摘 要：針對國內大多數(shù)污水處理廠曝氣量的分配、供應效果很不理想，溶解氧濃度控制滯后、精度低、波動大、能耗高以及直接影響處理效果。本文敘述了已成功開發(fā)并應用的污水處理生化池曝氣量的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在水質水量不變時和變化時，采用串級、前饋、反饋控制和智能模型，保證曝氣平衡，并根據(jù)閥門的開度大小，調節(jié)鼓風機的操作壓力，達到節(jié)能的目的。本文對控制系統(tǒng)的設計思想、系統(tǒng)配置、控制算法、軟件設計作了重點介紹，并給出了實際使用效果。 關鍵詞：曝氣量 溶解氧濃度控制 智能控制 PLC Abstract：In view of the existing problem of the majority domestic wastewater treatment plant,such as the aeration quantity assignment and the effect of supply are not very ideal, the lag controlling of the dissolved oxygen concentration ,and its low precision, big fluctuations, high energy consumption ,which directly influence the processing effect. This paper describes the succeeded developed and used intelligent system which controls the aeration quantity of the wastewater treatment biochemistry tank. This system will use the series, the forward feed, the feedback control and the intelligence model to guarantee the balance of aeration whether the quality and quantity of the water change or not .At the same time, according to the opening size of the valve, it will adjust the service pressure of the air blower for the sake of saving energy. This paper emphasizes the introduction of the design idea, the configuration, the arithmetic, the software design of the control system. In the mean while, the actual use effect is given. Key words: Aeration Quantity; Dissolved Oxygen concentration Control; PLC; Intelligence control 1、引言 　　目前國內外污水處理工藝主要采用傳統(tǒng)活性污泥法及其變形工藝：A-B工藝、A-O工藝、A2O工藝（及其改良）、SBR工藝、CASS等工藝，其中污水處理過程中生化池的曝氣量控制始終是個難題。污水處理曝氣過程中溶解氧的分布情況，直接影響污水處理的效果及污泥活力甚至出水水質。在歐洲，溶解氧濃度的設定值由十年前2～5mg/l，最近十年設定值2mg/l，到現(xiàn)在的1.0～1.2mg/l，國外也在結合不同的實際運行工況，不斷地摸索最合適的溶解氧濃度，降低原始設定值。 　　現(xiàn)在國內大多數(shù)污水處理廠曝氣量的分配、供應效果很不理想，溶解氧濃度振蕩大，周圍前后段溶解氧濃度相差很大，直接影響出水水質。大多數(shù)污水處理廠曝氣量的分配、供應仍然靠人工遠地手控，很容易產(chǎn)生差錯，對系統(tǒng)造成人為的沖擊。有一些污水處理廠也使用了自動化控制系統(tǒng)，其處理方法是以生化池溶解氧信號為控制信號，蝶閥為執(zhí)行元件的方式進行控制，定值調節(jié)曝氣池內溶解氧的濃度。在污水處理廠實際運行控制中，這兩種方法均達不到很好的控制效果，控制滯后、精度低、溶解氧波動大、能耗高以及直接影響處理效果。 　　