摘 要：針對(duì)國(guó)內(nèi)大多數(shù)污水處理廠曝氣量的分配、供應(yīng)效果很不理想，溶解氧濃度控制滯后、精度低、波動(dòng)大、能耗高以及直接影響處理效果。本文敘述了已成功開發(fā)并應(yīng)用的污水處理生化池曝氣量的智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)能在水質(zhì)水量不變時(shí)和變化時(shí)，采用串級(jí)、前饋、反饋控制和智能模型，保證曝氣平衡，并根據(jù)閥門的開度大小，調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的操作壓力，達(dá)到節(jié)能的目的。本文對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、系統(tǒng)配置、控制算法、軟件設(shè)計(jì)作了重點(diǎn)介紹，并給出了實(shí)際使用效果。 關(guān)鍵詞：曝氣量 溶解氧濃度控制 智能控制 PLC Abstract：In view of the existing problem of the majority domestic wastewater treatment plant,such as the aeration quantity assignment and the effect of supply are not very ideal, the lag controlling of the dissolved oxygen concentration ,and its low precision, big fluctuations, high energy consumption ,which directly influence the processing effect. This paper describes the succeeded developed and used intelligent system which controls the aeration quantity of the wastewater treatment biochemistry tank. This system will use the series, the forward feed, the feedback control and the intelligence model to guarantee the balance of aeration whether the quality and quantity of the water change or not .At the same time, according to the opening size of the valve, it will adjust the service pressure of the air blower for the sake of saving energy. This paper emphasizes the introduction of the design idea, the configuration, the arithmetic, the software design of the control system. In the mean while, the actual use effect is given. Key words: Aeration Quantity; Dissolved Oxygen concentration Control; PLC; Intelligence control 1、引言 　　目前國(guó)內(nèi)外污水處理工藝主要采用傳統(tǒng)活性污泥法及其變形工藝：A-B工藝、A-O工藝、A2O工藝（及其改良）、SBR工藝、CASS等工藝，其中污水處理過程中生化池的曝氣量控制始終是個(gè)難題。污水處理曝氣過程中溶解氧的分布情況，直接影響污水處理的效果及污泥活力甚至出水水質(zhì)。在歐洲，溶解氧濃度的設(shè)定值由十年前2～5mg/l，最近十年設(shè)定值2mg/l，到現(xiàn)在的1.0～1.2mg/l，國(guó)外也在結(jié)合不同的實(shí)際運(yùn)行工況，不斷地摸索最合適的溶解氧濃度，降低原始設(shè)定值。 　　現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大多數(shù)污水處理廠曝氣量的分配、供應(yīng)效果很不理想，溶解氧濃度振蕩大，周圍前后段溶解氧濃度相差很大，直接影響出水水質(zhì)。大多數(shù)污水處理廠曝氣量的分配、供應(yīng)仍然靠人工遠(yuǎn)地手控，很容易產(chǎn)生差錯(cuò)，對(duì)系統(tǒng)造成人為的沖擊。有一些污水處理廠也使用了自動(dòng)化控制系統(tǒng)，其處理方法是以生化池溶解氧信號(hào)為控制信號(hào)，蝶閥為執(zhí)行元件的方式進(jìn)行控制，定值調(diào)節(jié)曝氣池內(nèi)溶解氧的濃度。在污水處理廠實(shí)際運(yùn)行控制中，這兩種方法均達(dá)不到很好的控制效果，控制滯后、精度低、溶解氧波動(dòng)大、能耗高以及直接影響處理效果。 　　所以，研究和推廣新的控制系統(tǒng)來提高城市污水處理生產(chǎn)工藝水平很有必要，并且應(yīng)該能滿足以下要求： 　　精確、穩(wěn)定地控制污水曝氣池中的溶解氧濃度，提高生化處理率，改善出水水質(zhì); 　　實(shí)時(shí)根據(jù)風(fēng)向、風(fēng)力、溫度、進(jìn)水水質(zhì)情況改善溶解氧濃度，調(diào)整氣體流量，以需定供，及時(shí)、準(zhǔn)確、科學(xué)的分配氣體; 　　優(yōu)化鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行，以達(dá)到節(jié)能減耗的目的; 　　避免由于溶氧儀儀表故障而造成整套工藝癱瘓，曝氣不足或過量所造成的微生物的生長(zhǎng)成活率，從而影響污水處理廠的正常生產(chǎn); 　　降低污水處理廠的運(yùn)行成本，減少值班人員的操作難度，提高工作效率; 　　替代國(guó)外同類產(chǎn)品，出口創(chuàng)匯。 