关键词：污水处理;自动控制;可编程逻辑控制器;优化设定控制
1. 概述
水污染问题是人类急需解决的迫切问题之一。相对其它工业过程，污水处理控制方法和控制手段都比较落后，多集中于简单的开关控制和PID控制，甚至采用人工手动操作方式，操作和运行稳定性差，出水指标波动较大，处理效率低，能源损耗大，很难达到优化节能。污水处理的总体水平与污水厂应用ICA（仪表、控制、自动化）程度有着密切关系[[i]]。
根据沈阳某污水处理生产工艺流程的特点和生产过程控制的要求，结合该厂的实际情况设计了PC+PLC分级分布式自动控制系统。本文阐述了系统整体体系结构和功能特点，并就控制过程中难点问题，给出了合理的自动化解决方案。
1.1 污水过程控制要求
污水处理厂的首要任务就是保证出水水质稳定、合格，达到国家规定的排污标准，同时尽量降低吨位水处理成本。在污水处理厂设计和运行操作过程中需要考虑以下几点：
（1） 生产率：改进操作方式，提高单元过程污水处理量的能力;
（2） 可靠性：降低过程故障发生率，特别是要保证干扰事件（干旱、暴雨）情况下污水处理过程正常运行;
（3） 稳定性：当过程出现高度稳定性时，偶尔的干扰可能对出水水质造成严重影响，但通过控制技术可以避免干旱、暴雨等事件的影响。
（4） 操作费用：减少化学药剂和能源消耗，降低生产成本。考虑收纳水体的动态特性，施加控制，匹配收纳水体的同化能力。
1.3 污水处理厂对自动控制系统的要求
城市污水处理厂的工艺过程和管理方式与其它工业过程相比存在较大的差别，而且控制和操作远未达到规范化和最优化。因此在进行计算机自动控制系统设计时必须针对过程的动态特点和控制要求才能使控制系统发挥理想的效果。污水处理厂对自动控制系统的要求主要有如下几点：
（1）要求计算机控制系统有良好的适应性
（2）要求计算机控制系统采用分布式结构，具有良好通讯能力
（3）要求计算机控制系统有良好的人机界面和良好的后备能力
（4）要求计算机控制系统有良好的开放性和统计、计算能力
（5）要求采用自动检测设备对水质等参数进行在线测量
（6）要求控制系统能够兼顾流程和单元控制
（7）要求计算机控制系统具有全面的故障诊断和报警记录能力
2. 计算机控制系统体系结构和功能
2.1 计算机控制系统总体结构
根据污水处理过程的工艺特点、控制要求，针对该厂投资少，占地小等具体特点，计算机控制系统采用了PC+PLC分级分布式控制形式[[ii]]。在系统中采用就地操作站与主PLC相结合的控制结构，通过现场总线技术实现通讯处理达到节约投资、提高系统安全性、实现分布式控制思想的目的。系统总体结构体系分为三个层次：（1）上层：中央控制室计算机监控系统;（2）中间层：主PLC控制器作为中央控制单元;（3）下层：分布在浮选、污泥处理两个分控站的7个现场就地分控站。中间层主PLC控制器通过ETHERNET与上层监控系统相连;下层现场控制单元PLC采集各设备的工作状态，并通过现场总线Genius BUS送给主PLC，主PLC完成对现场数据的处理、运算、连锁逻辑、PID控制等功能并向各分控站送出控制命令;同时与中控室计算机控制系统交换工艺、设备数据和控制命令。控制命令分送至各分控站后，通过输出模块输出至现场控制设备，完成控制过程。
2.2 自动化系统功能
在计算机控制方式下，系统功能主要包括以下几个方面：（1）数据采集和设备控制;（2）过程控制;（3）工艺过程监控。如图2所示。设备与回路控制集成在一起进行控制，它构成了综合自动化系统中的过程控制级。电气设备的起动与停止可通过计算机屏幕上的软键实现，回路控制可实现自动闭环调节和软手动调节。控制参数的优化设定旨在基于污水处理生产目标的优化控制模型，运用先进的控制思想和控制技术，实现对过程控制级的优化设定及对过程监控级的操作指导。
图2 监控系统功能结构图
（1） 数据采集和设备控制级
