摘要：系統(tǒng)地研究了PID在污水處理中的應(yīng)用。該P(yáng)ID選擇S7－300系列PLC，使用WinCC軟件對(duì)上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)，運(yùn)用STEP7軟件對(duì)下位機(jī)進(jìn)行編程，采用先進(jìn)的自適應(yīng)模糊PID控制方案對(duì)污水處理進(jìn)行控制。在某污水處理廠的實(shí)施結(jié)果表明：其結(jié)構(gòu)合理，安全可靠，技術(shù)性能均滿足實(shí)際需要。
　　
　　關(guān)鍵詞：污水處理；PID；PLC；模糊自適應(yīng)PID
　　引言
　　隨著人口的增加、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及工業(yè)步伐的加快，我國城市污水的排放量也同趨增長，現(xiàn)代污水處理廠采用計(jì)算機(jī)控制日益普通。在工業(yè)過程的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，PID已成為一種在企業(yè)中廣泛應(yīng)用的主流控制系統(tǒng)。同時(shí)，集4C技術(shù)為一體的DCS已經(jīng)在水廠污水處理等工藝流程的監(jiān)控和管理中得到了成功的應(yīng)用。
　　1、污水處理工藝簡(jiǎn)介
　　考慮到處理規(guī)模屬于中小型規(guī)模污水處理廠，確定污水處理工藝為CASS工藝，為更好地使水處理達(dá)標(biāo)，制定工藝如下：
　　
　　圖1污水處理工藝流程
　　工藝流程簡(jiǎn)述：
　　廢水送至污水處理站，如來水水質(zhì)異常，則進(jìn)入事故池儲(chǔ)存另行處理；如來水滿足進(jìn)污水站要求，則先通過格柵池?cái)r截粗大懸浮物，然后進(jìn)入調(diào)節(jié)池中調(diào)節(jié)水質(zhì)，調(diào)節(jié)池出水由提升泵送至冷卻塔中，使廢水溫度降低至30℃以下，冷卻塔出水自流入CASS池中進(jìn)行好氧生物處理，好氧處理后的澄清廢水通過潷水器排出到清水池，回用或達(dá)標(biāo)排放。其CASS池取代了傳統(tǒng)的沉淀池，從而降低了占地面積。
　　2 PID工程設(shè)計(jì)
　　2.1PID結(jié)構(gòu)組成
　　集散控制系統(tǒng)由過程輸入輸出裝置、過程控制裝置、操作接口和數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)4部分組成。過程輸入裝置主要是傳感器和機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)的信號(hào);輸出裝置主要是控制模塊;過程控制裝置主要是帶有計(jì)算和判斷功能的微處理器;操作接口主要實(shí)現(xiàn)人與控制系統(tǒng)的信息交換;數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞。集散控制系統(tǒng)原理如圖2所示：
　　
　　圖2集散控制系統(tǒng)原理圖
　　
　　2.2系統(tǒng)硬件配置
　　根據(jù)工藝要求，該DCS是以工控機(jī)為上位機(jī)，以PLC控制器為下位機(jī)，以控制儀表等設(shè)備為現(xiàn)場(chǎng)控制單元的3級(jí)分布式控制系統(tǒng)，如圖3所示：
　　
　　圖3系統(tǒng)硬件框圖
　　本項(xiàng)目選用兩個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站，PLC控制站與相應(yīng)的MCC(MotorControlCenter)置于同一地點(diǎn)，對(duì)于設(shè)備較為集中又遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的控制站通過遠(yuǎn)程I/O通訊電纜連接這樣既節(jié)省它們之間的電纜，又提高了PLC控制站的運(yùn)行可靠性。
　　西門子PLC具有技術(shù)穩(wěn)定應(yīng)用較成熟可縮短項(xiàng)目開發(fā)周期降低項(xiàng)目成本等特點(diǎn)西門子300系列PLC是模塊化的中小型PLC，適用于中等性能的控制要求，可以滿足CASS水處理工藝控制的需要，因此，本項(xiàng)目選擇西門子300系列PLC。
　　PLC要與上位機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行通訊，考慮到其綜合性價(jià)比，該系統(tǒng)選用標(biāo)準(zhǔn)型CPU315－2DPCPU帶有PROFIBUS－DP接口，可以實(shí)現(xiàn)輸入輸出模塊的地址參數(shù)化，通過改變參數(shù)來改變輸入輸出地址，支持分布式自動(dòng)化結(jié)構(gòu)，可以快速方便地實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)
　　設(shè)備與PLC的通訊。
　　2.3軟件實(shí)現(xiàn)
　　2.3.1上位機(jī)系統(tǒng)組態(tài)
　　WinCC是運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下的HMI，是具有強(qiáng)大功能和極高性價(jià)比的SCADA，它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示消息歸檔以及報(bào)表的功能模板，具有高度的實(shí)用性，因此，進(jìn)行系統(tǒng)組態(tài)時(shí)上位機(jī)采用WinCC軟件該系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有10余幅畫面，包括打印管理、曲線、參數(shù)設(shè)置、總貌畫面等。在每個(gè)畫面下方有數(shù)個(gè)自定義軟件，運(yùn)行時(shí)只要按下相應(yīng)的功能能及畫面如圖4所示。
