摘要：随着社会的发展，我国工业发展迅速，对环境的污染也越来越严重，其污水处理问题受到了高度的重视。在整个污水处理系统中，曝气系统是其中一个非常重要的环节，它的能耗占整个污水处理系统的一半以上，并且对出水的水质起到了关键的作用。所以，曝气系统模型的精确建立并加以先进的控制算法，可以很好的提高整个污水系统的运行效率，降低运行成本。本文针对北京某污水厂的智能曝气控制系统改造项目进行分析。通过改造前后溶解氧曲线的对比得出了，明显看出改造之后的效果明显优于之前的控制方式。而且观察优化前后的鼓风机房耗电量的多少，可以看到确实取得了节能的效果。
关键词：溶解氧；软测量；模糊PID；神经网络
引言
污水处理厂的曝气系统包括鼓风机、空气管道、曝气器，即由空气从产生、流动、排放所经过的设备和管道组成。在污水处理厂运营过程中，曝气系统经常因鼓风机工况、处理水量、水质标准、运行环境的变化而进行改造，如鼓风机叶轮更换、皮带轮改造、曝气器的清洗和更换等均可归于曝气系统改造。污水厂常用单位处理水量耗电量的指标来评价改造效能，优点是计算简便，可反映设备性能和节能效果，缺点是无法比较改造前后的工艺性能，工艺控制指导意义不大。
1城市污水概述
城市污水主要由工业排放的废水、人们日常生活产生的污水、还有混合以后的污水三大分支构成。工业废水是指企业自身处理后的污水或产生于生产过程中的废水。研究资料表明，工业废水当中那些降解性差且腐蚀性高的东西是经常存在的，对于那些所谓的高温水，与日常的消毒水类似且腐蚀性高，而且散热量大的物质也是时有存在的，因此在对于工业废水处理的整个过程当中，往往需要先对其进行不可缺少的预处理操作，而不是直接将其排放到下水管道当中，不然后果将会不堪设想。然而对于工业废水的水质，往往和其产生过程中的相关生产工艺以及管理方式还有废水的类型有着密不可分的关联。生活污水主要来自于家庭生活污水、酒店、宾馆和一些娱乐场所等。这样的污水水质往往由于不同地方人们的不同生活方式、生活习惯，不同的环境气候而有着一定程度上的差别。混合污水是相对于生活污水来说，成分就显得更为复杂多样。从字面意义可知它的污水来源存在多样性，可能是雨雪的融化天然降水，也可能是来自于冲刷地面或者工业生产冲洗废渣之后的废水，其污染的程度较生活污水和工业废水来说要严重的多。
2智能曝气控制系统设计
2.1智能曝气控制系统概要
本文主要采用的是西门子300PLC和组态王6.53来设计的溶解氧DO模糊PID控制系统。在原来的基础上加一个变频器来调节鼓风机的频率。在此之前，我们已经对曝气鼓风机增加了智能电表，通过智能电表来采集鼓风机的电能数据，为了和进行优化控制以后的能耗做对比。
2.1.1智能电表的安装及数据采集
智能电表有Modbus485输出，为其增加了一个有人的Modbus485转以太网模块，将其接入到局域网内，并为其设置了一个虚拟串口。在组态王6.53采集的过程中，有些数据无法正常显示。所以更换另一种方式，先用Kepserver来采集智能电表的数据。Kepserver是一款开放的OPC软件，用Kepserver采集到电表的数据，然后将其作为OPC服务器。在组态王6.53当中OPC服务器中建立一个Kepserver的设备，来访问它的数据。经过测试，电表当中所需要的参数，能正常采集，并在上位进行显示。
2.2鼓风机变频改造设计
本厂最初的曝气控制方式相较简单，人为现场手动或远程点动。为了保证出水达标率，以及能够满足曝气池中微生物对溶解氧DO的需求，现场采用两台风机不间断的曝气方式，虽然溶解氧达到了需求，但是造成很大能耗的浪费。我们在此基础上对其进行改造，首先在原来的基础上为一台风机增加了变频器，后期根据PLC程序来对变频器实施模糊PID的自动控制，驱动曝气风机，改变曝气量。
2.2模糊控制程序的PLC实现
STEP7是基于西门子S7系列PLC所研制的PLC程序开发工具。用起来非常方便简洁。它由SIMTIC管理器、符号编辑器、程序编辑器、硬件组态、硬件诊断等部分来构成，功能比较强大。
