PLC串级控制技术在水处理行业中的应用研究

PLC串级控制技术在水处理行业中的应用研究

张静

启迪清源（上海）新材料科技有限公司 上海市210000

摘要：在水处理行业中，PID温度闭环控制已经广泛应用，相比传统的单回路PID闭环温度控制，串级PID双闭环的温度控制的稳定性、高精度性以及抗干扰能力让工艺运行更加可靠。该文以水处理车间反渗透膜进料温度控制为背景，并通过西门子SIMATIC S7-1500可编程逻辑控制器的PID算法实现串级PID控制，取得良好的控制效果，为稳定反渗透膜的处理效果打下坚实的基础。

关键词：PID温度控制、水处理行业、S7-1500

0 前言

在水处理工艺中，反渗透膜的应用相当普及，而反渗透膜的使用效果与进料温度的关系十分密切，所以控制好反渗透膜的进料温度对整个物料的处理效果至关重要，一般常规做法是在系统前端加热交换器，通过蒸汽或电加热与进料进行热交换，从而达到稳定进料温度的目的，使物料温度控制在合理的范围内。

传统的单PID调节温度存在自身难以解决的缺点，如： 进料温度、流量波动、蒸汽流量波动等干扰，很难满足实时控制的要求。因此，采用先进的串级PID调节来取代单PID调节是大势所趋。

1 串级控制系统简介及策略研究

1.1 串级控制系统简介

串级环控制系统是由主、副两个PID控制器串联使用的。主PID控制器的输出值作为副PID控制器的给定值，副PID控制器的输出值去控制变频器、比例调节阀等执行机构，从而完成对控制变量的定值控制。

串级控制的主要特点为：

(1)由两个串联的PID控制器构成的；

(2)通过引入干扰因素的副变量，来提高对主控变量的控制质量；

(3)副控制回路会提前对引起干扰因素的副变量进行调节控制，减少了干扰对主控参数的影响；

(4)在系统的环境负荷发生变化时,具有相应的自适应能力。

1.2 反渗透膜进料工艺简介

图1 反渗透膜进料温度调节原理图

如图1所示，FIT流量计检测进料流量实时数据，TT温度变送器检测出料温度，饱和蒸汽进口流量由比例调节阀来控制，通过板式换热器实现进口原料与饱和蒸汽之间的热交换，从而控制出料温度，使出料温度控制在目标值范围内。

1.3 串级PID控制策略研究

针对图1系统中温度滞后大、物流进口流量时常波动的特点，用单PID控制回路闭环调节时的反应时间长、超调量大、惯性大，如果进料流量波动、势必引起物料温度波动，因此调节需要较长时间且无法保证稳定性。基于此，我们在系统中采用串级调节系统，将出料温度与进料流量串级调节，一旦物料进口流量发生波动，流量调节系统立即开始开始工作，抑制干扰因素，这样板式换热器的出料温度就不会有太大波动。板式换热器物料温度与饱和蒸汽流量串级调节系统原理如下图：

图2 反渗透膜进料温度控制系统原理方框图

流量温度串级控制系统，是通过PID串级控制系统来控制板式换热器物料出口温度，板式换热器出料温度为主控对象，温度调节具有反馈时间长，调节惯性大的特点，以板式换热器进料流量为副调节对象，流量变量灵敏度高，响应迅速，调节通路短，因此能提高反应速度，满足副回路选择的灵敏、超前，反应快速的特点。

经过调试，把副回路的流量反馈值快速稳定在给定值上，若PID的比例增益，积分时间、微分时间等各项参数设置合理，且主回路干扰因素不大，通过副回路的及时控制调整，就不会对板式换热器的出料温度造成影响。但如果扰动因素不小或者PID的比例增益，积分时间、微分时间等各项参数设置不太合理，虽然经过副回路的调整，还是会对板式换热器的出料温度有影响，此时再由主回路进一步细调，从而克服干扰，使板式换热器的出料温度控制在目标值范围内。

温度调节器(主回路)将物料出料温度值与设定值进行比较，其输出值构成流量调节器(副回路)的设定值。流量调节器（副回路）尝试将出料温度值调节到此设定值，流量控制器(副回路)的输出值直接作用于蒸汽进口的比例调节阀，从而最终控制出料温度值。

