基于工業污水處理控制系統

李賽博

（湖南華菱漣源鋼鐵有限公司 湖南省婁底市 417000）

本文的研究在國內環境治理的大背景下，展開有關水處理技術和自動化控制設計，為提升污水處理效率等方面具有重要意義。本文依據當前污水處理工藝流程，選擇工控機作為控制系統上位機，通過PROFIBUS 通訊網絡實現上位機與下位機的連接。在本文設計的模糊PID 控制系統主要實現對溶解氧的模糊控制，在降低設備功耗的同時提升了工業廢水的治理效果。

1 污水處理工藝流程

十九世紀工業革命推動了經濟迅猛發展，在此背景下自然生態環境與市場經濟的發展矛盾愈加激烈。尤其在工業化進程的發展中，為達成經濟目標的增長長期消耗大自然的生態環境，對人類生活環境造成了不良影響，如氣候邊關、臭氧層破壞、酸雨、土地荒漠化有機植物污染等等問題。在國內，我國亦面對同樣的問題，在改革開放四十多年時間里，隨著經濟政策的不斷落實，工業問題對生態環境的影響非常明顯。索然有關工業環境污染為題的法律法規有十五部之多，但工業經濟增長方式難以改變，其自然生態環境的問題也就不能得到有效改善。在此背景下，工業廢水治理工藝的改進在一定程度上緩和了經濟發展與生態環境的矛盾激化。水資源是人類生存與發展的重要資源。隨著我國市場經濟的不斷發展，人口密度及城市化進程不斷加速，污水的產生量也隨之增加，大量工業、農業、生活廢水都源源不斷的排入自然水體，導致我國淡水資源被污染嚴重。對于我國而言《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）一級A 標準中總磷限值為0.5mg·L-1，氮限值為15mg·L-1。所以，對工業廢水處理及治理是當前市場經濟發展的重要前提，對水處理系統的自動化完善以提升水處理控制水平和水處理效果。

工業廢水治理的工藝根據需處理的規模、污水性質、受納水環境的功能及實際情況和技術經濟比較后確定。在本文研究的工業廢水處理系統中，處理工藝流程為：提升泵房→沉沙池→調節池→酸化池→缺氧池→好氧池→MBR 池→反應沉淀池→深度處理。在提升泵房中通過對較大污水漂浮物利用格柵來進行攔截，對污水進行初步處理；沉砂池對污水進行泥沙分離處理，對污水處理系統官網進行保護，其重要功能是通過中立作用對泥沙進行沉淀和分離；污水水質以酸堿度為衡量，其酸堿度相關參數隨著時間的變化呈現波動。在污水處理工藝中首先對工業廢水進行水泥分離，對污染水體進行酸堿度調節；酸化池的功能主要是對污水進行厭氧消化過程，對水體中有機物進行分解，是生物催化反應的發酵過程；缺氧池功用是吸收硝酸鹽氮發生硝化反應。缺氧池適合微生物生存，可以有效吸收水體中的可降解有機物，降低水體中的磷濃度；MBR 可以生鮮生物分離，對固體和液體進行分離，對微生物進行拉結，以及提升水體中硝化細菌的繁殖速度，實現氮吸附和去磷操作；V 型過濾池設置水槽形式對污水進行過濾操作。V 型過濾槽主要是對污水進行過濾和反沖洗，在處理過程中對過濾材料進行處理，對氣水進行分離。在反沖洗環節中部分污水通過過濾池將排水渠污水表面進行沖洗。

2 污水處理控制系統總體方案

2.1 總體結構

在工業廢水自動化處理系統中，提升設備以及沉砂池在整個自動化控制中為廢水的預處理階段；缺氧池與好氧池為生化處理階段；深度處理為工業廢水的后續階段，基于這三個階段的處理流程設計污水自動化控制系統。

