污水处理控制系统的设计

二.城市污水处理发展现状
（1）污水处理工艺发展现状

目前我国城市污水处理新兴工艺层出不穷，并 以国外引入的工艺技术为主导潮流。城市污水 处理主要采用生物活性污泥法，其氧化沟工艺 具有一般活性污泥法的优点外，还具有很多独 特的特性。目前我国工程应用中技术相对成熟、 处理效果较好的氧化沟主要有卡鲁赛尔型、奥 贝尔型、一体化氧化沟及T型、DE型氧化沟等 几种。本文主要介绍奥贝尔氧化沟污水处理工 艺的控制。
（2）污水处理厂自动控制系统发展现状
从国内城市污水处理厂计算机控制系统的现状来 看，目前还没有能够实现工艺过程全部自动控制 的范例。在吸收国外先进经验和充分了解工艺过 程的基础上，研制性能价格比较高的污水处理厂 计算机控制系统产品已是一个迫切问题。 常规的控制策略主要由PID控制，比例控制、开 关控制、最优控制等。 智能控制策略：模糊控制、神经网络控制、专家 控制。
（3）控制参数的选取
选取DO作为实时控制参数： 理论依据：可以通过污水处理过程中DO的变 化，预测反应器内有机物的降解情况，从而控 制曝气量和曝气时间。

四. 石嘴山污水处理厂控制系统设 计
（1）控制系统的总体设计
自动控制系统采用了中控计算机+PLC分控站 的集散型控制系统。系统分为提升泵站PLC工 作站、厂区内变电所PLC工作站、污泥脱水机 房PLC工作站及中控室四大部分。提升泵站与 中控室之间通过调制解调器和公用电话线，采 用拨号连接等方式进行通讯。厂区内各分控站 与中控室之间通过光缆构成工业以太网进行通 讯。 设计原则：可靠性原则、开放性原则、可扩展 性原则。
（4 ）控制系统电磁兼容性设计与应用
PLC系统抗电磁干扰性能是控制系统最重要的可靠 性指标之一，电磁兼容性标准是PLC生产和使用的 重要指导性文件，根据实际条件和要求，应从施工、 硬件和软件等多方面采取措施，来提高PLC系统的 抗干扰能力。 PLC系统设计时采用的抗干扰措施 1)选择高性能电源，合理分配电源 2)采用隔离措施：如继电器隔离。 3)对接地的处理：包括系统接地SE、屏蔽接地FE 和保护接地PE。采用一点接地和串联一点接地方 式。 4)对配线的处理 5)采用光纤和电信电话网通讯 6)系统安装调试时干扰问题及解决措施
主要内容
1.污水处理的概述 2.污水处理厂控制系统的发展现状 3.石嘴山污水处理厂工艺介绍 4.石嘴山污水处理厂控制系统设计 5.溶解氧控制方法的应用研究 6.设计总结
一.污水处理概述
城市生活污水处理是环境保护领域的一个重 要课题，生化方法在这方面得到了广泛的应用， 其基本思想是利用微生物的新陈代谢作用将废水 中能危害环境的有害物质吸收并转化掉。氧化沟 工艺是生物处理方法的典型代表，在城市污水处 理中占有重要地位。在工程实际中，采用生化需 氧量（BOD)、化学需氧量（COD)、悬浮物 （SS）、浊度、PH值、温度等综合污染指标来表 述，一般常采用化学需氧量（BOD)来表述。


由所获得的控制表作为DO模糊控制器的决策 表，其仿真结果如下图所示：
图5-5模糊控制仿真曲线
从控制器的仿真图可以看出，应用模糊控制，溶解 氧得到了很好的控制，在整个调节过程中，基本实现 了对溶解氧的无超调控制，但整个控制效果仿真曲线 还不太平滑。 与上述两种控制方法相比，在某一定态工作点， PID及内模控制获得了较模糊控制更好的控制结果， 但当工作点发生变化或模型参数发生变化时，模糊控 制具有好的多的控制效果。

（3 ）下位机PLC设计
PLC在污水处理中的作用：控制系统采用分布式 计算机控制系统，根据厂区分布情况分设数个分 控站，设置中央控制室。有完善的工业监视系统， 操作人员通过控制和通讯网络管理生产过程，实 现现场无人值守。控制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。生产过程采用智能化控制，可根据水源 变化自动对工艺过程进行调整。 石嘴山污水处理厂采用的是中央管理微机和现场 PLC控制单元组成的、两个层次的集散式监控系 统。