2、設(shè)計(jì)思想 　　在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，假設(shè)進(jìn)水水量、水質(zhì)、水溫等條件都保持不變，鼓風(fēng)機(jī)出口壓力、曝氣量也不變，耗氧速率和充氧速率基本平衡，溶解氧濃度穩(wěn)定在給定值上。但在污水處理過程中不可能永遠(yuǎn)處于這么理想的平衡狀態(tài)，干擾發(fā)生時(shí)必然會(huì)破壞上述的平衡，所以必須得通過先進(jìn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)手段才能使整個(gè)系統(tǒng)及時(shí)恢復(fù)穩(wěn)定。 　　當(dāng)水質(zhì)水量不變時(shí)，系統(tǒng)如何保證曝氣平衡 　　假如進(jìn)水水質(zhì)、水量相對(duì)比較穩(wěn)定，當(dāng)系統(tǒng)受到外界因素的影響使鼓風(fēng)機(jī)的出口壓力或流量發(fā)生了變化，或由于其它就地控制回路的調(diào)節(jié)作用使該回路的曝氣量發(fā)生了變化，平衡狀態(tài)被打破。 　　控制系統(tǒng)的每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制回路中，都配有一個(gè)高精度的氣體流量計(jì)，它會(huì)連續(xù)并且精 　　確的測(cè)量氣體流量的變化，當(dāng)受到干擾時(shí)，該回路的流量計(jì)立即測(cè)量到了這個(gè)變化，及時(shí)的反應(yīng)到該回路的輸入端，流量控制回路很快對(duì)這個(gè)變化作出判斷，迅速改變?cè)摶芈分懈呔日{(diào)節(jié)閥的開度以保持曝氣量不變。這樣，經(jīng)過流量控制回路的控制，在干擾還未波及到溶解氧之前就已經(jīng)被克服，即便是干擾較大，其大部分影響已經(jīng)被流量控制回路所克服，波及到溶解氧時(shí)，干擾已經(jīng)很小，再通過流量計(jì)算回路進(jìn)一步調(diào)節(jié)，徹底消除干擾影響，使溶解氧恢復(fù)到給定值。 　　當(dāng)水質(zhì)水量發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)如何保證曝氣量 　　假如供氣系統(tǒng)穩(wěn)定，而進(jìn)入曝氣池的水質(zhì)、水量等發(fā)生了變化，使溶解氧發(fā)生了波動(dòng)， 　　破壞了原來的平衡?？刂葡到y(tǒng)中包括流量計(jì)算單元和流量控制單元。當(dāng)干擾發(fā)生時(shí)，流量計(jì)將實(shí)際測(cè)得的氣體流量反應(yīng)到流量計(jì)算單元，溶解氧的設(shè)定值、溶解氧實(shí)際測(cè)量值、溶解氧變化趨勢(shì)以及氨氮信號(hào)等也同時(shí)反應(yīng)到流量計(jì)算單元，結(jié)合系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)內(nèi)的模糊控制程序，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)實(shí)際需要重新給定一個(gè)氣體流量設(shè)定值，反應(yīng)給流量控制單元，及時(shí)調(diào)節(jié)現(xiàn)場(chǎng)回路的曝氣量，干擾被克服，很快使溶解氧恢復(fù)到給定值。 　　如何智能控制鼓風(fēng)機(jī)的操作壓力，達(dá)到節(jié)能的目的 　　曝氣電耗占污水處理廠的80%左右，通過先進(jìn)控制算法來降低能耗十分必要。如果鼓風(fēng)機(jī)的當(dāng)前操作壓力比較高，而閥門的開度都比較小，這樣系統(tǒng)處于比較耗能的狀態(tài)。所以由控制系統(tǒng)中的壓力控制單元，綜合所有的實(shí)際氣體流量信號(hào)及閥位信號(hào)，通過計(jì)算，給出一個(gè)最低所需的壓力設(shè)定，來重新調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的操作壓力（調(diào)節(jié)進(jìn)口導(dǎo)葉或變頻）），以達(dá)到按實(shí)際所需供應(yīng)氣體的目的。 3、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) [align=center] 圖1 系統(tǒng)控制回路圖[/align] 　　3.1 系統(tǒng)配置 　　系統(tǒng)控制組成見圖1所示。系統(tǒng)以熱效應(yīng)氣體質(zhì)量流量計(jì)為主傳感器，與DO儀相比，其測(cè)量數(shù)據(jù)更為準(zhǔn)確，基本上不需維護(hù)。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)采用熱擴(kuò)散原理，熱擴(kuò)散技術(shù)是一種在苛刻條件下性能優(yōu)良、可靠性高的技術(shù)。系統(tǒng)采用菱形調(diào)節(jié)閥來代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制中的蝶閥。菱形調(diào)節(jié)閥有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，一是在0-100%內(nèi)調(diào)節(jié)均呈線性關(guān)系，具有等百分比流量特性，而蝶閥僅在25-65%的范圍內(nèi)呈線性關(guān)系;二是該類型閥步進(jìn)值較小，因此可以精確地調(diào)整供風(fēng)量。 [align=center] 圖2控制配置圖[/align] 　　系統(tǒng)控制器選用法國(guó)Schneider公司 Modicon系列PLC，控制配置見圖2。考慮到一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)帶了四個(gè)曝氣回路，選用8路輸入模擬量模塊和4路輸出模擬量模塊構(gòu)成控制閉環(huán)，并將PLC納入工廠控制網(wǎng)絡(luò)，通過MODBUS PLUS網(wǎng)與廠級(jí)控制控制系統(tǒng)（含鼓風(fēng)機(jī)控制、水質(zhì)監(jiān)控等）通信。