1、一、引言環(huán)境保護是我國的一項基本國策,污水處理是保護生態(tài)環(huán)境的重要措施,節(jié)能減排是當今可持續(xù)發(fā)展的一項必要環(huán)節(jié);特別是在目前國際金融危機蔓延全球的情況下,如何節(jié)約能源、降低消耗,有效控制污水處理廠的運行成本,提高企業(yè)的利潤,增強企業(yè)的競爭力成為人們關注的重點。本文所研制污水處理優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)是專門用于污水處理優(yōu)化控制和節(jié)能降耗的自動化控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要應用領域立足于采用活性污泥法的城市污水處理和工業(yè)廢水處理行業(yè),系統(tǒng)嵌入遺傳算法、模糊控制等智能控制方法,實現(xiàn)污水處理的優(yōu)化運行和精確控制,以達到節(jié)能降耗的目的;并提供具有專家經(jīng)驗的優(yōu)化調(diào)度與管理策略,對生產(chǎn)過程調(diào)度和運行中產(chǎn)生問題的管理和控制

2、,提供專家診斷結果和修復指導建議。該系統(tǒng)已在某污水廠成功應用,并達到了節(jié)能降耗的目的。二、污水廠工藝介紹某污水處理廠位于湖南省中部地區(qū),一期工程污水處理規(guī)模為10萬m3/d,二期設計處理規(guī)模為20萬m3/d,采用A-A/O氧化溝生物處理工藝。工藝流程圖如圖1所示。污水經(jīng)進水泵房進入細格柵間,然后進入氧化溝,氧化溝后各接2個沉淀池。處理后的水經(jīng)加氯間消毒后排出。污泥從沉淀池中回流至回流泵房,部分污泥回流至氧化溝,另一部分經(jīng)脫水機房排出。三、控制系統(tǒng)設計1、系統(tǒng)總體結構根據(jù)工程的實際情況及工藝要求,自控系統(tǒng)采用“集中管理、分散控制、資源共享”的集散型系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由信息層(管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場控制

3、層組成。總體結構圖如圖2所示。中控室監(jiān)控計算機和現(xiàn)場PLC控制分站通過光纖智能控制與節(jié)能管理在污水處理廠的應用文/吳巧媚,張立轉(北京金控自動化技術有限公司,100089摘要:研制開發(fā)污水處理智能控制與節(jié)能管理系統(tǒng),主要應用領域立足于采用活性污泥法的城市污水處理和工業(yè)廢水處理行業(yè),通過系統(tǒng)內(nèi)的智能控制方法,實現(xiàn)污水處理的優(yōu)化運行和精確控制,并提供具有專家經(jīng)驗的優(yōu)化調(diào)度與管理策略,最終達到節(jié)能降耗的目的。關鍵詞:污水處理,遺傳算法,模糊控制,專家系統(tǒng)圖1工藝流程圖圖控制系統(tǒng)總體結構圖492和以太網(wǎng)交換機組成全廠工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。PLC站采用Siemens S7系列的產(chǎn)品,交換機采用MOXA-EDS系

4、列的產(chǎn)品,儀表系統(tǒng)以德國E+H品牌為主。整個污水處理控制系統(tǒng)可以分為3級:中央監(jiān)控站,PLC控制站和現(xiàn)場設備。2、系統(tǒng)功能與實現(xiàn)中央監(jiān)控站:信息層硬件系統(tǒng)由中控室的生產(chǎn)管理計算機站、服務器及配套網(wǎng)絡傳輸線路、設備組成,通過高速工業(yè)以太網(wǎng)集成起來,完成系統(tǒng)的監(jiān)視、控制、通信、顯示及生產(chǎn)調(diào)度管理等功能。主要包括兩臺監(jiān)控計算機,數(shù)據(jù)庫服務器,模擬屏、大屏幕顯示設備、報表輸出設備、網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交換設備、UPS電源等設備構成,具有在線生產(chǎn)調(diào)度及對全廠設備進行自動和人工控制,完成實時監(jiān)測和在線生產(chǎn)決策的管理控制功能。PLC控制站:控制層的網(wǎng)絡體系采用TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議以及環(huán)形拓撲結構,以光纖為通信介質,通過

5、以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換機構成帶寬為100Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)。該網(wǎng)絡結構為自愈環(huán)網(wǎng),其應用層采用開放的通信協(xié)議。PLC現(xiàn)場控制站用于現(xiàn)場各車間數(shù)據(jù)采集與控制,每個控制站的PLC將監(jiān)測和控制有關區(qū)域的所有設備和過程,并且通過TCP/IP以太光纖環(huán)網(wǎng)與監(jiān)控計算機相連,中控室能夠觀察到廠內(nèi)重要設備的運行狀態(tài)和工藝參數(shù),完成對現(xiàn)場設備的操作與控制、參數(shù)的設置和修改。全廠根據(jù)需要共設立了8個PLC分站和一個遠程泵站。現(xiàn)場設備:現(xiàn)場設備主要包括各種數(shù)據(jù)測量儀表以及各種工藝設備。成分分析儀表是對物質的成分及性質進行分析和測量的儀表,是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中進行自動監(jiān)測和自動控制,以達到優(yōu)質高產(chǎn)、節(jié)能降耗以及保證安全生產(chǎn)

