基于工业污水处理控制系统

李赛博

（湖南华菱涟源钢铁有限公司 湖南省娄底市 417000）

本文的研究在国内环境治理的大背景下，展开有关水处理技术和自动化控制设计，为提升污水处理效率等方面具有重要意义。本文依据当前污水处理工艺流程，选择工控机作为控制系统上位机，通过PROFIBUS 通讯网络实现上位机与下位机的连接。在本文设计的模糊PID 控制系统主要实现对溶解氧的模糊控制，在降低设备功耗的同时提升了工业废水的治理效果。

1 污水处理工艺流程

十九世纪工业革命推动了经济迅猛发展，在此背景下自然生态环境与市场经济的发展矛盾愈加激烈。尤其在工业化进程的发展中，为达成经济目标的增长长期消耗大自然的生态环境，对人类生活环境造成了不良影响，如气候边关、臭氧层破坏、酸雨、土地荒漠化有机植物污染等等问题。在国内，我国亦面对同样的问题，在改革开放四十多年时间里，随着经济政策的不断落实，工业问题对生态环境的影响非常明显。索然有关工业环境污染为题的法律法规有十五部之多，但工业经济增长方式难以改变，其自然生态环境的问题也就不能得到有效改善。在此背景下，工业废水治理工艺的改进在一定程度上缓和了经济发展与生态环境的矛盾激化。水资源是人类生存与发展的重要资源。随着我国市场经济的不断发展，人口密度及城市化进程不断加速，污水的产生量也随之增加，大量工业、农业、生活废水都源源不断的排入自然水体，导致我国淡水资源被污染严重。对于我国而言《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）一级A 标准中总磷限值为0.5mg·L-1，氮限值为15mg·L-1。所以，对工业废水处理及治理是当前市场经济发展的重要前提，对水处理系统的自动化完善以提升水处理控制水平和水处理效果。

工业废水治理的工艺根据需处理的规模、污水性质、受纳水环境的功能及实际情况和技术经济比较后确定。在本文研究的工业废水处理系统中，处理工艺流程为：提升泵房→沉沙池→调节池→酸化池→缺氧池→好氧池→MBR 池→反应沉淀池→深度处理。在提升泵房中通过对较大污水漂浮物利用格栅来进行拦截，对污水进行初步处理；沉砂池对污水进行泥沙分离处理，对污水处理系统官网进行保护，其重要功能是通过中立作用对泥沙进行沉淀和分离；污水水质以酸碱度为衡量，其酸碱度相关参数随着时间的变化呈现波动。在污水处理工艺中首先对工业废水进行水泥分离，对污染水体进行酸碱度调节；酸化池的功能主要是对污水进行厌氧消化过程，对水体中有机物进行分解，是生物催化反应的发酵过程；缺氧池功用是吸收硝酸盐氮发生硝化反应。缺氧池适合微生物生存，可以有效吸收水体中的可降解有机物，降低水体中的磷浓度；MBR 可以生鲜生物分离，对固体和液体进行分离，对微生物进行拉结，以及提升水体中硝化细菌的繁殖速度，实现氮吸附和去磷操作；V 型过滤池设置水槽形式对污水进行过滤操作。V 型过滤槽主要是对污水进行过滤和反冲洗，在处理过程中对过滤材料进行处理，对气水进行分离。在反冲洗环节中部分污水通过过滤池将排水渠污水表面进行冲洗。

2 污水处理控制系统总体方案

2.1 总体结构

在工业废水自动化处理系统中，提升设备以及沉砂池在整个自动化控制中为废水的预处理阶段；缺氧池与好氧池为生化处理阶段；深度处理为工业废水的后续阶段，基于这三个阶段的处理流程设计污水自动化控制系统。

