工程硕士论文：污水处理自动化控制系统的设计分析

摘 要

　　
　　水环境污染问题逐渐成为我国社会经济发展过程当中的突出问题，对人们生产、生活产生的污水进行科学化处理就成为了当前社会发展当中非常急迫的一项工作。近年来，国际社会都非常重视水污染问题，在污水处理、污水处理自动化控制方面进行了各方面的研究和实践，也构建了较为完善的污水处理系统。就国内而言，我国各级政府也提高了污水处理的重要性认识，不但加强了在保护水环境和污水处理方面的宣传，还进一步进行了污水处理厂和污水处理自动化控制方面的发展建设。随着国内越来越重视环保问题和污水处理问题，国内在污水处理技术研发应用、污水处理项目建设等方面都加大了力度，有效推动了污水处理的发展，提高了污水处理技术水平和实际应用效果。本文开展关于污水处理技术和自动化控制系统设计方面的研究对于我国污水处理技术升级和污水处理效率提升等方面均由非常重要的作用和意义。而且，本文在智能控制策略的基础之上，进行污水处理自动化控制系统的分析和设计工作，不仅能够有效提升污水处理的效率和水平，还能够保障污水处理的质量，优化整个污水处理的过程。
　　
　　本文按照现有污水处理工艺流程，结合污水处理控制系统设计方法对污水处理自动化控制系统进行开发设计。本污水处理自动化控制系统主要选择工控机作为整个控制系统的上位机，通过PROFIBUS网络实现控制系统上位机和下位机之间的连接。对于污水处理自动化控制系统上位机而言，主要结合MCGS组态软件进行控制系统的组态设计，实现上位机监视系统的设计。对于下位机而言，结合Step7软件进行污水处理自动化控制系统各控制功能的软件程序设计。在本污水处理自动化控制系统当中，主要采用的是模糊PID控制实现对溶解氧的模糊控制，不仅能够提高污水处理的效果，还能够降低污水处理的能耗。本文结合MATLAB仿真系统，通过直接调用隶属度函数的方式，实现PID参数、溶解氧浓度偏差e、偏差率ec的模糊化处理。在进行污水处理的过程当中，通过鼓风机将空气灌输到生化池当中，从而实现生化池内溶解氧的输送。在溶解氧调节控制方面，主要通过鼓风机转速调节的方式实现，控制灌输到生化池当中的空气。随着鼓风机功率的加大，生化池当中的溶解氧越多。在污水处理控制系统中，通过实际溶解氧的检测，同系统设定参数之间进行对比，并运用模糊控制器进行计算，从而控制变频器对鼓风机功率进行调节控制，完成对溶解氧的模糊控制。
　　
　　关键词：   污水处理；控制系统；模糊PID控制；溶解氧。
　　

　　ABSTRACT

　　
　　Water pollution has gradually become a prominent problem in the process of social and economic development in China. Scientific treatment of sewage produced by people's production and life has become a very urgent work in the current social development. In recent years, the international community has attached great importance to the problem of water pollution, has carried on the research and the practice in the sewage treatment, the sewage treatment automation control aspect, has also constructed the relatively perfect sewage treatment system. At home, our governments at all levels have also raised the awareness of the importance of sewage treatment, not only to strengthen the publicity in protecting the water environment and sewage treatment, but also to further develop and build sewage treatment plants and sewage treatment automation control. With more and more attention to environmental protection and sewage treatment in China, the domestic sewage treatment technology research and application, sewage treatment project construction and other aspects have increased efforts, effectively promote the development of sewage treatment,improve the level of sewage treatment technology and practical application results. In this paper, the research on sewage treatment technology and automatic control system design is very important for the upgrading of sewage treatment technology and the improvement of sewage treatment efficiency in China. Moreover, on the basis of intelligent control strategy, the analysis and design of sewage treatment automation control system can not only effectively improve the efficiency and level of sewage treatment, but also ensure the quality of sewage treatment. Optimize the wholeprocess of sewage treatment.
　　
　　According to the existing sewage treatment process and the design method of sewage treatment control system, this paper develops and designs the sewage treatment automation control system. Automatic control system of sewage treatment mainly selects industrial control computer as the upper computer of the whole control system, and realizes the connection between the upper computer and the lower computer of the control system through the PROFIBUS network. For the upper computer of sewage treatment automation control system, the configuration design of the control system is mainly combined with the MCGS configuration software to realize the design of the upper computer monitoring system. For the lower computer,the software program design of each control function of sewage treatment automation control system is carried out with Step7 software. In the automatic control system of sewage treatment, adaptive fuzzy PID control is mainly used to realize the fuzzy control of dissolved oxygen, which can not only improve the effect of sewagetreatment, but also reduce the energy consumption of sewage treatment. This paper combines the MATLAB simulation system to realize the fuzzy processing of PID parameters, dissolved oxygen concentration deviation e deviation rate by directly calling the membership function. In the process of sewage treatment, the air is instilled into the biochemical tank by blower to realize the transportation of dissolved oxygen in the biochemical tank. In the aspect of dissolved oxygen regulation control,the air instilled into the biochemical tank is controlled mainly by the way of blower speed regulation. With the increase of blower power, the more dissolved oxygen in biochemical tank. In the sewage treatment control system, the actual dissolved oxygen detection is compared with the system setting parameters, and the fuzzy controller is used to calculate, so as to control the frequency converter to adjust and control the blower power. Complete the fuzzy control of dissolved oxygen.
　　
　　Keywords ：    Sewage treatment; Control system; Adaptive fuzzy PID control;Dissolved oxygen (do)。
　　