6、和保護環(huán)境的目的。自動分析儀表是污水處理系統(tǒng)中對一些復雜化學成分進行檢測的常用儀表,如污泥濃度計、總磷檢測儀、氨氮檢測儀、COD檢測儀等。邵陽污水處理廠采用的儀表以德國E+H品牌為主,主要包括:超聲波液位計、明渠流量計、PH計、溶解氧檢測儀、污泥濃度計、氨氮檢測儀、COD檢測儀等。三、智能控制與管理系統(tǒng)設計優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)包括兩個主要部分:上位優(yōu)化控制軟件和下位PLC控制程序。其中,上位優(yōu)化控制軟件占主導地位,下位PLC控制程序起輔助作用。上位優(yōu)化控制軟件包括各種智能控制模塊、專家診斷和管理系統(tǒng)、優(yōu)化調(diào)度策略以及電能監(jiān)測等功能模塊,具有良好的人機界面,便于操作和管理。1、遺傳算法優(yōu)化控制遺傳算

7、法是一種有效解決最優(yōu)化問題的方法1。它是基于自然選擇和群體遺傳機理的搜索算法,它模擬了自然選擇和自然遺傳過程中的繁殖,交配和變異現(xiàn)象。它將每個可能的解看作是群體中的一個個體(染色體,并將每個個體編碼成字符串的形式,根據(jù)預定的目標函數(shù)對每個個體進行評價。在本系統(tǒng)中遺傳算法的主要功能是利用進水量、進水COD、進水DO、污泥濃度、處理量、曝氣量、PH等參數(shù)通過遺傳算法生成溶解氧、ORP等過程參數(shù)的優(yōu)化控制曲線,該曲線即處理過程的最優(yōu)運行曲線,也即控制目標曲線。遺傳算法優(yōu)化控制界面見圖3。利用遺傳算法計算出DO的最優(yōu)值進行實時最優(yōu)控制。實時控制曲線將會在界面的空白框中顯示出來。工作人員可從界面中查看到

8、這一控制曲線。2、模糊控制的應用模糊控制不依賴被控對象精確的數(shù)學模型,它能根據(jù)誤差和誤差的變化實現(xiàn)對被控變量的控制,具有較強的魯棒性,被控對象參數(shù)的變化對模糊控制的影響不明顯,可用于非線性、時變和時滯系統(tǒng)的控制,控制的實時性較好,控制機理符合人們對過程控制的直觀描述和思維邏輯2。本系統(tǒng)采用模糊控制算法,將人的經(jīng)驗最大程度的運用到溶解氧和ORP等過程參數(shù)的控制中,避免了傳統(tǒng)控制方式效果不理想的弊端,實現(xiàn)了反應過程的優(yōu)化控制。選取DO為控制參數(shù)和DO的變化量來來控制鼓風機的頻率。建立模糊控制規(guī)則表。控制界面見圖4。污水處理DO模糊控制系統(tǒng),通過調(diào)節(jié)鼓風機頻率,將DO穩(wěn)定地控制在理想的位置,提高了污

9、水處理效率,節(jié)省了能源,也使該控制系統(tǒng)具備了較好的穩(wěn)定性和自適應能力。3、專家系統(tǒng)對于污水處理系統(tǒng)的故障診斷,目前主要采取計圖3遺傳算法氧化溝濃度優(yōu)化控制界面5算機輔助監(jiān)視與診斷技術。計算機輔助監(jiān)視與診斷系統(tǒng)包含這些內(nèi)容:利用自動化監(jiān)控系統(tǒng)提供的功能,對系統(tǒng)進行連續(xù)的監(jiān)測,在檢測到故障信號后及時的向操作人員發(fā)出報管。大部分設備故障報警后系統(tǒng)會自動診斷出故障的原因和部位,但是復雜的工藝故障還必須進行進一步的分析和診斷。專家管理模塊主要利用專家經(jīng)驗,實現(xiàn)對對生產(chǎn)過程調(diào)度和運行中產(chǎn)生問題的管理和控制,并提供專家診斷結果和修復指導建議。專家系統(tǒng)界面如圖5。點擊右上角的“開始診斷”按鈕,將會在界面左邊診

10、斷結果下方中給出診斷結果,若某個量出現(xiàn)非正常狀態(tài),可點擊“開始分析”按鈕,分析的結果將會在界面中間的分析結果中給出,點擊“開始解決”按鈕,將會在解決方案下給出專家提供的解決方案。工作人員可根據(jù)專家給出的方案進行操作。四、結論優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)嵌入遺傳算法、模糊控制等智能算法,實現(xiàn)對污水處理過程的有效控制,并根據(jù)經(jīng)驗,嵌入了專家控制模塊,利用專家經(jīng)驗,實現(xiàn)對生產(chǎn)過程調(diào)度和運行中產(chǎn)生問題的管理和控制,并提供專家診斷結果和修復指導建議,從而實現(xiàn)污水處理過程的故障診斷和優(yōu)化運行,具有投資少、收益高的特點。通過采用本系統(tǒng),該污水處理廠的運行成本比設計降低了43%,年節(jié)約電費200余萬元,單位污水處理費用只有0.22元/噸,并且,該廠的處理能力較設計能力