摘 要：根據(jù)某污水處理生產(chǎn)工藝流程的特點(diǎn)和生產(chǎn)過程控制的要求，結(jié)合我國污水生產(chǎn)廠的實(shí)際情況，采用“EIC三電一體化”計(jì)算機(jī)集散控制技術(shù)，設(shè)計(jì)整個(gè)污水處理生產(chǎn)過程的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，通過采用優(yōu)化設(shè)定控制技術(shù)、自適應(yīng)自整定PI控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，解決城市污水生產(chǎn)過程控制中存在的大滯后、非線性、耦合等關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)污水提升、浮選加藥、污泥脫水等污水處理生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。 關(guān)鍵詞：污水處理;自動(dòng)控制;可編程邏輯控制器;優(yōu)化設(shè)定控制 1. 概述 　　水污染問題是人類急需解決的迫切問題之一。相對其它工業(yè)過程，污水處理控制方法和控制手段都比較落后，多集中于簡單的開關(guān)控制和PID控制，甚至采用人工手動(dòng)操作方式，操作和運(yùn)行穩(wěn)定性差，出水指標(biāo)波動(dòng)較大，處理效率低，能源損耗大，很難達(dá)到優(yōu)化節(jié)能。污水處理的總體水平與污水廠應(yīng)用ICA（儀表、控制、自動(dòng)化）程度有著密切關(guān)系[[i]]。 　　根據(jù)沈陽某污水處理生產(chǎn)工藝流程的特點(diǎn)和生產(chǎn)過程控制的要求，結(jié)合該廠的實(shí)際情況設(shè)計(jì)了PC+PLC分級分布式自動(dòng)控制系統(tǒng)。本文闡述了系統(tǒng)整體體系結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，并就控制過程中難點(diǎn)問題，給出了合理的自動(dòng)化解決方案。 　　1.1 污水過程控制要求 　　污水處理廠的首要任務(wù)就是保證出水水質(zhì)穩(wěn)定、合格，達(dá)到國家規(guī)定的排污標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)盡量降低噸位水處理成本。在污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行操作過程中需要考慮以下幾點(diǎn)： 　?。?） 生產(chǎn)率：改進(jìn)操作方式，提高單元過程污水處理量的能力; 　　（2） 可靠性：降低過程故障發(fā)生率，特別是要保證干擾事件（干旱、暴雨）情況下污水處理過程正常運(yùn)行; 　?。?） 穩(wěn)定性：當(dāng)過程出現(xiàn)高度穩(wěn)定性時(shí)，偶爾的干擾可能對出水水質(zhì)造成嚴(yán)重影響，但通過控制技術(shù)可以避免干旱、暴雨等事件的影響。 　?。?） 操作費(fèi)用：減少化學(xué)藥劑和能源消耗，降低生產(chǎn)成本。考慮收納水體的動(dòng)態(tài)特性，施加控制，匹配收納水體的同化能力。 　　1.3 污水處理廠對自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求 　　城市污水處理廠的工藝過程和管理方式與其它工業(yè)過程相比存在較大的差別，而且控制和操作遠(yuǎn)未達(dá)到規(guī)范化和最優(yōu)化。因此在進(jìn)行計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須針對過程的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)和控制要求才能使控制系統(tǒng)發(fā)揮理想的效果。污水處理廠對自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求主要有如下幾點(diǎn)： 　?。?）要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有良好的適應(yīng)性 　?。?）要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，具有良好通訊能力 　　（3）要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有良好的人機(jī)界面和良好的后備能力 　?。?）