摘 要：在污水處理中，提升泵站是生產(chǎn)的核心設(shè)備之一，其控制的好壞直接影響污水處理的效果和是否能實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。本文主要以某污水處理廠為背景，分析了傳統(tǒng)控制在提升泵站控制中的缺陷和不足，介紹了模糊控制和輪值控制的特點(diǎn)及在泵站的應(yīng)用,實(shí)際運(yùn)行表明該方案是合理和行之有效的。 關(guān)鍵詞：污水處理; 模糊控制; 輪值控制; 提升泵房 0 引言 　　本文在分析了污水處理系統(tǒng)的基本原理、基本處理流程及模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論的基礎(chǔ)上，將模糊控制這一新的控制策略引入到污水處理系統(tǒng)中來，針對污水處理系統(tǒng)的提升泵房部分，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了污水處理自適應(yīng)模糊控制和輪值控制系統(tǒng)，有效地克服了污水處理的非線性和強(qiáng)時(shí)滯，有較好的穩(wěn)定性和魯棒性，節(jié)能效果明顯，具有一定的推廣價(jià)值。 　　0.1生產(chǎn)流程 　　由廠區(qū)外的主污水管道而來的污水進(jìn)入格間，由2臺(tái)粗格柵和兩臺(tái)細(xì)格柵將污水中體積較大的污物攔住，通過格柵機(jī)的污水繼續(xù)前行流入進(jìn)水泵房。該處為全廠區(qū)標(biāo)高的最低處，進(jìn)水泵房底部放置有5臺(tái)潛水泵，主要用于將污水提升到高處，以使污水只靠重力作用流經(jīng)其余的處理階段。 [align=center] 圖1 污水處理工藝流程圖[/align] 　　0.2提升泵控制 　　傳統(tǒng)提升泵站的控制方式采用液位控制，根據(jù)工藝條件計(jì)算集水井水位可能的變化范圍，當(dāng)水位達(dá)到一定值后，依次開相應(yīng)的潛水泵。這種控制方式存在的問題是泵啟動(dòng)頻繁、泵的磨損情況不一樣，造成泵更換周期短、維護(hù)量大，而且在污水流量變化較大的情況下，還會(huì)產(chǎn)生無法滿足流量要求的現(xiàn)象。通過對泵站進(jìn)水量和控制設(shè)備的分析，我們提出采用模糊控制和輪值控制方法對提升泵站進(jìn)行控制。 1 泵站模糊控制 　　1.1模糊控制簡介 　　模糊控制系統(tǒng)由被控制過程和模糊控制器構(gòu)成，模糊控制器由模糊化、模糊推理和去模糊化三部分組成，三者均建立在知識(shí)庫（控制率和隸屬函數(shù)）基礎(chǔ)上。模糊控制的基本原理如圖2所示。 [align=center] 圖2 模糊控制框圖[/align] 　　泵站的傳統(tǒng)控制只考慮了液位的變化，沒有考慮液位變化速率。采用計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)液位檢測儀表后，可以非常簡便地得到液位差和液位變化率，通過引入模糊控制方法，利用液位變化率，實(shí)現(xiàn)PD控制結(jié)構(gòu)，能明顯提高泵站對進(jìn)水量變化的響應(yīng)能力[1][2]。 　　1.2泵站模糊控制方法 　　采用模糊控制方法的主要工作是確定模糊論域、隸屬度函數(shù)、量化因子、模糊控制規(guī)則和模糊判決方法。結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)和現(xiàn)場實(shí)際[1][5]，對該廠污水提升泵站我們進(jìn)行了以下的控制方法實(shí)施。 　　1.2.1模糊控制器語言變量（The language variable of fuzzy controller） 　　模糊控制器采用三個(gè)模糊變量：液位差（E），液位變化率（EC），啟動(dòng)泵臺(tái)數(shù)（U）其中E和EC為輸入模糊變量，U為輸出模糊變量。模糊控制器由PLC編程實(shí)現(xiàn)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，采樣間隔設(shè)為10秒，這種結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是非線性的PD控制方式。 　　1.2.2 模糊論域和隸屬度函數(shù)（Fuzzy region and membership function） 　　根據(jù)現(xiàn)場對集水井液位變化情況的了解以及廠方的要求，三個(gè)控制變量的論域量化關(guān)系如下： 　　液位差E分為 6檔 11級，即 　?。?5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝ 　　模糊子集選取如下語言值 　?。