摘 要：根據(jù)某污水處理生產(chǎn)工藝流程的特點和生產(chǎn)過程控制的要求，結(jié)合我國污水生產(chǎn)廠的實際情況，采用“EIC三電一體化”計算機集散控制技術(shù)，設(shè)計整個污水處理生產(chǎn)過程的分布式計算機控制系統(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)過程的自動控制。 關(guān)鍵詞：污水處理;自動控制;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，甚至采用人工手動操作方式，操作和運行穩(wěn)定性差，出水指標(biāo)波動較大，處理效率低，能源損耗大，很難達到優(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)工藝流程的特點和生產(chǎn)過程控制的要求，結(jié)合該廠的實際情況設(shè)計了PC+PLC分級分布式自動控制系統(tǒng)。本文闡述了系統(tǒng)整體體系結(jié)構(gòu)和功能特點，并就控制過程中難點問題，給出了合理的自動化解決方案。 　　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，達到國家規(guī)定的排污標(biāo)準(zhǔn)，同時盡量降低噸位水處理成本。在污水處理廠設(shè)計和運行操作過程中需要考慮以下幾點： 　　（1） 生產(chǎn)率：改進操作方式，提高單元過程污水處理量的能力; 　?。?） 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行; 　?。?） 穩(wěn)定性：當(dāng)過程出現(xiàn)高度穩(wěn)定性時，偶爾的干擾可能對出水水質(zhì)造成嚴重影響，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，而且控制和操作遠未達到規(guī)范化和最優(yōu)化。因此在進行計算機自動控制系統(tǒng)設(shè)計時必須針對過程的動態(tài)特點和控制要求才能使控制系統(tǒng)發(fā)揮理想的效果。污水處理廠對自動控制系統(tǒng)的要求主要有如下幾點： 　?。?）要求計算機控制系統(tǒng)有良好的適應(yīng)性 　?。?）要求計算機控制系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，具有良好通訊能力 　?。?）要求計算機控制系統(tǒng)有良好的人機界面和良好的后備能力 　　（4）要求計算機控制系統(tǒng)有良好的開放性和統(tǒng)計、計算能力 　　（5）要求采用自動檢測設(shè)備對水質(zhì)等參數(shù)進行在線測量 　?。?）要求控制系統(tǒng)能夠兼顧流程和單元控制 　　（7）要求計算機控制系統(tǒng)具有全面的故障診斷和報警記錄能力 2. 計算機控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和功能 　　2.1 計算機控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 　　根據(jù)污水處理過程的工藝特點、控制要求，針對該廠投資少，占地小等具體特點，計算機控制系統(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)實現(xiàn)通訊處理達到節(jié)約投資、提高系統(tǒng)安全性、實現(xiàn)分布式控制思想的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)體系分為三個層次：（1）上層：中央控制室計算機監(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、污泥處理兩個分控站的7個現(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;同時與中控室計算機控制系統(tǒng)交換工藝、設(shè)備數(shù)據(jù)和控制命令?？刂泼罘炙椭粮鞣挚卣竞?，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 自動化系統(tǒng)功能 　　在計算機控制方式下，系統(tǒng)功能主要包括以下幾個方面：（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行控制，它構(gòu)成了綜合自動化系統(tǒng)中的過程控制級。電氣設(shè)備的起動與停止可通過計算機屏幕上的軟鍵實現(xiàn)，回路控制可實現(xiàn)自動閉環(huán)調(diào)節(jié)和軟手動調(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，運用先進的控制思想和控制技術(shù)，實現(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)采集主要實現(xiàn)工藝參數(shù)的實時檢測，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、報警等功能。設(shè)備控制級主要實現(xiàn)邏輯控制和順序控制，例如：主要電氣設(shè)備啟動、停止、聯(lián)鎖，設(shè)備狀態(tài)報警等功能。 　?。?） 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Citect上二次開發(fā)，系統(tǒng)具有嚴謹?shù)墓こ绦院土己玫耐ㄓ眯浴＞哂幸韵绿攸c：①控制畫面生動直觀，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，實用性強;②控制方式靈活簡便，安全可靠。操作人員可以通過監(jiān)控畫面實現(xiàn)過程聯(lián)鎖控制、單元連鎖控制和手動開關(guān)控制，為系統(tǒng)優(yōu)化運行和設(shè)備維修工作帶來了極大的方便。③報警功能齊備，監(jiān)控系統(tǒng)可以提供近300個數(shù)字量報警和30余個模擬量報警，覆蓋了廠區(qū)幾乎所有生產(chǎn)設(shè)備，報警顯示配有聲光顯示，畫面自動切換和打印存儲功能，極大地方便了報警處理和故障診斷分析工作;④數(shù)據(jù)處理能力強，系統(tǒng)優(yōu)化方便，系統(tǒng)可以對所有過程參數(shù)提供趨勢存儲和計算功能，對重要設(shè)備提供啟動次數(shù)累計和電量累計功能，生產(chǎn)報表和統(tǒng)計報表更是廠方不可或缺的重要生產(chǎn)調(diào)整依據(jù)。 3. 關(guān)鍵自動化控制技術(shù) 　　污水處理廠的工藝特點要求控制系統(tǒng)必須能夠兼顧流程和單元控制，單元控制是計算機控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是實現(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)的單元控制方法進行研究和開發(fā)。根據(jù)工藝控制要求，重點研究了污水提升泵站和浮選加藥環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)。 　　