一种基于PI控制策略的自动化水泵调频脚本设计方法

［摘 要］在水处理行业，稳定的进水水量是保持出水水质稳定的关键。目前，大多数生活污水提升泵站所采用的浮球与变频频率调节相结合的控制方式，普遍存在出水稳定性不够、水泵单元能耗浪费较高、无法与污水处理厂联动调控等问题。文章介绍了一种在组态软件WinCC 上基于PI 控制策略来实现水泵自动化调频的脚本编程方法，该方法可以根据污水处理厂的实际水量需求反馈至生活污水提升泵站，并实时稳定泵站的出水水量，达到稳定水量、节约能耗、联动控制的目的。基于组态软件WinCC 的普遍性，该方法能够有效并广泛应用于水处理行业，并且已达到预期效果。

［关键词］PI 控制；污水处理厂；自动化控制；WinCC 脚本；节能降耗

［中图分类号］TP29 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）04–0163–03

1 背景

市政排水管网大多采用树状结构，生活污水通过管网分支汇入主提升泵站，再由主提升泵站提升至污水处理厂进行处理并达标排放。现有的生活污水提升泵站大多数都不安排值班人员，只有巡视人员定时巡视。单一依靠浮球加变频频率调节的控制策略，通常会导致水泵机组的频繁启停，这不仅缩短了设备的使用寿命，而且增加了能耗，同时流量的频繁变化还将对后续生物处理单元造成冲击，不利于后续处理单元的稳定运行。

组态软件WinCC 是一个可在Microsoft Windows或Microsoft Windows Server 下使用的功能强大的HMI 系统。WinCC 提供的脚本功能十分强大，可同时实现对在线过程仪表的监控和对设备进行控制。

2 PI控制策略及WinCC脚本概述

2.1 PI控制策略

PI 控制与PID 控制在工业领域中的应用十分广泛。PI 控制使用了比例（P）、积分（I）两种控制行为，PID 控制则多了微分（D）的控制行为。虽然PID 控制相比PI 控制能够减少更多的干扰，使系统运行更加稳定，但因为PID 控制多了一个微分（D）参数需要调整，设计的复杂程度及调试难度均上升。综合考虑，文章介绍的自动化泵站调频脚本选择了编程难度更低、参数更加好调整的PI 控制作为该系统的控制策略。

文章所述PI 控制策略，将污水处理厂实际运行情况所反馈的需求水量设为生活污水提升泵站的目标出水水量，再根据生活污水提升泵站出水流量计得到的实际出水水量反馈至PI 控制来调节水泵运行频率。此方法将生活污水提升泵站与污水处理厂实际运行情况相结合，能够使污水处理厂进水量保持在最优状态，对节能降耗、稳定出水水质等方面有显著效果。PI 控制流程如图1 所示。

2.2 WinCC脚本介绍

在工业行业的安全自动化生产线中，经常运用上位机与下位机软件联合控制。传统的控制方法多为上位机软件与下位机软件通过PPI 协议进行主从式通信，这种通信方式程序复杂难懂，且不易现场调试，程序的后期扩展性不足。而脚本编程具备上手难度低、易操作、易调试等优点，且组态软件WinCC 支持VB 脚本与C 脚本两种功能，可以实现报警、读写变量、控制设备、在线仪表数据读取、数据归档等功能。据此，文章利用脚本编程的形式，实现基于PI 控制策略的生活污水提升泵站的自动调频功能。

3 实际应用情况

3.1 实例概况

以某污水处理厂及配套提升泵站为对象，该污水处理厂主提升泵站采用3 台（两用一备）30 kW 潜水泵（200QW450–10–30 kW）及配套施耐德变频器（ATV610–30 kW），在该污水处理厂总生活污水进水管（DN400）上安装了电磁流量计（E+H W 400 型），生活污水主提升泵站PLC 为西门子S7–200 SMART，该污水处理厂生化处理工艺为A2O+MBR 膜， 在MBR 膜出水管道（DN200）上安装了电磁流量计（E+HW400 型），组态软件WinCC 版本号为V7.4。由于该厂MBR 膜正处于调试阶段，对进水水量较为敏感，所以自动化泵站调频系统至关重要。污水处理厂流程如图2所示。

