专家控制在APMP污水厌氧处理过程中的应用
2017-11-02王孟效
周 红 罗 斌 王孟效
(1.艾默生网络能源(西安)有限公司；2.博世力士乐(西安)电子传动与控制有限公司；3.陕西科技大学电气与信息工程学院)
专家控制在APMP污水厌氧处理过程中的应用
周 红1罗 斌2王孟效3
(1.艾默生网络能源(西安)有限公司；2.博世力士乐(西安)电子传动与控制有限公司；3.陕西科技大学电气与信息工程学院)
针对污水厌氧处理过程中pH值控制存在严重的非线性和时滞特性，提出了一种将专家控制、PID控制和串级控制相结合的控制方案。仿真和实际应用效果证明了该方案的正确性和可行性。
专家控制 污水处理 APMP pH值
采用厌氧-好氧相结合的工艺来处理APMP(碱性过氧化氢机械浆)高得率制浆污水是最有效的方法之一。在污水的厌氧处理过程中，厌氧反应器中污水pH值扮演了一个非常重要的角色，直接决定了厌氧处理的效果[1]。然而对pH值进行控制绝非易事，因为pH控制对象是一个严重的非线性、大时滞系统，采用传统的PID控制算法根本无法满足控制要求[2,3]。因此，寻找一种先进的控制算法，对进入厌氧发生器的污水pH值进行控制具有积极的意义。笔者设计了一种新的APMP污水厌氧处理过程集散控制系统(DCS)。根据pH值控制对象的特性，采用PID控制、专家控制和串级控制相结合的控制方案, 根据pH值在不同区域的响应特性采用不同的控制策略。
1 厌氧处理工艺流程与控制方案
1.1 厌氧处理工艺流程
APMP污水厌氧处理过程工艺流程如图1所示。在集水井中收集的污水经过旋转过滤器过滤后进入初沉池，沉淀后的污水被泵到冷却塔降温后进入缓冲池，进行均质后泵入调制池。污水在调制池中被调制到最佳的pH值和合适的营养成分，为厌氧反应做好准备，接下来污水被泵入厌氧反应器进行厌氧消化处理。
图1 污水厌氧处理工艺流程示意图
厌氧处理过程实际是一种利用厌氧微生物的分解作用使污水中的有机物得以分解的方法。厌氧微生物的活性直接决定了厌氧消化的效果，厌氧微生物特别是产甲烷菌，对污水的pH值十分敏感，pH值在6.8～7.2时活性最高[4]，超出此范围活性随之下降，偏离范围越大，活性越差甚至会被杀死。因此，污水在进厌氧反应器之前，必须向调制池投加HCl或NaOH来调节污水的pH值，使得进入厌氧反应器的污水pH值在6.8～7.2之间。然而pH值酸碱中和的滴定曲线是非线性的[5]。pH值在7.0附近时添加少量的中和剂就能引起pH值较大幅度的变化；pH值远离7.0时，必须加入大量的酸碱中和剂，才能引起变化。而且在实际的调制池酸碱中和反应过程中还存在混合搅拌、测量等纯滞后因素，因此，pH值控制对象是严重的非线性与大时滞系统，控制十分困难。
1.2 控制方案
基于S7-300可编程控制器，设计了一套污水厌氧处理过程集散控制系统，其结构示意图如图2所示。位于最上层的操作管理部分由两台工业计算机构成，一台作为操作员站，另一台作为工程师站。操作员站主要用来进行在线显示、操作控制及报警指示等；工程师站主要进行参数设置、数据分析及生成报表等。过程控制部分以CPU315-2DP控制器为核心，配备两个SM-331模拟量输入模块、两个SM-332模拟量输出模块、4个SM-321数字量输入模块、3个SM-322数字量输出模块和一个远程IO站ET200M，完成算法控制以及现场的数据采集处理和输入输出。操作管理部分和过程控制部分采用Profibus-DP网络进行通信。
图2 污水厌氧处理过程集散控制结构示意图
在控制方面，程序主要包括采样和滤波子程序，厌氧均衡池液位控制程序，厌氧冷却塔温度控制程序，厌氧污泥泵定时控制程序，以及厌氧调制池pH值控制程序等，采用STEP7完成下位机PLC编程软件。上位机HMI编程软件采用WinCC V6.0实现。
2 pH值专家控制算法与仿真
2.1 pH值控制算法
厌氧调制池的污水pH值控制原理如图3所示，在调制池进口安装流量计和pH值检测仪检测进入调制池的污水流量和pH值。为了加速中和反应，调制池混合泵把一部分污水循环泵入调制池。在污水循环管道上安装另外一个pH值检测仪来检测调制池内污水的pH值。两套加药装置分别向调制池投加HCl或NaOH来调节污水的pH值，两路加药管道上分别安装有流量计和投料阀，用来控制加药量。污水pH值控制算法结构框图如图4所示，控制系统由PID控制器、专家控制器和串级控制器组成。为了保证厌氧处理过程的最佳条件，调制池出口的污水pH值应该控制在6.8～7.2之间。在本控制算法中，根据pH值中和过程的非线性特性，按照系统的响应特性分为3个区域，在不同的区域采用不同的控制器。这3个区域分别是：区域I，6.8
图3 污水pH值控制原理
图4 污水pH值控制算法结构框图
2.2 专家控制器设计
专家控制器实际上是通过对现有已知条件进行分析，并结合过去的加药经验，推断出实际需要的加药量。