　　第1章  绪论
 

　　
　　1.1、选题背景及意义。
　　
　　随着经济的高速发展以及我国人口总体规模的不断扩大，水环境污染问题逐渐成为我国社会经济发展过程当中的突出问题。在人们生产、生活等活动中产生的污水、废水，如果直接排入到河流或者湖泊中，其内含的污染物会造成水体的污染，从而给整个自然环境造成重大污染隐患[1]。因而，对人们生产、生活产生的污水进行科学化处理就成为了当前社会发展当中非常急迫的一项工作。近年来，国际社会都非常重视水污染问题，在污水处理、污水处理自动化控制方面进行了各方面的研究和实践，也构建了较为完善的污水处理系统。就国内而言，我国各级政府也提高了污水处理的重要性认识，不但加强了在保护水环境和污水处理方面的宣传，还进一步进行了污水处理厂和污水处理自动化控制方面的发展建设。然而，国内目前的污水处理技术和污水处理自动化控制仍然存在技术落后、效率低下等方面的问题，影响了污水处理的效率[2]。
　　
　　随着国内越来越重视环保问题和污水处理问题，国内在污水处理技术研发应用、污水处理项目建设等方面都加大了力度，有效推动了污水处理的发展，提高了污水处理技术水平和实际应用效果。对于我国而言，不仅加大了污水处理技术的研发投入，还进一步将污水处理项目建设纳入到政府重点建设项目当中，从各个层面制定保障和扶持污水处理技术研发、污水处理项目建设等方面的优惠政策[3]。从这个角度而言，本文开展关于污水处理技术和自动化控制系统设计方面的研究对于我国污水处理技术升级和污水处理效率提升等方面均由非常重要的作用和意义。而且，本文在智能控制策略的基础之上，进行污水处理自动化控制系统的分析和设计工作，不仅能够有效提升污水处理的效率和水平，还能够保障污水处理的质量，优化整个污水处理的过程。
　　
　　因而，需要针对国内在污水处理方面的实际现状和特点、需求，对当前污水处理自动化控制系统进行优化和完善，从而提高污水处理过程的控制水平。针对国内目前在污水处理自动化控制方面主要存在的问题和不足，尤其是在污水处理效果低下、自动化控制程度较低等情况，对于污水处理的整体技术应用和项目建设都具有很大的不利影响。为此，本文重点对当前国内外在污水处理工艺流程以及自动化控制系统建设方面的实际现状展开了深入分析，按照现有污水处理工艺流程以及自动化控制系统开发设计的主要原则，结合污水处理控制系统设计方法对污水处理自动化控制系统进行开发设计。
　　
　　1.2、国内外研究。
　　
　　1.2.1、国外研究现状。
　　
　　欧美发达国家现代化发展较早，上世纪20年代就逐渐出现水污染问题。造成一些严重后果之后，欧美国家逐渐认识到进行污水处理的重要性，开始采用活性污泥法、生物粪池法等生物技术方法进行污水处理[4]。自上个世纪五十年代起，欧美国家社会发展、经济增长逐渐加快，致使欧美国家的污水规模急剧增长，造成大规模的水污染问题，大规模污水处理工作逐渐进行，欧美各国都不同程度开展了关于污水处理技术研发和污水处理自动化建设方面的应用[5]。美国早在20世纪70年代末期就加大了污水处理自动化控制技术的研发以及污水处理自动化控制系统的建设，并在全国18000个污水处理厂当中进行实践应用[6]。在此基础之上，西方发达国家不断加强现有污水处理理论和技术的发展，并积极应用在污水处理的自动化控制体系当中，污水处理的自动化控制也逐渐成为西方社会污水处理研究当中的重要方向。西方发达国家还不断研究、设计、开发出各种污水处理设备和仪器仪表，这些自动化、智能化的污水处理控制设备和仪器仪表有效提升了污水处理的自动化控制水平[7][8]。随着污水处理技术的不断发展实践，在具体的应用过程中，也逐渐同计算机网络技术、自动化控制技术等的融合发展，通过计算机技术、互联网技术实现污水处理的自动化控制，能够有效保障污水处理的工艺效果，也能够获取较为真实的污水处理数据反馈，实现对污水处理全过程的管理控制[9]。具体而言，计算机技术、互联网技术。自动化控制技术在污水处理当中的实际运用能够实现污水处理的智能化管理和精确化控制，使污水处理更为高效环保，提升污水处理的效率和水平。
　　
　　（1）污水处理控制系统研究。
　　
　　西方发达国家中，部分污水处理厂已经在污水处理过程中逐步应用计算机技术、互联网技术等进行污水处理数据的采集、分析，并进行污水处理过程控制，还有一些污水处理厂已经完全实现了污水处理的自动化控制。对于美国而言，部分大中型污水处理厂主要采用的是集散型污水处理自动化控制系统，通过在污水处理厂设置若干个控制站的方式，实现对整个污水处理全流程的自动化控制。在中心控制站当中，设有专门的计算机主机，能够对各个控制站中采集的数据进行收集和汇总，并通过图像、表格等方式进行实时的显示，便于系统管理人员对相关污水处理设备、仪器仪表的实际运行状态、故障情况进行直观的了解和分析。
　　