PLC各分站设计如下
1） 提升泵站PLC工作站：主要对石喇叭中途提 升泵站的工艺设备进行自动控制。 主要包括以下两个方面的控制： 粗、细格栅的相关设备控制、 水泵的均衡运行和自动轮值控制 2）变电所PLC工作站（PLC1） 旋流沉砂池设备控制 厌氧池设备控制 奥贝尔氧化沟设备控制 3） 污泥脱水机房PLC工作站 污泥脱水机房设备控制 污泥回流泵房设备控制 沉淀池设备控制

三.石嘴山污水处理厂工艺介绍
城市污水处理采用奥贝尔氧化沟工艺， 该工艺是一种污水在沟渠中做循环运动 的、通过曝气转碟进行曝气的一种活性 污泥工艺。 （1）废水处理工程概况


工程内容包括变电所、中控楼、中途污水提升 泵站、粗细格栅间及进水泵房、旋流沉砂池、 厌氧池、氧化沟、沉淀池、回流及剩余污泥泵 房、污泥脱水间等。

（4） 模糊控制的工作原理

模糊控制系统一般按系统偏差及偏差变化率 来实现对工业过程的控制。下图给出了模糊 控制系统的基本结构，包括精确量模糊化、 数据库与规则库、模糊推理机、解模糊化、 模糊数输入输出量化等部分。
（5） 溶解氧模糊控制系统软件设计
采用二维模糊控制器结构形式，以系统偏差E和偏 差的变化率EC为输入语句变量，本设计采用每个 采样周期由DO测试仪获得的DO值与设定的DO值 之差(偏差e）以及当前的偏差值与上一次的偏差值 的差值（偏差变化率ec）为语句变量，并进行模 糊化处理。 首先确定论域，划分模糊子集，然后确定各变量 的隶属函数，最后确定模糊控制规则并应用模糊 推理合成计算出控制表。模糊控制规则的依据是 当偏差大获较大时，选择控制量以尽快消除偏差 为主，当偏差较小时，选择控制量要注意防止超 调，以系统的稳定性为主要出发点。可以用Maltab 实现控制表的计算。
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（2）污水处理厂监控系统设计
监控系统包括：上位机监控系统、DLP大屏幕 显示系统、闭路电视监视系统三部分。 上位机控制系统的设计： 1）计算机监控软件的设计：本监控软件采用西 门子WinCC6.0，实时数据库管理软件采用 Microsoft SQL Server2000。实现监控18幅主要 画面组态，各画面之间可实现切换，并实现现 场动态图形功能。 2）触摸屏监控软件设计：中途提升泵站泵站控 制柜和变电所站控制柜分别安装了一台西门子 TP270,10’触摸屏；图形组态采用西门子的 ProToolV6.0，设计软件组态画面共有画面34幅， 共有报警48个。
（3） 奥贝尔氧化沟溶解氧基于模型的控制
（1）PID控制（比例积分微分控制） 常规PID控制回路的系统原理框图及仿真结果如 下所示：
图5-1 PID控制回路的系统原理框图
工程中采用增量式PID控制算法：
图5-2 PID控制器仿真曲线图
e(k )e(k 1) uk K pe(k ) Kl e(k )T K D T
式中Kl——积分系数，KL=KP/TL; KP——微分系数，Kp=KPTD； K——采样序号，k=1,2，…； e(k-1)——第（k-1）次采样时刻输入的偏差值； e(k）——第k次采样时刻的计算机输出值； 由仿真结果图可以看出比例系数KP的作用是加 快系统的响应速度，提高系统调节精度，积分环节 作用系数KL的作用是消除了系统的稳定误差，微分 环节作用系数KD的作用是改善了系统的动态特性。 由仿真图可以看出尽管通过调整PID三个参数能提 高系统的快速性，使系统的稳态误差为零，但系统 有较大超调，鲁棒及抗扰性能差。
（6） 溶解氧模糊控制器改进

上述模糊控制具有较好的动态特性，但无积分 作用，无法消除静态误差，为克服上述弱点， 可在模糊控制器中引入积分环节（即对偏差e 进行积分的模糊PID控制器）加以改进，如下 图，图中K1，K2，K4为控制器的量化因子，K3 为积分参数，它由一个常规积分控制器和一个 二维模糊控制器相并联而构成。
(Ts 1)(0.5Ls 1) 1 (0.01898 s 1)(6s 1) 1 q( s ) K Tc s 1 0.7913 Tc s 1
显然，系统响应的快慢由TC决定，TC的选取主要 在快速性与控制强度之间折中，TC也会影响鲁棒 性，一般越大，鲁棒性越好，仿真图如下所示：