要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)有良好的開放性和統(tǒng)計(jì)、計(jì)算能力 　　（5）要求采用自動(dòng)檢測設(shè)備對水質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行在線測量 　?。?）要求控制系統(tǒng)能夠兼顧流程和單元控制 　　（7）要求計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有全面的故障診斷和報(bào)警記錄能力 2. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能 　　2.1 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 　　根據(jù)污水處理過程的工藝特點(diǎn)、控制要求，針對該廠投資少，占地小等具體特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)采用了PC+PLC分級分布式控制形式[[ii]]。在系統(tǒng)中采用就地操作站與主PLC相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)，通過現(xiàn)場總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)通訊處理達(dá)到節(jié)約投資、提高系統(tǒng)安全性、實(shí)現(xiàn)分布式控制思想的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)體系分為三個(gè)層次：（1）上層：中央控制室計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng);（2）中間層：主PLC控制器作為中央控制單元;（3）下層：分布在浮選、污泥處理兩個(gè)分控站的7個(gè)現(xiàn)場就地分控站。中間層主PLC控制器通過ETHERNET與上層監(jiān)控系統(tǒng)相連;下層現(xiàn)場控制單元PLC采集各設(shè)備的工作狀態(tài)，并通過現(xiàn)場總線Genius BUS送給主PLC，主PLC完成對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的處理、運(yùn)算、連鎖邏輯、PID控制等功能并向各分控站送出控制命令;同時(shí)與中控室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)交換工藝、設(shè)備數(shù)據(jù)和控制命令。控制命令分送至各分控站后，通過輸出模塊輸出至現(xiàn)場控制設(shè)備，完成控制過程。 　　2.2 自動(dòng)化系統(tǒng)功能 　　在計(jì)算機(jī)控制方式下，系統(tǒng)功能主要包括以下幾個(gè)方面：（1）數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制;（2）過程控制;（3）工藝過程監(jiān)控。如圖2所示。設(shè)備與回路控制集成在一起進(jìn)行控制，它構(gòu)成了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中的過程控制級。電氣設(shè)備的起動(dòng)與停止可通過計(jì)算機(jī)屏幕上的軟鍵實(shí)現(xiàn)，回路控制可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)調(diào)節(jié)和軟手動(dòng)調(diào)節(jié)?？刂茀?shù)的優(yōu)化設(shè)定旨在基于污水處理生產(chǎn)目標(biāo)的優(yōu)化控制模型，運(yùn)用先進(jìn)的控制思想和控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對過程控制級的優(yōu)化設(shè)定及對過程監(jiān)控級的操作指導(dǎo)。 [align=center] 圖2 監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖[/align] 　?。?） 數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制級 　　數(shù)據(jù)采集主要實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)檢測，例如：污泥濃度、液位、浮選加藥量、污泥脫水加藥量、溫度、PH值等工藝參數(shù)的采集、報(bào)警等功能。