PID控制在污水处理中的应用研究

摘要： 系统地研究了PID在污水处理中的应用。该PID选择S7－300系列PLC，使用WinCC软件对上位机进行系统组态，运用STEP7软件对下位机进行编程，采用先进的自适应模糊PID控制方案对污水处理进行控制。在某污水处理厂的实施结果表明： 其结构合理，安全可靠，技术性能均满足实际需要。

关键词： 污水处理； PID； PLC； 模糊自适应PID

Abstract: This paper study the application of PID in the sewage treatment system. The PID select the S7-300 series PLC, use WinCC software on the host computer system configuration, use the STEP7 software programming to the next bit machine, the use of advanced adaptive fuzzy PID control scheme to control the sewage treatment. The results of the implementation in a sewage treatment plant: its structure is reasonable, safe, reliable, and technical performance to meet actual needs.

Key words: wastewater treatment; the PID; the PLC; fuzzy adaptive PID 中图分类号：U664.9+2文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）06-0020-02

引言

随着人口的增加、经济的发展以及工业步伐的加快，我国城市污水的排放量也同趋增长，现代污水处理厂采用计算机控制日益普通。在工业过程的计算机控制系统中，PID已成为一种在企业中广泛应用的主流控制系统。同时，集4C技术为一体的DCS已经在水厂污水处理等工艺流程的监控和管理中得到了成功的应用。

1、污水处理工艺简介

考虑到处理规模属于中小型规模污水处理厂，确定污水处理工艺为CASS工艺，为更好地使水处理达标，制定工艺如下：

图1 污水处理工艺流程

工艺流程简述：

废水送至污水处理站，如来水水质异常，则进入事故池储存另行处理；如来水满足进污水站要求，则先通过格栅池拦截粗大悬浮物，然后进入调节池中调节水质，调节池出水由提升泵送至冷却塔中，使废水温度降低至30℃以下，冷却塔出水自流入CASS池中进行好氧生物处理，好氧处理后的澄清废水通过滗水器排出到清水池，回用或达标排放。其CASS池取代了传统的沉淀池，从而降低了占地面积。

2 PID工程设计

2.1 PID结构组成

集散控制系统由过程输入输出装置、过程控制装置、操作接口和数据通讯系统4部分组成。过程输入装置主要是传感器和机器运转的信号; 输出装置主要是控制模块; 过程控制装置主要是带有计算和判断功能的微处理器; 操作接口主要实现人与控制系统的信息交换; 数据通讯系统主要进行数据的实时传递。集散控制系统原理如图2 所示：

图2 集散控制系统原理图

2. 2 系统硬件配置

根据工艺要求，该 DCS 是以工控机为上位机，以 PLC 控制器为下位机，以控制仪表等设备为现场控制单元的3 级分布式控制系统，如图3 所示：

图3 系统硬件框图

本项目选用两个 PLC 现场控制站，PLC 控制站与相应的 MCC ( Motor Control Center ) 置于同一地点，对于设备较为集中又远离现场的控制站通过远程I /O 通讯电缆连接 这样既节省它们之间的电缆，又提高了 PLC 控制站的运行可靠性。

西门子 PLC 具有技术稳定 应用较成熟 可缩短项目开发周期 降低项目成本等特点 西门子 300系列 PLC 是模块化的中小型 PLC，适用于中等性能的控制要求，可以满足CASS水处理工艺控制的需要，因此，本项目选择西门子300 系列PLC。

PLC 要与上位机和现场设备进行通讯，考虑到其综合性价比，该系统选用标准型CPU315 － 2DP CPU带有 PROFIBUS － DP 接口，可以实现输入输出模块的地址参数化，通过改变参数来改变输入输出地址，支持分布式自动化结构，可以快速 方便地实现现场