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2.2.1模糊控制程序流程
溶解氧是曝气池中非常重要的一个参数，那么将它定位控制参数，来调节变频器，进而来驱动鼓风机改变风量。通过现场仪表来检测溶解氧的值，现场仪表有4-20ma的输出，通过现场的AI模块，反馈给PLC。仪表传送上来的实测值和我们的设定值比较来驱动我们的模糊PID控制系统。西门子公司的Step软件，主要以模块化编程为主。PLC将采集的现场的模拟量，保存在DB块当中，然后模糊控制程序，会根据采集的数据进行判断，做模糊运算。进而来调用FB41PID程序功能块，并根据程序来修改它的参数。PID的输出来控制变频器，最终来达到控制控制鼓风机的目的。子程序一般都写在FC块当中，主程序主要是在OB1里循环调用。
2.2.2模糊控制程序设计
现场曝气池中有溶解氧DO的在线检测仪表，PLC可以读取仪表当中的数据来了解现场的实际情况。PLC中有固定的FC105模块，来处理模拟量信号，并将其以人们能够看懂的工程量展现在人机交互的界面上，简单方便。
2.3人机交互界面的设计
采用北京亚控组态王6.53版本，其功能强大，驱动完善。比较有利于现场的通讯调试，而且画面开发程序较简单，后期的维护也比较容易实现。相比于一些国外生产的组态软件，价格要低廉优惠。
2.3.1组态王上位画面开发
组态王6.53主要由管理系统，运行系统和浏览系统构成。管理系统主要是用来创建新的工程，以及对自己所做的工程进行备份。运行系统：主要是实现所创建画面的动态展示，同时可以对现场的数据及运行情况进行了解，方便操作人员及时改变控制方式或策略。浏览系统主要是用来建立所需要的组态画面，建立工程变量，实现画面和变量的连接。首先要做的是在工程管理器当中创建一个新的工程，然后在所建立的工程当中添加需要用到的工程变量，并制作相关的画面，与己建立的工程变量进行动态链接。最后对系统进行配置以后，将工程保存运行即可。
2.3.2数据词典的变量建立
在数据词典中，主要包含内部和外部变量两大类。外部变量当中，通常用于和PLC连接的变量类型有vo实型，和vo离散，实型变量主要是采取PLC中的模拟量数据，而离散型变量主要是采集现场的一些开关状态量。因为之前我们己经在PLC中做了运算，不需要在上位进行数据运算，只需要将溶解氧的设定值定义成v0实型，读写属性上采用读写方式即可。
2.3.3基于OPC的智能电表数据采集
对电表数据的采集要用Kepserver来进行。需要在组态王中进行显示，那么还需要在组态王的OPC当中增加一个设备，然后在数据词典中建立变量的时候，寄存器连接Kepserver当中的数据即可。并建立一个鼓风机电能数据实时采集的画面，运行工程以后，即可看到采集的鼓风机的电能参数实时值。
2.4优化系统的数据分析
上位画面和下位程序设计好之后，对所设计的智能控制系统进行上下位联调。将溶解氧DO值设定为2.Smg/L，通过溶解氧DO的趋势曲线来观察常规PID和模糊PID的控制效果。并和以前未加智能控制系的手动控制方式进行比较。发现常规PID的控制方式其实对系统的控制性能有所改善，但是模糊PID要比常规PID更加适合对曝气系统进行控制。
结语
污水厂的整个处理系统是由很多个工艺段组成的，我们只针对曝气系统进行了分析，虽然起到了一定的优化效果，但是考虑问题还是太片面，应该将各个环节之间的相互影响考虑在内。并且我们可以增加一些更先进的智能算法，对建模和控制进行优化。
参考文献：
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[3]荣丽丽，邓旭亮，刘明霞．自动化控制技术在污水处理厂的应用进展［J］．环境科技，2009，47（2）：33-35．
论文作者:范明学
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/23
标签：污水论文; 溶解氧论文; 鼓风机论文; 曝气论文; 系统论文; 数据论文; 电表论文; 《基层建设》2018年第4期论文;