智能控制與節(jié)能管理在污水處理廠的應(yīng)用_圖文

1、一、引言環(huán)境保護(hù)是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策,污水處理是保護(hù)生態(tài)環(huán)境的重要措施,節(jié)能減排是當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)必要環(huán)節(jié);特別是在目前國(guó)際金融危機(jī)蔓延全球的情況下,如何節(jié)約能源、降低消耗,有效控制污水處理廠的運(yùn)行成本,提高企業(yè)的利潤(rùn),增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。本文所研制污水處理優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)是專門用于污水處理優(yōu)化控制和節(jié)能降耗的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要應(yīng)用領(lǐng)域立足于采用活性污泥法的城市污水處理和工業(yè)廢水處理行業(yè),系統(tǒng)嵌入遺傳算法、模糊控制等智能控制方法,實(shí)現(xiàn)污水處理的優(yōu)化運(yùn)行和精確控制,以達(dá)到節(jié)能降耗的目的;并提供具有專家經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)化調(diào)度與管理策略,對(duì)生產(chǎn)過(guò)程調(diào)度和運(yùn)行中產(chǎn)生問(wèn)題的管理和控制

2、,提供專家診斷結(jié)果和修復(fù)指導(dǎo)建議。該系統(tǒng)已在某污水廠成功應(yīng)用,并達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。二、污水廠工藝介紹某污水處理廠位于湖南省中部地區(qū),一期工程污水處理規(guī)模為10萬(wàn)m3/d,二期設(shè)計(jì)處理規(guī)模為20萬(wàn)m3/d,采用A-A/O氧化溝生物處理工藝。工藝流程圖如圖1所示。污水經(jīng)進(jìn)水泵房進(jìn)入細(xì)格柵間,然后進(jìn)入氧化溝,氧化溝后各接2個(gè)沉淀池。處理后的水經(jīng)加氯間消毒后排出。污泥從沉淀池中回流至回流泵房,部分污泥回流至氧化溝,另一部分經(jīng)脫水機(jī)房排出。三、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)根據(jù)工程的實(shí)際情況及工藝要求,自控系統(tǒng)采用“集中管理、分散控制、資源共享”的集散型系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由信息層(管理層、監(jiān)控層和現(xiàn)場(chǎng)控制

3、層組成。總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。中控室監(jiān)控計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)PLC控制分站通過(guò)光纖智能控制與節(jié)能管理在污水處理廠的應(yīng)用文/吳巧媚,張立轉(zhuǎn)(北京金控自動(dòng)化技術(shù)有限公司,100089摘要:研制開(kāi)發(fā)污水處理智能控制與節(jié)能管理系統(tǒng),主要應(yīng)用領(lǐng)域立足于采用活性污泥法的城市污水處理和工業(yè)廢水處理行業(yè),通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)的智能控制方法,實(shí)現(xiàn)污水處理的優(yōu)化運(yùn)行和精確控制,并提供具有專家經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)化調(diào)度與管理策略,最終達(dá)到節(jié)能降耗的目的。關(guān)鍵詞:污水處理,遺傳算法,模糊控制,專家系統(tǒng)圖1工藝流程圖圖控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖492和以太網(wǎng)交換機(jī)組成全廠工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。PLC站采用Siemens S7系列的產(chǎn)品,交換機(jī)采用MOXA-EDS系

4、列的產(chǎn)品,儀表系統(tǒng)以德國(guó)E+H品牌為主。整個(gè)污水處理控制系統(tǒng)可以分為3級(jí):中央監(jiān)控站,PLC控制站和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。2、系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)中央監(jiān)控站:信息層硬件系統(tǒng)由中控室的生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)站、服務(wù)器及配套網(wǎng)絡(luò)傳輸線路、設(shè)備組成,通過(guò)高速工業(yè)以太網(wǎng)集成起來(lái),完成系統(tǒng)的監(jiān)視、控制、通信、顯示及生產(chǎn)調(diào)度管理等功能。主要包括兩臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī),數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器,模擬屏、大屏幕顯示設(shè)備、報(bào)表輸出設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換設(shè)備、UPS電源等設(shè)備構(gòu)成,具有在線生產(chǎn)調(diào)度及對(duì)全廠設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)和人工控制,完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在線生產(chǎn)決策的管理控制功能。PLC控制站:控制層的網(wǎng)絡(luò)體系采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),以光纖為通信介質(zhì),通過(guò)

