王樹東 高學(xué)洪 宋國輝 周盛成

(蘭州理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050;甘肅省工業(yè)過程先進(jìn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

酸堿中和過程存在嚴(yán)重的非線性，而且容易受到溫度、工作地點(diǎn)和化學(xué)成分的影響，是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)過程。由于該中和過程具有時(shí)間延遲、非線性和非參數(shù)模型等特點(diǎn)，使得采用常規(guī)的PlD控制對(duì)pH值進(jìn)行精確控制難以取得很好的控制效果，成為工業(yè)自動(dòng)化中較薄弱的環(huán)節(jié)之一，為此pH值被公認(rèn)為最難的控制變量之一［1，2］。

針對(duì)某污水處理廠酸堿中和過程所存在時(shí)間延遲、非線性和非參數(shù)模型等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)并采用一種分層優(yōu)化的非線性預(yù)測(cè)控制算法，通過遞階算法將非線性優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為線性優(yōu)化與協(xié)調(diào)兩級(jí)來計(jì)算。

1 污水處理工藝

污水處理是將污水經(jīng)過污水處理廠處理后達(dá)到再次使用的水質(zhì)要求。某污水處理廠的污水處理工藝流程如圖1所示。

該污水處理廠采用瑞士ABB公司的AC500系列PLC和上位監(jiān)控軟件組態(tài)王6.53對(duì)整個(gè)污水處理控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)控。該污水處理廠共設(shè)有三個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站，分別設(shè)置了粗格柵及污水提升泵房控制室、變配電室、污泥濃縮脫水機(jī)房控制室。

圖1 污水處理工藝流程

PLC1現(xiàn)場(chǎng)控制站主要控制粗格柵和提升泵房，城市污水進(jìn)入粗格柵間將去除污水中的大雜質(zhì)，并通過提升泵房將污水抽到細(xì)格柵。

PLC2現(xiàn)場(chǎng)控制站主要控制廠區(qū)廢水提升泵房、細(xì)格柵間、沉砂池、一號(hào)CASS池、二號(hào)CASS池、鼓風(fēng)機(jī)房、接觸池和加氯間，污水進(jìn)入細(xì)格柵間將去除污水中的小雜質(zhì)，其次進(jìn)入沉砂池除砂，再次進(jìn)入CASS池進(jìn)行生化處理，鼓風(fēng)機(jī)房通過管道給CASS池曝氣，加氯間也通過管道給CASS池通氯氣，最后進(jìn)入接觸池，從接觸池流出的清水可以灌溉田地和綠化。在CASS工段中，運(yùn)用預(yù)測(cè)控制算法對(duì)pH值進(jìn)行有效的控制，使得從CASS池流入接觸池的水的pH在6～8之間。

PLC3現(xiàn)場(chǎng)控制站主要控制貯泥曝氣池和脫水機(jī)房，將貯泥曝氣池中的泥抽到脫水機(jī)房中，然后采用機(jī)械濃縮脫水處理工藝將泥做成泥餅并外運(yùn)衛(wèi)生填埋。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該污水處理廠共設(shè)有三個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站和一個(gè)中心監(jiān)控室。這三個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站采用的都是瑞士ABB公司的AC500系列的可編程控制器，PLC控制柜的前面板上的觸摸屏是威綸通的觸摸屏，中心監(jiān)控室采用的是臺(tái)灣研華的工控機(jī)。

根據(jù)該污水處理廠控制系統(tǒng)要求進(jìn)行硬件配置，設(shè)置了3個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站，需要控制與檢測(cè)的變量點(diǎn)數(shù)有:183個(gè)數(shù)字量輸入(DI)、69個(gè)數(shù)字量輸出(DO)、18個(gè)模擬量輸入(AI)、5個(gè)模擬量輸出(AO)。為了方便以后的點(diǎn)數(shù)增加，以上點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)留取了15%的裕量。系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件配置

同時(shí)，該污水處理廠的中心監(jiān)控室和三個(gè)PLC現(xiàn)場(chǎng)控制站通過工業(yè)以太網(wǎng)聯(lián)接，數(shù)據(jù)可以在上位工控機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)PLC控制站之間相互傳送;PLC與威綸通觸摸屏通過RS232通訊線聯(lián)接，數(shù)據(jù)同樣可以在PLC與觸摸屏之間相互傳送。該污水處理廠的整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)控制策略