選用Schneider公司的10.4寸 64色觸模屏作為人機(jī)界面。 　　3.2 控制算法 　　針對(duì)上文所述的設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)采用串級(jí)PID控制系統(tǒng)：主回路的溶解氧濃度通過曝氣量的設(shè)定來調(diào)節(jié)，采用前饋和反饋相結(jié)合的復(fù)雜控制，前饋控制的擾動(dòng)變量取水質(zhì)（氨氮、硝酸鹽氮等），根據(jù)水質(zhì)的變化、溶解氧的設(shè)定值、溶解氧當(dāng)前值及一定時(shí)間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，通過計(jì)算重新給定一個(gè)曝氣量的設(shè)定值;副回路的曝氣量通過閥門的開度來調(diào)節(jié)，也采用前饋和反饋相結(jié)合的復(fù)雜控制，前饋控制的擾動(dòng)變量取鼓風(fēng)機(jī)的出口總壓力設(shè)定值，這樣可快速克服由于鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)出口總壓力設(shè)定值的變化帶來的干擾，而反饋控制可以快速地根據(jù)曝氣量調(diào)節(jié)閥門開度，同時(shí)克服由于不同管道共用一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)而帶來的干擾。串級(jí)控制系統(tǒng)具有抗干擾、快速性、適應(yīng)性和控制質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。 　　如果四個(gè)閥門的開度都比較小，這時(shí)管道阻力比較大，使得鼓風(fēng)機(jī)能耗上升，效率下降。所以可以同時(shí)適當(dāng)增加四個(gè)閥門的開度，而把鼓風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)出口總壓力設(shè)定值調(diào)小，這樣達(dá)到了節(jié)能的目的。而由于鼓風(fēng)機(jī)出口總壓力的變化導(dǎo)致曝氣量的變化可以很快被前饋環(huán)節(jié)消除。閥門的開度增加也不能太大，否則就沒有留下多少調(diào)節(jié)的余地。 　　3.3 軟件設(shè)計(jì) 　　Modicon Quantum系列PLC的編程軟件提供了豐富的函數(shù)庫(kù)，在過程控制方面功能更為強(qiáng)大。下面就軟件編寫中用到的幾個(gè)主要控制函數(shù)SAMPLETM、PIDFF和MS作簡(jiǎn)單介紹。 　　SAMPLETM函數(shù)用來進(jìn)行定時(shí)，INTERVAL引腳用來指定時(shí)間間隔;PIDFF函數(shù)是帶前饋輸入引腳FF的PID控制器，功能十分強(qiáng)大，支持增量式和絕對(duì)式PID運(yùn)算，輸出信號(hào)幅值和梯度限幅，自動(dòng)/手動(dòng)切換，Para_PIDFF引腳是PID參數(shù)數(shù)據(jù)塊;MS是輸出控制函數(shù)，其OUT引腳的值可以是PID運(yùn)算的輸出值，也可以是人機(jī)界面上的操作值，通過MAN_AUTO引腳進(jìn)行設(shè)定，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)/手動(dòng)雙向無擾動(dòng)切換。通過兩組上面三個(gè)函數(shù)的連接很方便地實(shí)現(xiàn)了上文所述的串級(jí)PID控制算法。 [align=center] 圖3 幾個(gè)主要的過程控制函數(shù)[/align] 　　觸摸屏軟件采用Vijeo-Designer組態(tài)軟件編寫。在觸摸屏上運(yùn)行的監(jiān)控系統(tǒng)具有主控自動(dòng)、主控手動(dòng)兩種工作方式。主控自動(dòng)指由PLC的內(nèi)部算法進(jìn)行控制，可以將控制方式切換成手動(dòng)，直接在觸摸屏上設(shè)定閥門的開度。 　　在觸摸屏畫面能顯示工藝流程及測(cè)量參數(shù)，控制方式、程序運(yùn)行工況、控制對(duì)象狀態(tài)，歷史曲線，也能顯示成組參數(shù)。當(dāng)參數(shù)越限報(bào)警、控制對(duì)象故障或狀態(tài)變化時(shí)，可以不同顏色進(jìn)行顯示。 4、結(jié)束語 　　本系統(tǒng)已成功應(yīng)用，精確控制了曝氣池中溶解氧濃度，控制精度達(dá)±0.2mg/l,提高了生化池的處理效率;優(yōu)化了鼓風(fēng)機(jī)的控制，降低了工廠運(yùn)行成本。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用先進(jìn)控制算法和智能模型，精確控制了溶解氧濃度，并根據(jù)閥門開度調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)壓力，節(jié)能減耗。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 何克忠，李偉.計(jì)算機(jī)控制原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000. 　　[2] 于廣平等.仿人智能PID控制及在污水處理溶解氧控制中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，1（1）：28-30 　　[3]丁芳等.智能PID算法在液位控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，6（1）：103-105 　　[4] 史步海，丁川. 智能PID算法在延伸率控制中的應(yīng)用[J]. 控制工程，2003，10（3）：239-241 　　[5] 史步海，丁川. 智能PID算法在延伸率控制中的應(yīng)用[J]. 控制工程，2003，10（3）：239-241