设备与 PLC 的通讯。

2. 3 软件实现

2. 3. 1 上位机系统组态

WinCC 是运行在标准环境下的 HMI，是具有强大功能和极高性价比的 SCADA，它提供了适用于工业的图形显示 消息归档以及报表的功能模板，具有高度的实用性，因此，进行系统组态时上位机采用WinCC 软件 该系统共设计有 10 余幅画面，包括打印管理、 曲线、 参数设置、 总貌画面等。 在每个画面下方有数个自定义软件，运行时只要按下相应的功能能及画面如图4 所示。

系统组态时，首先应根据控制要求，利用组态软件系统提供的图形库，模拟实际的污水处理系统，将颜色、图形、显示数据组合在一起，然后定义组态软件内部的变量，建立变量连接，从而污水处理现场的工作状况以动画的形式反映在屏幕上，使操作员在计算机前的指令也能迅速送达现场。此外系统还为部分动画连接的图形对象设置了访问权限，以确保污水处理系统的正常工作。

2. 3. 2 下位机 PLC 程序设计

系统采用 STEP7 编程软件对下位机进行编程。它允许多个用户同时处理一个项目，但不允许多个用户同时对一个项目进行写操作 STEP7 采用模块化设计方法，能提供功能明确的系列基本模块在下位机预处理区，PLC 控制程序主要实现对4个子控制区的自动控制; 在反应池区，主要是根据CASS 污水处理工艺要求来实现对搅拌机 鼓风机等设备的自动控制; 在污泥处理区，主要实现对污泥投加泵 输送机等的自动控制。

2. 4 自适应模糊 PID 控制

根据污水处理工艺要求和溶解氧的实际响应，本文利用自适应模糊PID 控制器，建立了一套完善的污水处理系统，以满足不同污水处理条件对控制参数的要求，从而实现对溶解氧的自适应控制 该方法能缩短处理时间，降低电能消耗和运行费用，稳定出水水质。自适应模糊 PID 控制器原理如图5 所示。

图5 自适应模糊 PID 控制器原理图

首先，根据调节经验和技术知识，操作人员把模糊控制总结成为 IF THEN 形式的模糊规则，并把这些规则及初始化的PID 参数存到计算机中； 然后，根据系统的响应情况计算出采样时刻的偏差 E 及偏差变化率 EC ，将它输入到控制器中; 接着，运用模糊推理对E及EC 进行模糊运算，根据不同的E及EC 实时在线整定 PID 控制器的3个修正参数 Kp KiKd ，得到该时刻的 Kp、 Ki、Kd ，实现对 PID 参数的最佳调节由模糊化 模糊推理 去模糊化3 步组成了利用模糊控制的原理来确定PID 控制器参数的过程。通过总结工程设计人员的技术知识和实际经验，根据系统的实际要求，设定各输入输出变量模糊子集的隶属度函数、模糊变量的量化论域、模糊控制规则，建立模糊表，对Kp 、Ki、Kd 三个参数分别进行调节，最终设计出模糊控制器 模糊控制器是通过计算当前系统输入语言变量 E 和 EC，利用模糊规则进行模糊推理，通过模糊查询规则来进行参数调节的。

3 污水处理效果

污水处理厂投产以来，污水处理系统运行基本平稳， 处理后的水质达到了工程设计要求 该控制系统的设计和 DCS 自动控制技术的成功应用实现了生产参数的自动检测和控制，保证了污水处理后水质的稳定性，降低了污水治理的成本，在中型污水处理厂中具有一定的推广价值。

参考文献：

［1］ 刘明全. 城市污水处理厂 DCS 自动控制系统设计及研究［D］． 上海： 上海大学， 2006

［2］ 西门子有限公司 . 深入浅出西门子 WinCC V6［M］． 北京： 北京航空航天大学出版社， 2005

［3］ 廖常初. S7 － 300 /400PLC 应用技术［M］． 北京： 机械工业出版社， 2005.

［4］ 常辉. 分布式污水处理监控系统的研制［D］． 合肥： 合肥工业大学， 2009

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。