实时监测农村供水和生态放水的运行状态，并对相应阀门进行远程操控。

（1）电动闸阀，可通过人机界面进行远程开关控制；

（2）流量控制阀，可在电脑上设置阀门开度，确认命令发出后，PLC控制相应的电动控制阀运行到该设定开度，即为远程手动控制；

（3）设置供水管、生态放水管出流量。命令下到PLC后，由PLC自动控制流量控制阀开度以实现流量达到设定值，并且在来水量及供水压力发生变化时，不需管理人员干预，PLC均能自动控制流量控制阀开度保证出流量的恒定，即任何时刻均保持为设定流量。

2.4 PID参数设置

为实现供水管道的恒流量控制，本系统设计的过程中采用了PID控制算法。PID控制虽然在工业控制中已普遍应用，但在农村供水系统中，因以往供水需求比较粗放，所以应用并不多见。随着经济和社会的发展，人民生活水平不断提高，对水资源的需求越来越大，对供水流量的计量和控制提出了更高要求。PID控制图如图2所示。

图2 PID控制图

PID控制即为比例积分微分控制，是最早发展起来的控制策略之一。经典控制理论在实际控制系统中的应用就是PID控制器。其具有可靠性高、稳定性好、算法简单的特点。PID控制算法是闭环控制算法，闭环控制的核心即为反馈，PID控制器的给定值和实际输出的反馈值之差称为偏差。将偏差按比例（P）、积分（I）和微分（D）作用相加构成控制量，对被控对象进行控制。其数学表达式如下：

在设计和应用PID控制器的过程中，PID参数的选取是一个难题。PID控制器的参数选取必须兼顾动态与静态性能指标要求。PID参数的设置主要为设置和调整控制器的Kp、Ki和Kd三个参数，以获得比较满意的控制性能，并使得控制系统在调试后满足运行管理的要求。

理论计算法和工程整定法是PID控制器参数的主要设定方法。理论计算法得到的参数实际上也需要通过试验进行修正才能应用，所以工程实际应用中多数采用工程整定法。经验试凑法在工程整定法中应用较为广泛，其它各种整定方法也各有优、缺点。但其共同之处就是按照工程经验公式对控制器参数进行整定，必须在实际运行中进行修正与完善，才能得到较好的控制效果。在本系统中，采用的是临界比例度法进行参数整定，进行试验整定的步骤如下：

（1）积分时间（I）设为最大值，微分时间（D）设为零，选择较大的适当值比例（P），控制器为纯比例作用，此时将系统投入自动运行；

（2）从大到小逐渐改变比例度值，每改变一次观察一定时间，直到系统出现临界振荡过程，此时记下临界比例度和临界振荡周期；

（3）根据前面得到的临界值，按经验公式表1计算得到PID控制器各个参数。

表1 临界比例度法参数计算公式表

（4）计算求得各参数后，按比例、积分、微分的顺序将各参数设为计算值，并反复进行微调，达到最佳控制效果为止。

图3为试验中临界振荡图和最后的控制效果图。

图3 临界振荡图与效果图

2.5 PID控制分析

农村供水工程规模小、点多面广。水源分散，水源至水处理厂距离较长。由于投资等因素的制约，暂不具备构建自动化信息系统的条件。因此，在多数农村供水工程中，面临无自动化控制设备的情形。同时，一部分农村供水工程的水处理虽具备加药、消毒等自动化的措施，但无专业管理人员。一些自动控制系统经过一段时间的运行，由于长期缺乏管理造成其逐渐瘫痪。此外，大部份农村供水工程采用的是人工控制设备，无疑增加了运行成本[5]。

随着人民生活水平的不断提高，生活用水量越来越大，尤其是最高日、最高时的用水高峰期。加之供水处理厂调节能力有限，往往造成部分用户用水困难。上述问题的有效解决方案为：增加水库供水量和科学调度供水。水库供水控制技术通过利用PID控制原理，并运用临界比例度法现场调试整定得到PID控制器参数。在供水运行中，让时间、水压、流量3个参数自动进行在线调整，不断优化PID控制系统，从而适应时间、水压、流量不断变化的供水系统。其解决了控制设施不完善，频繁调整供水量的运行难题，实现农村供水工程水库供水的远程、精确调控，并提高了水资源利用率。

3 结语

农村供水工程水库供水计量和控制采用SIMATIC S7-200SMART控制设备，其具有抗干扰能力强、工作可靠性高、平均无故障时间长的优势。通过运用成熟的PID控制算法，实现了对红谷田水库供水的远程、精确控制。通过近两年的运行，水库控制系统操作方便、运行精准，提高了水库的运行管理能力。随着水利信息化水平的提高，供水自动化需求日益增长，该系统可在农村供水工程自动控制系统中进一步广泛使用，使我国水利自动化水平得到不断提高。