整个控制系统有中央控制室、现场控制室和通讯网络三个部分构成。中央控制室实现对各个控制室的连接，通过人机界面对污水处理过程进行动态监控。中央控制室的主要功能是对污水处理数据采集，对数据信息处理，对数据进行管理和处理，以及污水处理自动化控制系统报警处理；现场控制室是整个污水处理自动化控制系统中的关键部分，也是主要构成部分，对污水处理流程的各个环节以及设备运行实施数据进行采集，向中央控制室传输数据新型实现对污水处理的过程管理控制；通讯网络在自动控制系统中，利用网络通讯端口实现相关设备的连接及功能扩展。在对污水处理工艺过程以及控住目的基础上，实现对武术处理控制对象进行分析。

（1）结合污水处理的处理、生化反应、后续阶段。通过中央控制室、现场控制室和通讯网络实现整个处理系统的自动化控制；

（2）在自动化控制系统中硬件主要由PLC 主控设备、传感器、仪器仪表的选型和设计。PLC 主控设备对，利用检测仪实时监测数据，利用监测数据输出信号进行对电器设备的变频控制。软件方面主要由通信程序、控制程序等子程序软件设计。

（3）结合水处理相关参数标准，选择工控机作为自动化控制系统的上位机，通过PROFIBUS 实现上位机与下位机的连接。

2.2 主要功能

就工业废水处理控制系统的自动化程度来讲，需要将处理效率最大化，降低设备和各个控制环节故障概率以实现系统稳定运行。因此，设计的自动化控制系统首先应满足性能要求，如系统的稳定性、准确性和快速性要求。

其次，在控制系统中，利用中央控制室进行远程控制，在控制过程中控制系统主要具备远程控制功能、数据管理功能、报警功能和人机交互显示功能。

3 控制系统硬件设计

3.1 传感器选择

控制系统采用的DO 分析仪型号为：DOG3000，选择该分析仪的目的主要是其CPU 性能较好，同时AD 转换技术精度精准，可以对多个参数进行实时检测，该仪器输出电流在4-20 毫安左右，可以满足污水处理控制系统的需要；液位计选择UYT-86 静压式液位计，该液位计体积较小，稳定性较好，可以实现较高抗过载能力，防腐蚀性也较好；电磁流量计选择Thmag-LDN150 型号，该仪表智能化较高，稳定性较强；酸碱值传感器选择BPHDJT9501 型号数字传感器，线缆质量高、防护等级高等特点，在污水中可以直接投入进行检测。

3.2 PLC控制系统组成

在污水处理自动化控制系统中选择PLC 可编程控制器，型号为施耐德Premium。为实现PLC 对整个系统设备有效控制，通过各个控制环节设置通讯模块对现场进行控制，工业废水各个控制环节设置相应的硬件设施。为便于工业废水处理的实时管理，控制站应选择带有网络接口CPU 以实现上下位机的通讯连接。

4 控制系统软件设计

在软件部分设计之前，为有效保障污水处理控制系统功能实现，需要将控制系统设备以及处理工艺相关参数数据进行初始化操作，完成污水处理控制系统上位机与下位机之间的通讯连接。在初始化操作之后，PLC 可编程控制器对对控制系统设备进行启动和使用，并上传数据信息，通过PID 控制器进行控制策略选择，完成对鼓风设备的控制以调节溶解氧浓度。

PLC 结合传感器实现对溶解氧数据的采集与上传，与系统默认值进行误差对比分析，利用模糊运算获得溶解氧浓度控制量在允许范围之内。模糊控制程序基于函数程序控制规则，通过程序储存器，按照溶解氧浓度控制规则信息查询参数实现对设备的控制。

在工业污水与处理阶段涉及的设备设施主要有提升泵、沉砂池、调节池和酸化池。为提升设施设备最大使用效率，在整个污水处理工艺中生化处理阶段将提升设备控制为轮流作业形式，以此来保障好氧池的溶解氧浓度在规定范围之内，通过传感器对溶解氧浓度监测数据结合变频器对设备功率进行调节加以控制。