整個控制系統有中央控制室、現場控制室和通訊網絡三個部分構成。中央控制室實現對各個控制室的連接，通過人機界面對污水處理過程進行動態監控。中央控制室的主要功能是對污水處理數據采集，對數據信息處理，對數據進行管理和處理，以及污水處理自動化控制系統報警處理；現場控制室是整個污水處理自動化控制系統中的關鍵部分，也是主要構成部分，對污水處理流程的各個環節以及設備運行實施數據進行采集，向中央控制室傳輸數據新型實現對污水處理的過程管理控制；通訊網絡在自動控制系統中，利用網絡通訊端口實現相關設備的連接及功能擴展。在對污水處理工藝過程以及控住目的基礎上，實現對武術處理控制對象進行分析。

（1）結合污水處理的處理、生化反應、后續階段。通過中央控制室、現場控制室和通訊網絡實現整個處理系統的自動化控制；

（2）在自動化控制系統中硬件主要由PLC 主控設備、傳感器、儀器儀表的選型和設計。PLC 主控設備對，利用檢測儀實時監測數據，利用監測數據輸出信號進行對電器設備的變頻控制。軟件方面主要由通信程序、控制程序等子程序軟件設計。

（3）結合水處理相關參數標準，選擇工控機作為自動化控制系統的上位機，通過PROFIBUS 實現上位機與下位機的連接。

2.2 主要功能

就工業廢水處理控制系統的自動化程度來講，需要將處理效率最大化，降低設備和各個控制環節故障概率以實現系統穩定運行。因此，設計的自動化控制系統首先應滿足性能要求，如系統的穩定性、準確性和快速性要求。

其次，在控制系統中，利用中央控制室進行遠程控制，在控制過程中控制系統主要具備遠程控制功能、數據管理功能、報警功能和人機交互顯示功能。

3 控制系統硬件設計

3.1 傳感器選擇

控制系統采用的DO 分析儀型號為：DOG3000，選擇該分析儀的目的主要是其CPU 性能較好，同時AD 轉換技術精度精準，可以對多個參數進行實時檢測，該儀器輸出電流在4-20 毫安左右，可以滿足污水處理控制系統的需要；液位計選擇UYT-86 靜壓式液位計，該液位計體積較小，穩定性較好，可以實現較高抗過載能力，防腐蝕性也較好；電磁流量計選擇Thmag-LDN150 型號，該儀表智能化較高，穩定性較強；酸堿值傳感器選擇BPHDJT9501 型號數字傳感器，線纜質量高、防護等級高等特點，在污水中可以直接投入進行檢測。

3.2 PLC控制系統組成

在污水處理自動化控制系統中選擇PLC 可編程控制器，型號為施耐德Premium。為實現PLC 對整個系統設備有效控制，通過各個控制環節設置通訊模塊對現場進行控制，工業廢水各個控制環節設置相應的硬件設施。為便于工業廢水處理的實時管理，控制站應選擇帶有網絡接口CPU 以實現上下位機的通訊連接。

4 控制系統軟件設計

在軟件部分設計之前，為有效保障污水處理控制系統功能實現，需要將控制系統設備以及處理工藝相關參數數據進行初始化操作，完成污水處理控制系統上位機與下位機之間的通訊連接。在初始化操作之后，PLC 可編程控制器對對控制系統設備進行啟動和使用，并上傳數據信息，通過PID 控制器進行控制策略選擇，完成對鼓風設備的控制以調節溶解氧濃度。

PLC 結合傳感器實現對溶解氧數據的采集與上傳，與系統默認值進行誤差對比分析，利用模糊運算獲得溶解氧濃度控制量在允許范圍之內。模糊控制程序基于函數程序控制規則，通過程序儲存器，按照溶解氧濃度控制規則信息查詢參數實現對設備的控制。

在工業污水與處理階段涉及的設備設施主要有提升泵、沉砂池、調節池和酸化池。為提升設施設備最大使用效率，在整個污水處理工藝中生化處理階段將提升設備控制為輪流作業形式，以此來保障好氧池的溶解氧濃度在規定范圍之內，通過傳感器對溶解氧濃度監測數據結合變頻器對設備功率進行調節加以控制。

