污水处理厂自动化监控系统设计与研究.doc

污水处理厂自动化控制系统的设计与研究（青海大学建工系2007给水排水焦凡邮编810016）摘要 随着人民生活水平的提高和可持续发展战略的需要，污水处理越来越受到社会的重视。污水处理既可以起到环保作用，又可以实现水的重复利用，节约水资源。为了提高污水处理的质量和效率，同时节省人力、物力，设计一套自动化监控系统是十分必要的。污水处理厂采用倒置A2O处理工艺，设计处理污水规模为4万吨天。整个监控系统分为三部分：一是现场数据采集部分，完成数据采集功能；二是现场控制单元，分现场控制柜和PLC站，现场控制柜主要完成手动控制，PLC站主要完成数据处理、自动控制及通讯功能；三是上位监控部分，主要监视现场各工艺流程运行状况并实施远程控制功能。关键词:模糊控制， PID控制，污水处理Research on Control System for Municipal Wastewater TreatmentAbstractWith the improvement of living standards and the needs of sustainabledevelopment，sewage treatment has aroused much attention of the societyIt can play a role in environmental protection，and Can deal with water reuse to conserve water resourcesIn order to improve the quality and efficiency of sewage treatment，and save manpower and raw materials，designing an automatic monitoring system is very necessaryCounty Sewage treatment plant uses invert A2O processing technique and conducts sewage treatment 40，000 tons per dayThe whole supervisory system consists of three partsThe first part is field data collection，which completes the data acquisition functionThe second part is scene control unitIt is divided into two parts-scene control cubicle and the PLC stationScene control cubicle mainly completes the task of hand control；PLC stands mainly competes the tasks of data processing automatic control and communicationThe third part is superiormonitoringThe main function of it is to monitor the operation of various technical processes and implement remote contr01Key words：Fuzzy Controt； PID control ；Sewage treatment；1.本题目的目的和意义11 目的其目的在于对基于开环粗放型传统控制方法(时间程序控制或流量控制)的污水处理厂进行改造，应用先进的工业控制计算机、可编程控制器PLC、工业自动化组态软件技术、电力电子控制技术以及网络通信等技术，结合污水处理厂的特性，设计出运行状态和参数能够自动检测和自动控制、具有自动故障应急处理能力并且具有网络通信能力的高性能、高可靠性的污水处理厂自动化监控系统。12 意义我国对污水处理的研究，特别是自动化控制设备方面的研究远远落后于发达国家。前几年国家环境保护总局曾对我国55个城市的5000多套工业废水处理设施进行了大规模的调查。结果表明:运行效果良好的和比较好的只占24%，而建成后没能运行或处理能力达不到设计能力一半的设施竟占63.81321，可见我国的污水处理技术仍然处于较低的水平。