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摘要：作为污水处理中的一个重要环节，生物处理的脱氮除磷效果尤其关键，由于进水水质、气候温度、曝气条件的变化，生物处理具有非线性、多变量、滞后性等诸多控制难题，因此自动化控制难度较大。为保证该系统合理、经济的运行，提高鼓风机的自动控制水平势在必行，同时引入时序控制，减少调节阀门的动作频率，提高阀门使用寿命。本文针对生化池曝气系统进行了分析。
关键词：鼓风机自动控制；溶解氧PID控制；节能降耗；风量；风压
引言
根据住建部相关公告，截至2014年3月底，我国城镇污水处理厂规模已经达到3622座，总污水处理规模约1.53亿m3/日。大批污水厂建成，表明我国在水环境污染设置方面取得了骄人成绩。在取得成绩的同时也产生了一些新的问题。由于污水处理厂有大量用电设备，所以其能耗比较大。
1.污水处理厂相关能耗分析
污水处理厂要维持正常运行，需要消耗电力、汽油、柴油以及一部分水，对于某些特定的厂还需消耗热力与天然气来维持运营。电能消耗。污水处理厂工艺设备均需要电力驱动，故电能消耗是污水处理厂运营的主要成本。
2.曝气系统控制原理
曝气控制系统采用溶解氧浓度与曝气流量串级控制方案，在DO主控制环的基础上引入一个曝气流量副控制环，通过主、副控制回路的配合达到控制效果。PID1是溶解氧浓度调节器，PI2是曝气流量调节器。控制原理如下：控制器将系统主风管中的压力保持恒定，并通过调节各曝气池的空气控制阀门来调节池中溶氧量。主风道中的压力传感器将测定的压力信号直接传输给风机MCP主控制器，该信号便与预先的设定值进行比较，来控制鼓风机的流量输出以保证压力恒定。同时，曝气池中的溶氧量通过微处理器，根据DO仪实际测量的结果来调节空气控制阀门以达到控制曝气池内曝气量的目的。
3.系统改造方案
结合污水处理生化池曝气控制系统现状和控制系统需求，从优化通信方式、调节阀&DO联动、鼓风机的自动控制和上位机软件开发四个方面的改造，完善生物池曝气控制系统。
3.1优化通信方式
（1）改造前MPI通信方式鼓风机房设3套LCP控制柜，1套MCP控制柜，采用西门子PLC313C和OP2776in触摸屏各4套，全部采用MPI通信。利用MPI通信是一种对通信速率要求不高，通信数据量不大的通信方式，适用于小范围、少数站点间通信的网络。在风机运行过程中，工作人员发现MCP柜的数据传输时断时续，检查线路发现3套LCP柜的DP电缆并联进入MCP柜，造成通信不稳定。
（2）改造后以太网通信方式此次改造将MPI通信改为以太网通信，以太网通信抗干扰能力强、传输速率高。MCP与LCP之间使用西门子PLCprofinet通信协议进行通信，在MCP柜内安装一台以太网交换机，三台LCP柜以及MCP柜网线接入交换机，再通过交换机接入附近的PLC主站，PLC主站通过以太网与上位机进行通信。利用STEP7软件对PLC主站进行编程和组态，分别为三台LCP柜和MCP柜分配IP地址，实现MCP到LCP之间的profinet通信连接。
中控室上位机安装西门子Wincc软件，Wincc软件为操作者提供了图文并茂、形象直观的操作环境。在Wincc界面下对各个LCP以及MCP分别进行组态、编程和数据管理，形成所需的操作画面、监视、控制和报警画面，即使MCP出现故障也不影响上位机与各个风机之间的通信控制。
3.2调节阀&DO联动
生物池曝气系统有4套意大利BIFFI品牌的电动蝶阀，同时对应了4块溶解氧测量仪，改造前只能人工调节电动蝶阀的开启度，来达到要求的溶解氧值。改造后电动蝶阀实现远控自动调节运行、控制程序。DO反映了生物池实时溶解氧水平，若某一曝气池溶解氧高于设定值则延时某一时间后关小相应调节阀，若溶解氧低于设定值则延时某一时间增大相应调节阀。PLC控制风机转速时需要与风机主管风压进行对比计算。为了保证主管风压相对稳定，此次改造在控制程序中设定4台调节阀不可同时动作，也不能过于频繁动作。调节阀输出顺序算法如下：1#调节阀间隔时间=初始时间（20s）；2#调节阀间隔时间=1#调节阀间隔时间+间隔时间；3#调节阀间隔时间=2#调节阀间隔时间+间隔时间；4#调节阀间隔时间=3#调节阀间隔时间+间隔时间；间隔时间=间隔时间分钟设定值×60/调节阀个数。溶解氧的设定范围、调节阀的开度在上位机中可以修改，溶解氧和调节阀应保留死区：若是DO出现故障数值过高或过低调节阀是不会动作的，并且在上位机发出报警指示；同样若溶解氧持续超出设定值范围一段时间，而且调节阀也达到极限，上位机发出报警指示。
4.鼓风机的自动控制
风机在LCP柜上可设置为远程或就地控制，并实现风机恒风压模式：调节阀跟随DO实时改变，管路压力也会随之改变，在主管路上安装一块压力变送器，将压力值实时传输至MCP柜，通过与设定压力值比较调整风机风量。若是风压高于设定值则降低风量，若风压低于设定值则提高风量，直至风压稳定在设定值范围内；若是风压超出极限值则发出报警，风量不会增加或减少。
风机风量调整间隔时间为50s，大任西厂生物池深6~7m，风管压力一般稳定在70kPa左右，压力设定值不应过大或过小；当风压测量值小于65kPa或大于75kPa时，发生报警并解除风压联锁模式。
5.上位机软件开发开发良好的人机界面，在上位机Wincc软件界面增加以下模块，并进行调试：
1）鼓风机远程起动以及风压联锁控制画面。
2）生物池调节阀&DO联动控制画面。
3）曝气系统报警功能管理。
在调试过程中还遇到了主管压力表不准的情况，通过对比其他压力表发现压力表的量程选择过大，更换压力表（0~1bar，1bar=0.1MPa）后测量值正常。调试后，各模块功能均能实现，界面直观且操作方便。
运行结果分析
本文就自动控制系统与人工控制下的运行效果做对比，以验证改造后的生化池曝气控制系统的运行效果。进水水量在两周内变化不明显，进水水质较稳定的前提下，收集改造前后各一周的数据进行对比。
1.溶解氧分析
图7展示了一周的时间内，在人工控制条件下的实际溶解氧控制曲线。图8反应了在一周的时间内，在生物池曝气控制系统下实际溶解氧控制曲线。在人工控制下，实时溶解氧均在4mg/L以上，1#、3#、4#曝气区溶解氧曲线波动较大。但在生物池曝气系统的控制下，实时溶解氧稳定在3mg/L附近，而控制精度在±0.5mg/L范围内的时间达99%。
图7改造前8月24－30日生物池溶解氧上午10：00数值
图8改造后8月31日－9月7日生物池溶解氧上午10：00数值
结语
改造后生化池曝气控制系统在大任厂区已成功应用，能够精确控制曝气池中溶解氧浓度，控制精度达±0.5mg/L，提高了生化池的处理效率；优化了鼓风机的控制，保证了鼓风机的安全运行，降低了工厂运行成本。该系统提高了厂区自动化程度，无论是优化污水工艺运行，还是节能降耗方面均起到了重要作用。
参考文献：
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