3.2 PI控制策略设计

PI 控制包含比例控制与积分控制，如式（1）所示：

式中，u（t）为计算输出值，KP为比例系数，e（t）为目标流量与实际流量之间的误差，KI为积分系数。

在一般情况下，水泵的出水流量与频率成正比。将不同变频频率下的出水流量数据进行整合分析，可以得出一个近似水泵实际运行情况的公式，将该公式代入PI 控制器进行模拟运算，使KP 与KI 系数达到最优状态后，将KP 与KI 系数代入至系统中运行，并且通过脚本功能将运行过程中产生的频率、出水流量、误差值等信息保存至数据库内。在运行一段时间后，对数据库内信息进行整合分析，再次优化KP 与KI 系数，使系统以最优状态运行。

3.3 WinCC脚本设计

该控制系统包含泵站中的3套潜水泵及配套变频、1 台泵站出水流量计（即污水处理厂生活污水进水流量计）及1 台MBR 膜出水流量计。3 台潜水泵的最低频率均设为15 Hz，最高频率均设为50 Hz。该脚本设置20 s 延时时间以等待泵站出水流量计数值稳定，且设置水泵故障报警、高低水位报警、高水位启动应急备用水泵、低水位停泵等功能。脚本框架如图3 所示。

脚本可读取组态软件WinCC 中的在线数据，如液位、设备状态等信息，通过这些信息建立了高低液位报警及设备故障报警功能，同时可以将设备运行时间累计在数据库中。根据设备累计运行时间，可以使脚本自动切换两台主常用泵。严格按照设备运行时间进行保养，能够使设备保持在最优工况，也能够使该系统运行得更稳定。

3.4 实际运行情况

通过修正KP 与KI 系数，使实际出水流量曲线与设定目标曲线相吻合。图4 为泵站出水流量曲线对比图（根据MBR 膜出水要求设定目标水量为284 m3/h）。由图4 可知，使用PI 控制后，出水流量不受用水高、低峰期的影响，能保持泵站出水流量的稳定输出，达到了预期效果。图5 为PI 控制下的水泵运行频率变化曲线，图6 为泵站液位变化曲线对比。

由图5、图6 可知，在采用PI 控制自动化调频后，泵站出水泵的变频频率与泵站液位趋势方向相反，这是因为在高液位情况下，水泵的实际扬程变小而流量变大，为保持稳定的流量输出，PI 控制降低了频率，所以自动化调频能够大幅降低水泵能耗。

4 结论

针对该污水处理厂对稳定进水水量的实际需求，文章基于PI 控制原理，利用组态软件WinCC 中的脚本编程功能，编写了一个能够实现与该污水处理厂实际需求水量联动的多功能泵站自动化调频脚本。通过实地运行调试发现，此脚本具有以下优点。

（1）能够根据在线过程仪表的数据反馈自动调节生活污水提升泵站的出水水泵频率，使泵站出水流量与污水处理厂实际需求流量相吻合，将污水处理厂的进水流量保持在最优状态，从而稳定出水指标。

（2）能够消除在用水高、低峰期产生的泵站液位波动带来的泵站出水流量波动，减少对生物处理单元造成的冲击。

（3）可在泵站液位上涨时期自动降低水泵频率，从而降低水泵运行能耗，实现节能减排的目的。

（4）兼具设备维保指示功能，可通过累计运行时间指示保养，使设备处于最佳状态。

参考文献

[1] 赵冬泉，佟庆远，王浩昌，等. 城市污水处理智能控制技术介绍[J]. 水工业市场，2010（5）：12-16.

[2] 高君，张欲立，刘丽红，等. 基于WINCC 的 VB 与 PLC联合控制系统[J]. 新技术新工艺，2011（12）：103-105.

[3] 张亚明，高晓丁. 基于PID 控制技术的供水网控制系统设计[J]. 西安工程大学学报，2015，29（5）：578-582.