1引言

二十一世紀(jì)以來，隨著生物工程技術(shù)的迅猛發(fā)展，困擾人們多年的環(huán)保水處理這一日益嚴(yán)重的問題迎來了解決契機。大量資料表明，我國目前及今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)的環(huán)境問題主要是水環(huán)境問題，水環(huán)境問題又主要是有機廢水的污染問題。因此，有機廢水的治理是環(huán)保工作中極其重要的一面。在現(xiàn)今，各個國家普遍采用生物法處理城市工業(yè)生活污水、各種濃度有機廢水。污水廢水生物處理技術(shù)以其消耗少、效率高、成本低、工藝操作管理方便可靠和無二次污染等顯著優(yōu)點而備受人們的青睞。

2sbr法原理介紹

2.1sbr法工藝優(yōu)點

廢水生物處理方法很多，其中活性污泥法的基本原理是：利用微生物去除污染物中的有機物，在去除過程中，首先需要微生物將有機物轉(zhuǎn)化成co2和h2o以及微生物菌體，完后將微生物保存下來，在適當(dāng)時間通過排除剩余污泥，從系統(tǒng)中除去新增的微生物。序批式活性污泥法（又稱sbr法）是傳統(tǒng)活性污泥法的一種改進(jìn)與變形。其主體構(gòu)筑物是sbr反應(yīng)池。污水在這個反應(yīng)池中完成反應(yīng)（曝氣）、沉淀、排水及排除剩余污泥等工序。這種污水處理工藝簡易、快速且低耗，具有效率高、工藝簡單、脫氫除磷效果好，防止污泥膨脹能力強、耐沖擊負(fù)荷以及處理能力強等優(yōu)點，適合水質(zhì)水量變化大的中小城鎮(zhèn)的生活污水處理，以及容易生物降解的工業(yè)廢水處理。

2.2sbr法污水處理過程分析

sbr法由初次沉淀池、曝氣池、二次沉淀池、污泥回流和剩余污泥排放幾個系統(tǒng)組成。初次沉淀池用于去除污水中原生懸浮物，當(dāng)懸浮物少時可不設(shè)置。污水和回流的活性污泥一起進(jìn)入曝氣池形成混合液，通過曝氣閥通入空氣，這樣使混合液得到充足的攪拌而呈懸浮狀態(tài)，然后進(jìn)入沉淀池。混合液中的懸浮物質(zhì)在沉淀池里沉淀下來和水分離，凈化水流出沉淀池。同時，沉淀池里的污泥大部分回流，成為回流污泥。

2.3sbr法污水處理流程

傳統(tǒng)污水處理過程是按照時間和順序進(jìn)行控制的，見表1。

從充水開始到排水結(jié)束為一個周期，即12小時。在一個周期內(nèi)，曝氣、停氣使沉淀池充氧、缺氧狀態(tài)交互進(jìn)行。以分解污水中含碳化合物（代表物為化學(xué)需氧量cod），以及含氮化合物的硝化和反硝化，達(dá)到脫除碳、氮、氨的目的。

3plc模糊控制器的優(yōu)化設(shè)計

3.1應(yīng)用背景

實際上，工業(yè)污水中有機物的濃度隨時間而變化，若呆板地按照固定的時間來控制sbr污水處理系統(tǒng)的運行，既浪費能源又易發(fā)生污泥膨脹，而且若時間設(shè)置不當(dāng)還將影響處理效果。

近年來，由于模糊控制學(xué)科的迅速發(fā)展，已有大量將模糊邏輯控制技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)自動化、機器人控制以及智能儀表和家用電器領(lǐng)域的實例。模糊控制器是一種基于模糊控制規(guī)則的控制器，而這種模糊規(guī)則就是人們對實際受控制過程的歸納以及經(jīng)驗的總結(jié)。

目前，許多污水處理工廠在實際應(yīng)用中還不能實時檢測各種污水指標(biāo)，只是采用時間程序控制，所以影響了控制效果以及污水處理能力。然而由于市場上化學(xué)需氧量cod濃度在線檢測儀的出現(xiàn)，我們可以將cod濃度作為重要的工藝參數(shù)，組成基于plc的sbr污水處理模糊控制系統(tǒng)。

3.2plc模糊控制器的優(yōu)點

由于sbr法污水處理系統(tǒng)本身是一個復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型難以精確確定?；瘜W(xué)需氧量cod是一個重要的參數(shù)，其在線檢測有一定的滯后?；趐lc的模糊控制方案不需要確定控制對象精確的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)控制規(guī)則決定控制量的大小，這種方法可以使這個反應(yīng)過程的cod處于合適的范圍。這樣，系統(tǒng)就可以通過在線檢測cod的濃度值來調(diào)節(jié)曝氣量，以保證出水質(zhì)量，節(jié)省運行費用。