5 模糊PID控制器仿真分析

工業污水自動化處理系統采用的控制策略主要包括PID 控制策略和某控制。PID 控制策略當前在工業控制領域應用比較廣泛，究其原因主要是因為控制結構簡單，便于維護和管理。就當前國內工業污水處理自動化控制系統中控制策略還是比較多，在本文中PID控制策略以壓力反饋原件計算控制量輸出。

模糊控制策略是二十世紀國外工業控制領域在自動化控制算法的初步運用和探索。工作人員通過控制信息對工業污水處理系統中控制對象進行模糊處理，構建模糊控制規則，晚上對系統的控制和調節。模糊控制中控制主要構成是模糊PID 控制器。但是在實際環境中想要結合污水處理情況構建準確的控制模型較為困難，也就是說在具體環境下污水處理控制系統不能以高效的控制效果呈現。在實際污水處理環境中，工作人員一絕污水處理系統的數據信息對控制系統的指標進行判斷和分析，進而形成操作規則，這就是模糊控制的雛形。模糊控制結構主要由模糊控制器、轉換接口、被控對象、監測設備構成。本文設計的自動化可控制系統，控制策略以模糊集合為基礎，利用工作人員思維方式和語言特質，梳理出實際操作中的工作經驗，形成PID 控制規則，模糊控制步驟為：首先對被控對象監測數據進行模糊化處理；其次對模糊數據進行輸出操作；最后將模糊控制值轉換為精確值首先調節控制。

本文設計的控制系統可以按照污水處理的實際需求制定模糊PID 控制規則，保障控制系統的高效性和穩定性。對于整體控制系統而言，模糊控制算法的不足之處是計算量較大，在運行過程中容易產生硬頂影響。因此，通過結合函數程序，自動生成規則表，在控制系統運行過程中查詢規則以實現相應的設備控制。模糊控制是PID 調節控制對工業污水進行自動化處理控制，首先找出PID 偏差e 與EC 的模糊關系，依據PID 參數滿足不同控制效果。在本文中溶解氧偏差與偏差率為輸入變量，輸出變量為變頻器控制參數，以此對關鍵設備功率進行變頻調節。

模糊PID 控制首先對控制器輸入參數進行模糊化處理。輸入的主要是被控對象精確測量數據，模糊控制則需要推理模糊變量來進行操作那個。假設污水處理溶解氧濃度檢測數據與系統設定參數存在差異，可以用標準化處理的計算公式進行計算。

上式中 表示污水處理溶解氧濃度實際檢測值與系統設置值的差；a、b 指的是污水處理溶解氧濃度實際檢測值與系統設置值的差上限值和下限值；M、N 指的是標準化處理之后污水處理溶解氧濃度實際檢測值與系統設置值的差值下限值和上限值。

若污水處理溶解氧濃度設定值與實際值之間的差異值變化率表示為，標準化公式如下式：

在控制系統中，選擇仿真軟件進行污水處理自動化控制系統的仿真分析。

在完成控制系統動態建模之后選擇開始按鈕，得出系統階躍曲線，

常規控制階躍曲線波動較大，說明常規控制反應相對于模糊控制來講反應較慢。常規控制在2 分13 秒時達到預期控制效果，但在之后的27 秒中處理超調狀態，最大量為2.59mg/L。從仿真結果可以看出，在模糊控制策略下，在1 分28 秒就達到預期控制值，相對于常規控制模糊控制效率更高，調節設備控制更加穩定，效果也更加明顯。

6 結語

在本文中，工業污水處理系統以工控機為上位機，結合PROFIBUS 通訊網絡實現上、下位機的連接。采用PID 實現對好氧池溶解氧的模糊控制。在具體污水處理過程中，利用鼓風機將空氣正壓輸送到生化池中，通過變頻器調節設備功率實現輸送空氣溶解氧濃度控制，對溶解氧濃度利用傳感器進行實時監測，得到監測值與系統設定值的偏差值及偏差率，結合模糊推理得出變頻器控制精確量，通過鼓風設備控制溶解氧在合理范圍內，保障工業污水的處理效果