2 逻辑控制组态及说明

本例以西门子S7-1500系列控制器，采用TIA Portal V16编程进行说明，下图3为串级控制源代码截图。

图3 PLC程序源代码

采用TIA Portal中自带的PID_CompactV2算法块，该功能块具有以下属性：PID_CompactV2算法块带有独立的比例增益、积分时间、微分时间设置，带PID手自动模式切换；自动模式和手动模式通过变量跟踪的方式实现无扰动切换；在自动模式下可分别使能积分时间和微分时间模块，以分别实现比例控制、比例积分控制、比例积分微分控制等不同类型的控制器；同时该算法还具备输出限值功能，防止系统超调。

建立主回路（温度调节器）和副回路（流量调节器），主回路(温度调节器)将出料温度反馈值与温度控制器算法块里设定值参数中指定的温度设定值进行比较，通过计算后其输出值作为流量控制器的设定值，此设定值与流量反馈值进行比较，副回路（流量调节器）输出值直接作用于蒸汽比例调节阀的开度，从而控制饱和蒸汽进板式换热器的流量。

PID串级调节系统中,主控制器起着精确调节作用,是定值调节系统,副控制器起着预调节作用,是随动调节系统，具体调节步骤如下：

1）⾸先设置副回路参数，按常规经验，副回路一般设置为比例控制器，确定好副回路的比例增益。

2）将副控制器的比例增益设定好以后，然后按单PID调节系统来设定主控制器先比例，再积分，最后微分的方式，在预调节阶段，比例增益尽量小点，积分时间尽量大点，防止系统出现剧烈振荡。然后观察系统的调节过程，对主、副回路的参数适当微调

3）主、副控制器的系统采样时间应配合好。假如参数设置不合理，主回路的扰动输出会进入副回路，使副回路中建立的平衡被打破，出线振荡，而副回路的振荡又反馈到主回路中，导致主回路波动加剧，这样反复，会使主、副回路做剧烈等幅振荡，这便是串级调节系统中的“共振现象”，如出现共振，可将主控制器或副控制器比例增益或积分时间加大，便可消除主副回路共振。

在TIA Portal系统中的PID_CompactV2算法块提供了PID参数自整定功能，自整定包含预调节和精确调节，预调节功能可确定对输出值的过程响应，根据执行机构的变化速度和时间计算 PID 各项参数。精确调节将使过程反馈值出现等幅受限的振荡，根据振荡的幅度和频率来精确调节 PID 各项参数。经过预调节和精确调节后系统便可计算出合适的PID参数，减少人工调节参数的步骤，使系统更加智能；

3串级调节系统的应用范围

串级PID调节系统,其调节性能是优于单PID调节系统的，但与单PID调节系统相比，串级PID系统存在在线仪表多，参数整定麻烦，容易引起共振，对设计人员水平要求高等缺点。所以在进行方案设计时，能用单PID调节系统实现功能的，就不要用串级PID调节系统。同时串级调节控制系统也并非所有情形下都可以应用,只有在特定情形下使用才能有明显的成效。以下推荐一些使用场景:

1）主控对象响应时间长，惯性大，可以采用串级调节系统。例如温度调节，温度变送器响应时间比较长，一般可达10秒左右，这时可以在离执行机构比较近的地方选择一个流量或压力作为副参数，当系统存在干扰因素时，会更早的在流量压力上体现，此时副调节回路及时调节来抑制干扰。由于副回路的调节流量或压力的路径较短、响应快，因而系统波动不显著。

2) 调节对象的设定值要求随着工艺调整而经常变化时,也需要通过串级调整控制系统来进行手动校正对其给定值的调整要求。

3) 调节对象受到多个外界变量干扰时,,为增强控制系统的抗干扰功能,可引入串级控制，把副干扰因素引入副回路中。

当然，串级PID调节系统的应用范围远不止上述几种情况，所以工程设计技术人员必须深入研究工艺、理论、技术、调节的特点和各种因素,来确定调节体系,并使之起到相应的效果。

4 结束语

通过PID串级控制器对反渗透膜组入水温度的控制，能够有效抑制流量波动对温度的影响，再配上WINCC上位机图形化控制，使的整个控制系统入使用后测试、整定方便简单,且实际控制性能不错。

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