基于PLC的污水处理鼓风曝气模糊代数PID控制系统

来源：SCI期刊网 分类：建筑论文 时间：2021-10-22 08:14 热度：

摘 要：摘要:针对进水量、水质、pH值和水温等因素对污水处理曝气池中溶解氧控制效果的影响，选择模糊代数PID控制算法，选用S7-300PLC作为控制器，设计相关电路和主程序。通过变频器调节鼓

　　摘要:针对进水量、水质、pH值和水温等因素对污水处理曝气池中溶解氧控制效果的影响，选择模糊代数PID控制算法，选用S7-300PLC作为控制器，设计相关电路和主程序。通过变频器调节鼓风机的鼓风量，实现对溶解氧的有效控制。实际运行结果表明:该系统能有效克服干扰，具有良好的稳定性，且有显著的节能效果。

　　关键词:曝气;模糊PID控制;模糊代数;可编程逻辑控制器

　　0引言

　　在国家提出“绿色发展”的背景下，环境保护特别是污水治理十分重要。在化工污水的好氧生化处理中，曝气是一个非常关键的工艺环节，其目的是为好氧池中的硝化反应和吸收磷过程提供适宜的好氧环境，将水中的氧气量维持在恒定的范围内。曝气过度或不足会降低有机物被微生物分解的效果，造成出水水质无法达到排放标准。为了宏观控制污水中微生物的需氧量，引入一个重要的中间参数———溶解氧。溶解氧质量浓度的控制会影响到水质和能耗。溶解氧质量浓度过低会降低好氧微生物的活性，影响污水处理的效率;溶解氧质量浓度过高会增加能源消耗，加大运行成本[1]。氧气在水中溶解受各方面因素的干扰，当进水量、水质、pH值或水温等因素发生变化时，氧气在水中的溶解速度和溶解量都会受到一定影响，具有非线性、时变和严重滞后等特点[2-3]。针对这一复杂过程，采用普通比例积分微分(PID)控制和模糊PID控制都很难实现比较理想的控制效果。在采用模糊代数PID控制方法的基础上，本设计选用S7-300PLC作为控制器，通过改变变频器的输出频率来调节曝气池鼓风机的风量，从而有效调节溶解氧的质量浓度;基于WINCC设计监控组态画面，以实现对污水处理的实时监控。

　　1曝气池溶解氧模糊代数PID控制方案

　　图1显示了鼓风曝气系统的工艺流程。污水经过预处理后依次进入初沉池、曝气池。曝气池底部设有曝气装置，通过曝气装置，鼓风机输送过来的空气以细小气泡的形式融入污水中，增加了污水中的含氧量，从而使有机污染物、活性污泥与氧气充分接触。经过二次沉淀后，污水变清，即完成初步净化，可以初步出水。二沉池分离出来的污泥被输送到污泥回流泵房池，一部分回流至曝气池进行曝气反应，而不可回流的污泥则经沉淀后排除。

　　曝气池中溶解氧质量浓度的模糊代数PID控制原理框图如图2所示。通过比较溶解氧质量浓度的设定值与溶解氧质量浓度的测量值，得到误差e，再将误差进行微分得到误差变化率ec，然后将得到的误差e和误差变化率ec传送到模糊代数PID控制器中。对PID参数进行整定后，由可编程逻辑控制器(PLC)为变频器提供控制指令，控制鼓风机的开关、频率大小，以达到调节溶解氧质量浓度的目的。

　　2鼓风曝气PLC控制系统设计

　　2.1系统架构设计

　　如图3所示，污水处理鼓风曝气控制系统的结构有3层:工业现场层、实时监控及控制层和远程数据服务器层。工业现场层由PLC控制器、鼓风机、变频器、溶解氧质量浓度测量仪等组成，负责采集溶解氧质量浓度和控制鼓风机送风量[4]。实时监控和控制层基于Windows进行软件开发，实现模糊代数PID控制算法、数据实时显示、报警、人工调整参数等功能，操作人员可以远程直观现场参数变化。远程数据服务器层用于存储实时数据及历史数据，提供对外网接入接口，专家或工程师可以通过多种终端连接数据库查看数据，进行监控和评估。3层架构的通信网络是采用工业以太网与现场总线相结合的多层网络，网络中所有设备(工控计算机、PLC和工业交换机)都采用TCP/IP协议，其中主控制层使用的是带宽为100MHz的全双工光纤工业以太环网。

　　2.2PLC系统硬件设计

　　2.2.1PLCI/O清单

　　PLCI/O清单如表1所示。

　　2.2.2PLC选型

　　PLC选用S7-300，型号为CPU318-2DP，采用随机存储器并增加电池备用，以保证数据存储不会发生丢失。其硬件接线图如图4所示。电源发生故障后，系统可以自动恢复正常工作，不需要人员干预。传感器采集的模拟量的A/D转换使用西门子的6ES7311-7NF00-0AB0模块，该模块是16位转换芯片，可以同时采集8个模拟信号。