5 模糊PID控制器仿真分析

工业污水自动化处理系统采用的控制策略主要包括PID 控制策略和某控制。PID 控制策略当前在工业控制领域应用比较广泛，究其原因主要是因为控制结构简单，便于维护和管理。就当前国内工业污水处理自动化控制系统中控制策略还是比较多，在本文中PID控制策略以压力反馈原件计算控制量输出。

模糊控制策略是二十世纪国外工业控制领域在自动化控制算法的初步运用和探索。工作人员通过控制信息对工业污水处理系统中控制对象进行模糊处理，构建模糊控制规则，晚上对系统的控制和调节。模糊控制中控制主要构成是模糊PID 控制器。但是在实际环境中想要结合污水处理情况构建准确的控制模型较为困难，也就是说在具体环境下污水处理控制系统不能以高效的控制效果呈现。在实际污水处理环境中，工作人员一绝污水处理系统的数据信息对控制系统的指标进行判断和分析，进而形成操作规则，这就是模糊控制的雏形。模糊控制结构主要由模糊控制器、转换接口、被控对象、监测设备构成。本文设计的自动化可控制系统，控制策略以模糊集合为基础，利用工作人员思维方式和语言特质，梳理出实际操作中的工作经验，形成PID 控制规则，模糊控制步骤为：首先对被控对象监测数据进行模糊化处理；其次对模糊数据进行输出操作；最后将模糊控制值转换为精确值首先调节控制。

本文设计的控制系统可以按照污水处理的实际需求制定模糊PID 控制规则，保障控制系统的高效性和稳定性。对于整体控制系统而言，模糊控制算法的不足之处是计算量较大，在运行过程中容易产生硬顶影响。因此，通过结合函数程序，自动生成规则表，在控制系统运行过程中查询规则以实现相应的设备控制。模糊控制是PID 调节控制对工业污水进行自动化处理控制，首先找出PID 偏差e 与EC 的模糊关系，依据PID 参数满足不同控制效果。在本文中溶解氧偏差与偏差率为输入变量，输出变量为变频器控制参数，以此对关键设备功率进行变频调节。

模糊PID 控制首先对控制器输入参数进行模糊化处理。输入的主要是被控对象精确测量数据，模糊控制则需要推理模糊变量来进行操作那个。假设污水处理溶解氧浓度检测数据与系统设定参数存在差异，可以用标准化处理的计算公式进行计算。

上式中 表示污水处理溶解氧浓度实际检测值与系统设置值的差；a、b 指的是污水处理溶解氧浓度实际检测值与系统设置值的差上限值和下限值；M、N 指的是标准化处理之后污水处理溶解氧浓度实际检测值与系统设置值的差值下限值和上限值。

若污水处理溶解氧浓度设定值与实际值之间的差异值变化率表示为，标准化公式如下式：

在控制系统中，选择仿真软件进行污水处理自动化控制系统的仿真分析。

在完成控制系统动态建模之后选择开始按钮，得出系统阶跃曲线，

常规控制阶跃曲线波动较大，说明常规控制反应相对于模糊控制来讲反应较慢。常规控制在2 分13 秒时达到预期控制效果，但在之后的27 秒中处理超调状态，最大量为2.59mg/L。从仿真结果可以看出，在模糊控制策略下，在1 分28 秒就达到预期控制值，相对于常规控制模糊控制效率更高，调节设备控制更加稳定，效果也更加明显。

6 结语

在本文中，工业污水处理系统以工控机为上位机，结合PROFIBUS 通讯网络实现上、下位机的连接。采用PID 实现对好氧池溶解氧的模糊控制。在具体污水处理过程中，利用鼓风机将空气正压输送到生化池中，通过变频器调节设备功率实现输送空气溶解氧浓度控制，对溶解氧浓度利用传感器进行实时监测，得到监测值与系统设定值的偏差值及偏差率，结合模糊推理得出变频器控制精确量，通过鼓风设备控制溶解氧在合理范围内，保障工业污水的处理效果