智能化污水處理工藝集成應(yīng)用研究與實(shí)驗(yàn)

秦建軍 郝曉地 楊建偉

（北京建筑工程學(xué)院，北京 100044）

前言

污水處理工藝方法眾多，通常需要若干個(gè)相互耦合的處理環(huán)節(jié)按照恰當(dāng)?shù)膮?shù)運(yùn)行才能達(dá)到理想的處理效果。在具體的工藝執(zhí)行過(guò)程中，處理效果會(huì)受到污水水質(zhì)狀況和流量的影響，因此需要更具水質(zhì)和流量等情況適時(shí)調(diào)整工藝運(yùn)行參數(shù)，這就需要準(zhǔn)確獲取水質(zhì)和流量參數(shù)等指標(biāo)。在理想情況下對(duì)于各項(xiàng)污水水質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定雖然可以依靠于各種監(jiān)測(cè)儀器和手段實(shí)現(xiàn)，但是由于檢測(cè)儀器測(cè)定原理和采集周期各不相同，且對(duì)于同一個(gè)處理池不同的位置而言其水質(zhì)參數(shù)仍然相差較大，很難全面地實(shí)時(shí)得到更多水質(zhì)信息，這就使準(zhǔn)確地指導(dǎo)污水處理工藝的執(zhí)行變得困難。自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)和控制設(shè)備已經(jīng)在不少污水處理廠實(shí)際運(yùn)行中使用，如可以利用PLC組成的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)污水處理工藝進(jìn)行全方位的監(jiān)控，并且可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制總線將分布在多個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集并且通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)出控制指令，但是這兩個(gè)環(huán)節(jié)往往是分離的，污水處理工藝的執(zhí)行實(shí)際在很大程度上還是依賴于操作員工的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際采集的數(shù)據(jù)并不能夠及時(shí)精確地反映到工藝調(diào)整中去，這樣可以避免系統(tǒng)出現(xiàn)較大偏差，但是存在的問(wèn)題是精度不高，且過(guò)多地依賴于現(xiàn)場(chǎng)操作員的經(jīng)驗(yàn)。

受此啟發(fā)，在此基礎(chǔ)上分別提出了將人類工程師和專家的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)整理，通過(guò)專家系統(tǒng)方法，如模糊系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等指導(dǎo)工藝的調(diào)整與執(zhí)行，這樣可以在一定程度上避免現(xiàn)場(chǎng)操作員的經(jīng)驗(yàn)不足問(wèn)題，但是對(duì)于不同的工藝和實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)條件則需要設(shè)計(jì)專門的專家系統(tǒng)方案，這本身就限制了這種方法的大規(guī)模應(yīng)用推廣。同時(shí)，比較精確的數(shù)學(xué)模擬技術(shù)也得到了長(zhǎng)足發(fā)展，理論上對(duì)于特定的污水處理工藝來(lái)說(shuō)，在某一水質(zhì)狀況下較優(yōu)的工藝運(yùn)行參數(shù)可以通過(guò)數(shù)學(xué)模擬得到，但是原始數(shù)據(jù)的全面性、準(zhǔn)確性和可靠性是數(shù)學(xué)模擬結(jié)果是否可靠的直接依據(jù)，如果其中的某些數(shù)據(jù)出現(xiàn)遺漏或者偏移實(shí)際值較大則會(huì)導(dǎo)致工藝模擬參數(shù)出現(xiàn)更大的偏差，使得工藝運(yùn)行狀況惡化。

2.系統(tǒng)集成與應(yīng)用簡(jiǎn)介

針對(duì)以上幾種系統(tǒng)和方法的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)將其做了有效的整合和優(yōu)化，根據(jù)以上介紹的內(nèi)容，現(xiàn)將系統(tǒng)的總體集成與應(yīng)用的情況總體介紹如下，本系統(tǒng)可以有效地克服了現(xiàn)有污水處理工藝數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和人工操作相分離、面向不同污水處理工藝的專家系統(tǒng)構(gòu)建難度較大、數(shù)學(xué)軟件的模擬結(jié)果不能直接利用自動(dòng)地獲取的數(shù)據(jù)用來(lái)指揮工藝運(yùn)行等問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型的監(jiān)控方法，該將現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)和人工操作員的手工采集相結(jié)合；數(shù)學(xué)模擬軟件和計(jì)算機(jī)工藝組態(tài)軟件、管理信息系統(tǒng)，充分利用了人工操作員的經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)和控制工作的連續(xù)性，形成一套更加可靠的人-機(jī)結(jié)合的監(jiān)督控制方法。