鸑B（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)?。?，PS（正?。?，PM（正中），PB（正大）｝ 　　液位變化率EC分為5檔7級，即 　?。?，-2，-1，0，+l，+2，+3｝ 　　模糊子集選取如下語言值 　?。鸑B（負(fù)大），NS（負(fù)小），Z（零），PS（正?。?，PB（正大）｝ 　　控制變量U分為5檔5級，即 　　｛0，1，2，3，4｝ 　　模糊子集選取如下語言值 　?。?，中，大，很大｝ 　　在各變量隸屬函數(shù)選擇時(shí)，我們參考有關(guān)資料[2][3][4],由于不同形狀隸屬函數(shù)所代表的控制含義不同，結(jié)合實(shí)際控制要求，對液位變化率和控制變量采用三角函數(shù)形式。在選擇變量的隸屬度時(shí)，我們進(jìn)行了大量的現(xiàn)場調(diào)查，同時(shí)查閱了其它相關(guān)行業(yè)對泵控制的成功經(jīng)驗(yàn)[5][6]，首先在實(shí)驗(yàn)室對系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，在此基礎(chǔ)上，在保證生產(chǎn)正常進(jìn)行的情況下，進(jìn)行了在線調(diào)試，最后確定了較合理的變量隸屬度。 　　下面是三個(gè)變量的隸屬度列表。 [align=center] 表1 液位變化率變量隸屬度[/align] [align=center] 表2 泵控制變量隸屬度[/align] [align=center] 表3 液位差變量隸屬度[/align] 　　1.2.3量化關(guān)系 　　根據(jù)現(xiàn)場泵站工作情況，集水井最大高度4.5m，要求液位變化范圍在1.5m—3.5m之間。取2.5m為液位基準(zhǔn)值，液位差的變化范圍在（-1m，+1m）之間，通過以下公式可以得到液位與液位差E論域元素之間的變換關(guān)系： 　　y=10/（b-a）＊[x-（a+b）/2] 1——-1 注：[a，b]即液位范圍[1.5m, 3.5m] 　　x為液位值，y為量化級數(shù) 　　污水提升泵站的液位變化率可以通過計(jì)算獲得，集水井最大進(jìn)水量為 1萬立方/天，4臺(tái)泵工作的最大提升流量為 480立方/小時(shí)，根據(jù)集水井容積，10s內(nèi)的最大液位變化率約為士0.3m?？梢缘玫揭何蛔兓实牧炕P(guān)系： 　　y=6/（b-a）＊[x-（a+b）/2] 1——-2 　　注：[a，b]即液位變化范圍[-0. 3m/10s，0 .3m/10s] 　　X為液位變化值，y為量化級數(shù) 　　1.2 .4模糊控制規(guī)則 　　根據(jù)資料[1][2]和操作人員經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，模糊控制規(guī)則可綜合為以下控制狀態(tài)表： [align=center] 表4 模糊控制狀態(tài)表[/align] 　　Table 4 The state of Fuzzy control 　　根據(jù)控制狀態(tài)表可以采用以下方法計(jì)算得到模糊控制的總模糊關(guān)系矩陣： 　　R=R1 V R2…V Ri… 　　R-總模糊關(guān)系，Ri-每條規(guī)則的模糊關(guān)系 　　每條規(guī)則所代表的模糊關(guān)系，可以用下面方法得到： 　　R1=（NB）E X （NB）EC X （零）U 　　R2=（NB）E X （NM）EC X （零）U 　　┋ 　　將得到的30條規(guī)則各自的模糊關(guān)系進(jìn)行合并運(yùn)算，可以得到總的關(guān)系矩陣。 已知模糊關(guān)系，采用加權(quán)平均法模糊判決，可以計(jì)算得到總的控制表。 　　以上模糊控制可通過PLC編程實(shí)現(xiàn)，將上表內(nèi)容存放在PLC內(nèi)存中，作為控制查詢表來實(shí)現(xiàn)模糊控制規(guī)則。PLC間隔10秒檢測集水井水位，根據(jù)式（1-1）和式（1-2）計(jì)算得到E和EC的量化級數(shù);將級數(shù)轉(zhuǎn)化為控制表位置，查詢得到實(shí)際應(yīng)啟動(dòng)的泵臺(tái)數(shù)。 2.污水提升泵輪值控制 　　在PLC邏輯連鎖控制程序中我們考慮了泵站負(fù)載均勻分配和啟動(dòng)頻率控制。