　　一旦污水处理自动化控制系统存在运行故障，系统管理人员能够第一时间将污水处理系统切换为手动控制模式，从而实现对污水处理系统的维修、调试[10]。Snesoun J、Irizar I、Ostoloza等（2018）[11]认为，目前的污水处理自动化控制系统开发建设和实际的运行过程中存在安全运行情况和监管问题，因此，他们结合计算机网络及时对污水处理自动化控制系统进行了优化设计，通过上位机平台对污水处理全过程进行远程控制，实现自动化、智能化控制。他们结合应用程序接口技术构建软件数据交互平台，从而建立了一个污水处理厂网络管理控制一体化的信息通讯架构，实现了污水处理厂一体化管理控制平台。通过这个污水处理厂一体化管理控制平台，能够实现污水处理数据信息的可视化操作，保障污水处理的稳定性、安全性，提升污水处理的效率和水平。
　　
　　（2）污水处理智能控制研究。
　　
　　在污水处理的自动化控制策略研究方面，国外很多的学者重点对污水处理的稳定性和控制效率进行了深入研究。早期发展实践当中，国外通过开关控制方式实现对污水处理的控制，并结合污水处理控制策略的研究提升污水处理控制的稳定性。开关控制式的污水处理能够实现较为简单的污水处理控制结构，在污水处理控制实践中有着较为广泛的应用，但是，开关控制式污水处理相应的耗能比较大，污水处理控制的精度较为低下[12]。
　　
　　Tsai等（2014）[13]为有效地减少废水当中的化学需氧量以及生化需氧量的浓度，主要采用了污水污泥浊度控制的方式进行。他们在模糊控制模型的基础之上，对污水污泥浊度、污泥流量等方面的模糊关系进行了构建，结合污水污泥浊度模糊控制模型，对污泥回流率按照污水出入口的流量等进行计算，从而得出污水处理当中的污泥回流模糊控制算法。在此基础之上，通过污泥回流模糊控制算法实现对污水处理进水流量以及污泥回流情况的模糊控制，最大程度提升污水处理的效果。
　　
　　Manesis等（2018）[14]指出，在污水处理系统的生化反应环节，污水在溶解氧浓度以及进口生化需氧量、出口生化需氧量等方面都存在差异，针对这种情况，他们结合溶解氧浓度、氨及硝酸盐浓度以及出入口污水温度等指标构建了模糊控制模型。通过模糊控制模型，能够对好氧池当中的空气流量以及污泥回流量等指标进行有效的控制。
　　
　　Nam等人（2016）[15]专门进行了污水处理自动化控制系统的开发和设计，结合溶解氧浓度模糊控制系统和曝气补偿模糊控制系统，实现对污水处理的模糊控制，实现了较为良好的控制效果，不仅能够降低50%以上的化学需氧量，还能够减少大约47%的曝气控制成本。
　　
　　Ferrer等人（2015）[16]重点分析了污水处理系统中曝气过程的控制，在构建模糊控制系统的过程中，将溶解氧浓度实际值、目标值之间的误差、误差变化率等指标作为输入指标，将空气流量变化情况作为输出指标，进行污水处理曝气补偿的模糊控制。实践结果显示，曝气过程模糊控制能够降低40%以上的能源消耗。
　　　　
　　1.2.2、国内研究现状
　　1.2.3、研究述评.
　　1.3、主要的研究内.
　　
　　第2章  污水处理工艺流程及控制系统方案
　　
　　2.1、污水处理主要工艺流程
　　2.1.1、提升泵房
　　2.1.2、沉砂池
　　2.1.3、调节池
　　2.1.4、酸化池
　　2.1.5、 缺氧池、好氧池
　　2.1.6、MBR池.
　　2.1.7、反应沉淀池.
　　2.1.8、深度处理系统
　　2.1.9、V型滤池.
　　2.2、研究方案
　　2.2.1、污水处理自动化控制系统整体结构.
　　2. 2.2、控制方案
　　2.2.3、仪器仪表系统及选型
　　
　　第3章  污水处理自动化控制系统设计.
　　
　　3.1、污水处理自动化控制系统功能分析.
　　3.1.1、控制系统性能要求
　　3.1.2、控制系统主要功能
　　3.2、污水处理系统PLC控制设计.
　　3.2.1、PLC的型号选择
　　3.2.2、软件程序设计.
　　
　　第4章  污水处理自动化控制系统模糊PID控制设计
　　
　　4.1、模糊PID控制系统
　　4.1.1、污水处理主要控制策略.
　　4.1.2、模糊PID控制的基本原理分.析
　　4.1.3、模糊PID控制器主要原理和控制流程分析
　　4.2、控制对象分析.
　　4.3、模糊PID控制器设计.
　　4.3.1、模糊控制方案
　　4.3.2、模糊化处理
　　4.3.3、量化因子和比例因子的确定
　　4.3.4、模糊控制规则
　　4.3.5、模糊控制的实现
　　4.3.6、解模糊化处理.
　　4.4、污水处理自动化控制系统仿真分析.
　　
　　第5章  污水处理自动化控制系统监控系统设
　　
　　5.1、监控软件.
　　5.2、组态设计
　　5.2.1、控制系统数据库的建立
　　5.2.2、建立污水处理控制系统报警机制.
　　5.3、污水处理控制系统组态系统测试分析
　　5.3.1、污水处理控制系统运行测试分析.
　　5.3.2、污水处理控制系统调试分析.

