污水处理过程PLC模糊控制器的设计

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

2.1 sbr 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。

2.2 sbr 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。

2.3 sbr 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。

                             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。

                           表2

  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。

3.2 plc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，其数学模型难以精确确定。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精确的数学模型，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解模糊化后的精确量。
  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。

                                                                        图1

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=nb and ex=nb then u=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if e=nb and ex=pb then u=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，然后依据最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

  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mov dm0031dm1000是间接寻址指令，它将dm0031的内容作为被传递单元的地址，再将这个地址指定单元的内容（即控制量u），传递给中间单元dm1000，通过解模糊运算得u，最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。