此外，由于我国经济发展水平还比较低、资金医乏、投资力度不足等诸多因素，导致目前发达国家大批水处理企业大举进军我国水处理市场。由此可见对于我国这样一个污染严重、资源短缺的国家，研制出一批能满足排放要求、处理效果好、运行费用低和国产化程度高、且具有先进自动控制系统的污水处理设备迫在眉睫。为了改变我国污水处理技术的这种现状，中央政府、有关决策职能部门和研究机构都倾注了较大的注意力，重视开展这方面的研究。2001年国家自然科学基金列出专项，支持开展污水处理厂自动控制系统的研究。本文的研究工作可以为污水处理厂的技术改造提供科学的方法和理论依据，也可以为污水处理设备制造厂开发和研制新产品，实现技术创新提供理论基础和研究方法，对于提高我国污水处理设备的技术含量，提高污水处理厂的生产效率和降低能耗起到十分积极的作用。2本题目在国内外发展现状2.1 国外污水处理厂监控系统的研究现状经济发达的美国、日本和西欧等国家除了非常重视研究污水处理的新理论和新技术之外，更重视污水处理自动控制问题，先后研究开发出了各种高效型、智能型和集约型的污水处理设备和自动控制仪表，并采用计算机自动控制水厂工艺，取得了较理想的效果。而欧美国家的一些城市污水处理厂甚至已经用计算机进行数据记录和运行过程控制，实现了全自动无人值守控制模式。从国外和国内引进的一些大型污水处理厂的情况可以看到，目前国外污水处理厂监控系统普遍具有以下特点:(1)采用分布式计算机监控系统，操作人员通过控制和通讯网络管理生产过程，实现生产现场无人值守。(2) 监控系统采用冗余化设计，各分控站有独立工作能力，提高了系统的安全性和可靠性:(3) 污水处理的各生产过程在不同程度上采用多环路智能化控制，可以根据水源变化自动对工艺过程进行调整。在电子自动控制系统发生故障时，每一个自动控制过程都可切换成手动控制。(4) 大量采用先进的在线式水质分析仪表和智能化仪表，可提供高精度的检测数据和准确的控制数据;(5) 大量采用遥测、遥控设备，并开始有效地利用现有的公共信息资源，如电话、因特网等;22 国内污水处理厂监控系统的研究现状我国的水污染严重已是不争的事实，国家先后启动了治理“三河三湖”工程，并已取得了明显的效果，但环保单元设备和自动控制系统与国外差距很大。从监控系统的总体结构来讲，目前国内污水厂的计算机监控系统通常采用以下几种形式:(1) SCADA系统SCADA 系统由一个主控单元(MTU)和若干远程终端站(RTU)组成，MTU与RTU之间用物理链路层或数据链路层联系。系统最初用于通讯，联网通讯功能较强，可实现连续及顺序控制，侧重于蓝测和少量控制，适用于被测点地域分布较广的场合。该系统的特点是组网范围大，通讯方式灵活，与其它网络的互联功能强。但是其远端站控制能力很小，使系统实时性较差，并且在安全性方面风险较大，无法实现大规模和复杂的控制功能，因此在国内已很少使用，如北京水源九厂和郑州白庙水厂就采用的SCADA系统。(2) DCS系统DC S集散监控系统，是由多台计算机和现场终端连接组成。通过网络将现场控制站、检测站和操作管理站、控制管理站及工程师站联接起来，共同完成分散控制和集中操作、管理的综合监控系统。DCS侧重于连续性生产过程控制，采用分级分布式控制，实时性好，系统软、硬件资源丰富，具有较好的扩展能力。但DCS系统造价较高，特别是软件开发比较困难，各种系统自成体系，因此应用前景不好。目前DCS系统在污水处理厂的应用己有一些成熟的经验，如南通狼山水厂监控系统就是DCS控制系统。(3) IPC十PLC系统IPC + PIC系统由工控机UP C)和可编程控韦蟋(PLC)组成。中独室设置IPC组成的操作监控站和工程师监控站，通过网络联结PLC组成的多个分控站，其性能与DCS系统接近:可实现分级分布式控制，可靠性高、组网方便，与工业现场信号直接连接，易于实现机电一体化。但是价格却比DCS低很多，软件开发方便，应用也非常灵活。IPC +P LC 系统在我国水处理业中是应用最为广泛的一种，我国目前新建的污水处理厂大多采用IPC+PLC的分层分布式控制形式。2001年调试成功的上海松江污水处理厂自动控制系统Ei71(4) 工业现场总线控制现场总线控制系统则是基于现场总线的自动控制系统，当前国际上具有代表性的现场总线技术是RS485总线,PROFIBUS,CANBUS和LONWORK等。总线控制系统可借助PC机丰富的软硬件资源，实现不同厂家产品的互联，而且实时性较好飞但是在国际标准化组织内存在着不同派别及企业的竞争，因此发展共同遵从的统一标准规范，真正形成开放的互连系统，将是现场总线技术的发展趋势。