專家控制在APMP污水厭氧處理過程中的應(yīng)用

周 紅 羅 斌 王孟效

(1.艾默生網(wǎng)絡(luò)能源(西安)有限公司；2.博世力士樂(西安)電子傳動與控制有限公司；3.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院)

專家控制在APMP污水厭氧處理過程中的應(yīng)用

周 紅1羅 斌2王孟效3

(1.艾默生網(wǎng)絡(luò)能源(西安)有限公司；2.博世力士樂(西安)電子傳動與控制有限公司；3.陜西科技大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院)

針對污水厭氧處理過程中pH值控制存在嚴重的非線性和時滯特性，提出了一種將專家控制、PID控制和串級控制相結(jié)合的控制方案。仿真和實際應(yīng)用效果證明了該方案的正確性和可行性。

專家控制 污水處理 APMP pH值

采用厭氧-好氧相結(jié)合的工藝來處理APMP(堿性過氧化氫機械漿)高得率制漿污水是最有效的方法之一。在污水的厭氧處理過程中，厭氧反應(yīng)器中污水pH值扮演了一個非常重要的角色，直接決定了厭氧處理的效果[1]。然而對pH值進行控制絕非易事，因為pH控制對象是一個嚴重的非線性、大時滯系統(tǒng)，采用傳統(tǒng)的PID控制算法根本無法滿足控制要求[2,3]。因此，尋找一種先進的控制算法，對進入?yún)捬醢l(fā)生器的污水pH值進行控制具有積極的意義。筆者設(shè)計了一種新的APMP污水厭氧處理過程集散控制系統(tǒng)(DCS)。根據(jù)pH值控制對象的特性，采用PID控制、專家控制和串級控制相結(jié)合的控制方案, 根據(jù)pH值在不同區(qū)域的響應(yīng)特性采用不同的控制策略。

1 厭氧處理工藝流程與控制方案

1.1 厭氧處理工藝流程

APMP污水厭氧處理過程工藝流程如圖1所示。在集水井中收集的污水經(jīng)過旋轉(zhuǎn)過濾器過濾后進入初沉池，沉淀后的污水被泵到冷卻塔降溫后進入緩沖池，進行均質(zhì)后泵入調(diào)制池。污水在調(diào)制池中被調(diào)制到最佳的pH值和合適的營養(yǎng)成分，為厭氧反應(yīng)做好準(zhǔn)備，接下來污水被泵入?yún)捬醴磻?yīng)器進行厭氧消化處理。

圖1 污水厭氧處理工藝流程示意圖

厭氧處理過程實際是一種利用厭氧微生物的分解作用使污水中的有機物得以分解的方法。厭氧微生物的活性直接決定了厭氧消化的效果，厭氧微生物特別是產(chǎn)甲烷菌，對污水的pH值十分敏感，pH值在6.8～7.2時活性最高[4]，超出此范圍活性隨之下降，偏離范圍越大，活性越差甚至?xí)粴⑺?。因此，污水在進厭氧反應(yīng)器之前，必須向調(diào)制池投加HCl或NaOH來調(diào)節(jié)污水的pH值，使得進入?yún)捬醴磻?yīng)器的污水pH值在6.8～7.2之間。然而pH值酸堿中和的滴定曲線是非線性的[5]。pH值在7.0附近時添加少量的中和劑就能引起pH值較大幅度的變化；pH值遠離7.0時，必須加入大量的酸堿中和劑，才能引起變化。而且在實際的調(diào)制池酸堿中和反應(yīng)過程中還存在混合攪拌、測量等純滯后因素，因此，pH值控制對象是嚴重的非線性與大時滯系統(tǒng)，控制十分困難。

1.2 控制方案

基于S7-300可編程控制器，設(shè)計了一套污水厭氧處理過程集散控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。位于最上層的操作管理部分由兩臺工業(yè)計算機構(gòu)成，一臺作為操作員站，另一臺作為工程師站。操作員站主要用來進行在線顯示、操作控制及報警指示等；工程師站主要進行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)分析及生成報表等。過程控制部分以CPU315-2DP控制器為核心，配備兩個SM-331模擬量輸入模塊、兩個SM-332模擬量輸出模塊、4個SM-321數(shù)字量輸入模塊、3個SM-322數(shù)字量輸出模塊和一個遠程IO站ET200M，完成算法控制以及現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集處理和輸入輸出。操作管理部分和過程控制部分采用Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)進行通信。

