基于PCS7控制系统的PIDConL功能块在净水厂的应用

摘要：本文主要介绍了PCS7过程控制系统的PID功能块PIDConL的应用和基于PIDConL的分程控制、串级控制、程序控制的实现过程，包括工作模式选择、设定值处理、报警消息等。并结合丁栅净水厂的工艺设计在恒压控制、补氯投加控制、絮凝剂投加控制的实际应用进行详细阐述。

关键词：PCS7 ; PID; PIDConl; 恒压; 加氯; 加药.

Abstract: This paper introduces the PID function block （PIDConL）in the Application of PCS7 process control system and the implementation process of sub-process control, cascade control, Program control based on PIDConL, including the operating mode selection, processing settings, alarming messages. A practical application of constant pressure control , complement chlorine dosing control and flocculant dosing control combined with the process design in DIngShan waterworks is described in detail.

Keywords: PCS7； PID；PIDConL；Isobarically; Chlorine dosing; Flocculent dosing;;

中图分类号：TV213.9 文献标识码：A

前 言

Simatic PCS7系统[1]具有独特的开放式平台，结合了DCS和 PLC 的优点，采用了统一的软件开发环境，控制层和操作层实现统一的变量管理；Simatic PCS7系统使用工艺分级配置，使用户可以按照净水厂的工艺进行组态，分为系统级、子系统级、设备级、仪表控制回路等级别。

净水厂所应用的DCS或PLC控制系统各不相同，但要实现其关键工艺点（加氯、加药、恒压）都离不开PID控制，简洁的算法、稳定的性能是PID调节关键。在PCS 7 的高级过程库APL中提供了功能强大的PID块——PIDConL，该功能块可方便实现单回路、多回路、串级、超驰、分程等常见的控制形式。

一、工艺简介

嘉善县丁栅水厂设计规模为制水10万吨/日。采用生物预处理+常规净化处理+臭氧活性炭深度处理工艺，很好地解决太湖流域原水水质富营养问题。主要由药剂投加（混凝剂投加、高锰酸钾投加、微絮凝投加）、絮凝沉淀、滤池过滤（V型砂滤池和活性炭翻板滤池）、臭氧消毒、液氯投加、增压送水、原水提升等工艺组成，工艺流程如图1-1所示：

图1-1

丁栅水厂深度处理工艺复杂和自动化要求高，涉及到众多的单回路控制和串级控制，如：加药控制、加氯控制、曝气控制等，都是水处理行业控制难点，故本系统采用了西门子公司PCS7过程控制系统(AS417)，过程控制系统由高性能的冗余PLC（AS417-4-2H）系统来组成，遵循分散控制和集中管理原则。按控制功能和工艺要求配置的硬件结构如图1-2所示：

图1-2

该系统从2010年在丁栅水厂投入运行以来，运行情况良好，性能稳定可靠。提升了制水水质控制性能，嘉善县丁栅水厂的出厂水水质达到了2006年颁发的国家饮用水水质标准。

二、PIDConL块基本介绍

在PCS7的高级过程库APL中提供了三种PID控制功能块：PIDConL、PIDConR、PIDStepL。其中PIDConL是连续PID控制器，即输出是连续的控制值，相对应地，通过适当的参数设置和扩展组合，使用PIDConL功能块可以方便地实现如下控制： 固定设定值控制、层级控制、比值控制、分程控制。

PIDConL功能块不但具备设定值的选择流程、手自动的切换方式等基本PID功能，而且PIDConLPID功能块还能实现如下功能：

程序控制模式；

设定的斜坡函数；

显示偏差值的相关消息；

比例和积分计算的函数处理；

添加了控制带的功能；

新功能使得PIDConL在优化控制算法的同时，能够满足更多的控制需求。功能变化如图2-1所示：

图2-1

1 . PIDConL块基本回路

PIDConL功能块在使用中，连接过程值的驱动块PCS7 AnIn的PV_Out到PIDConL的PV端，功能块的输出MV可以输出到驱动块PCS7 AnOu的PV_IN，即可实现基本的单回路PID控制，如图2-2所示：

图 2－2

2．PIDConL块的标准面板

PIDConL的标准面板包括操作模式和设定值的选择、过程值的显示、设定值的设置、控制输出等。在标准面板的左侧以柱状图的形式分别显示了当前过程值和设定值，如图2－3所示。

图 2－3

3. PIDConL块的参数面板

参数面板是标准面板的二级菜单，具体的控制参数设置都集中在参数面板中，参数面板主要包括激活PID优化、设置手动模式下SP的跟踪、控制参数的设置和仿真、维修释放设置等。当“SP:=SP external”是激活时，即在使用外部设定值时，内部设定值会跟踪外部设定值。在使用过程中，可以根据需要激活“SP:=PV in manual mode”选项，让手动状态下始终保持设定值和过程值相等， 如图2-4所示。