工业现场总线控制系统在近几年中小型污水处理厂中的应用呈上升趋势，其中以PROFIBUS总线、LONWORK总线和各类工控机为主。通常用于比较单一的控制功能，系统价格低廉，但其软件编制相当复杂，目前还没有统一的标准，难以组成较大的系统Ei713.本题目采用的技术路线和原理31 污水处理概述城市污水处理按处理程度不同可分为预处理、一级处理、二级处理、深度处理和污泥处理及处置。预处理：主要包括格栅和沉砂池。其主要作用是截留大块物质、砂石，以保证后续设备的正常运行。一级处理：主要是初次沉淀池。目的是将污水中悬浮状态的固体污染物质尽可能地沉降去除，经过一级处理后的污水，可去除50左右的悬浮物，BODs一般只能去除30左右，达不到排放标准。二级处理工艺：主要由曝气池(氧化沟)和二沉池构成。它是城市污水处理厂的核心，一般采用生物处理方法中的活性污泥法，主要去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物(以BOD，COD表示)。经二级处理后，有机污染物质(B13BODs、COD)的去除率可达90以上，污水中BODs值可降至2030mgL，机污染物达到排放标准。深度处理：通用的工艺有混凝沉淀和过滤。主要目的是为了满足工业等特殊用途，它是城市污水处理未来发展的方向。污泥处理和处置：主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋。32 设计原理根据污水处理的工艺要求及现场环境，本系统主要采用了工业控制计算机(IPC)+可编程控制器(PLC)+现场检测仪表的监控模式。本控制系统通过现场检测仪表采集工艺参数，PLC作为主要现场控制单元，根据污水处理工艺流程读取现场仪表信号及各被控设备状态信号，同时将控制信号传至各控制设备。利用IPC作为上位机，进行复杂的数据处理。通过工业以太网将各控制站、中央控制室的工程师站相连，形成一个完整的通讯网络，实现监控。整个自动化监控系统构成SCADA(Supervisory Control and DataAcquisition)系统，完成数据采集、处理、监视及对现场设备进行控制的功能。33 控制系统方案设计计算机控制技术应用于污水处理和环境控制领域，较之于传统的机械式、继电器式和模拟式的自动控制技术有着不可比拟的优势。1存储信息量大、计算和逻辑判断能力强。2控制算法灵活，可以在线修改参数。3可以实现复杂的控制算法，提高控制系统的性能指标。4抗干扰能力强，稳定性好。5能同时控制多个回路，性价比高。6便于实现控制与管理相结台，提高生产的自动化程度。本控制系统采用集散型控制系统(DistrJbuted Control System，DCS)。集散控制系统是随着当代工业生产的高度自动化和过程控制的日益复杂化而发展起来的。它融合了自动控制技术、计算机技术和通信技术，具有技术先进、功能完各、应用灵活、运行可靠等特点，是实现工业自动化集中综合管理的最新过程控制系统。集散控制系统强调生产工艺过程在地理上的分散，相应地要求控制设备也要在地理上分散，而整个控制系统的本身具有数据采集、过程控制、监控操作和运行显示等功能的分散，也就是将控制系统的危险分散了，也即采用“分散控制，集中管理，分散危险”的模式，将控制系统分成现场控制级和生产管理级两层结构。集控制系统有运行安全，维护方便，且易于日后的系统升级等优点。3.4 模糊控制的特点由于模糊控制不用建立数学模型，根据实际系统的输入和输出结果数据，参考现场操作人员的运行经验就可以对系统进行实时控制，实际是一种非线性控制。它具有如下一些突出优点。(1)模糊控制是一种基于规则的控制，直接采用语言型控制规则，依据是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型。因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。(2)从工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。(3)模糊控制系统的鲁棒性强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。(4)与常规PID控制相比，动态响应品质优良。简单的模糊控制器与常规的控制器相比具有一定的优点，然而它也存在一些缺陷：(1)精度不太高。