5、以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成帶寬為100Mbps的工業(yè)以太網(wǎng)。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為自愈環(huán)網(wǎng),其應(yīng)用層采用開(kāi)放的通信協(xié)議。PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站用于現(xiàn)場(chǎng)各車間數(shù)據(jù)采集與控制,每個(gè)控制站的PLC將監(jiān)測(cè)和控制有關(guān)區(qū)域的所有設(shè)備和過(guò)程,并且通過(guò)TCP/IP以太光纖環(huán)網(wǎng)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連,中控室能夠觀察到廠內(nèi)重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工藝參數(shù),完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的操作與控制、參數(shù)的設(shè)置和修改。全廠根據(jù)需要共設(shè)立了8個(gè)PLC分站和一個(gè)遠(yuǎn)程泵站?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備:現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備主要包括各種數(shù)據(jù)測(cè)量?jī)x表以及各種工藝設(shè)備。成分分析儀表是對(duì)物質(zhì)的成分及性質(zhì)進(jìn)行分析和測(cè)量的儀表,是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制,以達(dá)到優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、節(jié)能降耗以及保證安全生產(chǎn)

6、和保護(hù)環(huán)境的目的。自動(dòng)分析儀表是污水處理系統(tǒng)中對(duì)一些復(fù)雜化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)的常用儀表,如污泥濃度計(jì)、總磷檢測(cè)儀、氨氮檢測(cè)儀、COD檢測(cè)儀等。邵陽(yáng)污水處理廠采用的儀表以德國(guó)E+H品牌為主,主要包括:超聲波液位計(jì)、明渠流量計(jì)、PH計(jì)、溶解氧檢測(cè)儀、污泥濃度計(jì)、氨氮檢測(cè)儀、COD檢測(cè)儀等。三、智能控制與管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)包括兩個(gè)主要部分:上位優(yōu)化控制軟件和下位PLC控制程序。其中,上位優(yōu)化控制軟件占主導(dǎo)地位,下位PLC控制程序起輔助作用。上位優(yōu)化控制軟件包括各種智能控制模塊、專家診斷和管理系統(tǒng)、優(yōu)化調(diào)度策略以及電能監(jiān)測(cè)等功能模塊,具有良好的人機(jī)界面,便于操作和管理。1、遺傳算法優(yōu)化控制遺傳算

7、法是一種有效解決最優(yōu)化問(wèn)題的方法1。它是基于自然選擇和群體遺傳機(jī)理的搜索算法,它模擬了自然選擇和自然遺傳過(guò)程中的繁殖,交配和變異現(xiàn)象。它將每個(gè)可能的解看作是群體中的一個(gè)個(gè)體(染色體,并將每個(gè)個(gè)體編碼成字符串的形式,根據(jù)預(yù)定的目標(biāo)函數(shù)對(duì)每個(gè)個(gè)體進(jìn)行評(píng)價(jià)。在本系統(tǒng)中遺傳算法的主要功能是利用進(jìn)水量、進(jìn)水COD、進(jìn)水DO、污泥濃度、處理量、曝氣量、PH等參數(shù)通過(guò)遺傳算法生成溶解氧、ORP等過(guò)程參數(shù)的優(yōu)化控制曲線,該曲線即處理過(guò)程的最優(yōu)運(yùn)行曲線,也即控制目標(biāo)曲線。遺傳算法優(yōu)化控制界面見(jiàn)圖3。利用遺傳算法計(jì)算出DO的最優(yōu)值進(jìn)行實(shí)時(shí)最優(yōu)控制。實(shí)時(shí)控制曲線將會(huì)在界面的空白框中顯示出來(lái)。工作人員可從界面中查看到

