污水處理過程PLC模糊控制器的設計與應用

　　1、引言
　　
　　二十一世紀以來，隨著生物工程技術的迅猛發展，困擾人們多年的環保水處理這一日益嚴重的問題迎來了解決契機。大量資料表明，我國目前及今后相當長一段時間內的環境問題主要是水環境問題，水環境問題又主要是有機廢水的污染問題。因此，有機廢水的治理是環保工作中極其重要的一面。在現今，各個國家普遍采用生物法處理城市工業生活污水、各種濃度有機廢水。污水廢水生物處理技術以其消耗少、效率高、成本低、工藝操作管理方便可靠和無二次污染等顯著優點而備受人們的青睞。
　　
　　2、sbr法原理介紹
　　
　　2.1sbr法工藝優點
　　
　　廢水生物處理方法很多，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機物，在去除過程中，首先需要微生物將有機物轉化成co2和h2o以及微生物菌體，完后將微生物保存下來，在適當時間通過排除剩余污泥，從系統中除去新增的微生物。序批式活性污泥法（又稱sbr法）是傳統活性污泥法的一種改進與變形。其主體構筑物是sbr反應池。污水在這個反應池中完成反應（曝氣）、沉淀、排水及排除剩余污泥等工序。這種污水處理工藝簡易、快速且低耗，具有效率高、工藝簡單、脫氫除磷效果好，防止污泥膨脹能力強、耐沖擊負荷以及處理能力強等優點，適合水質水量變化大的中小城鎮的生活污水處理，以及容易生物降解的工業廢水處理。
　　
　　2.2sbr法污水處理過程分析
　　
　　sbr法由初次沉淀池、曝氣池、二次沉淀池、污泥回流和剩余污泥排放幾個系統組成。初次沉淀池用于去除污水中原生懸浮物，當懸浮物少時可不設置。污水和回流的活性污泥一起進入曝氣池形成混合液，通過曝氣閥通入空氣，這樣使混合液得到充足的攪拌而呈懸浮狀態，然后進入沉淀池。混合液中的懸浮物質在沉淀池里沉淀下來和水分離，凈化水流出沉淀池。同時，沉淀池里的污泥大部分回流，成為回流污泥。
　　
　　2.3sbr法污水處理流程
　　
　　傳統污水處理過程是按照時間和順序進行控制的，見表1。　　
　　從充水開始到排水結束為一個周期，即12小時。在一個周期內，曝氣、停氣使沉淀池充氧、缺氧狀態交互進行。以分解污水中含碳化合物（代表物為化學需氧量cod），以及含氮化合物的硝化和反硝化，達到脫除碳、氮、氨的目的。
　　
　　3、PLC模糊控制器的優化設計
　　
　　3.1應用背景
　　
　　實際上，工業污水中有機物的濃度隨時間而變化，若呆板地按照固定的時間來控制sbr污水處理系統的運行，既浪費能源又易發生污泥膨脹，而且若時間設置不當還將影響處理效果。　　
　　近年來，由于模糊控制學科的迅速發展，已有大量將模糊邏輯控制技術應用于工業自動化、機器人控制以及智能儀表和家用電器領域的實例。模糊控制器是一種基于模糊控制規則的控制器，而這種模糊規則就是人們對實際受控制過程的歸納以及經驗的總結。
　　
　　目前，許多污水處理工廠在實際應用中還不能實時檢測各種污水指標，只是采用時間程序控制，所以影響了控制效果以及污水處理能力。然而由于市場上化學需氧量cod濃度在線檢測儀的出現，我們可以將cod濃度作為重要的工藝參數，組成基于plc的sbr污水處理模糊控制系統。
　　
　　3.2plc模糊控制器的優點
　　
　　由于sbr法污水處理系統本身是一個復雜的動態系統，其數學模型難以確定。化學需氧量cod是一個重要的參數，其在線檢測有一定的滯后。基于plc的模糊控制方案不需要確定控制對象的數學模型，而是根據控制規則決定控制量的大小，這種方法可以使這個反應過程的cod處于合適的范圍。這樣，系統就可以通過在線檢測cod的濃度值來調節曝氣量，以保證出水質量，節省運行費用。
　　
　　4、plc模糊控制器的設計
　　
　　模糊控制器包括輸入量模糊化、模糊推理和解模糊三部分。e和ex分別為e和ex模糊化后的模糊量，u為模糊控制量，u為u解模糊化后的量。