所以，研究和推廣新的控制系統(tǒng)來提高城市污水處理生產(chǎn)工藝水平很有必要，并且應該能滿足以下要求： 　　精確、穩(wěn)定地控制污水曝氣池中的溶解氧濃度，提高生化處理率，改善出水水質; 　　實時根據(jù)風向、風力、溫度、進水水質情況改善溶解氧濃度，調整氣體流量，以需定供，及時、準確、科學的分配氣體; 　　優(yōu)化鼓風機的運行，以達到節(jié)能減耗的目的; 　　避免由于溶氧儀儀表故障而造成整套工藝癱瘓，曝氣不足或過量所造成的微生物的生長成活率，從而影響污水處理廠的正常生產(chǎn); 　　降低污水處理廠的運行成本，減少值班人員的操作難度，提高工作效率; 　　替代國外同類產(chǎn)品，出口創(chuàng)匯。 2、設計思想 　　在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，假設進水水量、水質、水溫等條件都保持不變，鼓風機出口壓力、曝氣量也不變，耗氧速率和充氧速率基本平衡，溶解氧濃度穩(wěn)定在給定值上。但在污水處理過程中不可能永遠處于這么理想的平衡狀態(tài)，干擾發(fā)生時必然會破壞上述的平衡，所以必須得通過先進的自動調節(jié)手段才能使整個系統(tǒng)及時恢復穩(wěn)定。 　　當水質水量不變時，系統(tǒng)如何保證曝氣平衡 　　假如進水水質、水量相對比較穩(wěn)定，當系統(tǒng)受到外界因素的影響使鼓風機的出口壓力或流量發(fā)生了變化，或由于其它就地控制回路的調節(jié)作用使該回路的曝氣量發(fā)生了變化，平衡狀態(tài)被打破。 　　控制系統(tǒng)的每個現(xiàn)場控制回路中，都配有一個高精度的氣體流量計，它會連續(xù)并且精 　　確的測量氣體流量的變化，當受到干擾時，該回路的流量計立即測量到了這個變化，及時的反應到該回路的輸入端，流量控制回路很快對這個變化作出判斷，迅速改變該回路中高精度調節(jié)閥的開度以保持曝氣量不變。這樣，經(jīng)過流量控制回路的控制，在干擾還未波及到溶解氧之前就已經(jīng)被克服，即便是干擾較大，其大部分影響已經(jīng)被流量控制回路所克服，波及到溶解氧時，干擾已經(jīng)很小，再通過流量計算回路進一步調節(jié)，徹底消除干擾影響，使溶解氧恢復到給定值。 　　當水質水量發(fā)生變化時，系統(tǒng)如何保證曝氣量 　　假如供氣系統(tǒng)穩(wěn)定，而進入曝氣池的水質、水量等發(fā)生了變化，使溶解氧發(fā)生了波動， 　　破壞了原來的平衡?？刂葡到y(tǒng)中包括流量計算單元和流量控制單元。當干擾發(fā)生時，流量計將實際測得的氣體流量反應到流量計算單元，溶解氧的設定值、溶解氧實際測量值、溶解氧變化趨勢以及氨氮信號等也同時反應到流量計算單元，結合系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)內的模糊控制程序，系統(tǒng)會根據(jù)實際需要重新給定一個氣體流量設定值，反應給流量控制單元，及時調節(jié)現(xiàn)場回路的曝氣量，干擾被克服，很快使溶解氧恢復到給定值。 　　如何智能控制鼓風機的操作壓力，達到節(jié)能的目的 　　曝氣電耗占污水處理廠的80%左右，通過先進控制算法來降低能耗十分必要。如果鼓風機的當前操作壓力比較高，而閥門的開度都比較小，這樣系統(tǒng)處于比較耗能的狀態(tài)。所以由控制系統(tǒng)中的壓力控制單元，綜合所有的實際氣體流量信號及閥位信號，通過計算，給出一個最低所需的壓力設定，來重新調整鼓風機的操作壓力（調節(jié)進口導葉或變頻）），以達到按實際所需供應氣體的目的。 3、系統(tǒng)實現(xiàn) [align=center] 圖1 系統(tǒng)控制回路圖[/align] 　　3.1 系統(tǒng)配置 　　系統(tǒng)控制組成見圖1所示。系統(tǒng)以熱效應氣體質量流量計為主傳感器，與DO儀相比，其測量數(shù)據(jù)更為準確，基本上不需維護。熱式氣體質量流量計采用熱擴散原理，熱擴散技術是一種在苛刻條件下性能優(yōu)良、可靠性高的技術。系統(tǒng)采用菱形調節(jié)閥來代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制中的蝶閥。菱形調節(jié)閥有兩個優(yōu)點，一是在0-100%內調節(jié)均呈線性關系，具有等百分比流量特性，而蝶閥僅在25-65%的范圍內呈線性關系;二是該類型閥步進值較小，因此可以精確地調整供風量。 [align=center] 圖2控制配置圖[/align] 　　系統(tǒng)控制器選用法國Schneider公司 Modicon系列PLC，控制配置見圖2?？紤]到一個鼓風機帶了四個曝氣回路，選用8路輸入模擬量模塊和4路輸出模擬量模塊構成控制閉環(huán)，并將PLC納入工廠控制網(wǎng)絡，通過MODBUS PLUS網(wǎng)與廠級控制控制系統(tǒng)（含鼓風機控制、水質監(jiān)控等）通信。選用Schneider公司的10.4寸 64色觸模屏作為人機界面。 　　3.2 控制算法 　　針對上文所述的設計思想，系統(tǒng)采用串級PID控制系統(tǒng)：主回路的溶解氧濃度通過曝氣量的設定來調節(jié)，采用前饋和反饋相結合的復雜控制，前饋控制的擾動變量取水質（氨氮、硝酸鹽氮等），根據(jù)水質的變化、溶解氧的設定值、溶解氧當前值及一定時間內的歷史數(shù)據(jù)，通過計算重新給定一個曝氣量的設定值;副回路的曝氣量通過閥門的開度來調節(jié)，也采用前饋和反饋相結合的復雜控制，前饋控制的擾動變量取鼓風機的出口總壓力設定值，這樣可快速克服由于鼓風機控制系統(tǒng)出口總壓力設定值的變化帶來的干擾，而反饋控制可以快速地根據(jù)曝氣量調節(jié)閥門開度，同時克服由于不同管道共用一個鼓風機而帶來的干擾。串級控制系統(tǒng)具有抗干擾、快速性、適應性和控制質量好的優(yōu)點。 　　如果四個閥門的開度都比較小，這時管道阻力比較大，使得鼓風機能耗上升，效率下降。所以可以同時適當增加四個閥門的開度，而把鼓風機控制系統(tǒng)出口總壓力設定值調小，這樣達到了節(jié)能的目的。而由于鼓風機出口總壓力的變化導致曝氣量的變化可以很快被前饋環(huán)節(jié)消除。閥門的開度增加也不能太大，否則就沒有留下多少調節(jié)的余地。 　　3.3 軟件設計 　　Modicon Quantum系列PLC的編程軟件提供了豐富的函數(shù)庫，在過程控制方面功能更為強大。下面就軟件編寫中用到的幾個主要控制函數(shù)SAMPLETM、PIDFF和MS作簡單介紹。 　　SAMPLETM函數(shù)用來進行定時，INTERVAL引腳用來指定時間間隔;PIDFF函數(shù)是帶前饋輸入引腳FF的PID控制器，功能十分強大，支持增量式和絕對式PID運算，輸出信號幅值和梯度限幅，自動/手動切換，Para_PIDFF引腳是PID參數(shù)數(shù)據(jù)塊;MS是輸出控制函數(shù)，其OUT引腳的值可以是PID運算的輸出值，也可以是人機界面上的操作值，通過MAN_AUTO引腳進行設定，實現(xiàn)自動/手動雙向無擾動切換。通過兩組上面三個函數(shù)的連接很方便地實現(xiàn)了上文所述的串級PID控制算法。 [align=center] 圖3 幾個主要的過程控制函數(shù)[/align] 　　觸摸屏軟件采用Vijeo-Designer組態(tài)軟件編寫。在觸摸屏上運行的監(jiān)控系統(tǒng)具有主控自動、主控手動兩種工作方式。主控自動指由PLC的內部算法進行控制，可以將控制方式切換成手動，直接在觸摸屏上設定閥門的開度。 　　在觸摸屏畫面能顯示工藝流程及測量參數(shù)，控制方式、程序運行工況、控制對象狀態(tài)，歷史曲線，也能顯示成組參數(shù)。當參數(shù)越限報警、控制對象故障或狀態(tài)變化時，可以不同顏色進行顯示。 4、結束語 　　本系統(tǒng)已成功應用，精確控制了曝氣池中溶解氧濃度，控制精度達±0.2mg/l,提高了生化池的處理效率;優(yōu)化了鼓風機的控制，降低了工廠運行成本。本文作者創(chuàng)新點：采用先進控制算法和智能模型，精確控制了溶解氧濃度，并根據(jù)閥門開度調整鼓風機壓力，節(jié)能減耗。 參考文獻 　　[1] 何克忠，李偉.計算機控制原理[M].北京：清華大學出版社，2000. 　　[2] 于廣平等.仿人智能PID控制及在污水處理溶解氧控制中的應用[J].微計算機信息，2006，1（1）：28-30 　　[3]丁芳等.智能PID算法在液位控制系統(tǒng)中的應用[J].微計算機信息，2006，6（1）：103-105 　　[4] 史步海，丁川. 智能PID算法在延伸率控制中的應用[J]. 控制工程，2003，10（3）：239-241 　　[5] 史步海，丁川. 智能PID算法在延伸率控制中的應用[J]. 控制工程，2003，10（3）：239-241