数据采集主要实现工艺参数的实时检测，例如：污泥浓度、液位、浮选加药量、污泥脱水加药量、温度、PH值等工艺参数的采集、报警等功能。设备控制级主要实现逻辑控制和顺序控制，例如：主要电气设备启动、停止、联锁，设备状态报警等功能。
（2） 过程控制级
主要控制回路包括污水提升泵站控制技术、泵站负荷分配控制、浮选、脱水加药自整定PID控制、浮选、脱水加药优化设定控制。
（3） 工艺过程监控级
本监控系统是在工控软件平台Citect上二次开发，系统具有严谨的工程性和良好的通用性。具有以下特点：①控制画面生动直观，准确反映了污水处理工艺流程，过程参数选取简洁明了，实用性强;②控制方式灵活简便，安全可靠。操作人员可以通过监控画面实现过程联锁控制、单元连锁控制和手动开关控制，为系统优化运行和设备维修工作带来了极大的方便。③报警功能齐备，监控系统可以提供近300个数字量报警和30余个模拟量报警，覆盖了厂区几乎所有生产设备，报警显示配有声光显示，画面自动切换和打印存储功能，极大地方便了报警处理和故障诊断分析工作;④数据处理能力强，系统优化方便，系统可以对所有过程参数提供趋势存储和计算功能，对重要设备提供启动次数累计和电量累计功能，生产报表和统计报表更是厂方不可或缺的重要生产调整依据。
3. 关键自动化控制技术
污水处理厂的工艺特点要求控制系统必须能够兼顾流程和单元控制，单元控制是计算机控制系统的基础，是实现系统优化控制的条件，因此有必要对污水处理厂重要环节的单元控制方法进行研究和开发。根据工艺控制要求，重点研究了污水提升泵站和浮选加药环节的控制系统。
（1）基于模糊控制的污水提升泵站控制技术（液位控制）
污水提升泵是污水处理厂的关键设备，其状况维护以及运行效果直接影响污水处理效果。泵站工艺要求:（1）污水提升泵房响应能力较快，才能保证污水全部进入厂内;（2）泵房集水井水位变化在一定范围内变化;（3）五台提升泵负荷平均分配;（4）泵启动间隔大于10分钟。
传统液位变化分级控制泵站方法，只考虑液位的变化，没有考虑液位变化速率，导致泵启动频繁、磨损严重，而且在污水流量变化较大情况下无法满足快速响应的要求。近年来基于PID或连续控制算法的泵站控制方法得到广泛的关注，该类方法控制精度较高，但是现场五台潜水泵，由于没有变频器，无法采用连续控制方法。尽管传统控制理论不能发挥有效作用，但基于操作工或专家经验的模糊控制却能取得其他控制方式无法实现的令人满意的控制结果。模糊控制对控制变量和输出量采用分级控制方法，在控制进度要求不高的前提下，非常适合泵站的控制。
污水提升泵按照集水井液位差和液位差变化率，通过引入模糊控制方法，采用PD控制结构控制泵的运行台数，提高泵站对进水量变化的响应能力。模糊控制器采用了三个模糊变量液位差LE;液位变化率CE;启动泵台数MC;其中LE和CE为输入模糊变量，论域变化范围分别为
; MC为输出模糊变量。模糊控制器结构图如图3所示。
图3 模糊控制器结构简图
以上模糊控制思想由PLC编程实现。PLC间隔10S检测集水井水位，根据量化公式计算液位LE和液位差变化CE的量化级数;将级数转化为控制表位置，查询得到实际应该启动的泵台数。控制表存放在主PLC内存地址A R开始的
个连续单元中，LE和CE的量化级数放在PLC内存地址B R和C R。按式（1）计算控制表单元位置，并将泵启动台数送PLC内存地址D R供控制使用。
控制表单元位置=
式（1）
（2）泵站负荷分配控制方法
在泵启停控制时，系统不再针对某一台泵操作，而是不断检测泵启动台数，并与模糊控制器输出进行比较，以确定系统应执行泵启或停泵操作。为便于程序控制，将5台提升泵分别按1#-5#区分。在PLC中设立每台泵的启动和停止序号，存放在相应的内存单元中。当系统根据模糊控制器输出判断需要泵启动或停止时，程序检测相应的启动停止序号，按启、停序号启、停相应的泵并修改泵有关序号。控制规则是五台泵依次启动，先启动的泵最先停止，先停的泵最先启动;从而保证5台泵循环往复式的使用，避免一台或数台泵长期动作，其他泵闲置的情况。泵的启、停序号初始设定和修改方法如下：首先当泵需要启动时，检测1#泵启动停止标志为1，1#泵启动;同时修改各泵启动标志，将1#泵启动序号修改为5，其他减1。下次启动过程同此，依次2#、3#、4#、5#启动。停止过程类同。在泵站控制中经常会遇到某台泵长期工作或泵启动频繁问题。泵长期工作或频率启动会造成电气和机械设备冲击，影响设备寿命。为此，对泵工作时间进行限制，工作时间超过1小时强制切换。同时，泵停止10分钟后才允许再次启动。以上的编程方法通过PLC实现。