圖2 污水厭氧處理過程集散控制結(jié)構(gòu)示意圖

在控制方面，程序主要包括采樣和濾波子程序，厭氧均衡池液位控制程序，厭氧冷卻塔溫度控制程序，厭氧污泥泵定時控制程序，以及厭氧調(diào)制池pH值控制程序等，采用STEP7完成下位機PLC編程軟件。上位機HMI編程軟件采用WinCC V6.0實現(xiàn)。

2 pH值專家控制算法與仿真

2.1 pH值控制算法

厭氧調(diào)制池的污水pH值控制原理如圖3所示，在調(diào)制池進口安裝流量計和pH值檢測儀檢測進入調(diào)制池的污水流量和pH值。為了加速中和反應(yīng)，調(diào)制池混合泵把一部分污水循環(huán)泵入調(diào)制池。在污水循環(huán)管道上安裝另外一個pH值檢測儀來檢測調(diào)制池內(nèi)污水的pH值。兩套加藥裝置分別向調(diào)制池投加HCl或NaOH來調(diào)節(jié)污水的pH值，兩路加藥管道上分別安裝有流量計和投料閥，用來控制加藥量。污水pH值控制算法結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，控制系統(tǒng)由PID控制器、專家控制器和串級控制器組成。為了保證厭氧處理過程的最佳條件，調(diào)制池出口的污水pH值應(yīng)該控制在6.8～7.2之間。在本控制算法中，根據(jù)pH值中和過程的非線性特性，按照系統(tǒng)的響應(yīng)特性分為3個區(qū)域，在不同的區(qū)域采用不同的控制器。這3個區(qū)域分別是：區(qū)域I，6.87.5(強堿性范圍)，在這個區(qū)域?qū)ο蟮脑鲆婧苄?，添加大量的中和劑才能引起pH值較小幅度的變化，在這個區(qū)域，由于表現(xiàn)出嚴重的非線性和大時滯，PID控制器已經(jīng)不能進行有效的調(diào)節(jié)，甚至?xí)a(chǎn)生較大的超調(diào)或發(fā)生振蕩。因此，應(yīng)采用專家控制器進行粗略調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)迅速向穩(wěn)定的方向發(fā)展(開關(guān)切向c)。為了克服由于中和液的濃度或流量發(fā)生變化引起的二次擾動，該控制算法引入了以中和液流量為控制對象的副調(diào)節(jié)回路，與pH值主調(diào)節(jié)回路組成串級控制。所以，既保證了穩(wěn)態(tài)的控制精度和調(diào)節(jié)速度，又具有良好的抗干擾能力。

圖3 污水pH值控制原理

圖4 污水pH值控制算法結(jié)構(gòu)框圖

2.2 專家控制器設(shè)計

專家控制器實際上是通過對現(xiàn)有已知條件進行分析，并結(jié)合過去的加藥經(jīng)驗，推斷出實際需要的加藥量。

首先，建立基于數(shù)據(jù)庫的對象模型。采用產(chǎn)生式表示法表示獲取的知識，其產(chǎn)生式規(guī)則形式為：IFa1ANDa2AND … ANDanTHENb1,b2,…，bm。根據(jù)實際情況，選擇進水流量、進水pH值、調(diào)制池出水pH值為輸入變量，加堿量、加酸量為輸出變量。中和劑的加入量依據(jù)進水的pH值和流量、出水口的pH值等參數(shù)近似計算得出，以表格的形式存入數(shù)據(jù)庫?？偨Y(jié)專家規(guī)則如下：

IF ΔF1(k)=0 AND 0.5<Δe0(k)<ε2AND 0<

Δe1(k)<ε1THEN ΔV1(k)=γ12，ΔV2(k)=0

IF ΔF1(k)=0 AND 0.5<Δe0(k)<ε2ANDε1<

Δe1(k) THEN ΔV1(k)=γ12，ΔV2(k)=-γ21

IF ΔF1(k)=0 AND -ε2<Δe0(k)<-0.5 AND 0<Δe1(k)<ε1THEN ΔV1(k)=0,ΔV2(k)=γ12

IF ΔF1(k)=0 AND -ε2<Δe0(k)<-0.5 ANDε1<Δe1(k) THEN ΔV1(k)=-γ21，ΔV2(k)=γ12

?