系統(tǒng)一個(gè)周期的工藝運(yùn)行流程圖，亦即該工藝具體的運(yùn)行步驟，如圖1所示：

（1）、初始階段，污水處理工藝按特定周期運(yùn)行（如每小時(shí)更新一次），在兩個(gè)周期間，工藝流程為準(zhǔn)備階段，接下來(lái)PLC系統(tǒng)一方面通過(guò)第一數(shù)據(jù)采集接口自動(dòng)測(cè)定進(jìn)水水質(zhì)/水量；另一方面通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作員人工觀察/測(cè)定數(shù)據(jù)，如現(xiàn)場(chǎng)操作員需要定期對(duì)泵進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)，部分水質(zhì)參數(shù)尚需要現(xiàn)場(chǎng)操作員的手動(dòng)錄入，現(xiàn)場(chǎng)操作員可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)操作終端上的人機(jī)界面現(xiàn)場(chǎng)手工輸入數(shù)據(jù)，如本系統(tǒng)中對(duì)厭氧污泥濃度和曝氣池的閥門值尚沒(méi)有采用監(jiān)控手段，這兩組數(shù)據(jù)就是由人工手動(dòng)輸入。管理信息系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行合并篩選，同時(shí)將篩選后的數(shù)據(jù)傳送給WEST數(shù)學(xué)工藝模擬程序接口。

（2）、如果通過(guò)兩部分的數(shù)據(jù)匯總后仍然不完整，則需要重新返回到人工觀察/測(cè)定數(shù)據(jù)階段，需要人工根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況及時(shí)補(bǔ)充；如果人工補(bǔ)充后仍不完整，則暫停自動(dòng)工藝的自動(dòng)調(diào)整，仍然按照上一周期的工藝參數(shù)運(yùn)行，并且引入人工緊急干預(yù)，即需要現(xiàn)場(chǎng)操作員在遠(yuǎn)程指揮的指導(dǎo)下決定工藝是否調(diào)整；如果數(shù)據(jù)完整，則由管理信息系統(tǒng)則繼續(xù)判定數(shù)據(jù)是否可靠，及通過(guò)與歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比，自動(dòng)篩選出極不合理的數(shù)據(jù)信息，這些不合理可能是由于水質(zhì)傳感器的采集誤差或者發(fā)生故障所導(dǎo)致的，如不可靠則由遠(yuǎn)程指揮修正數(shù)據(jù)后返回主程序，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在信息系統(tǒng)中。

（3）、經(jīng)過(guò)確認(rèn)無(wú)誤后的完整、可靠的數(shù)據(jù)將傳送給WEST工藝數(shù)學(xué)模擬軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)的工藝模擬，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)模擬后的工藝執(zhí)行參數(shù)將傳遞給現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)計(jì)算機(jī)，通過(guò)PLC傳送給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行元件執(zhí)行。

該方法可以使工藝的更加準(zhǔn)確地運(yùn)行，通過(guò)采集現(xiàn)場(chǎng)工藝的數(shù)據(jù)和執(zhí)行情況信息，輸入數(shù)學(xué)模擬軟件后得到精確的工藝模擬結(jié)果后指導(dǎo)工藝元件的執(zhí)行，針通過(guò)實(shí)際記錄操作員的操作信息和遠(yuǎn)程指揮計(jì)算機(jī)的指導(dǎo)，可以有效地克服現(xiàn)場(chǎng)操作員經(jīng)驗(yàn)不足的問(wèn)題。系統(tǒng)中如發(fā)現(xiàn)自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)可靠性差或數(shù)據(jù)不足則自動(dòng)切換到人工操作模式，可以有效地避免突發(fā)性事件的發(fā)生。