采用液位控制和负荷平均分配的连锁控制方法自投入运行以来，水位变化比较平缓，对液位变化的控制作用加强，同时克服了泵频繁启停现象，效果令人满意。
（3）浮选加药自整定PID控制技术
浮选加药是污水厂工艺控制的关键。它直接涉及到污水处理效果和处理成本。药剂投加量少会影响净水效果，加多不仅造成药剂的浪费，生产成本增加，而且还会造成出水混浊、沉淀池污泥容积增多。因此，在系统设计中有必要分析浮选加药的工艺过程，提出经济、高效的药剂投加控制方法。
根据污水处理厂的实际情况，考虑到影响浮选指标的诸多因素：溶液的浓度、PH值、水质、充气和搅拌、浮选药剂的种类、数量、加药地点及加药方式等，采用浮选入口流量、进水浊度作为前馈变量，浮选出口浊度作为反馈变量，利用PID控制调节药剂投加。为了使变频器的控制更加精确，把药剂流量作为变频器控制反馈，可以组成控制框图如下的前馈反馈式双环控制系统，如图4所示。从受控系统看，这是一个水、电、机一体化的复杂系统。在实际系统运行过程中，由于浮选机开启数量的不同、水温随季节变化、药液百分比变化等因素的影响对象特性会相应发生变化。采用基于性能指标ISE的自整定PID技术自动确定PID控制器的控制参数使系统特性稳定，并较快跟踪浊度和流量的变化。
（4）浮选加药优化设定控制技术
根据浮选加药工艺流程运行特点及控制要求，并结合设备和现场的实际情况，控制系统根据污水浓度、PH值及污水流量，将复杂的被控过程分解为并行工作的简单子系统。基于先进的控制思想，解决过程控制中存在的重大关键技术问题，实时调节影响浮选效果的药剂投放量及A1和A2药剂的投放配比，优化设定污水处理过程分布式计算级控制系统的污水浊度、PH值、药剂数量等回路设定值，使关键水质参数BOD、COD达到排放标准，使污水厂运行成本尽可能小。采用过程优化设定的设计技术，基于污水处理水质生产目标的优化控制模型，实现对浮选加药生产过程控制的优化设定。优化设定控制方法结构框图如图5所示。设定点优化设定控制策略将整个控制系统分为两层，上层用于过程变量的设定值优化，使整个系统达到最优操作状态，下层用于子系统局部常规控制，使系统保持在最优状态。主元分析和模糊聚类分析是设定点优化控制常用方法[[iii]]。此外，按照进入浮选间的流量分级控制浮选机的运行台数，采用人-机结合及协调优化设定技术，实现浮选加药过程的优化管理和优化运行。
图4 浮选加药控制系统框图
图5 优化设定控制方法结构图
4. 结束语
沈阳市某污水处理示范厂日处理污水10万吨，是我国第一座自行研制、自主开发的污水处理厂。该厂采用了一级强化浮选处理工艺和先进的分级分布式综合自动化系统，具有一次投资小、占地面积少、运行费用低、吨位水处理费低特点。该系统自实施以来，运行安全可靠，大大降低工人劳动强度。
本篇论文创新点：污水处理的总体水平与污水厂应用ICA（仪表、控制、自动化）程度有着密切关系[[iv]]。本文采用“EIC三电一体化”计算机集散控制技术，对整个污水处理生产过程的分布式计算机控制系统进行了设计。在此基础上，通过采用优化设定控制技术、自适应自整定PI控制技术等先进技术，解决城市污水生产过程控制中存在的大滞后、非线性、耦合等关键技术问题，实现污水提升、浮选加药、污泥脱水等污水处理生产过程的自动控制。
参考文献
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