图 2－4

在标准视图（图2－3）的右上角有视图切换的按钮，依次包括了消息窗口、限制值、趋势图、斜坡处理、参数设置和BATCH，点击相应的按钮即可进入具体的窗口，查看和设置功能块的相关信息。

消息窗口记录了PIDConL的所有归档消息，可以对新的报警消息进行确认的操作；

限制值窗口可以对过程值PV、偏差ER、回读值、设定值和控制输出值的高低限范围进行设置；

趋势窗口显示了过程值、设定值和控制输出的变化情况；

预览窗口是对基本参数的一个概要显示，包括内/外部设定值、偏差、外部干扰、工作模式等。

三、 PIDConL的应用

1. 控制模式切换

PIDConL的手/自动切换按水厂安全级别要求只能在标准面板上完成，只有工程师级别才可以在CFC中通过程序来完成：

如果通过CFC程序来实现手/自动的切换，则会使用到表 1 所示的功能块管脚：

表 1 手/自动切换相关的管脚

通过参数ModLiOp来决定是由CFC程序还是由标准面板来实现手自动切换。

2.外部控制值给定

内部设定值和外部设定值是两个独立的参数，具体PID计算过程中选择哪个参数的数据可以在程序中在配置，也可以在操作面板上来选择。

如果通过CFC程序切换内部/外部设定值，会使用到表2 中的功能块管脚：

表 2 内部/外部设定值选择相关的管脚

如果SP_ExtLi和SP_IntLi都被设置为1，那么内部设定值会有更高的优先级，即回路会使用内部设定值。

设定值的多通道输入，是为了方便功能块的扩展，但也带来了内/外部设定值切换过程中由于设定值变化而可能导致回路波动的风险。所以，功能块提供了参数“SP_TrkExt”以确保在使用外部设定值的情况下，内部设定值保持和外部设定值的跟踪，这样在重新使用内部设定值的时候可以做到无扰切换。

在自动状态中，手动控制值Man会跟踪控制输出MV，以此可以确保自动到手动的无扰切换。

3. 恒压供水的分程控制

丁栅水厂送水泵房设计出厂水压力设定为0.4MPa，其中3台为直接高压启动，2台为变频控制压力恒定。普通的控制回路中一个PID的输出控制一个执行机构——例如一台变频泵来完成控制任务。某些工艺情况下，需要两台变频泵同时调节压力恒定，它们之间在动作上存在一定的先后顺序，此时则需要分程控制方案。

当出水压力过低时，增加1＃变频泵频率，如1＃变频泵频率达到50HZ之后压力还是过低，则开启并不断增加2＃变频泵频率；反之，如果压力过高，则先减小1＃变频泵频率，在1＃变频泵达到设定要求后减小2＃变频泵频率。两台泵的动作关系如图3-1所示：

图 3－1

上图中，两台泵的动作是相连续、服务于同一个调节回路的，为了实现分程控制，除了需要调用PIDConL块来进行PID运算之外，系统还提供了分程功能块SplRange (FC372)，该功能块负责将控制输出“分解”成两台泵的控制信号。根据水厂两台变频泵的动作关系，分别设置分程块SplRange的如下参数：

Out1Scale.High=50.0；

Out1Scale.Low=0.0；

Out2Scale.High=50.0 ；

Out2Scale.Low=0.0。

连接SplRange的输入管脚In到PIDConL的控制输出MV，两个输出管脚Out1和Out2分别将其通过CH_AO驱动块输出到对应输出通道,如图3-2所示。

图 3－2 分程输出CFC块图

由于在分程控制中涉及到了两个AO通道，所以和简单的单回路不同，需要将两个驱动块的QBad、Out of Service等状态进行“逻辑或”运算之后送到PIDConL块中。

4. 加氯串级控制

丁栅水厂加氯系统共设3个氯投加点： 1个点投加在滤后进综合池总管内，主要用于杀菌消毒和保持输水管路/清水池有一定余氯量，氯的投加按流量比例投加方式投加，另2个点投加在清水池至送水泵吸水井的管路内，为水厂补加氯，投加方式采用复合环路投加的方式，即根据出厂水余氯值控制加氯量，以出厂水流量进行比例投加，并辅以余氯等参数作为反馈信号。

流量比例投加方式采用的是单回路PID控制方式，复合环控制是流量比例控制与余氯反馈串级PID控制的方式，根据流量的大小，根据其控制的数学模型，建立一个基本的控制模型。余氯作为过程变量，通过比较过程变量与余氯设定值产生的误差，计算出其输出量，即修正量，经过流量比例大小和余氯反馈的修正量，实现串级PID调试，逐步对其进行修正，直到余氯达到期望值。

串级控制，主要运用于控制精度要求较高、对象具有大迟滞特性的回路，通过将一个控制对象分解成两个“串联”的控制回路，从而达到降低回路的迟滞时间、限制过程值波动范围的目的。