設(shè)備控制級主要實(shí)現(xiàn)邏輯控制和順序控制，例如：主要電氣設(shè)備啟動(dòng)、停止、聯(lián)鎖，設(shè)備狀態(tài)報(bào)警等功能。 　?。?） 過程控制級 　　主要控制回路包括污水提升泵站控制技術(shù)、泵站負(fù)荷分配控制、浮選、脫水加藥自整定PID控制、浮選、脫水加藥優(yōu)化設(shè)定控制。 　?。?） 工藝過程監(jiān)控級 　　本監(jiān)控系統(tǒng)是在工控軟件平臺(tái)Citect上二次開發(fā)，系統(tǒng)具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓こ绦院土己玫耐ㄓ眯浴＞哂幸韵绿攸c(diǎn)：①控制畫面生動(dòng)直觀，準(zhǔn)確反映了污水處理工藝流程，過程參數(shù)選取簡潔明了，實(shí)用性強(qiáng);②控制方式靈活簡便，安全可靠。操作人員可以通過監(jiān)控畫面實(shí)現(xiàn)過程聯(lián)鎖控制、單元連鎖控制和手動(dòng)開關(guān)控制，為系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和設(shè)備維修工作帶來了極大的方便。③報(bào)警功能齊備，監(jiān)控系統(tǒng)可以提供近300個(gè)數(shù)字量報(bào)警和30余個(gè)模擬量報(bào)警，覆蓋了廠區(qū)幾乎所有生產(chǎn)設(shè)備，報(bào)警顯示配有聲光顯示，畫面自動(dòng)切換和打印存儲(chǔ)功能，極大地方便了報(bào)警處理和故障診斷分析工作;④數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，系統(tǒng)優(yōu)化方便，系統(tǒng)可以對所有過程參數(shù)提供趨勢存儲(chǔ)和計(jì)算功能，對重要設(shè)備提供啟動(dòng)次數(shù)累計(jì)和電量累計(jì)功能，生產(chǎn)報(bào)表和統(tǒng)計(jì)報(bào)表更是廠方不可或缺的重要生產(chǎn)調(diào)整依據(jù)。 3. 關(guān)鍵自動(dòng)化控制技術(shù) 　　污水處理廠的工藝特點(diǎn)要求控制系統(tǒng)必須能夠兼顧流程和單元控制，單元控制是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化控制的條件，因此有必要對污水處理廠重要環(huán)節(jié)的單元控制方法進(jìn)行研究和開發(fā)。根據(jù)工藝控制要求，重點(diǎn)研究了污水提升泵站和浮選加藥環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)。 　?。?）基于模糊控制的污水提升泵站控制技術(shù)（液位控制） 　　污水提升泵是污水處理廠的關(guān)鍵設(shè)備，其狀況維護(hù)以及運(yùn)行效果直接影響污水處理效果。泵站工藝要求:（1）污水提升泵房響應(yīng)能力較快，才能保證污水全部進(jìn)入廠內(nèi);（2）泵房集水井水位變化在一定范圍內(nèi)變化;（3）五臺(tái)提升泵負(fù)荷平均分配;（4）泵啟動(dòng)間隔大于10分鐘。 　　傳統(tǒng)液位變化分級控制泵站方法，只考慮液位的變化，沒有考慮液位變化速率，導(dǎo)致泵啟動(dòng)頻繁、磨損嚴(yán)重，而且在污水流量變化較大情況下無法滿足快速響應(yīng)的要求。近年來基于PID或連續(xù)控制算法的泵站控制方法得到廣泛的關(guān)注，該類方法控制精度較高，但是現(xiàn)場五臺(tái)潛水泵，由于沒有變頻器，無法采用連續(xù)控制方法。盡管傳統(tǒng)控制理論不能發(fā)揮有效作用，但基于操作工或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)的模糊控制卻能取得其他控制方式無法實(shí)現(xiàn)的令人滿意的控制結(jié)果。模糊控制對控制變量和輸出量采用分級控制方法，在控制進(jìn)度要求不高的前提下，非常適合泵站的控制。 　　污水提升泵按照集水井液位差和液位差變化率，通過引入模糊控制方法，采用PD控制結(jié)構(gòu)控制泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，提高泵站對進(jìn)水量變化的響應(yīng)能力。模糊控制器采用了三個(gè)模糊變量液位差LE;液位變化率CE;啟動(dòng)泵臺(tái)數(shù)MC;其中LE和CE為輸入模糊變量，論域變化范圍分別為 ; MC為輸出模糊變量。