摘 要：针对国内大多数污水处理厂曝气量的分配、供应效果很不理想，溶解氧浓度控制滞后、精度低、波动大、能耗高以及直接影响处理效果。本文叙述了已成功开发并应用的污水处理生化池曝气量的智能控制系统。该系统能在水质水量不变时和变化时，采用串级、前馈、反馈控制和智能模型，保证曝气平衡，并根据阀门的开度大小，调节鼓风机的操作压力，达到节能的目的。本文对控制系统的设计思想、系统配置、控制算法、软件设计作了重点介绍，并给出了实际使用效果。
关键词：曝气量 溶解氧浓度控制 智能控制 PLC
Abstract：In view of the existing problem of the majority domestic wastewater treatment plant,such as the aeration quantity assignment and the effect of supply are not very ideal, the lag controlling of the dissolved oxygen concentration ,and its low precision, big fluctuations, high energy consumption ,which directly influence the processing effect. This paper describes the succeeded developed and used intelligent system which controls the aeration quantity of the wastewater treatment biochemistry tank. This system will use the series, the forward feed, the feedback control and the intelligence model to guarantee the balance of aeration whether the quality and quantity of the water change or not .At the same time, according to the opening size of the valve, it will adjust the service pressure of the air blower for the sake of saving energy. This paper emphasizes the introduction of the design idea, the configuration, the arithmetic, the software design of the control system. In the mean while, the actual use effect is given.
Key words: Aeration Quantity; Dissolved Oxygen concentration Control; PLC; Intelligence control
1、引言
目前国内外污水处理工艺主要采用传统活性污泥法及其变形工艺：A-B工艺、A-O工艺、A2O工艺（及其改良）、SBR工艺、CASS等工艺，其中污水处理过程中生化池的曝气量控制始终是个难题。污水处理曝气过程中溶解氧的分布情况，直接影响污水处理的效果及污泥活力甚至出水水质。在欧洲，溶解氧浓度的设定值由十年前2～5mg/l，最近十年设定值2mg/l，到现在的1.0～1.2mg/l，国外也在结合不同的实际运行工况，不断地摸索最合适的溶解氧浓度，降低原始设定值。
现在国内大多数污水处理厂曝气量的分配、供应效果很不理想，溶解氧浓度振荡大，周围前后段溶解氧浓度相差很大，直接影响出水水质。大多数污水处理厂曝气量的分配、供应仍然靠人工远地手控，很容易产生差错，对系统造成人为的冲击。有一些污水处理厂也使用了自动化控制系统，其处理方法是以生化池溶解氧信号为控制信号，蝶阀为执行元件的方式进行控制，定值调节曝气池内溶解氧的浓度。在污水处理厂实际运行控制中，这两种方法均达不到很好的控制效果，控制滞后、精度低、溶解氧波动大、能耗高以及直接影响处理效果。
所以，研究和推广新的控制系统来提高城市污水处理生产工艺水平很有必要，并且应该能满足以下要求：
精确、稳定地控制污水曝气池中的溶解氧浓度，提高生化处理率，改善出水水质;
实时根据风向、风力、温度、进水水质情况改善溶解氧浓度，调整气体流量，以需定供，及时、准确、科学的分配气体;
优化鼓风机的运行，以达到节能减耗的目的;
避免由于溶氧仪仪表故障而造成整套工艺瘫痪，曝气不足或过量所造成的微生物的生长成活率，从而影响污水处理厂的正常生产;
降低污水处理厂的运行成本，减少值班人员的操作难度，提高工作效率;
替代国外同类产品，出口创汇。
2、设计思想
在系统稳定的情况下，假设进水水量、水质、水温等条件都保持不变，鼓风机出口压力、曝气量也不变，耗氧速率和充氧速率基本平衡，溶解氧浓度稳定在给定值上。但在污水处理过程中不可能永远处于这么理想的平衡状态，干扰发生时必然会破坏上述的平衡，所以必须得通过先进的自动调节手段才能使整个系统及时恢复稳定。
当水质水量不变时，系统如何保证曝气平衡
