摘 要：活性污泥法污水處理過(guò)程是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的物理和化學(xué)過(guò)程，有許多干擾因素。目前國(guó)內(nèi)污水處理過(guò)程控制水平不高，曝氣能源消耗大，難以保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定，很容易造成二次污染。本文以鞍山市污水處理廠活性污泥污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目為背景，研究了溶解氧氣濃度的自適應(yīng)遺傳PID控制算法和出水COD的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制；以太網(wǎng)；組態(tài)軟件

水是生命之源，是現(xiàn)代工業(yè)的血液，是國(guó)家經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的核心要素，保護(hù)水資源是當(dāng)務(wù)之急。由于我國(guó)各種水資源都遭到了極大的污染，而且我國(guó)還是水資源嚴(yán)重短缺的國(guó)家，所以全力發(fā)展我國(guó)的污水處理技術(shù)是勢(shì)在必行。在很多污水處理技術(shù)中，活性污泥法既是一種比較有效的污水處理方法，也是一種先進(jìn)的污水處理工藝，非常適合我國(guó)目前的情況。什么是活性污泥法？它就是利用污泥中微生物的生命活動(dòng)來(lái)清除污水中的各種污染雜質(zhì)。由于進(jìn)水水質(zhì)、水量、設(shè)備、工藝等多種因素的影響，導(dǎo)致污水處理過(guò)程復(fù)雜。針對(duì)污水水質(zhì)變化的非確定性、隨機(jī)性、非線性等特征，這些因素提升了污水自動(dòng)化處理的難度。為了提高自動(dòng)化污水處理過(guò)程，在保證系統(tǒng)運(yùn)行良好的情況下，提高出水質(zhì)量，開(kāi)發(fā)和研究一種新型的污水自動(dòng)化控制方法，是污水控制領(lǐng)域的重要課題之一。

1 污水處理控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

多層次的系統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)是光纖以太環(huán)網(wǎng)與現(xiàn)場(chǎng)總線相結(jié)合的。10/100M全雙工光纖工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)作為主控制層。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用的PLC（這里采用西門(mén)子300PLC）、IPC機(jī)和光交換機(jī)均遵循TCP/IP協(xié)議。采用雙層管理模式：監(jiān)測(cè)管理層、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試層。安裝在總控室的工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，它主要監(jiān)管污水處理站運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)觀察和監(jiān)測(cè)各種信號(hào)及設(shè)備狀態(tài)信息。兩種顯示模式：動(dòng)畫(huà)和文本，對(duì)各種故障現(xiàn)象進(jìn)行報(bào)警的同時(shí)建立并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、制作和打印報(bào)表等。上位機(jī)通控制過(guò)交換機(jī)和光纖收發(fā)器，用光纖以太網(wǎng)連接現(xiàn)場(chǎng)的PLC，完成各種數(shù)據(jù)信息的傳遞。下位機(jī)收集各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，運(yùn)用PLC監(jiān)控污水處理站中各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)，終端模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制單元診斷出的信息將通過(guò)Ehternet傳輸?shù)缴衔粰C(jī)工控機(jī)，以便實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

系統(tǒng)中心控制室配備了兩臺(tái)電腦監(jiān)控和管理：一個(gè)作為工程師站，一個(gè)作為操作員站。工程師站主要完成系統(tǒng)配置、調(diào)試和控制參數(shù)的在線修改和設(shè)置等。現(xiàn)場(chǎng)控制和過(guò)程控制中，操作員站起舉足輕重的作用，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)，將監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)控制層的信息進(jìn)行互換，具備監(jiān)測(cè)、控制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、故障報(bào)警和數(shù)據(jù)打印等多種功能。因此，操作員站在系統(tǒng)中是很重要的。在系統(tǒng)的一些硬件配置中，必須選擇性能穩(wěn)定的，同時(shí)采取UPS電源供電。作為上位機(jī)的工控機(jī)，不僅要與現(xiàn)場(chǎng)控制層進(jìn)行各類數(shù)據(jù)互換，還要采用冗余配置。工控機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)卡及一臺(tái)光交換模塊連接到工業(yè)以太網(wǎng)與各個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站，以實(shí)現(xiàn)信息聯(lián)系。

2 控制系統(tǒng)組成

2.1 電源系統(tǒng)

為了保證系統(tǒng)在斷電的情況下，依然能正常運(yùn)行2個(gè)小時(shí)以上，PLC和兩臺(tái)工控機(jī)靠中央控制室中的UPS電源供電。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通訊