有別于傳統(tǒng)控制方式之處是通過對泵啟動(dòng)次序和運(yùn)行時(shí)間的控制，本程序可以基本保證在泵站長時(shí)間運(yùn)行過程中各泵的負(fù)荷均勻分配。為了便于控制，將4臺(tái)泵按l# -4#的順序依次編號(hào)加以區(qū)分。在PLC中設(shè)立每臺(tái)泵的啟動(dòng)和停止序號(hào)，存放在相應(yīng)的內(nèi)存單元中。 　　我們設(shè)計(jì)的思想是當(dāng)一臺(tái)泵啟動(dòng)時(shí)，其相應(yīng)的本次運(yùn)行時(shí)間開始計(jì)時(shí);當(dāng)它停止時(shí)，本次運(yùn)行時(shí)間計(jì)時(shí)停止，同時(shí)將其加到累計(jì)運(yùn)行時(shí)間上，并按每個(gè)泵的累計(jì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行排序，按排序結(jié)果置相應(yīng)的啟動(dòng)序號(hào)。當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)模糊控制器的輸出判定需要啟動(dòng)泵時(shí)，程序檢測相應(yīng)的啟動(dòng)序號(hào)，按啟動(dòng)序號(hào)啟動(dòng)相應(yīng)的泵，當(dāng)系統(tǒng)根據(jù)模糊控制器的輸出判定需要停止泵時(shí)，程序檢測相應(yīng)的停止序號(hào)，按停止序號(hào)停相應(yīng)的泵。停止序號(hào)的設(shè)定是在啟動(dòng)時(shí)完成的，即啟動(dòng)每一臺(tái)泵時(shí)，按順序設(shè)定其停止序號(hào)，以保證先啟的泵先停，后啟的泵后停，避免一臺(tái)或數(shù)臺(tái)泵長期工作，其他泵閑置的情況。由于系統(tǒng)在泵啟、?？刂茣r(shí)不再針對某一臺(tái)固定的泵操作，而是不斷檢測泵己啟動(dòng)的臺(tái)數(shù)和模糊控制器輸出比較以確定系統(tǒng)應(yīng)執(zhí)行啟泵或停泵操作;因此，當(dāng)出現(xiàn)某一臺(tái)泵故障時(shí)，自動(dòng)控制程序會(huì)跳過該泵而正常運(yùn)行，從而增強(qiáng)了自動(dòng)程序的故障處理能力。 　　當(dāng)泵房水位不發(fā)生明顯變化時(shí)，某臺(tái)泵會(huì)出現(xiàn)長期工作的情況，為此對單臺(tái)泵的工作時(shí)間要進(jìn)行限制，程序通過監(jiān)視泵工作時(shí)間，對工作時(shí)間超過設(shè)定值的泵進(jìn)行強(qiáng)制切換。通過以上方法，基本可以保證每臺(tái)泵工作負(fù)荷均勻分配。泵站控制的另一關(guān)鍵問題是泵的啟動(dòng)頻率問題，頻繁啟動(dòng)會(huì)造成電氣和機(jī)械設(shè)備的沖擊，影響設(shè)備壽命。因此，在程序中需要對泵的啟動(dòng)周期進(jìn)行限制。污水提升泵輪值控制邏輯框圖見圖3。 [align=center] 圖3 控制程序流程圖[/align] 3 結(jié)論 　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是將模糊控制這一新的控制策略引入到污水處理系統(tǒng)中來，針對提升泵房部分，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了污水處理自適應(yīng)模糊控制和輪值控制系統(tǒng)，有效地克服了污水處理的非線性和強(qiáng)時(shí)滯，具有較好的穩(wěn)定性和魯棒性，控制速度快，超調(diào)量小，運(yùn)行結(jié)果良好，節(jié)能效果明顯。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 張悅.淺談城市污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,1998,13（1）: 22-23 　　[2] 章衛(wèi)國.楊向忠著.模糊控制理論與應(yīng)用[M] 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999.10 59-79 　　[3]吳振綱，陳虎.PLC的人機(jī)接口與編程[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，8-1：21-23