8、這一控制曲線。2、模糊控制的應(yīng)用模糊控制不依賴被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,它能根據(jù)誤差和誤差的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)被控變量的控制,具有較強(qiáng)的魯棒性,被控對(duì)象參數(shù)的變化對(duì)模糊控制的影響不明顯,可用于非線性、時(shí)變和時(shí)滯系統(tǒng)的控制,控制的實(shí)時(shí)性較好,控制機(jī)理符合人們對(duì)過(guò)程控制的直觀描述和思維邏輯2。本系統(tǒng)采用模糊控制算法,將人的經(jīng)驗(yàn)最大程度的運(yùn)用到溶解氧和ORP等過(guò)程參數(shù)的控制中,避免了傳統(tǒng)控制方式效果不理想的弊端,實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)過(guò)程的優(yōu)化控制。選取DO為控制參數(shù)和DO的變化量來(lái)來(lái)控制鼓風(fēng)機(jī)的頻率。建立模糊控制規(guī)則表?？刂平缑嬉?jiàn)圖4。污水處理DO模糊控制系統(tǒng),通過(guò)調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)頻率,將DO穩(wěn)定地控制在理想的位置,提高了污

9、水處理效率,節(jié)省了能源,也使該控制系統(tǒng)具備了較好的穩(wěn)定性和自適應(yīng)能力。3、專家系統(tǒng)對(duì)于污水處理系統(tǒng)的故障診斷,目前主要采取計(jì)圖3遺傳算法氧化溝濃度優(yōu)化控制界面5算機(jī)輔助監(jiān)視與診斷技術(shù)。計(jì)算機(jī)輔助監(jiān)視與診斷系統(tǒng)包含這些內(nèi)容:利用自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)提供的功能,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)的監(jiān)測(cè),在檢測(cè)到故障信號(hào)后及時(shí)的向操作人員發(fā)出報(bào)管。大部分設(shè)備故障報(bào)警后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)診斷出故障的原因和部位,但是復(fù)雜的工藝故障還必須進(jìn)行進(jìn)一步的分析和診斷。專家管理模塊主要利用專家經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程調(diào)度和運(yùn)行中產(chǎn)生問(wèn)題的管理和控制,并提供專家診斷結(jié)果和修復(fù)指導(dǎo)建議。專家系統(tǒng)界面如圖5。點(diǎn)擊右上角的“開(kāi)始診斷”按鈕,將會(huì)在界面左邊診

10、斷結(jié)果下方中給出診斷結(jié)果,若某個(gè)量出現(xiàn)非正常狀態(tài),可點(diǎn)擊“開(kāi)始分析”按鈕,分析的結(jié)果將會(huì)在界面中間的分析結(jié)果中給出,點(diǎn)擊“開(kāi)始解決”按鈕,將會(huì)在解決方案下給出專家提供的解決方案。工作人員可根據(jù)專家給出的方案進(jìn)行操作。四、結(jié)論優(yōu)化節(jié)能控制系統(tǒng)嵌入遺傳算法、模糊控制等智能算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理過(guò)程的有效控制,并根據(jù)經(jīng)驗(yàn),嵌入了專家控制模塊,利用專家經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程調(diào)度和運(yùn)行中產(chǎn)生問(wèn)題的管理和控制,并提供專家診斷結(jié)果和修復(fù)指導(dǎo)建議,從而實(shí)現(xiàn)污水處理過(guò)程的故障診斷和優(yōu)化運(yùn)行,具有投資少、收益高的特點(diǎn)。通過(guò)采用本系統(tǒng),該污水處理廠的運(yùn)行成本比設(shè)計(jì)降低了43%,年節(jié)約電費(fèi)200余萬(wàn)元,單位污水處理費(fèi)用只有0.22元/噸,并且,該廠的處理能力較設(shè)計(jì)能力