配備2芯的多模光纖電纜，同時(shí)使用100M以太網(wǎng)作為傳輸介質(zhì)的通信網(wǎng)絡(luò)。使用l00M工業(yè)以太網(wǎng)光纖環(huán)網(wǎng)控制層，它具有強(qiáng)大的通訊功能，是一個(gè)開(kāi)放的工業(yè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)。為了系統(tǒng)數(shù)據(jù)在骨干網(wǎng)上高速傳送，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的目的，該網(wǎng)絡(luò)通訊需將中央控室的工程師站、操作員站和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)操作站三者有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。

2.3 中央控制室

2.3.1 控制室結(jié)構(gòu)

兩套監(jiān)控管理計(jì)算機(jī)安裝在污水處理綜合樓內(nèi)的中央控制室，采用大屏幕彩色顯示屏，一臺(tái)UPS不間斷電源的配置，兩臺(tái)打印機(jī)。全廠污水處理的各種工作情況信息，各個(gè)工段儀表的檢測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況等，都顯示在大型彩色光帶模擬屏上。為了不影響中央控制室內(nèi)設(shè)備的正常工作，有效防止雷擊竄入電源系統(tǒng)，在控制室信號(hào)線和電源線上安裝信號(hào)浪涌保護(hù)器和電源避雷器。

2.3.2 監(jiān)控管理功能介紹

污水處理廠設(shè)備運(yùn)行和操作狀態(tài)、設(shè)備的工藝參數(shù)、報(bào)警都需要通過(guò)100MBPS高速工業(yè)以太網(wǎng)控制中央控制室，建立設(shè)備與設(shè)備之間信息數(shù)據(jù)庫(kù)的連接和資源共享。中央控制室可以完成以下的功能：

①要想對(duì)泵站的運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，最有效的途徑就是用無(wú)線電通信方式實(shí)現(xiàn)和截流干管泵站的數(shù)據(jù)傳輸；

②中心操作者可以很方便的在彩色屏幕的剖面圖和平面圖上，看見(jiàn)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況、參數(shù)是否在正常范圍值內(nèi)、機(jī)泵是否安全工作、有無(wú)事故報(bào)警等；

③操作員站可以顯示歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以為操作者提供運(yùn)行趨勢(shì)曲線，以便分析各種事故產(chǎn)生原因。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)介紹

2.4.1 控制功能

污水處理廠和截流干管泵站的操作站是主要的控制系統(tǒng)。為了最大限度地節(jié)省電纜，根據(jù)污水廠處理的總體布局，設(shè)立五個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作站，一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)操作站設(shè)置在廠外截流干管泵站內(nèi)，它們獨(dú)立工作，分別完成職責(zé)內(nèi)工段的監(jiān)管控制。為了更好的完成監(jiān)控，在每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)都配備操作員和儀表顯示裝置。這樣操作員就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到每個(gè)站的電氣系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)情況、各種儀表的測(cè)量參數(shù)以及工藝流程運(yùn)轉(zhuǎn)情況等。中央控制室的泵站設(shè)備運(yùn)行狀況是通過(guò)通訊裝置以無(wú)線方式傳輸?shù)模醒肟刂剖夜こ處熣究梢愿鶕?jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。為了防止雷擊竄入電源系統(tǒng)，破壞系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需要在各現(xiàn)場(chǎng)操作站信號(hào)線和電源線上安裝信號(hào)浪涌保護(hù)器和電源避雷器。

2.4.2 現(xiàn)場(chǎng)操作站設(shè)置

在污水處理廠內(nèi)設(shè)有5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制單元，各個(gè)控制單元的主控任務(wù)由西門(mén)子-300PLC擔(dān)任，西門(mén)子-300PLC通過(guò)PROFIBUS總線與現(xiàn)場(chǎng)ET-200控制模塊通信，并通過(guò)以太網(wǎng)方式接入總制室。現(xiàn)場(chǎng)控制單元分配如下：

#l處理控制單元—變配電所站；

2#處理控制單元—粗格柵間站；

3#處理控制單元—細(xì)格柵間站；

4#處理控制單元—鼓風(fēng)機(jī)房站；

5#處理控制單元—污泥脫水間；

3 現(xiàn)場(chǎng)控制單元功能介紹

3.1 粗格柵間控制單元

粗格柵間控制單元主要檢測(cè)和處理粗格柵間工藝參數(shù)，監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)。粗格柵機(jī)和污水潛水泵是主要控制設(shè)備。