同時(shí)該方法根據(jù)工藝的需要可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)更多的污水處理池、執(zhí)行元件和檢測(cè)元件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送自動(dòng)操作指令；現(xiàn)場(chǎng)操作終端可以是一個(gè)或者多個(gè)，且可以由不同的現(xiàn)場(chǎng)操作員執(zhí)行完成。

3 系統(tǒng)運(yùn)行

首先，需要對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行初始檢查，如圖2所示，現(xiàn)場(chǎng)操作人員對(duì)泵的流量設(shè)定進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員設(shè)定擬收集的流量大小，如1升，然后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出一個(gè)默認(rèn)流量值（可能會(huì)大于或小于一升），然后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示輸入實(shí)際測(cè)定的流量值，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)根據(jù)輸入值進(jìn)行調(diào)整得到流量和轉(zhuǎn)速的實(shí)際對(duì)應(yīng)關(guān)系。

實(shí)時(shí)的水質(zhì)信息通過(guò)PLC系統(tǒng)傳送至上位工控機(jī)上的組態(tài)軟件，通過(guò)組態(tài)軟件可以實(shí)時(shí)顯示工藝的運(yùn)行信息，如圖3所示，通過(guò)組態(tài)軟件可以對(duì)采集的水質(zhì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)歸檔工作，歸檔文件如圖4所示，

接口管理軟件可以完成歸檔數(shù)據(jù)的路徑設(shè)置，如圖5所所示，wincc輸出是每秒把數(shù)據(jù)匯總到d:winccccToHelper.txt這個(gè)文件里，圖中總數(shù)據(jù)文件是把上邊一秒鐘歸檔的數(shù)據(jù)在設(shè)置的時(shí)間里取出平均值，并將歸檔數(shù)據(jù)清除一次，然后創(chuàng)建一個(gè)新的歸檔文件，初始設(shè)置是半小時(shí)匯總一次。同時(shí)接口軟件設(shè)置水質(zhì)參數(shù)實(shí)時(shí)傳送給WEST軟件的路徑，如圖6所示，系統(tǒng)將自動(dòng)將數(shù)據(jù)傳送至WEST軟件進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，數(shù)學(xué)模擬的最佳工藝運(yùn)行結(jié)果將輸出形成控制參數(shù)文件。

數(shù)據(jù)文件輸出后，需要手動(dòng)設(shè)置數(shù)據(jù)輸出的路徑，WEST導(dǎo)入數(shù)據(jù)路徑，人工設(shè)定污泥濃度、曝氣池最大閥門值、自動(dòng)匯總數(shù)據(jù)間隔等信息，如圖6所示。

接下來(lái)系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，WEST軟件根據(jù)進(jìn)水水質(zhì)及流量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行模擬，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的各項(xiàng)參數(shù)，模擬得到最佳的運(yùn)行工藝參數(shù)，并得到最佳的工藝模擬結(jié)果，如圖7。模擬結(jié)果數(shù)據(jù)通過(guò)接口輸出WinCC軟件，工藝按照新的模擬結(jié)果運(yùn)行，設(shè)定及調(diào)整水泵的流量，如圖8所示。

接下來(lái)的工藝運(yùn)行周期一般不需要人為干預(yù)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)會(huì)出現(xiàn)報(bào)警信息，提醒現(xiàn)場(chǎng)操作員進(jìn)行干預(yù)，如圖9所示。

圖6 設(shè)置將數(shù)據(jù)傳送至WEST軟件的路徑

結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)雖然是針對(duì)BCFS處理工藝的數(shù)字化智能化控制而開(kāi)發(fā)，但是總體思路、硬件設(shè)計(jì)、軟件開(kāi)發(fā)可以完全移植到其他污水處理工藝的智能化控制系統(tǒng)中去。目前，本項(xiàng)目組正在此項(xiàng)目的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一套能夠有效管理更多污水處理工藝的信息系統(tǒng)平臺(tái)，并且能夠通過(guò)監(jiān)控中心對(duì)更多的工藝的運(yùn)行進(jìn)行有效管理。

[1]蔡自興.智能控制[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2]郝曉地.可持續(xù)污水-廢物處理技術(shù)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.