首先，建立基于数据库的对象模型。采用产生式表示法表示获取的知识，其产生式规则形式为：IFa1ANDa2AND … ANDanTHENb1,b2,…，bm。根据实际情况，选择进水流量、进水pH值、调制池出水pH值为输入变量，加碱量、加酸量为输出变量。中和剂的加入量依据进水的pH值和流量、出水口的pH值等参数近似计算得出，以表格的形式存入数据库。总结专家规则如下：
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)为k时刻的入水pH值偏差；Δe0(k)为k时刻的调制池出水pH值偏差；ΔF1(k)为k时刻的入水流量与工艺设定值之间的偏差；ΔV1(k)为k时刻的加酸流量；ΔV2(k)为k时刻的加碱流量。
专家数据库不是建立在精确的数学模型基础之上的，专家控制器设计有自学习算法，定期更新知识库的内容，逐步地精确加药量。自学习算法(图5)采用统计学习法，逐条对历史数据库中的记录进行分析。如果调制池出水的pH值偏差ΔE小于工艺设定值的7%，即ΔE
图5 自学习算法
2.3 系统仿真
采用Matlab对pH值专家控制算法进行了仿真，pH中和过程的数学模型为：
(1)
其中，V为调制池容积；F为入水流量。根据实际情况，V=102m3,F=250m3/h=0.069m3/s,τ=4s。
将各参数代入式(1)，并化简为标准形式得到：
(2)
对于串级控制回路当中的中和液流量调节过程，其对象的数学模型选用：
(3)
笔者将对单纯PID下的算法、串级PID下的算法和笔者的新控制算法进行仿真对比。
由图6可以看出，系统在受到阶跃响应时发生很大的振荡，超调量达到了40%，调节时间达到30s,稳态误差很小；而串级PID控制算法的超调量减小为25%，也发生了振荡，振荡时间相对单纯PID算法明显减小；笔者的新算法阶跃响应的超调量为3%，而且没有如前面两种控制算法那样产生较大的振荡，一直是很平稳地接近于稳态值，基本无稳态误差。
图6 阶跃响应曲线
在系统的内环50s时加入50%的阶跃扰动1来研究控制算法的抗扰性,仿真曲线如图7所示。单纯PID控制和串级控制受到扰动1时发生很大的振荡，而且要经过较长的时间才能达到稳定；而笔者的新控制算法在受到二次扰动后没有发生严重的振荡，很快达到稳定。
图7 系统的内环加50%扰动的响应曲线
在系统的外环50s时加入50%的阶跃扰动2，其仿真曲线如图8所示。在单纯PID作用下系统发生很大超调；在串级PID控制作用下，系统发生极大振荡，几乎不能控制；笔者的新控制算法成功地抑制了系统的一次干扰，使整个系统的控制效果比较理想。
图8 系统的外环加50%扰动的响应曲线
从以上仿真结果可以看出，笔者设计的控制算法的抗干扰能力非常好，流量控制回路作为串级控制回路的副环基本抑制了二次干扰，而专家控制系统成功地抑制了作为系统一次干扰的入水pH值波动，使整个系统的控制效果比较理想。
3 结束语
设计的专家控制方案已在某APMP污水处理厂成功应用。实际运行效果表明：当进水维持在流量为12 000m3/d，CODcr浓度为3.00g/L，BOD5的浓度为1.20g/L，SS的浓度为2.00g/L。经过该系统处理以后，CODcr浓度不大于0.10g/L，BOD5浓度不大于0.06g/L，SS浓度不大于0.10g/L，完全达到排放要求，且系统运行稳定，安全可靠。实时控制证明，该控制策略不依赖被控对象的数学模型，结构简单、易于实现，适合对非线性和复杂反应过程进行控制，体现出较好的鲁棒性。
[1] 杨洋,左剑恶,沈平,等.温度、pH值和有机物对厌氧氨氧化污泥活性的影响[J].环境科学,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] 庞全,杨翠容.烟碱游离反应过程的专家智能控制系统[J].化工自动化及仪表,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第二十届中国国际工控自动化及仪器仪表(济南)展览会
展会时间2017年2月25～27日展会地点济南国际会展中心
第二十届中国国际工控自动化及仪器仪表(济南)展览会将启用济南国际会展中心六大展馆，在原有工业自动化、传感测量、仪器仪表、安防高低压线缆的基础上特设国际物联网与机器人技术两大特色展区，同时将邀请20年以来一直支持我们的品牌企业代表与大家分享他们的成功参展经验，现场新品推荐会、新一代工业领域发展高峰论坛活动也将为展会添彩，为展商与观众提供一个更加全面与完善的贸易合作平台。
承办单位济南金诺展览有限公司地址济南市二环东路3966号东环国际广场B座1104室
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联系人崔德高 13465406910邮箱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
周红(1982-)，工程师，从事电控系统设计工作，zhouhong2324@163.com。
2016-04-13，
2016-11-20)