其中Δe1(k)為k時刻的入水pH值偏差；Δe0(k)為k時刻的調(diào)制池出水pH值偏差；ΔF1(k)為k時刻的入水流量與工藝設(shè)定值之間的偏差；ΔV1(k)為k時刻的加酸流量；ΔV2(k)為k時刻的加堿流量。

專家數(shù)據(jù)庫不是建立在精確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的，專家控制器設(shè)計有自學(xué)習(xí)算法，定期更新知識庫的內(nèi)容，逐步地精確加藥量。自學(xué)習(xí)算法(圖5)采用統(tǒng)計學(xué)習(xí)法，逐條對歷史數(shù)據(jù)庫中的記錄進行分析。如果調(diào)制池出水的pH值偏差ΔE小于工藝設(shè)定值的7%，即ΔESV·7%，則認為這條規(guī)則的加藥量不準(zhǔn)確，需要進行修改。如果實際的pH值PV大于設(shè)定值SV的107%，即PV>SV·107%，規(guī)則庫中的加酸量V1增加一個最小增量δmin；如果不是，則規(guī)則庫中的加堿量V2增加一個最小增量δmin。就按照這種邏輯逐條分析數(shù)據(jù)庫中的記錄，刷新專家知識庫。

圖5 自學(xué)習(xí)算法

2.3 系統(tǒng)仿真

采用Matlab對pH值專家控制算法進行了仿真，pH中和過程的數(shù)學(xué)模型為：

(1)

其中，V為調(diào)制池容積；F為入水流量。根據(jù)實際情況，V=102m3,F=250m3/h=0.069m3/s,τ=4s。

將各參數(shù)代入式(1)，并化簡為標(biāo)準(zhǔn)形式得到：

(2)

對于串級控制回路當(dāng)中的中和液流量調(diào)節(jié)過程，其對象的數(shù)學(xué)模型選用：

(3)

筆者將對單純PID下的算法、串級PID下的算法和筆者的新控制算法進行仿真對比。

由圖6可以看出，系統(tǒng)在受到階躍響應(yīng)時發(fā)生很大的振蕩，超調(diào)量達到了40%，調(diào)節(jié)時間達到30s,穩(wěn)態(tài)誤差很?。欢塒ID控制算法的超調(diào)量減小為25%，也發(fā)生了振蕩，振蕩時間相對單純PID算法明顯減??；筆者的新算法階躍響應(yīng)的超調(diào)量為3%，而且沒有如前面兩種控制算法那樣產(chǎn)生較大的振蕩，一直是很平穩(wěn)地接近于穩(wěn)態(tài)值，基本無穩(wěn)態(tài)誤差。

圖6 階躍響應(yīng)曲線

在系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)50s時加入50%的階躍擾動1來研究控制算法的抗擾性,仿真曲線如圖7所示。單純PID控制和串級控制受到擾動1時發(fā)生很大的振蕩，而且要經(jīng)過較長的時間才能達到穩(wěn)定；而筆者的新控制算法在受到二次擾動后沒有發(fā)生嚴重的振蕩，很快達到穩(wěn)定。

圖7 系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)加50%擾動的響應(yīng)曲線

在系統(tǒng)的外環(huán)50s時加入50%的階躍擾動2，其仿真曲線如圖8所示。在單純PID作用下系統(tǒng)發(fā)生很大超調(diào)；在串級PID控制作用下，系統(tǒng)發(fā)生極大振蕩，幾乎不能控制；筆者的新控制算法成功地抑制了系統(tǒng)的一次干擾，使整個系統(tǒng)的控制效果比較理想。

