摘 要：根據某污水處理生產工藝流程的特點和生產過程控制的要求，結合我國污水生產廠的實際情況，采用“EIC三電一體化”計算機集散控制技術，設計整個污水處理生產過程的分布式計算機控制系統。在此基礎上，通過采用優化設定控制技術、自適應自整定PI控制技術等先進技術，解決城市污水生產過程控制中存在的大滯后、非線性、耦合等關鍵技術問題，實現污水提升、浮選加藥、污泥脫水等污水處理生產過程的自動控制。 關鍵詞：污水處理;自動控制;可編程邏輯控制器;優化設定控制 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控制和PID控制，甚至采用人工手動操作方式，操作和運行穩定性差，出水指標波動較大，處理效率低，能源損耗大，很難達到優化節能。污水處理的總體水平與污水廠應用ICA（儀表、控制、自動化）程度有著密切關系[[i]]。 　　根據沈陽某污水處理生產工藝流程的特點和生產過程控制的要求，結合該廠的實際情況設計了PC+PLC分級分布式自動控制系統。本文闡述了系統整體體系結構和功能特點，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就是保證出水水質穩定、合格，達到國家規定的排污標準，同時盡量降低噸位水處理成本。在污水處理廠設計和運行操作過程中需要考慮以下幾點： 　?。?） 生產率：改進操作方式，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; 　?。?） 穩定性：當過程出現高度穩定性時，偶爾的干擾可能對出水水質造成嚴重影響，但通過控制技術可以避免干旱、暴雨等事件的影響。 　?。?） 操作費用：減少化學藥劑和能源消耗，降低生產成本。考慮收納水體的動態特性，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過程相比存在較大的差別，而且控制和操作遠未達到規范化和最優化。因此在進行計算機自動控制系統設計時必須針對過程的動態特點和控制要求才能使控制系統發揮理想的效果。污水處理廠對自動控制系統的要求主要有如下幾點： 　?。?）要求計算機控制系統有良好的適應性 　?。?）要求計算機控制系統采用分布式結構，具有良好通訊能力 　?。?）要求計算機控制系統有良好的人機界面和良好的后備能力 　?。?）要求計算機控制系統有良好的開放性和統計、計算能力 　?。?）要求采用自動檢測設備對水質等參數進行在線測量 　　（6）要求控制系統能夠兼顧流程和單元控制 　?。?）要求計算機控制系統具有全面的故障診斷和報警記錄能力 2. 計算機控制系統體系結構和功能 　　2.1 計算機控制系統總體結構 　　根據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，計算機控制系統采用了PC+PLC分級分布式控制形式[[ii]]。在系統中采用就地操作站與主PLC相結合的控制結構，通過現場總線技術實現通訊處理達到節約投資、提高系統安全性、實現分布式控制思想的目的。系統總體結構體系分為三個層次：（1）上層：中央控制室計算機監控系統;（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個現場就地分控站。中間層主PLC控制器通過ETHERNET與上層監控系統相連;下層現場控制單元PLC采集各設備的工作狀態，并通過現場總線Genius BUS送給主PLC，主PLC完成對現場數據的處理、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交換工藝、設備數據和控制命令?？刂泼罘炙椭粮鞣挚卣竞螅ㄟ^輸出模塊輸出至現場控制設備，完成控制過程。 　　2.2 自動化系統功能 　　在計算機控制方式下，系統功能主要包括以下幾個方面：（1）數據采集和設備控制;（2）過程控制;（3）工藝過程監控。如圖2所示。設備與回路控制集成在一起進行控制，它構成了綜合自動化系統中的過程控制級。電氣設備的起動與停止可通過計算機屏幕上的軟鍵實現，回路控制可實現自動閉環調節和軟手動調節。控制參數的優化設定旨在基于污水處理生產目標的優化控制模型，運用先進的控制思想和控制技術，實現對過程控制級的優化設定及對過程監控級的操作指導。 [align=center] 圖2 監控系統功能結構圖[/align] 　?。?） 數據采集和設備控制級 　　數據采集主要實現工藝參數的實時檢測，例如：污泥濃度、液位、浮選加藥量、污泥脫水加藥量、溫度、PH值等工藝參數的采集、報警等功能。設備控制級主要實現邏輯控制和順序控制，例如：主要電氣設備啟動、停止、聯鎖，設備狀態報警等功能。 　　（2） 過程控制級 　　主要控制回路包括污水提升泵站控制技術、泵站負荷分配控制、浮選、脫水加藥自整定PID控制、浮選、脫水加藥優化設定控制。 　?。?） 工藝過程監控級 　　本監控系統是在工控軟件平臺Citect上二次開發，系統具有嚴謹的工程性和良好的通用性。具有以下特點：①控制畫面生動直觀，準確反映了污水處理工藝流程，過程參數選取簡潔明了，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控畫面實現過程聯鎖控制、單元連鎖控制和手動開關控制，為系統優化運行和設備維修工作帶來了極大的方便。③報警功能齊備，監控系統可以提供近300個數字量報警和30余個模擬量報警，覆蓋了廠區幾乎所有生產設備，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數據處理能力強，系統優化方便，系統可以對所有過程參數提供趨勢存儲和計算功能，對重要設備提供啟動次數累計和電量累計功能，生產報表和統計報表更是廠方不可或缺的重要生產調整依據。 3. 關鍵自動化控制技術 　　污水處理廠的工藝特點要求控制系統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的基礎，是實現系統優化控制的條件，因此有必要對污水處理廠重要環節的單元控制方法進行研究和開發。根據工藝控制要求，重點研究了污水提升泵站和浮選加藥環節的控制系統。 　　（1）基于模糊控制的污水提升泵站控制技術（液位控制） 　　污水提升泵是污水處理廠的關鍵設備，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）污水提升泵房響應能力較快，才能保證污水全部進入廠內;（2）泵房集水井水位變化在一定范圍內變化;（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的要求。