　　
　　曝氣裝置模糊控制器的輸入量為曝氣池中cod達標值與測量值的誤差e及誤差變化率ex，輸出量為曝氣機曝氣增量u，其框圖如圖1所示。控制器定時采樣cod值和cod值變化率，并與達標值比較，以此得出cod值誤差e及誤差變化率ex，并以此作為PLC控制器的輸入變量，這樣模糊控制器的輸出就可控制曝氣機閥門的開度了。　　
　　4.1輸入模糊化
　　
　　在模糊控制器設計中，設e的詞集為［nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb］，論域為［-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6］；ex和u的詞集為［nb，ns，zo，ps，pb］，論域為［-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表示達標值。
　　
　　先將e，ex和u模糊化，再根據cod值的控制經驗可得變量e，ex和u的模糊量化表。由于篇幅所限，變量e，ex和u的賦值表予以省略。
　　
　　4.2模糊控制規則
　　
　　通過總結污水處理過程中cod手動控制經驗，得出模糊控制規則，如表2所示。
　　
　　根據控制規則表，可得到35條模糊控制規則。舉例如下：
　　
　　●當cod誤差和誤差變化均為負大時，cod值小于達標值cod0，應減少曝氣量，所以u取nb，曝氣機全關；即控制規則為if
　　
　　e=nbandex=nbthenu=nb；
　　
　　●當cod誤差是負大，誤差變化為正大時，曝氣機開度不變；即控制規則為ife=nbandex=pbthenu=zo
　　
　　4.3輸出反模糊化
　　
　　根據模糊控制規則表取定的每一條模糊條件語句，就可以計算出相應的模糊控制量u，然后依據zui大隸屬度法得出實際控制量u，經d/a轉換后去控制曝氣量。
　　
　　5、模糊控制算法的plc實現
　　
　　本文采用西門子公司的S7-200型plc作為控制器。污水處理過程模糊控制器的plc實現方法如下：
　　
　　●先將模糊化過程的量化因子ke、kex和ku存入plc的保持寄存器中；
　　
　　●再利用a/d模塊將輸入量采集到plc的dm數據區，經限幅量化處理后，根據它們所對應的輸入模糊論域中的相應元素，查模糊控制量表求出模糊輸出量u，再乘以輸出量化因子即可得實際輸出量u，由d/a模塊輸出對閥門開度進行控制。
　　
　　在程序設計上，模糊控制表的查詢是模糊控制算法實現的關鍵。為簡化程序設計，將輸入模糊論域的元素由［-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6］轉化為［0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12］，將模糊控制表中u的控制結果按從上到下、從左到右的順序依次存入dm0100只dm0268中，控制量的基址為100，偏移地址為ex*13+e。圖2為實現模糊控制量表查表功能的梯形圖。　　
　　圖2中，dm0002和dm0003分別為e和ex在模糊論域中所對應的元素。語句movdm0031dm1000是間接尋址指令，它將dm0031的內容作為被傳遞單元的地址，再將這個地址單元的內容（即控制量u），傳遞給中間單元dm1000，通過解模糊運算得u，zui后由模擬輸出通道傳送給d/a轉換器，來控制曝氣閥開度大小。
　　
　　6、結束語
　　
　　現代工業過程控制中被控對象的多變性、非線性、大滯后性等使得模糊控制的應用得到快速發展，模糊控制器是基于模糊規則的控制器，它的出現為復雜工業過程的控制提供了一種智能化的新方法。本文將模糊控制與plc相結合，實現了污水處理過程cod的模糊控制。應用表明，這種控制方法不僅提高了污水處理系統的可靠性，還節約了能源，是一種較為理想的控制方案。