这主要是由于模糊控制表的量化等级有限而造成的，通过增加量化等级数目虽可以提高精度，但查询表将过于庞大，须占用较大空间，使运算时间增加。(2)自适应能力有限。由于量化因子和比例因子是固定的，当对象参数随环境的变化而变化时，它不能对自己的规则进行有效的调整，从而使其良好的性能不能得到充分的发挥。(3)易产生振荡现象。如果查询表构造不合理或量化因子和比例因子选择不当，都会导致振荡。3.5 模糊PID控制器的设计步骤(1)确定模糊控制器的输入、输出变量，从而也就确定了模糊控制器的维数。一般输入变量取为系统的偏差和偏差变化率，输出变量为PID (2)根据实际需要确定各个输入，输出变量的变化范围，然后确定它们的量化等级、量化因子、比例因子。(3)在每个变量的量化论域内定义模糊子集。首先确定模糊子集个数，确定每个模糊子集的语言变量，然后为各语言变量选择隶属度函数。(4)确定模糊控制规则。这实质上是将操作人员的控制经验加以总结得出的一条条模糊条件语句的集合。(5)求出模糊控制表。根据确定的模糊控制规则求出模糊控制器的输出。这些输出值是PID参数的调整量，把它们与输入量在一个表中按一定关系列出就构成了模糊控制表。PID=个参数一般是独立调整，所以有三个模糊控制表。(6)根据模糊控制规则表，选择合适的清晰化方法，得出新的PID参数，再经过PID算法的计算就得出了最后的输出量，也就是系统的控制量。(7)根据仿真效果或实验结果分析模糊PID的控制性能，再对量化因子和比例因子进行调整以达到理想的控制效果。4本题目的重点和难点 就全国范围现状来看，我国城市污水处理厂自动化监控系统存在以下的特点和不足:(1)系统规模大、工艺复杂、控制方式各异，虽然新建的污水厂己经开始采用计算机监控系统，但是大量现有污水厂仍延续着巡检和人工方式;(2)国产自控系统、仪表、设备的质量较差，无法满足复杂高效的新工艺;而国外则大量 采用可靠性高、维护简便的各种检测仪表和在线水质分而国外则大量采用可靠高、维护简便的各种检测仪表和在线水质分析仪表 ，并且己将各种理论控制应用到污水理之中，提高了污水厂自动控制水平 ;(3)污水处理厂监控系统的监控和通讯功能的开发利用存在极大不足，特别是软件方面 。如何实现较高的通信速率和通信质量、开放型的通信接口 ， 建立完整、可靠的综合自动化系统，也是需要考虑的问题:(4) 现有的控制策略有的过于复杂，有的过于简单，不能满足控制要求;(5 污水处理厂的设备都是大功率、大能耗设备，有必要考虑设备的保护和合理配置使 用，以及节能问题;(6) 污水处理厂的工作环境恶劣，干扰频繁，抑制或消除不同的千扰源又是一 个难点所在;污水处理是个多参数(如液位、水质成分、流量、压力等)、多任务(如污水输送、风量控制、水泵的开停等)、多设备(如格栅机、水泵、鼓风机、阀门等)，而且具有随机性、时变性和耦合性的复杂系统。所以污水处理是个复杂的过程。污水处理自动控制系统控制的难点主要体现在以下几个方面：（1）系统规模大一般污水处理厂的规模较大，系统工艺复杂，流程长，各工艺过程地理分布相距较远，所以控制系统的规模也较大，是一个多变量、多参数、多回路、大滞后、非线性的复杂系统。（2）连锁控制污水处理前后工序之问存在互锁关系，而有些参数的在线检测仪存在滞后、较大误差等问题，这样会影响控制的实时性和控制精度，因此需要研究污水控制对象的特性，选择合适的控制参数，保证预期的控制质量。（3）大滞后污水处理涉及到生化反应过程，如污水的曝气过程，从鼓风机开始鼓入空气，到检测到污水中含氧量变化约35分钟，是一个大滞后过程。在解决这个问题时，有的控制策略过于复杂(如采用神经网络控制)，有的过于简单(如单回路定值调节)，所以研究人工智能与控制理论结合的控制策略，具有重要的意义。（4）污水处理厂的很多设备都是大功率、大能耗设备，有必要考虑设备的保护和合理配置使用以及节能问题。鼓风机房是污水处理厂的耗能大户，自控系统的优化控制对节能具有重要意义。（5）污水处理厂的工作环境恶劣，干扰频繁，将会影响控制系统的可靠性和稳定性，必须分析干扰来源，研究对于不同干扰源的行之有效的抑制或消除措施。（6）控制系统中存在网络通信，如何实现较高的通信速率和通信质量，开放的通信接口，建立完整、可靠的综合自动化系统，也是需要考虑的问题。污水处理系统是一个庞大的系统工程，涉及的内容广、知识多。本文对溶解氧控制应用的模糊PID控制只限于污水参数变化不大的系统，当污水参数发生较大的波