近年來基于PID或連續控制算法的泵站控制方法得到廣泛的關注，該類方法控制精度較高，但是現場五臺潛水泵，由于沒有變頻器，無法采用連續控制方法。盡管傳統控制理論不能發揮有效作用，但基于操作工或專家經驗的模糊控制卻能取得其他控制方式無法實現的令人滿意的控制結果。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控制結構控制泵的運行臺數，提高泵站對進水量變化的響應能力。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。模糊控制器結構圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 模糊控制器結構簡圖[/align] 　　以上模糊控制思想由PLC編程實現。PLC間隔10S檢測集水井水位，根據量化公式計算液位LE和液位差變化CE的量化級數;將級數轉化為控制表位置，查詢得到實際應該啟動的泵臺數?？刂票泶娣旁谥鱌LC內存地址A R開始的個連續單元中，LE和CE的量化級數放在PLC內存地址B R和C R。按式（1）計算控制表單元位置，并將泵啟動臺數送PLC內存地址D R供控制使用。 　　控制表單元位置= 式（1） 　?。?）泵站負荷分配控制方法 　　在泵啟停控制時，系統不再針對某一臺泵操作，而是不斷檢測泵啟動臺數，并與模糊控制器輸出進行比較，以確定系統應執行泵啟或停泵操作。為便于程序控制，將5臺提升泵分別按1#-5#區分。在PLC中設立每臺泵的啟動和停止序號，存放在相應的內存單元中。當系統根據模糊控制器輸出判斷需要泵啟動或停止時，程序檢測相應的啟動停止序號，按啟、停序號啟、停相應的泵并修改泵有關序號?？刂埔巹t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臺泵循環往復式的使用，避免一臺或數臺泵長期動作，其他泵閑置的情況。泵的啟、停序號初始設定和修改方法如下：首先當泵需要啟動時，檢測1#泵啟動停止標志為1，1#泵啟動;同時修改各泵啟動標志，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備沖擊，影響設備壽命。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。 　　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象，效果令人滿意。 　　（3）浮選加藥自整定PID控制技術 　　浮選加藥是污水廠工藝控制的關鍵。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，在系統設計中有必要分析浮選加藥的工藝過程，提出經濟、高效的藥劑投加控制方法。 　　根據污水處理廠的實際情況，考慮到影響浮選指標的諸多因素：溶液的濃度、PH值、水質、充氣和攪拌、浮選藥劑的種類、數量、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控制調節藥劑投加。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控制系統，如圖4所示。從受控系統看，這是一個水、電、機一體化的復雜系統。在實際系統運行過程中，由于浮選機開啟數量的不同、水溫隨季節變化、藥液百分比變化等因素的影響對象特性會相應發生變化。采用基于性能指標ISE的自整定PID技術自動確定PID控制器的控制參數使系統特性穩定，并較快跟蹤濁度和流量的變化。 　?。?）浮選加藥優化設定控制技術 　　根據浮選加藥工藝流程運行特點及控制要求，并結合設備和現場的實際情況，控制系統根據污水濃度、PH值及污水流量，將復雜的被控過程分解為并行工作的簡單子系統?；谙冗M的控制思想，解決過程控制中存在的重大關鍵技術問題，實時調節影響浮選效果的藥劑投放量及A1和A2藥劑的投放配比，優化設定污水處理過程分布式計算級控制系統的污水濁度、PH值、藥劑數量等回路設定值，使關鍵水質參數BOD、COD達到排放標準，使污水廠運行成本盡可能小。采用過程優化設定的設計技術，基于污水處理水質生產目標的優化控制模型，實現對浮選加藥生產過程控制的優化設定。優化設定控制方法結構框圖如圖5所示。設定點優化設定控制策略將整個控制系統分為兩層，上層用于過程變量的設定值優化，使整個系統達到最優操作狀態，下層用于子系統局部常規控制，使系統保持在最優狀態。主元分析和模糊聚類分析是設定點優化控制常用方法[[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，采用人-機結合及協調優化設定技術，實現浮選加藥過程的優化管理和優化運行。 [align=center] 圖4 浮選加藥控制系統框圖[/align] [align=center] 圖5 優化設定控制方法結構圖[/align] 4. 結束語 　　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，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。 　　本篇論文創新點：污水處理的總體水平與污水廠應用ICA（儀表、控制、自動化）程度有著密切關系[[iv]]。本文采用“EIC三電一體化”計算機集散控制技術，對整個污水處理生產過程的分布式計算機控制系統進行了設計。在此基礎上，通過采用優化設定控制技術、自適應自整定PI控制技術等先進技術，解決城市污水生產過程控制中存在的大滯后、非線性、耦合等關鍵技術問題，實現污水提升、浮選加藥、污泥脫水等污水處理生產過程的自動控制。 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的應用研究. 環境污染治理技術與設備. 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的應用研究. 環境污染治理技術與設備.2001,2（5）:32～36. 　　[5] 郭照新，李潮，張學東. PLC在一體化反應器污水處理系統中的應用. 微計算機信息.2006，3-1：29～33.