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污水处理过程PLC模糊控制器的设计与应用

   2012年06月15日 15:33  
  1、引言
  
  二十一世纪以来,随着生物工程技术的迅猛发展,困扰人们多年的环保水处理这一日益严重的问题迎来了解决契机。大量资料表明,我国目前及今后相当长一段时间内的环境问题主要是水环境问题,水环境问题又主要是有机废水的污染问题。因此,有机废水的治理是环保工作中极其重要的一面。在现今,各个国家普遍采用生物法处理城市工业生活污水、各种浓度有机废水。污水废水生物处理技术以其消耗少、效率高、成本低、工艺操作管理方便可靠和无二次污染等显著优点而备受人们的青睐。
  
  2、sbr法原理介绍
  
  2.1sbr法工艺优点
  
  废水生物处理方法很多,其中活性污泥法的基本原理是:利用微生物去除污染物中的有机物,在去除过程中,首先需要微生物将有机物转化成co2和h2o以及微生物菌体,完后将微生物保存下来,在适当时间通过排除剩余污泥,从系统中除去新增的微生物。序批式活性污泥法(又称sbr法)是传统活性污泥法的一种改进与变形。其主体构筑物是sbr反应池。污水在这个反应池中完成反应(曝气)、沉淀、排水及排除剩余污泥等工序。这种污水处理工艺简易、快速且低耗,具有效率高、工艺简单、脱氢除磷效果好,防止污泥膨胀能力强、耐冲击负荷以及处理能力强等优点,适合水质水量变化大的中小城镇的生活污水处理,以及容易生物降解的工业废水处理
  
  2.2sbr法污水处理过程分析
  
  sbr法由初次沉淀池、曝气池、二次沉淀池、污泥回流和剩余污泥排放几个系统组成。初次沉淀池用于去除污水中原生悬浮物,当悬浮物少时可不设置。污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液,通过曝气阀通入空气,这样使混合液得到充足的搅拌而呈悬浮状态,然后进入沉淀池。混合液中的悬浮物质在沉淀池里沉淀下来和水分离,净化水流出沉淀池。同时,沉淀池里的污泥大部分回流,成为回流污泥。
  
  2.3sbr法污水处理流程
  
  传统污水处理过程是按照时间和顺序进行控制的,见表1。
  
  从充水开始到排水结束为一个周期,即12小时。在一个周期内,曝气、停气使沉淀池充氧、缺氧状态交互进行。以分解污水中含碳化合物(代表物为化学需氧量cod),以及含氮化合物的硝化和反硝化,达到脱除碳、氮、氨的目的。
  
  3、PLC模糊控制器的优化设计
  
  3.1应用背景
  
  实际上,工业污水中有机物的浓度随时间而变化,若呆板地按照固定的时间来控制sbr污水处理系统的运行,既浪费能源又易发生污泥膨胀,而且若时间设置不当还将影响处理效果。
  
  近年来,由于模糊控制学科的迅速发展,已有大量将模糊逻辑控制技术应用于工业自动化、机器人控制以及智能仪表和家用电器领域的实例。模糊控制器是一种基于模糊控制规则的控制器,而这种模糊规则就是人们对实际受控制过程的归纳以及经验的总结。
  
  目前,许多污水处理工厂在实际应用中还不能实时检测各种污水指标,只是采用时间程序控制,所以影响了控制效果以及污水处理能力。然而由于市场上化学需氧量cod浓度在线检测仪的出现,我们可以将cod浓度作为重要的工艺参数,组成基于plc的sbr污水处理模糊控制系统。
  
  3.2plc模糊控制器的优点
  
  由于sbr法污水处理系统本身是一个复杂的动态系统,其数学模型难以确定。化学需氧量cod是一个重要的参数,其在线检测有一定的滞后。基于plc的模糊控制方案不需要确定控制对象的数学模型,而是根据控制规则决定控制量的大小,这种方法可以使这个反应过程的cod处于合适的范围。这样,系统就可以通过在线检测cod的浓度值来调节曝气量,以保证出水质量,节省运行费用。
  