圖8 系統(tǒng)的外環(huán)加50%擾動的響應(yīng)曲線

從以上仿真結(jié)果可以看出，筆者設(shè)計的控制算法的抗干擾能力非常好，流量控制回路作為串級控制回路的副環(huán)基本抑制了二次干擾，而專家控制系統(tǒng)成功地抑制了作為系統(tǒng)一次干擾的入水pH值波動，使整個系統(tǒng)的控制效果比較理想。

3 結(jié)束語

設(shè)計的專家控制方案已在某APMP污水處理廠成功應(yīng)用。實際運行效果表明：當(dāng)進水維持在流量為12 000m3/d，CODcr濃度為3.00g/L，BOD5的濃度為1.20g/L，SS的濃度為2.00g/L。經(jīng)過該系統(tǒng)處理以后，CODcr濃度不大于0.10g/L，BOD5濃度不大于0.06g/L，SS濃度不大于0.10g/L，完全達到排放要求，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定，安全可靠。實時控制證明，該控制策略不依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型，結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，適合對非線性和復(fù)雜反應(yīng)過程進行控制，體現(xiàn)出較好的魯棒性。

[1] 楊洋,左劍惡,沈平,等.溫度、pH值和有機物對厭氧氨氧化污泥活性的影響[J].環(huán)境科學(xué),2006,27(4)：691～695．

[2] Wright R A，Kravaris C．On-line Identification and Nonlinear Control of an Industrial pH Process[J].Journal of Process Control，2001，11(4)：361～374．

[3] Babuska R，Oosterholf J，Oudshoorn A，et al．Fuzzy Self-tuning PI Control of pH in Fermentation[J]．Engineering Applications of Artificial Intelligence，2002，15(1)：3～15．

[4] Bernal M P，Navarro A F，Sanchez-Monedero M A，et al.Infuence of Sewage Sludge Compost Stability and Maturity on Carbon and Nitrogen Mineralization in Soil[J].Soil Biology and Biochemistry，1998，30(3)：305～313．

[5] 龐全,楊翠容.煙堿游離反應(yīng)過程的專家智能控制系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,1997,24(6):13～15.

(Continued from Page 23)

frequency was implemented; analyzing detection signal through double-frequency sine wave can meet laser’s requirements for drive signal in gas detection.

Keywordsmethane detection,TDLAS，generating circuit for driving signal, STM32

2017第二十屆中國國際工控自動化及儀器儀表(濟南)展覽會

展會時間2017年2月25～27日展會地點濟南國際會展中心

第二十屆中國國際工控自動化及儀器儀表(濟南)展覽會將啟用濟南國際會展中心六大展館，在原有工業(yè)自動化、傳感測量、儀器儀表、安防高低壓線纜的基礎(chǔ)上特設(shè)國際物聯(lián)網(wǎng)與機器人技術(shù)兩大特色展區(qū)，同時將邀請20年以來一直支持我們的品牌企業(yè)代表與大家分享他們的成功參展經(jīng)驗，現(xiàn)場新品推薦會、新一代工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展高峰論壇活動也將為展會添彩，為展商與觀眾提供一個更加全面與完善的貿(mào)易合作平臺。

承辦單位濟南金諾展覽有限公司地址濟南市二環(huán)東路3966號東環(huán)國際廣場B座1104室

電話0531-83532222傳真0531-83532333

聯(lián)系人崔德高 13465406910郵箱jinanzhanhui@sina.com

ApplicationofExpertControlinAPMPWastewaterAnaerobicTreatmentProcess

ZHOU Hong1, LUO Bin2, WANG Meng-xiao3

(1.EmersonNetworkPower(Xi′an)Co.,Ltd.; 2.BoschRexroth(Xi′an)ElectricDrivesandControlsCo.,Ltd.;3.CollegeofElectricalandInformationEngineering,ShaanxiUniversityofScience&Technology)

Considering serious nonlinearity and time-delay behavior of controlling pH value in anaerobic treatment process, the control scheme of having expert control and PID control and cascade control integrated was proposed. Both simulation and application results prove effectiveness and feasibility of this method.

expert control, wastewater treatment, APMP, pH value

TH865

B

1000-3932(2017)01-0048-05

周紅(1982-)，工程師，從事電控系統(tǒng)設(shè)計工作，zhouhong2324@163.com。

2016-04-13，

2016-11-20)