第6章  结 论

　　本污水处理自动化控制系统主要选择工控机作为整个控制系统的上位机，通过PROFIBUS网络实现控制系统上位机和下位机之间的连接。主要采用模糊PID控制实现对溶解氧的模糊控制，不仅能够提高污水处理的效果，还能够降低污水处理的能耗。在进行污水处理的过程当中，通过鼓风机将空气灌输到生化池当中，从而实现生化池内溶解氧的输送。在溶解氧调节控制方面，主要通过鼓风机转速调节的方式实现，控制灌输到生化池当中的空气。随着鼓风机功率的加大，生化池当中的溶解氧越多。在污水处理控制系统中，通过实际溶解氧的检测，同系统设定参数之间进行对比，并结合模糊PID控制器进行模糊推理、模糊分析和模糊运算，得出变频器的控制精确量，通过调节鼓风机功率的方式稳定溶解氧浓度，使其保持在控制系统设定的范围之内，保障污水处理自动化控制系统的污水处理效果。

　　在本文关于污水处理自动化控制系统的研究和设计工作中，主要进行了三个方面的研究工作：

　　（1）分析污水处理自动化控制系统的控制对象，对模糊PID控制器进行设计，在对污水处理自动化控制系统实际操作经验以及相关技术理论分析总结的基础上，深入分析溶解氧DO同曝气量等指标之间的相互关系，从而构建模糊控制规则。根据污水处理自动化控制当中的实际操作情况，按照不同操作特点和需要，归纳总结不同的模糊控制策略，并结合Simulink仿真工具进行污水处理自动化控制系统的仿真分析。

　　（2）进行污水处理自动化控制系统软硬件的开发和设计。在污水处理自动化控制系统当中，污水处理自动化控制系统中的硬件构成包含了上位机、PLC、变频器、水泵、溶解氧检测仪、鼓风机等相关设备，将PLC作为污水处理控制的主要器件，利用溶解氧检测仪实时检测生化池中溶解氧的实际值，结合模糊PID控制器进行模糊推理、模糊分析和模糊运算，得出变频器的控制精确量，通过调节鼓风机功率的方式稳定溶解氧浓度，使其保持在控制系统设定的范围之内，保障污水处理自动化控制系统的污水处理效果。

　　（3）按照现有污水处理工艺流程，结合污水处理控制系统设计方法对污水处理自动化控制系统进行开发设计。本污水处理自动化控制系统主要选择工控机作为整个控制系统的上位机，通过PROFIBUS网络实现控制系统上位机和下位机之间的连接。对于污水处理自动化控制系统上位机而言，通过MCGS组态软件进行控制系统的组态设计，实现上位机监视系统的设计。对于下位机而言，结合Step7软件进行污水处理自动化控制系统各控制功能的软件程序设计。