  4、plc模糊控制器的设计
  
  模糊控制器包括输入量模糊化、模糊推理和解模糊三部分。e和ex分别为e和ex模糊化后的模糊量,u为模糊控制量,u为u解模糊化后的量。
  
  曝气装置模糊控制器的输入量为曝气池中cod达标值与测量值的误差e及误差变化率ex,输出量为曝气机曝气增量u,其框图如图1所示。控制器定时采样cod值和cod值变化率,并与达标值比较,以此得出cod值误差e及误差变化率ex,并以此作为PLC控制器的输入变量,这样模糊控制器的输出就可控制曝气机阀门的开度了。
  
  4.1输入模糊化
  
  在模糊控制器设计中,设e的词集为[nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb],论域为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6];ex和u的词集为[nb,ns,zo,ps,pb],论域为[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6];e(k)=cod(k)-cod0,cod(k)=e(k)-e(k-1),其中cod0表示达标值。
  
  先将e,ex和u模糊化,再根据cod值的控制经验可得变量e,ex和u的模糊量化表。由于篇幅所限,变量e,ex和u的赋值表予以省略。
  
  4.2模糊控制规则
  
  通过总结污水处理过程中cod手动控制经验,得出模糊控制规则,如表2所示。
  
  根据控制规则表,可得到35条模糊控制规则。举例如下:
  
  ●当cod误差和误差变化均为负大时,cod值小于达标值cod0,应减少曝气量,所以u取nb,曝气机全关;即控制规则为if
  
  e=nbandex=nbthenu=nb;
  
  ●当cod误差是负大,误差变化为正大时,曝气机开度不变;即控制规则为ife=nbandex=pbthenu=zo
  
  4.3输出反模糊化
  
  根据模糊控制规则表取定的每一条模糊条件语句,就可以计算出相应的模糊控制量u,然后依据zui大隶属度法得出实际控制量u,经d/a转换后去控制曝气量。
  
  5、模糊控制算法的plc实现
  
  本文采用西门子公司的S7-200型plc作为控制器。污水处理过程模糊控制器的plc实现方法如下:
  
  ●先将模糊化过程的量化因子ke、kex和ku存入plc的保持寄存器中;
  
  ●再利用a/d模块将输入量采集到plc的dm数据区,经限幅量化处理后,根据它们所对应的输入模糊论域中的相应元素,查模糊控制量表求出模糊输出量u,再乘以输出量化因子即可得实际输出量u,由d/a模块输出对阀门开度进行控制。
  
  在程序设计上,模糊控制表的查询是模糊控制算法实现的关键。为简化程序设计,将输入模糊论域的元素由[-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,+1,+2,+3,+4,+5,+6]转化为[0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12],将模糊控制表中u的控制结果按从上到下、从左到右的顺序依次存入dm0100只dm0268中,控制量的基址为100,偏移地址为ex*13+e。图2为实现模糊控制量表查表功能的梯形图。
  
  图2中,dm0002和dm0003分别为e和ex在模糊论域中所对应的元素。语句movdm0031dm1000是间接寻址指令,它将dm0031的内容作为被传递单元的地址,再将这个地址单元的内容(即控制量u),传递给中间单元dm1000,通过解模糊运算得u,zui后由模拟输出通道传送给d/a转换器,来控制曝气阀开度大小。
  
  6、结束语
  
  现代工业过程控制中被控对象的多变性、非线性、大滞后性等使得模糊控制的应用得到快速发展,模糊控制器是基于模糊规则的控制器,它的出现为复杂工业过程的控制提供了一种智能化的新方法。本文将模糊控制与plc相结合,实现了污水处理过程cod的模糊控制。应用表明,这种控制方法不仅提高了污水处理系统的可靠性,还节约了能源,是一种较为理想的控制方案。

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