　　2.3PLC系统软件设计

　　使用STEP7V5.5对系统进行编程，实现对污水处理过程的数据处理，以及对各被控元件的控制。控制主流程如图5所示。

　　2.3.1数值转化子程序

　　数值转化子程序包括数据的采集和数据的转化，其作用是将液位、流量和溶解氧质量浓度等参数检测出来，再传输到PLC的模数转换模块进行转换，得到相应的数值。本系统中采集到的模拟信号比较多，A/D转换模块中的16位长整型无符号数不能满足该系统的要求，因此选用通信功能块FC60进行编程。该模块既能完成从PIW输入量到工程实数间的转换，也能提供模拟量的输入地址、最大值、最小值及实数型的输出，且输出数据能被保存到PLC的数据寄存器中。得到相应的数值后，通过上位机的显示屏显示这些数据，并进行相关记录。图6是数值转化的流程图。

　　2.3.2模糊代数PID子程序

　　模糊代数PID子程序以溶解氧(DO)检测仪检测到的DO质量浓度的信号为依据，通过与溶解氧质量浓度设定值进行比较后得到的偏差量，通过模糊代数PID控制算法，得到变频器的运行频率，从而控制鼓风机的速率，以期使曝气池内的溶解氧质量浓度能够稳定在工艺设定值附近。将模糊代数PID控制模型(见图7)导入PLC工作空间，设计流程如图8所示。

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　　从溶解氧测量仪得到溶解氧的实时质量浓度值，DO质量浓度值的偏差e的范围是[-0.6，0.6]，为方便计算，把它们同时乘以一个比例因子10，得到偏差e的范围是[-6，6]。读取调用前一次的偏差，计算出DO质量浓度值的偏差变化率ec，其范围按偏差e的规则进行处理得到其范围为[-6，6]，并用当前偏差替换前一次偏差以便下次计算使用。当e和ec的值超出设定的最大或最小值时，将当前值设为最大或最小值。将e和ec模糊化，按照模糊代数规则推算出ΔKp、ΔKi、ΔKd的值，然后根据PID控制器计算出Kp、Ki、Kd以及U值，并判断其有没有超出设定的最大值或最小值，如果超出设定的最大值或最小值，则将当前值设为最大值或最小值。

　　2.3.3控制子程序

　　控制子程序控制整个系统中的曝气过程，输入量是AI/DI，输出量是AO/DO，可以通过常闭与常开节点的串、并联组合来实现工艺要求的逻辑功能。通过AI/AO与DI/DO的结合可以完成曝气工艺要求。AI/AO采用的专用模块，通过PLC程序来控制输入与输出模拟量间的转换。图9是PLC控制鼓风机梯形图。

　　2.4组态画面设计

　　采用WINCC进行污水处理系统画面的组态，画面主要包括总工艺流程界面、系统报警界面和历史数据查询界面。

　　图10是污水处理的总工艺流程界面。当上位机和下位机PLC通信正常时，界面上显示各个参数的变化;当通信异常时，显示参数的位置显示红色的问号，指示灯闪烁，提示工艺人员对通信线路进行检查。

　　系统报警界面可以对一系列的参数报警进行显示，工艺人员可以根据经验以及各参数的关联性确定故障原因，实时更新报警表以便工艺人员能够直观地确认报警。

　　历史数据查询界面使用WINCCONLINETREND实现，通过选择和设定需要显示的参数，以时间为横轴直观地显示出各参数的变化趋势，如pH值、温度、溶解氧质量浓度等。

　　2.5系统应用

　　图11直观地显示了本系统中溶解氧的实时质量浓度。工艺要求溶解氧质量浓度控制在2～3mg/L之间。当时间为83.6s时，溶解氧质量浓度达到工艺要求;当时间为102.8s时，溶解氧质量浓度就稳定在2.532mg/L附近。

　　3结束语

　　本文设计了污水处理鼓风曝气溶解氧控制系统，采用鼓风机并联方式，利用S7-300PLC控制变频器，通过变频调速方式来调节鼓风机的风量，实现了系统的节能减排。针对进水量、水质、pH值和水温等因素对溶解氧质量浓度控制效果的影响，采用S7-300PLC可支持的模糊代数PID控制算法，并使用C#实现该控制算法。除设计PLC控制系统的硬件、软件外，笔者还采用WINCC组态软件设计控制系统的监控画面。通过测试，系统运行良好，界面直观，操作简单。实际应用结果表明:在PLC中实现基于模糊代数的PID控制算法后，系统响应速度提高，超调量和振荡次数减少，实现了污水处理的曝气控制系统的优化。——论文作者：曾春霞，董宗哲，匡芬芳

文章名称：基于PLC的污水处理鼓风曝气模糊代数PID控制系统

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