　　
　　系統(tǒng)組態(tài)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)控制要求，利用組態(tài)軟件系統(tǒng)提供的圖形庫，模擬實(shí)際的污水處理系統(tǒng)，將顏色、圖形、顯示數(shù)據(jù)組合在一起，然后定義組態(tài)軟件內(nèi)部的變量，建立變量連接，從而污水處理現(xiàn)場(chǎng)的工作狀況以動(dòng)畫的形式反映在屏幕上，使操作員在計(jì)算機(jī)前發(fā)布的指令也能迅速送達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。此外系統(tǒng)還為部分動(dòng)畫連接的圖形對(duì)象設(shè)置了訪問權(quán)限，以確保污水處理系統(tǒng)的正常工作。
　　2.3.2下位機(jī)PLC程序設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)采用STEP7編程軟件對(duì)下位機(jī)進(jìn)行編程。它允許多個(gè)用戶同時(shí)處理一個(gè)項(xiàng)目，但不允許多個(gè)用戶同時(shí)對(duì)一個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行寫操作STEP7采用模塊化設(shè)計(jì)方法，能提供功能明確的系列基本模塊在下位機(jī)預(yù)處理區(qū)，PLC控制程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)4個(gè)子控制區(qū)的自動(dòng)控制;在反應(yīng)池區(qū)，主要是根據(jù)CASS污水處理工藝要求來實(shí)現(xiàn)對(duì)攪拌機(jī)鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備的自動(dòng)控制;在污泥處理區(qū)，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)污泥投加泵輸送機(jī)等的自動(dòng)控制。
　　2.4自適應(yīng)模糊PID控制
　　根據(jù)污水處理工藝要求和溶解氧的實(shí)際響應(yīng)，本文利用自適應(yīng)模糊PID控制器，建立了一套完善的污水處理系統(tǒng)，以滿足不同污水處理?xiàng)l件對(duì)控制參數(shù)的要求，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溶解氧的自適應(yīng)控制該方法能縮短處理時(shí)間，降低電能消耗和運(yùn)行費(fèi)用，穩(wěn)定出水水質(zhì)。自適應(yīng)模糊PID控制器原理如圖5所示。
　　
　　圖5自適應(yīng)模糊PID控制器原理圖
　　首先，根據(jù)調(diào)節(jié)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，操作人員把模糊控制總結(jié)成為IFTHEN形式的模糊規(guī)則，并把這些規(guī)則及初始化的PID參數(shù)存到計(jì)算機(jī)中；然后，根據(jù)系統(tǒng)的響應(yīng)情況計(jì)算出采樣時(shí)刻的偏差E及偏差變化率EC，將它輸入到控制器中;接著，運(yùn)用模糊推理對(duì)E及EC進(jìn)行模糊運(yùn)算，根據(jù)不同的E及EC實(shí)時(shí)在線整定PID控制器的3個(gè)修正參數(shù)KpKiKd，得到該時(shí)刻的Kp、Ki、Kd，實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)節(jié)由模糊化模糊推理去模糊化3步組成了利用模糊控制的原理來確定PID控制器參數(shù)的過程。通過總結(jié)工程設(shè)計(jì)人員的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際要求，設(shè)定各輸入輸出變量模糊子集的隸屬度函數(shù)、模糊變量的量化論域、模糊控制規(guī)則，建立模糊表，對(duì)Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終設(shè)計(jì)出模糊控制器模糊控制器是通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)輸入語言變量E和EC，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，通過模糊查詢規(guī)則來進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)的。
　　3污水處理效果
　　污水處理廠投產(chǎn)以來，污水處理系統(tǒng)運(yùn)行基本平穩(wěn)，處理后的水質(zhì)達(dá)到了工程設(shè)計(jì)要求該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和DCS自動(dòng)控制技術(shù)的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)和控制，保證了污水處理后水質(zhì)的穩(wěn)定性，降低了污水治理的成本，在中型污水處理廠中具有一定的推廣價(jià)值。
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