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        智能化污水處理工藝集成應(yīng)用研究與實(shí)驗(yàn)

        2012-11-17 05:27:04秦建軍郝曉地楊建偉
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2012年9期
        關(guān)鍵詞:操作員污水處理水質(zhì)

        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)的測定雖然可以依靠于各種監(jiān)測儀器和手段實(shí)現(xiàn),但是由于檢測儀器測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,并且可以通過現(xiàn)場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,但是存在的問題是精度不高,且過多地依賴于現(xiàn)場操作員的經(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)場操作員的經(jīng)驗(yàn)不足問題,但是對(duì)于不同的工藝和實(shí)際的現(xiàn)場條件則需要設(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)也得到了長足發(fā)展,理論上對(duì)于特定的污水處理工藝來說,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)用來指揮工藝運(yùn)行等問題,設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型的監(jiān)控方法,該將現(xiàn)場自動(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PLC系統(tǒng)一方面通過第一數(shù)據(jù)采集接口自動(dòng)測定進(jìn)水水質(zhì)/水量;另一方面通過現(xiàn)場操作員人工觀察/測定數(shù)據(jù),如現(xiàn)場操作員需要定期對(duì)泵進(jìn)行手動(dòng)校準(zhǔn),部分水質(zhì)參數(shù)尚需要現(xiàn)場操作員的手動(dòng)錄入,現(xiàn)場操作員可以通過現(xiàn)場操作終端上的人機(jī)界面現(xiàn)場手工輸入數(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/測定數(shù)據(jù)階段,需要人工根據(jù)現(xiàn)場情況及時(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)過確認(rèn)無誤后的完整、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)過數(shù)學(xué)模擬后的工藝執(zhí)行參數(shù)將傳遞給現(xiàn)場工業(yè)計(jì)算機(jī),通過PLC傳送給現(xiàn)場執(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,通過采集現(xiàn)場工藝的數(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)場操作員經(jīng)驗(yàn)不足的問題。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)場更多的污水處理池、執(zhí)行元件和檢測元件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、發(fā)送自動(dòng)操作指令;現(xiàn)場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PLC系統(tǒng)傳送至上位工控機(jī)上的組態(tài)軟件,通過組態(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

        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發(fā),但是總體思路、硬件設(shè)計(jì)、軟件開發(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:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

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