模糊控制器結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)簡圖[/align] 　　以上模糊控制思想由PLC編程實(shí)現(xiàn)。PLC間隔10S檢測集水井水位，根據(jù)量化公式計(jì)算液位LE和液位差變化CE的量化級數(shù);將級數(shù)轉(zhuǎn)化為控制表位置，查詢得到實(shí)際應(yīng)該啟動(dòng)的泵臺(tái)數(shù)。控制表存放在主PLC內(nèi)存地址A R開始的個(gè)連續(xù)單元中，LE和CE的量化級數(shù)放在PLC內(nèi)存地址B R和C R。按式（1）計(jì)算控制表單元位置，并將泵啟動(dòng)臺(tái)數(shù)送PLC內(nèi)存地址D R供控制使用。 　　控制表單元位置= 式（1） 　　（2）泵站負(fù)荷分配控制方法 　　在泵啟?？刂茣r(shí)，系統(tǒng)不再針對某一臺(tái)泵操作，而是不斷檢測泵啟動(dòng)臺(tái)數(shù)，并與模糊控制器輸出進(jìn)行比較，以確定系統(tǒng)應(yīng)執(zhí)行泵啟或停泵操作。為便于程序控制，將5臺(tái)提升泵分別按1#-5#區(qū)分。在PLC中設(shè)立每臺(tái)泵的啟動(dòng)和停止序號，存放在相應(yīng)的內(nèi)存單元中。當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)模糊控制器輸出判斷需要泵啟動(dòng)或停止時(shí)，程序檢測相應(yīng)的啟動(dòng)停止序號，按啟、停序號啟、停相應(yīng)的泵并修改泵有關(guān)序號。控制規(guī)則是五臺(tái)泵依次啟動(dòng)，先啟動(dòng)的泵最先停止，先停的泵最先啟動(dòng);從而保證5臺(tái)泵循環(huán)往復(fù)式的使用，避免一臺(tái)或數(shù)臺(tái)泵長期動(dòng)作，其他泵閑置的情況。泵的啟、停序號初始設(shè)定和修改方法如下：首先當(dāng)泵需要啟動(dòng)時(shí)，檢測1#泵啟動(dòng)停止標(biāo)志為1，1#泵啟動(dòng);同時(shí)修改各泵啟動(dòng)標(biāo)志，將1#泵啟動(dòng)序號修改為5，其他減1。下次啟動(dòng)過程同此，依次2#、3#、4#、5#啟動(dòng)。停止過程類同。在泵站控制中經(jīng)常會(huì)遇到某臺(tái)泵長期工作或泵啟動(dòng)頻繁問題。泵長期工作或頻率啟動(dòng)會(huì)造成電氣和機(jī)械設(shè)備沖擊，影響設(shè)備壽命。為此，對泵工作時(shí)間進(jìn)行限制，工作時(shí)間超過1小時(shí)強(qiáng)制切換。同時(shí)，泵停止10分鐘后才允許再次啟動(dòng)。以上的編程方法通過PLC實(shí)現(xiàn)。 　　采用液位控制和負(fù)荷平均分配的連鎖控制方法自投入運(yùn)行以來，水位變化比較平緩，對液位變化的控制作用加強(qiáng)，同時(shí)克服了泵頻繁啟停現(xiàn)象，效果令人滿意。 　?。?）浮選加藥自整定PID控制技術(shù) 　　浮選加藥是污水廠工藝控制的關(guān)鍵。它直接涉及到污水處理效果和處理成本。藥劑投加量少會(huì)影響凈水效果，加多不僅造成藥劑的浪費(fèi)，生產(chǎn)成本增加，而且還會(huì)造成出水混濁、沉淀池污泥容積增多。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中有必要分析浮選加藥的工藝過程，提出經(jīng)濟(jì)、高效的藥劑投加控制方法。 　　根據(jù)污水處理廠的實(shí)際情況，考慮到影響浮選指標(biāo)的諸多因素：溶液的濃度、PH值、水質(zhì)、充氣和攪拌、浮選藥劑的種類、數(shù)量、加藥地點(diǎn)及加藥方式等，采用浮選入口流量、進(jìn)水濁度作為前饋?zhàn)兞浚∵x出口濁度作為反饋?zhàn)兞?，利用PID控制調(diào)節(jié)藥劑投加。為了使變頻器的控制更加精確，把藥劑流量作為變頻器控制反饋，可以組成控制框圖如下的前饋反饋式雙環(huán)控制系統(tǒng)，如圖4所示。從受控系統(tǒng)看，這是一個(gè)水、電、機(jī)一體化的復(fù)雜系統(tǒng)。在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于浮選機(jī)開啟數(shù)量的不同、水溫隨季節(jié)變化、藥液百分比變化等因素的影響對象特性會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。