4plc模糊控制器的設(shè)計

模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊三部分。e和ex分別為e和ex模糊化后的模糊量，u為模糊控制量，u為u解模糊化后的精確量。

曝氣裝置模糊控制器的輸入量為曝氣池中cod達(dá)標(biāo)值與測量值的誤差e及誤差變化率ex，輸出量為曝氣機曝氣增量u，其框圖如圖1所示。控制器定時采樣cod值和cod值變化率，并與達(dá)標(biāo)值比較，以此得出cod值誤差e及誤差變化率ex，并以此作為plc控制器的輸入變量，這樣模糊控制器的輸出就可控制曝氣機閥門的開度了。

4.1輸入模糊化

在模糊控制器設(shè)計中，設(shè)e的詞集為［nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb］，論域為［-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6］；ex和u的詞集為［nb，ns，zo，ps，pb］，論域為［-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6］；e（k）=cod（k）-cod0，cod（k）=e（k）-e（k-1），其中cod0表示達(dá)標(biāo)值。

先將e，ex和u模糊化，再根據(jù)cod值的控制經(jīng)驗可得變量e，ex和u的模糊量化表。由于篇幅所限，變量e，ex和u的賦值表予以省略。

4.2模糊控制規(guī)則

通過總結(jié)污水處理過程中cod手動控制經(jīng)驗，得出模糊控制規(guī)則，如表2所示。

根據(jù)控制規(guī)則表，可得到35條模糊控制規(guī)則。舉例如下：

●當(dāng)cod誤差和誤差變化均為負(fù)大時，cod值小于達(dá)標(biāo)值cod0，應(yīng)減少曝氣量，所以u取nb，曝氣機全關(guān)；即控制規(guī)則為if

e=nbandex=nbthenu=nb；

●當(dāng)cod誤差是負(fù)大，誤差變化為正大時，曝氣機開度不變；即控制規(guī)則為ife=nbandex=pbthenu=zo。

4.3輸出反模糊化

根據(jù)模糊控制規(guī)則表取定的每一條模糊條件語句，就可以計算出相應(yīng)的模糊控制量u，然后依據(jù)最大隸屬度法得出實際控制量u，經(jīng)d/a轉(zhuǎn)換后去控制曝氣量。

5模糊控制算法的plc實現(xiàn)

本文采用西門子公司的s7-200型plc作為控制器。污水處理過程模糊控制器的plc實現(xiàn)方法如下：

●先將模糊化過程的量化因子ke、kex和ku存入plc的保持寄存器中；

●再利用a/d模塊將輸入量采集到plc的dm數(shù)據(jù)區(qū)，經(jīng)限幅量化處理后，根據(jù)它們所對應(yīng)的輸入模糊論域中的相應(yīng)元素，查模糊控制量表求出模糊輸出量u，再乘以輸出量化因子即可得實際輸出量u，由d/a模塊輸出對閥門開度進(jìn)行控制。

在程序設(shè)計上，模糊控制表的查詢是模糊控制算法實現(xiàn)的關(guān)鍵。為簡化程序設(shè)計，將輸入模糊論域的元素由［-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6］轉(zhuǎn)化為［0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12］，將模糊控制表中u的控制結(jié)果按從上到下、從左到右的順序依次存入dm0100只dm0268中，控制量的基址為100，偏移地址為ex*13+e。圖2為實現(xiàn)模糊控制量表查表功能的梯形圖。

圖2中，dm0002和dm0003分別為e和ex在模糊論域中所對應(yīng)的元素。語句movdm0031

dm1000是間接尋址指令，它將dm0031的內(nèi)容作為被傳遞單元的地址，再將這個地址指定單元的內(nèi)容（即控制量u），傳遞給中間單元dm1000，通過解模糊運算得u，最后由模擬輸出通道傳送給d/a轉(zhuǎn)換器，來控制曝氣閥開度大小。

6結(jié)束語

現(xiàn)代工業(yè)過程控制中被控對象的多變性、非線性、大滯后性等使得模糊控制的應(yīng)用得到快速發(fā)展，模糊控制器是基于模糊規(guī)則的控制器，它的出現(xiàn)為復(fù)雜工業(yè)過程的控制提供了一種智能化的新方法。本文將模糊控制與plc相結(jié)合，實現(xiàn)了污水處理過程cod的模糊控制。應(yīng)用表明，這種控制方法不僅提高了污水處理系統(tǒng)的可靠性，還節(jié)約了能源，是一種較為理想的控制方案。