格柵機(jī)的工作過(guò)程為：按動(dòng)格柵機(jī)的啟動(dòng)按鈕，把柵渣收集到格柵機(jī)后的運(yùn)渣小車上，怎么驗(yàn)證格柵是否堵塞？就是通過(guò)超聲波液位差計(jì)測(cè)量格柵機(jī)前后的液位差來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)液位差超過(guò)設(shè)定的安全值時(shí)，啟動(dòng)清污機(jī)，開(kāi)始工作，直到液位差在設(shè)定的安全值內(nèi)；當(dāng)液位差超過(guò)安全值后沒(méi)有停止，繼續(xù)增加時(shí)，報(bào)警器響。

該系統(tǒng)有4臺(tái)被控潛水泵：潛水泵的啟動(dòng)和停止，由PLC收集水井液位。

這里僅涉及到模擬量的監(jiān)測(cè)和開(kāi)關(guān)量的控制，不涉及閉環(huán)控制策略，比較容易實(shí)現(xiàn)。

3.2 細(xì)格柵間控制單元

細(xì)格柵間控制單元主要控制細(xì)格柵機(jī)和旋流沉沙池。

由于細(xì)格柵機(jī)的控制方式與粗格柵機(jī)的控制方式相同，所以就不再重復(fù)介紹。旋流沉砂池的控制設(shè)備為1臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)、2臺(tái)槳葉分離機(jī)，這兩種設(shè)備都是用開(kāi)關(guān)控制。

3.3 鼓風(fēng)機(jī)房站控制單元

鼓風(fēng)機(jī)房站控制單元處理數(shù)據(jù)的同時(shí)，主要用于監(jiān)測(cè)污泥泵站、曝氣池、二次沉淀池和鼓風(fēng)機(jī)房的參數(shù)情況和生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行情況。

鼓風(fēng)機(jī)房控制的效果直接影響到出水COD的值。這是整個(gè)污水處理過(guò)程控制系統(tǒng)的最重要部分，因?yàn)榛亓魑勰嗔康目刂萍捌貧獬厝芙庋鯘舛鹊目刂贫荚谶@里同時(shí)進(jìn)行。

3.4 污泥脫水間控制單元

污泥脫水間過(guò)程控制單元處理數(shù)據(jù)的同時(shí)，主要用于監(jiān)測(cè)污泥儲(chǔ)存池、污泥脫水間的參數(shù)情況和生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行情況。

3.5 變配電所控制單元

變配電所過(guò)程控制單元數(shù)據(jù)處理的同時(shí)主要用于檢測(cè)主受電柜、聯(lián)絡(luò)柜、互感器柜、變壓器柜和直流屏等電器之間的參數(shù)情況和狀態(tài)。

4 污水處理系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面設(shè)計(jì)

在本文中，系統(tǒng)監(jiān)測(cè)畫(huà)面是通過(guò)WINCC軟件設(shè)計(jì)。什么是WinCC軟件？它是一個(gè)開(kāi)放的SCADA軟件，也是一種功能強(qiáng)大的工業(yè)控制軟件，是德國(guó)西門(mén)子公司（SIEMENS）推出的。主要廣泛用于生產(chǎn)和過(guò)程自動(dòng)化中的圖形顯示，并通過(guò)圖形顯示完成指定的控制任務(wù)。項(xiàng)目管理器包含以下幾部分：

①計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)屬性的設(shè)置，包括啟動(dòng)屬性、圖形運(yùn)行狀態(tài)系統(tǒng)屬性和常規(guī)屬性。

②變量管理器：主要用于WinCC中內(nèi)部變量、外部變量和通訊驅(qū)動(dòng)程序的管理。

③變量歸類：通過(guò)處理測(cè)量值，并把測(cè)量值永久保存。

④圖形編輯器：設(shè)計(jì)編輯各種圖形畫(huà)面。

⑤報(bào)表編輯器：按照事先預(yù)約的時(shí)間，把各種標(biāo)準(zhǔn)、格式的表格打印。

⑥用戶管理器：監(jiān)管和分配用戶對(duì)組態(tài)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的訪問(wèn)權(quán)限。

⑦文本庫(kù)：負(fù)責(zé)編輯不同語(yǔ)言的文本信息。

⑧交叉引用表：負(fù)責(zé)尋找函數(shù)變量、OLE對(duì)象及AetiveX控件。這些交叉引用表通常在函數(shù)、畫(huà)面、歸檔和消息中使用。

另外，WinCC還提供很多的選件和附加件，冗余系統(tǒng)、如服務(wù)器系統(tǒng)、Web瀏覽器等，用來(lái)滿足用戶的各種特殊需要。

系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面主要包括系統(tǒng)管理界面、報(bào)警和報(bào)表管理界面和過(guò)程監(jiān)控畫(huà)面。圖1、圖2給出了部分系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面。

作者簡(jiǎn)介：王威（1982-），女，遼寧鞍山人，講師。