采用基于性能指標(biāo)ISE的自整定PID技術(shù)自動(dòng)確定PID控制器的控制參數(shù)使系統(tǒng)特性穩(wěn)定，并較快跟蹤濁度和流量的變化。 　?。?）浮選加藥優(yōu)化設(shè)定控制技術(shù) 　　根據(jù)浮選加藥工藝流程運(yùn)行特點(diǎn)及控制要求，并結(jié)合設(shè)備和現(xiàn)場的實(shí)際情況，控制系統(tǒng)根據(jù)污水濃度、PH值及污水流量，將復(fù)雜的被控過程分解為并行工作的簡單子系統(tǒng)。基于先進(jìn)的控制思想，解決過程控制中存在的重大關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)影響浮選效果的藥劑投放量及A1和A2藥劑的投放配比，優(yōu)化設(shè)定污水處理過程分布式計(jì)算級控制系統(tǒng)的污水濁度、PH值、藥劑數(shù)量等回路設(shè)定值，使關(guān)鍵水質(zhì)參數(shù)BOD、COD達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，使污水廠運(yùn)行成本盡可能小。采用過程優(yōu)化設(shè)定的設(shè)計(jì)技術(shù)，基于污水處理水質(zhì)生產(chǎn)目標(biāo)的優(yōu)化控制模型，實(shí)現(xiàn)對浮選加藥生產(chǎn)過程控制的優(yōu)化設(shè)定。優(yōu)化設(shè)定控制方法結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。設(shè)定點(diǎn)優(yōu)化設(shè)定控制策略將整個(gè)控制系統(tǒng)分為兩層，上層用于過程變量的設(shè)定值優(yōu)化，使整個(gè)系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)操作狀態(tài)，下層用于子系統(tǒng)局部常規(guī)控制，使系統(tǒng)保持在最優(yōu)狀態(tài)。主元分析和模糊聚類分析是設(shè)定點(diǎn)優(yōu)化控制常用方法[[iii]]。此外，按照進(jìn)入浮選間的流量分級控制浮選機(jī)的運(yùn)行臺(tái)數(shù)，采用人-機(jī)結(jié)合及協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)定技術(shù)，實(shí)現(xiàn)浮選加藥過程的優(yōu)化管理和優(yōu)化運(yùn)行。 [align=center] 圖4 浮選加藥控制系統(tǒng)框圖[/align] [align=center] 圖5 優(yōu)化設(shè)定控制方法結(jié)構(gòu)圖[/align] 4. 結(jié)束語 　　沈陽市某污水處理示范廠日處理污水10萬噸，是我國第一座自行研制、自主開發(fā)的污水處理廠。該廠采用了一級強(qiáng)化浮選處理工藝和先進(jìn)的分級分布式綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，具有一次投資小、占地面積少、運(yùn)行費(fèi)用低、噸位水處理費(fèi)低特點(diǎn)。該系統(tǒng)自實(shí)施以來，運(yùn)行安全可靠，大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度。 　　本篇論文創(chuàng)新點(diǎn)：污水處理的總體水平與污水廠應(yīng)用ICA（儀表、控制、自動(dòng)化）程度有著密切關(guān)系[[iv]]。本文采用“EIC三電一體化”計(jì)算機(jī)集散控制技術(shù)，對整個(gè)污水處理生產(chǎn)過程的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，通過采用優(yōu)化設(shè)定控制技術(shù)、自適應(yīng)自整定PI控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，解決城市污水生產(chǎn)過程控制中存在的大滯后、非線性、耦合等關(guān)鍵技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)污水提升、浮選加藥、污泥脫水等污水處理生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制。 參考文獻(xiàn) 　　[1]Garrett M. 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