（5） 控制系统防雷方案
污水处理厂需要保护的系统主要有PLC、 监控系统和计算机，需要保护的设备量 较大，需要建立一个完善的防雷系统。 解决方案：严格按照GB50057-94中对屏 蔽、接地和等电位连接的要求，做好建 筑物内各电气设备的等电位连接。必要 时安装防雷器，并要求防雷器的参数严 格符合要求。
图 1-1 控制系统结构框图
（2）奥贝尔氧化沟溶解氧模型
要想完成精确控制，尽量减少来自外部和内部 的干扰，必须了解奥贝尔氧化沟溶解氧模型。 根据分析并将模型简化，可得标准状态下曝气 传质过程和溶解氧（DO）检测环节的前向通 道参考传递函数为：

41 .7 12 s W (S ) e S 52 .7

DLP大屏幕显示系统设计：根据系统的功能要 求，分别从大屏幕的物理结构、箱体材料及结 构、投影箱体以及投影机调整机构等方面进行 设计研究。 闭路电视监视系统设计：在厂区粗、细格栅间， 旋流沉砂池，污泥脱水机房等处安装四个固定 摄像机，对有关主要设备进行电视监视。在中 控楼楼项安装1台配套有云台的电动可调式摄 像机，对整个厂区及大门进行电视监控。系统 分为摄像部分、控制部分、传输部分、监视装 置及电源等几部分。该系统由单独配套参数稳 压电源集中供电，以保证系统运行的安全和设 备的同步性能。
（2）内模控制（IMC) IMC结构简单，设计直观简便，在线调节参数 少，且调整方针明确，调整容易，且对鲁棒及 抗扰性的改善和大时滞系统的控制，效果尤为 显著。其控制方块图如下：
图5-3 内模控制方块图
上图所示控制系统的反馈信号是：
~ ~ d ( p p)u d

通过分析可计算出内模控制器为：
（2）污水处理工艺流程





粗细隔栅除污机、爬式隔栅除污机：去除污水中 漂浮物和部分悬浮状态的污染物质，调节PH值， 减轻污水的腐化程度和后续处理的工艺负荷。 旋流沉砂池：分离砂粒和有机物的装置。 厌氧池：增强生物除磷功能，是高浓度污水污泥 接触区，是产生恶臭的主要场所。 奥贝尔氧化沟：该工艺是一种污水在沟渠中做循 环运动的、通过曝气转碟进行曝气的一种活性污 泥工艺。 沉淀池：泥水分离，对污泥进行浓缩、回流。

（3）本文主要工作
运用PLC对污水处理中各参数进行有效控制， 设计一套完善的管控一体化系统。 对整个控制系统的电磁兼容性加以分析和设计。 结合国内外已有污水处理技术和模型，对氧化 沟中溶解氧浓度控制进行理论研究，提出了奥 贝尔氧化沟溶解氧的模糊智能控制策略，并采 用maltab进行仿真研究。
图5-4 内模控制仿真曲线
由仿真图可以看出，内模控制具有兼顾鲁棒稳 定性和控制性能的优点，其控制性能要明显优 于常规PID控制策略。 大量观测和研究表明，氧化沟等生物处理系统 的溶解氧的稳定控制是典型的具有较大惯性、 较长的滞后时间和一定不确定性的系统。由于 进水的流量、有机物浓度、PH值、现场温度条 件等因素变化较大，模型本质非线性等因素也 会引起模型变化，从而引起系统异常或不稳定。 常规PID控制和内模控制均不能很好的满足要 求。 针对这些情况，必须采用先进的控制策略解决 目前面临的控制问题。其中模糊控制是一种非 线性控制，控制器具有快速响应的能力，稳定 性强，控制效果好，下面研究用模糊控制策略 对污水处理中溶解氧浓度进行控制。

五. 溶解氧控制方法的应用研究
在奥贝尔氧化沟生物污水处理系统 中，溶解氧浓度（DO）参数的稳定控制 一直是人们的控制目标，传统的PID控制 方法不能满足长时间稳定控制的要求， 无法适应污水处理厂较大的动态变化。 故需要研究一套新的控制方法。
（1）奥贝尔氧化沟溶解氧控制系统的建立
石嘴山污水处理厂奥贝尔氧化沟溶解氧控制为闭 环控制，生物池溶氧值为控制目标，溶氧值设定 点由工艺提出，控制结构图如下：