1、一、引言環境保護是我國的一項基本國策,污水處理是保護生態環境的重要措施,節能減排是當今可持續發展的一項必要環節;特別是在目前國際金融危機蔓延全球的情況下,如何節約能源、降低消耗,有效控制污水處理廠的運行成本,提高企業的利潤,增強企業的競爭力成為人們關注的重點。本文所研制污水處理優化節能控制系統是專門用于污水處理優化控制和節能降耗的自動化控制系統。本系統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廢水處理行業,系統嵌入遺傳算法、模糊控制等智能控制方法,實現污水處理的優化運行和精確控制,以達到節能降耗的目的;并提供具有專家經驗的優化調度與管理策略,對生產過程調度和運行中產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。該系統已在某污水廠成功應用,并達到了節能降耗的目的。二、污水廠工藝介紹某污水處理廠位于湖南省中部地區,一期工程污水處理規模為10萬m3/d,二期設計處理規模為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,另一部分經脫水機房排出。三、控制系統設計1、系統總體結構根據工程的實際情況及工藝要求,自控系統采用“集中管理、分散控制、資源共享”的集散型系統。整個系統由信息層(管理層、監控層和現場控制

3、層組成。總體結構圖如圖2所示。中控室監控計算機和現場PLC控制分站通過光纖智能控制與節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:研制開發污水處理智能控制與節能管理系統,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廢水處理行業,通過系統內的智能控制方法,實現污水處理的優化運行和精確控制,并提供具有專家經驗的優化調度與管理策略,最終達到節能降耗的目的。關鍵詞:污水處理,遺傳算法,模糊控制,專家系統圖1工藝流程圖圖控制系統總體結構圖492和以太網交換機組成全廠工業以太環網。PLC站采用Siemens S7系列的產品,交換機采用MOXA-EDS系

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

5、以太網環網交換機構成帶寬為100Mbps的工業以太網。該網絡結構為自愈環網,其應用層采用開放的通信協議。PLC現場控制站用于現場各車間數據采集與控制,每個控制站的PLC將監測和控制有關區域的所有設備和過程,并且通過TCP/IP以太光纖環網與監控計算機相連,中控室能夠觀察到廠內重要設備的運行狀態和工藝參數,完成對現場設備的操作與控制、參數的設置和修改。全廠根據需要共設立了8個PLC分站和一個遠程泵站。現場設備:現場設備主要包括各種數據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,是現代工業生產過程中進行自動監測和自動控制,以達到優質高產、節能降耗以及保證安全生產

6、和保護環境的目的。自動分析儀表是污水處理系統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設計優化節能控制系統包括兩個主要部分:上位優化控制軟件和下位PLC控制程序。其中,上位優化控制軟件占主導地位,下位PLC控制程序起輔助作用。上位優化控制軟件包括各種智能控制模塊、專家診斷和管理系統、優化調度策略以及電能監測等功能模塊,具有良好的人機界面,便于操作和管理。1、遺傳算法優化控制遺傳算

7、法是一種有效解決最優化問題的方法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,根據預定的目標函數對每個個體進行評價。在本系統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等參數通過遺傳算法生成溶解氧、ORP等過程參數的優化控制曲線,該曲線即處理過程的最優運行曲線,也即控制目標曲線。遺傳算法優化控制界面見圖3。利用遺傳算法計算出DO的最優值進行實時最優控制。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學模型,它能根據誤差和誤差的變化實現對被控變量的控制,具有較強的魯棒性,被控對象參數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。本系統采用模糊控制算法,將人的經驗最大程度的運用到溶解氧和ORP等過程參數的控制中,避免了傳統控制方式效果不理想的弊端,實現了反應過程的優化控制。選取DO為控制參數和DO的變化量來來控制鼓風機的頻率。建立模糊控制規則表。控制界面見圖4。污水處理DO模糊控制系統,通過調節鼓風機頻率,將DO穩定地控制在理想的位置,提高了污

9、水處理效率,節省了能源,也使該控制系統具備了較好的穩定性和自適應能力。3、專家系統對于污水處理系統的故障診斷,目前主要采取計圖3遺傳算法氧化溝濃度優化控制界面5算機輔助監視與診斷技術。計算機輔助監視與診斷系統包含這些內容:利用自動化監控系統提供的功能,對系統進行連續的監測,在檢測到故障信號后及時的向操作人員發出報管。大部分設備故障報警后系統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驗,實現對對生產過程調度和運行中產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,若某個量出現非正常狀態,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。工作人員可根據專家給出的方案進行操作。四、結論優化節能控制系統嵌入遺傳算法、模糊控制等智能算法,實現對污水處理過程的有效控制,并根據經驗,嵌入了專家控制模塊,利用專家經驗,實現對生產過程調度和運行中產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,從而實現污水處理過程的故障診斷和優化運行,具有投資少、收益高的特點。通過采用本系統,該污水處理廠的運行成本比設計降低了43%,年節約電費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