假如进水水质、水量相对比较稳定，当系统受到外界因素的影响使鼓风机的出口压力或流量发生了变化，或由于其它就地控制回路的调节作用使该回路的曝气量发生了变化，平衡状态被打破。
控制系统的每个现场控制回路中，都配有一个高精度的气体流量计，它会连续并且精
确的测量气体流量的变化，当受到干扰时，该回路的流量计立即测量到了这个变化，及时的反应到该回路的输入端，流量控制回路很快对这个变化作出判断，迅速改变该回路中高精度调节阀的开度以保持曝气量不变。这样，经过流量控制回路的控制，在干扰还未波及到溶解氧之前就已经被克服，即便是干扰较大，其大部分影响已经被流量控制回路所克服，波及到溶解氧时，干扰已经很小，再通过流量计算回路进一步调节，彻底消除干扰影响，使溶解氧恢复到给定值。
当水质水量发生变化时，系统如何保证曝气量
假如供气系统稳定，而进入曝气池的水质、水量等发生了变化，使溶解氧发生了波动，
破坏了原来的平衡。控制系统中包括流量计算单元和流量控制单元。当干扰发生时，流量计将实际测得的气体流量反应到流量计算单元，溶解氧的设定值、溶解氧实际测量值、溶解氧变化趋势以及氨氮信号等也同时反应到流量计算单元，结合系统的历史数据，通过系统内的模糊控制程序，系统会根据实际需要重新给定一个气体流量设定值，反应给流量控制单元，及时调节现场回路的曝气量，干扰被克服，很快使溶解氧恢复到给定值。
如何智能控制鼓风机的操作压力，达到节能的目的
曝气电耗占污水处理厂的80%左右，通过先进控制算法来降低能耗十分必要。如果鼓风机的当前操作压力比较高，而阀门的开度都比较小，这样系统处于比较耗能的状态。所以由控制系统中的压力控制单元，综合所有的实际气体流量信号及阀位信号，通过计算，给出一个最低所需的压力设定，来重新调整鼓风机的操作压力（调节进口导叶或变频）），以达到按实际所需供应气体的目的。
3、系统实现
图1 系统控制回路图
3.1 系统配置
系统控制组成见图1所示。系统以热效应气体质量流量计为主传感器，与DO仪相比，其测量数据更为准确，基本上不需维护。热式气体质量流量计采用热扩散原理，热扩散技术是一种在苛刻条件下性能优良、可靠性高的技术。系统采用菱形调节阀来代替传统控制中的蝶阀。菱形调节阀有两个优点，一是在0-100%内调节均呈线性关系，具有等百分比流量特性，而蝶阀仅在25-65%的范围内呈线性关系;二是该类型阀步进值较小，因此可以精确地调整供风量。
图2控制配置图
系统控制器选用法国Schneider公司 Modicon系列PLC，控制配置见图2。考虑到一个鼓风机带了四个曝气回路，选用8路输入模拟量模块和4路输出模拟量模块构成控制闭环，并将PLC纳入工厂控制网络，通过MODBUS PLUS网与厂级控制控制系统（含鼓风机控制、水质监控等）通信。选用Schneider公司的10.4寸 64色触模屏作为人机界面。
3.2 控制算法
针对上文所述的设计思想，系统采用串级PID控制系统：主回路的溶解氧浓度通过曝气量的设定来调节，采用前馈和反馈相结合的复杂控制，前馈控制的扰动变量取水质（氨氮、硝酸盐氮等），根据水质的变化、溶解氧的设定值、溶解氧当前值及一定时间内的历史数据，通过计算重新给定一个曝气量的设定值;副回路的曝气量通过阀门的开度来调节，也采用前馈和反馈相结合的复杂控制，前馈控制的扰动变量取鼓风机的出口总压力设定值，这样可快速克服由于鼓风机控制系统出口总压力设定值的变化带来的干扰，而反馈控制可以快速地根据曝气量调节阀门开度，同时克服由于不同管道共用一个鼓风机而带来的干扰。串级控制系统具有抗干扰、快速性、适应性和控制质量好的优点。
如果四个阀门的开度都比较小，这时管道阻力比较大，使得鼓风机能耗上升，效率下降。所以可以同时适当增加四个阀门的开度，而把鼓风机控制系统出口总压力设定值调小，这样达到了节能的目的。而由于鼓风机出口总压力的变化导致曝气量的变化可以很快被前馈环节消除。阀门的开度增加也不能太大，否则就没有留下多少调节的余地。
3.3 软件设计
Modicon Quantum系列PLC的编程软件提供了丰富的函数库，在过程控制方面功能更为强大。下面就软件编写中用到的几个主要控制函数SAMPLETM、PIDFF和MS作简单介绍。
SAMPLETM函数用来进行定时，INTERVAL引脚用来指定时间间隔;PIDFF函数是带前馈输入引脚FF的PID控制器，功能十分强大，支持增量式和绝对式PID运算，输出信号幅值和梯度限幅，自动/手动切换，Para_PIDFF引脚是PID参数数据块;MS是输出控制函数，其OUT引脚的值可以是PID运算的输出值，也可以是人机界面上的操作值，通过MAN_AUTO引脚进行设定，实现自动/手动双向无扰动切换。通过两组上面三个函数的连接很方便地实现了上文所述的串级PID控制算法。
图3 几个主要的过程控制函数
触摸屏软件采用Vijeo-Designer组态软件编写。在触摸屏上运行的监控系统具有主控自动、主控手动两种工作方式。主控自动指由PLC的内部算法进行控制，可以将控制方式切换成手动，直接在触摸屏上设定阀门的开度。
在触摸屏画面能显示工艺流程及测量参数，控制方式、程序运行工况、控制对象状态，历史曲线，也能显示成组参数。当参数越限报警、控制对象故障或状态变化时，可以不同颜色进行显示。
4、结束语
本系统已成功应用，精确控制了曝气池中溶解氧浓度，控制精度达±0.2mg/l,提高了生化池的处理效率;优化了鼓风机的控制，降低了工厂运行成本。本文作者创新点：采用先进控制算法和智能模型，精确控制了溶解氧浓度，并根据阀门开度调整鼓风机压力，节能减耗。
