污水曝气过程在线监控系统设计与仿真

《工业控制计算机}2016年第29卷第1期7污水曝气过程在线监控系统设计与仿真DesignandSimulationofOn-lineMonitoringSystemforSewageAerationProcess黄广华朱勇强(上海应用技术学院，上海201418)摘要：对于污水处理曝气环节，目前一些污水厂采用经验现场操作方法，即工作人员根据经验和现场仪表的数据对曝气过程进行调控，然而曝气环节存在间歇性、时滞性等影响，使得这种方法很难达到控制要求，且调试过程费时费力，不具有时效性。针对以上问题，设计了污水处理曝气过程在线监控系统，采用模糊PID控制策略改善曝气控制过程，由MCGS组态软件实现监控界面，但其脚本语言编译功能非常简单，难以编写复杂的控制策略，而MATLAB具有强大数据处理能力和复杂算法编译能力。文中基于OPC技术实现MATLAB和组态软件MCGS之间的数据交换，将两款软件优点相结合，设计出一个既拥有直观可视化界面，也能实现复杂控制策略的上位机，提高了监控系统的质量。关键词：曝气过程，在线监控，模糊PID控制，MCGS，MATLAB，OPCAbstract：Thispaperdesignssewageaerationprocesson-linemonitoringsystem，usingfuzzyPIDcontrolstr~egytoim—provetheaer~ioncontrolprocesstosolveaboveproblems．MCGSconfigurationsoftwaretoachievethemonitoringinter—face，becausethescriptlanguagecompilerfunctionisverysimpleitisdificulttowriteacomplexcontrolstrategyHoweverMATLABwithpowerfuldataprocessingcapabilitiesandsophisticatedalgorithmstocompile．BasedonOPCtechnology，itre—alizesdataexchangebetweenMATLABandconfigurationsoftwareMCGS．Keywords：aerationprocess，on—linemonitoring．fuzzyPIDcontrol，MCGS，MATLAB，OPC工业污水生化处理系统中，曝气过程是十分重要的一个环节，采用模糊PID控制可以使得PID参数可在线自适应调节，对污水处理这种非线性、大延迟等复杂系统起到了良好控制效果，使污水处理系统既具有模糊控制的适应性强、灵活等优点，又具有PID控制精度高的特点。如果采用模糊PID控制的曝气环节进行在线监控，即可通过监控界面实时掌握曝气状况、发现污水溶解氧变化，收集和存储监测数据及运行资料，同时根据溶解氧的参数变化，监控系统通过模糊PID控制策略及时调节变频器频率控制曝气鼓风机的运转频率，使得溶解氧稳定地控制在设定的浓度值，提高了整个曝气过程的稳定性。1监控系统总体设计本文监控系统采用上、下位机的结构形式，上位机采用MCGS(MonitorandControlGeneratedSystm)组态软件设计监控界面，主要完成对曝气过程D0浓度、鼓风机压力、控制箱温度等的监控，以及对DO浓度、PID控制参数的设定和对设备的开关控制；采用MATLAB仿真软件进行模糊PID控制算法编写，对监测数据进行计算处理。MCGS脚本语言非常简单，编程能力较弱，无法直接编译像模糊PID控制这样无复杂的控制策略⋯。MATLAB生成直观的人机交互式可视化界面的能力并不强，与下位机的交互能力差，这使得其在工业生产中得不到广泛使用。若将MCGS和MATLAB结合，结合二者优势可设计出一个直观可视化界面与强大计算处理能力的上位机。下位机选用西门子S7—200PLC，并组合相应功能模块，AI(模拟量输入)和AO(模拟量输出)模块与被控对象交换数据，同时，系统硬件部分，溶解氧在线监测仪(RS一485接口)，一个变频器，一台鼓风机，在通风管路装设了1台空气流量计，并以标准的(4-20)mA的信号上传到S7—2O0PLC的AI模块，此外MCGS与S7—200PLC采用PC／PPI协议交换数据，实现上下位机实时通信，MCGS与MATLAB采用OPC协议交换数据，变频器与PLC之间的连接选择RS一485通信协议，如图1所示监控系统数据通讯结构图，图2监控监控硬件结构图。；上位机ir—————1控制变量r_—————1图2监控监控硬件结构图此外，考虑系统安全性，应设立报警机制，上位机组态画面生成实时报警，并录入报警历史数据库，应增加有RS-485接口的压力传感器、温