由于pH控制過程是一個(gè)非線性控制過程，它存在時(shí)間延遲、非線性和非參數(shù)模型等缺點(diǎn)，所以要找到一種統(tǒng)一的非線性預(yù)測(cè)控制方法是很困難的。如果控制對(duì)象只存在弱非線性時(shí)，可以采用線性預(yù)測(cè)控制算法來控制;但如果控制對(duì)象存在強(qiáng)非線性時(shí)，線性模型的輸出預(yù)測(cè)與實(shí)際的輸出偏離很大，控制效果不佳，所以應(yīng)當(dāng)采用非線性模型對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化［3］。由于控制對(duì)象pH值具有非線性特征，其預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)圖如圖4所示［4］。

圖4 預(yù)測(cè)控制結(jié)構(gòu)圖

分層遞階優(yōu)化控制算法的3個(gè)主要公式為［5］

其中 j=1，…，p-1

于是，基于非線性系統(tǒng)分層優(yōu)化策略的預(yù)測(cè)控制算法的流程圖如圖5所示。

圖5 分層優(yōu)化算法的流程圖

為了使pH值的控制問題簡單化，假設(shè)該污水處理廠所采用的中和溶液是完全均勻的強(qiáng)酸(鹽酸溶液)強(qiáng)堿(氫氧化鈉溶液)型溶液，且溶液在CASS池中發(fā)生中和反應(yīng)時(shí)沒有混合延時(shí)。假設(shè)F(t)是鹽酸溶液的流量(L/min)，u(t)是氫氧化鈉溶液的流量(L/min)，a是鹽酸溶液的濃度(mol/L)，b是氫氧化鈉溶液的濃度(mol/L)，V是反應(yīng)器的容積(L)，w是系統(tǒng)噪聲信號(hào)(mol/L)，T是采樣間隔時(shí)間(s)。選用的被控對(duì)象pH值的數(shù)學(xué)模型為通用化模型［6］

將被控對(duì)象pH近似離散化可得到如下公式

根據(jù)公式(6)可解得

4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

某污水處理廠的上位監(jiān)控機(jī)采用的是臺(tái)灣研華的工控機(jī)，組態(tài)軟件采用的是組態(tài)王6.53版本。組態(tài)王6.53具有開放性好、適應(yīng)性強(qiáng)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。該污水處理廠的整個(gè)控制系統(tǒng)可以劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層這三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。監(jiān)控層的作用是對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。

監(jiān)控層在整個(gè)控制系統(tǒng)中起著上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。由于畫面、數(shù)據(jù)、動(dòng)畫是上位監(jiān)控系統(tǒng)中最主要的三個(gè)方面，并通過對(duì)該監(jiān)控層系統(tǒng)控制要求和擬要實(shí)現(xiàn)功能的分析，該項(xiàng)目采用組態(tài)王6.53對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠充分借用Windows的圖形編輯功能，能夠以動(dòng)畫方式顯示各種控制設(shè)備(提升泵、曝氣機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)等)的狀態(tài)，它還有報(bào)警窗口、實(shí)時(shí)曲線窗口、歷史曲線窗口等，可以方便的生成各種數(shù)據(jù)報(bào)表。同時(shí)，它還有豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口和數(shù)據(jù)鏈接功能。

因此提出了一種基于分層優(yōu)化策略的非線性系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制算法，并將它運(yùn)用到某污水處理廠CASS池工段pH值的控制中，得到的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果如圖6所示。

圖6 運(yùn)行數(shù)據(jù)表格

5 結(jié)束語

針對(duì)CASS池工段中pH值具有非線性特征這一難題，運(yùn)用分層優(yōu)化的非線性系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制算法，運(yùn)用大系統(tǒng)理論中遞階算法求解非線性最優(yōu)控制的思想，通過遞階算法把非線性問題轉(zhuǎn)化為線性問題與協(xié)調(diào)兩級(jí)來計(jì)算，避免了直接求解非線性問題的困難。自污水處理廠投入運(yùn)行以來，運(yùn)行狀況穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了污水處理自動(dòng)化，提高了pH值的控制精度，確保了污水排放的達(dá)標(biāo)。這說明所采用的預(yù)測(cè)控制算法是切實(shí)可行的，其控制效果令人滿意，能夠滿足實(shí)時(shí)控制的需要。

［1］商建東，陳康寧.專家智能pH控制器及其應(yīng)用［J］.化工自動(dòng)化及儀表，1998，25(3):46-48.

［2］邵惠鶴.工業(yè)過程高級(jí)控制［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，1997:23l-233.

［3］杜曉寧，席裕庚，李少遠(yuǎn).復(fù)雜系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制研究［J］.電氣自動(dòng)化，2000，22(5):4-10.

［4］諸靜，等.智能預(yù)測(cè)控制及其應(yīng)用［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，2002.

［5］席裕庚.預(yù)測(cè)控制［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1993.

［6］Goodwith G C，Sin K S.Adaptive filtering prediction and control［M］.Englewood C1iffs:Prentice-hall Inc，1984.