流量调节为主调节回路和余氯调节为副调节回路，主调节回路的控制输出作为副调节回路的设定值，副调节回路的对象直接影响主回路的控制对象。两个调节回路有独立的测量值，而且余氯调节的响应速度要快于流量调节，以便干扰能够地被抑制下来。如图3-3所示的控制系统方框图描述了串级系统的特性：

图 3－3 串级控制系统方框图

在CFC中使用PIDConL来搭建串级控制程序，要求其中的控制回路都处于自动模式，而且主回路的输出要用作副回路的实际设定值。在其他控制模式（例如手动等）下，主回路的输出要跟踪副回路的过程值，以防止副回路出现设定值跳变。为此，可以使用PIDConL的“MV_TrkOn”和“MV_Trk”两个参数分别来开启输出跟踪功能和设置跟踪值；

在调试串级回路时，需要先调节副回路，之后才是主回路，这就需要副回路能够在串级和常规单回路中进行切换。针对这个功能，可以使用PIDConL的外部设定值来连接主回路的功能块，此外，PIDConL的输出管脚上的“CascaCut”就是根据外部设定值投入使用与否来判断串级是否启用；

副回路的设定值取决于主回路的输出，这就需要主回路能够准确地将偏差的变化趋势传递到副回路中，但积分功能的存在可能会延迟这个传递过程，从而导致副回路振荡幅度加大，难以回到稳定。尤其是在副回路的输出已经处于最高/最低的情况下，主回路的积分功能可能会让副回路的设定值继续不断地增加/减少，而在主回路的偏差发生改变时，副回路不能快速地跟上响应。为了解决这个问题，可以使用PIDConL的正向/反向积分抑制功能，在副回路的控制块的输出达到上限之后，可以设置“IntHoldPos”来抑制正向积分，反之亦然。

5. 絮凝剂投加的智能控制

絮凝剂剂量、pH值、混凝剂种类、温度、原水浊度、水力条件、水体有机物分布情况、颗粒物性质和分布情况等为影响沉淀池沉淀效果的主要因素[2]。单靠的复合环控制方式不能很好的解决絮凝剂投加效果。为此我们在丁栅水厂采用了智能加药控制方式，利用运行的历史数据积累，形成一种智能加药模型。

在对历史数据分析和加药模型建立时单靠PCS7 控制器已无法满足要求，这就需用到计算机技术和数据库技术，多参数智能加药控制软件就是在此基础上形成的，它能根据源水流量、浊度、温度和PH按数据模型进行前馈控制，同时又根据滤后水浊度复合环反馈控制，根据加药模型生成如图3－4的投加曲线。这样既能迅速响应源水的变化，快速调整投药量，又能自动跟踪滤后水浊度进行适当调整。从而保证滤后水浊度指标达标，并节约药耗。

图 3－4 智能加药投加模型曲线

在PIDConL程序模式下利用多参数智能加药控制软件来实现控制，PIDConL提供相应的参数来实现设定值或者控制输出的远程设定。多参数智能加药控制软件通过OPC方式和PCS7 进行通讯。

默认情况下，程序模式是关闭的，需要设置管脚AdvConEn为1才能激活该功能。在程序模式中，其又分为设定值程序控制模式和输出值程序控制模式。在设定值程序控制模式下，此时的设定值直接由参数AdvCoMV来设定：当前操作模式是“Program SP”，通过OPC传递过来的设定值是投加量为120KG/KT，此时回路根据这个设定值进行自动控制。

程序模式需要使用到CFC中功能块的如表 3 中的管脚：

表 3 程序模式相关的管脚

退出程序模式后的PIDConL的工作状态和程序模式的类型相关：如果采用远程设置设定值，那么退出之后工作在自动模式下；如果采用的是直接输出，则退出后工作在手动模式下。

在输出值程序控制模式下，控制器的PID运算停止，直接采用AdvCoMV作为控制器的输出。

四、结束语

利用PCS7控制系统自带的PIDConL功能块，实现了在丁栅水厂关键工艺点的多种复杂控制要求，不但能很好的实现自身的单、多级回路控制，还实现和先控软件(APC)通过OPC通讯实现模糊控制，基于PCS7强大的编程运算功能和稳定性，使水厂的控制功能和精度有了质的提升。在水质的达标、自动化和信息化系统运行及功能满足《浙江省城市供水现代化水厂评价标准实施细则》的要求。

参考文献

[1] SIMATICPCS 7 OS OS 过程控制 (V7.1)278 操作说明, 03/2009, A5E02122500-01

[2]刘云洲,张明旭,孙从军.强化混凝技术研究及应用进展[J].环境污染与防 治,2004,26(3):239-239.

作者：

1. 怀善兴 高级工程师嘉善县水务控股集团有限公司

2. 张伯立 高级工程师 浙江浙大中控信息技术有限公司

3. 孙建彬 工程师 浙江浙大中控信息技术有限公司