（1）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，其狀況維護以及運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）五臺提升泵負荷平均分配;（4）泵啟動間隔大于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)致泵啟動頻繁、磨損嚴重，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)驗的模糊控制卻能取得其他控制方式無法實現(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)控制泵的運行臺數(shù)，提高泵站對進水量變化的響應(yīng)能力。模糊控制器采用了三個模糊變量液位差LE;液位變化率CE;啟動泵臺數(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編程實現(xiàn)。PLC間隔10S檢測集水井水位，根據(jù)量化公式計算液位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，查詢得到實際應(yīng)該啟動的泵臺數(shù)?？刂票泶娣旁谥鱌LC內(nèi)存地址A R開始的個連續(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）計算控制表單元位置，并將泵啟動臺數(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）泵站負荷分配控制方法 　　在泵啟?？刂茣r，系統(tǒng)不再針對某一臺泵操作，而是不斷檢測泵啟動臺數(shù)，并與模糊控制器輸出進行比較，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臺提升泵分別按1#-5#區(qū)分。在PLC中設(shè)立每臺泵的啟動和停止序號，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或停止時，程序檢測相應(yīng)的啟動停止序號，按啟、停序號啟、停相應(yīng)的泵并修改泵有關(guān)序號?？刂埔?guī)則是五臺泵依次啟動，先啟動的泵最先停止，先停的泵最先啟動;從而保證5臺泵循環(huán)往復(fù)式的使用，避免一臺或數(shù)臺泵長期動作，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)泵需要啟動時，檢測1#泵啟動停止標(biāo)志為1，1#泵啟動;同時修改各泵啟動標(biāo)志，將1#泵啟動序號修改為5，其他減1。下次啟動過程同此，依次2#、3#、4#、5#啟動。停止過程類同。在泵站控制中經(jīng)常會遇到某臺泵長期工作或泵啟動頻繁問題。泵長期工作或頻率啟動會造成電氣和機械設(shè)備沖擊，影響設(shè)備壽命。為此，對泵工作時間進行限制，工作時間超過1小時強制切換。同時，泵停止10分鐘后才允許再次啟動。以上的編程方法通過PLC實現(xiàn)。 　　采用液位控制和負荷平均分配的連鎖控制方法自投入運行以來，水位變化比較平緩，對液位變化的控制作用加強，同時克服了泵頻繁啟?，F(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。藥劑投加量少會影響凈水效果，加多不僅造成藥劑的浪費，生產(chǎn)成本增加，而且還會造成出水混濁、沉淀池污泥容積增多。因此，在系統(tǒng)設(shè)計中有必要分析浮選加藥的工藝過程，提出經(jīng)濟、高效的藥劑投加控制方法。 　　根據(jù)污水處理廠的實際情況，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、加藥地點及加藥方式等，采用浮選入口流量、進水濁度作為前饋變量，浮選出口濁度作為反饋變量，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，這是一個水、電、機一體化的復(fù)雜系統(tǒng)。在實際系統(tǒng)運行過程中，由于浮選機開啟數(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行特點及控制要求，并結(jié)合設(shè)備和現(xiàn)場的實際情況，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)?；谙冗M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，實時調(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達到排放標(biāo)準(zhǔn)，使污水廠運行成本盡可能小。采用過程優(yōu)化設(shè)定的設(shè)計技術(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)定點優(yōu)化設(shè)定控制策略將整個控制系統(tǒng)分為兩層，上層用于過程變量的設(shè)定值優(yōu)化，使整個系統(tǒng)達到最優(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)定點優(yōu)化控制常用方法[[iii]]。此外，按照進入浮選間的流量分級控制浮選機的運行臺數(shù)，采用人-機結(jié)合及協(xié)調(diào)優(yōu)化設(shè)定技術(shù)，實現(xiàn)浮選加藥過程的優(yōu)化管理和優(yōu)化運行。 [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。該廠采用了一級強化浮選處理工藝和先進的分級分布式綜合自動化系統(tǒng)，具有一次投資小、占地面積少、運行費用低、噸位水處理費低特點。該系統(tǒng)自實施以來，運行安全可靠，大大降低工人勞動強度。 　　本篇論文創(chuàng)新點：污水處理的總體水平與污水廠應(yīng)用ICA（儀表、控制、自動化）程度有著密切關(guān)系[[iv]]。本文采用“EIC三電一體化”計算機集散控制技術(shù)，對整個污水處理生產(chǎn)過程的分布式計算機控制系統(tǒng)進行了設(shè)計。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)過程的自動控制。 參考文獻 　　[1]Garrett M. T.，Instrumentation, control and automation progress in the United States in the 24 years, Wat. Sci. Tech., 1998, 37（12）: 21-25. 　　[2] 毛慧歐,柴天佑,喬金華. 城市污水處理計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備. 2001. 2（5）: 32～36. 　　[3] Rosen C. and Z. Yuan, Supervisory control of wastewater treatment plants by combining principal component analysis and fuzzy c-means clustering, Wat. Sci. Tech.,2001, 43（7）, 147-156. 　　[4]喬金華.城市污水處理計算機控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究. 環(huán)境污染治理技術(shù)與設(shè)備.2001,2（5）:32～36. 　　[5] 郭照新，李潮，張學(xué)東. PLC在一體化反應(yīng)器污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用. 微計算機信息.2006，3-1：29～33.