1、引言：隨著(zhù)水處理工藝流程的快速發(fā)展，其控制方法也越來(lái)越復雜，而對于大型超濾污水處理系統將存在更多的自動(dòng)控制難題。如何實(shí)現超濾污水處理系統高效、穩定、可靠及安全的運行，將成為大型超濾污水處理系統未來(lái)大規模發(fā)展所需研究的重點(diǎn)。

本文以北京市小紅門(mén)污水處理廠(chǎng)60萬(wàn)噸/天超濾污水處理系統為研究對象，通過(guò)對反洗和氣擦洗時(shí)廊道競爭問(wèn)題的解決，不但保證了超濾膜的安全，同時(shí)也實(shí)現了產(chǎn)量的最大化;針對于來(lái)水量的非穩定性問(wèn)題，采用自適應梯階進(jìn)水控制方法，實(shí)現了“按需控制”的理念，即根據當前實(shí)際需要處理的水量去控制系統的處理能力，保證了整個(gè)超濾系統的持續穩定的運行.

水錘問(wèn)題一直是限制大型超濾控制系統發(fā)展的問(wèn)題之一，本研究通過(guò)采用變頻S曲線(xiàn)停泵及PWM閥門(mén)控制技術(shù)，較好的減少了水錘沖擊。為了實(shí)現高效產(chǎn)水，采用隊列調度算法，可以合理解決廊道競爭的問(wèn)題。引入雙環(huán)網(wǎng)技術(shù)(大環(huán)+小環(huán))，實(shí)現了整個(gè)系統的穩定性。

2、超濾污水處理系統

2.1超濾污水處理系統原理

超濾污水處理是一種與膜孔徑大小相關(guān)的篩分過(guò)程，以膜兩側的壓力差為驅動(dòng)力，以超濾膜為過(guò)濾介質(zhì)，在一定的壓力下，當原液流過(guò)膜表面時(shí)，超濾膜表面密布的許多細小的微孔只允許水及小分子物質(zhì)通過(guò)而成為透過(guò)液，而原液中體積大于膜表面微孔徑的物質(zhì)則被截留在膜的進(jìn)液側，成為濃縮液，因而實(shí)現對原液的的凈化、分離和濃縮的目的。超濾污水處理系統是應用大規模的超濾膜對大量污水的篩選最終達到凈化篩選的功能，從而實(shí)現污水處理的效果。本文研究的系統所采用的是碧水源超濾膜。

2.2超濾污水處理控制概況

超濾污水處理控制系統是通過(guò)采用自動(dòng)化控制技術(shù)，實(shí)現超濾污水處理系統的自動(dòng)控制及自動(dòng)生產(chǎn)的系統。本控制系統采用羅克韋爾自動(dòng)化PLC作為主控制器，以閥島作為遠程I/O來(lái)控制系統中的廊道氣動(dòng)閥，通過(guò)“主環(huán)+子環(huán)”的系統網(wǎng)絡(luò )，將各個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行連接通訊。

圖1為本系統的硬件配置圖。本系統共由三個(gè)主站和48個(gè)子站構成，三個(gè)主站都具有以太網(wǎng)通信功能，并自成一個(gè)大環(huán)網(wǎng)。每個(gè)主站下分別連接有16個(gè)子站，這16個(gè)子站自成為一個(gè)小環(huán)網(wǎng)。為了后續描述方便，我們將三個(gè)主站和48個(gè)子站分別作了編號和區域劃分命名。

具體分為1號主站和其下的16個(gè)子站，我們將其稱(chēng)為超濾1系列，其內16個(gè)子站我們將其按廊道號一一對應成為1至16號子站。2號主站及其下的16個(gè)子站稱(chēng)為超濾2系列，同理其子站編號為17至32號子站。3號主站及其下的16個(gè)子站稱(chēng)為超濾3系列，同理其子站編號為33至48號子站與超濾的33號至48號廊道設備一一對應。

每個(gè)子站是具有以太網(wǎng)口的，且每個(gè)系列的16個(gè)子站從地理位置來(lái)講，距離較近，因此系統中采用4組閥島子站共用一個(gè)交換機。交換機與交換機之間采用光纖鏈接。閥島與交換機之間采用雙絞線(xiàn)鏈接。超濾系統上位機監控系統位于大環(huán)網(wǎng)中，可對整個(gè)超濾系統進(jìn)行監控。

3、超濾污水處理控制系統

本系統從控制功能上將分為進(jìn)水控制、產(chǎn)水及酸堿清洗控制、水錘及其他附屬控制三部分。

3.1進(jìn)水控制

進(jìn)水控制需要實(shí)現將集水池中的水注入超濾膜中。但是在注入過(guò)程中，考慮到超濾膜絲的耐壓性，因此應使用恒壓的方式向超濾膜注水。集水池作為一個(gè)緩沖來(lái)水的容器，有一定的水量承載能力，但是不能進(jìn)行大量未為承載，只能應變小水量的變化，因此在控制中需要考慮到來(lái)水量的變化對集水池沖擊的同時(shí)，還應充分考慮超濾膜的處理水量的能力問(wèn)題。

本系統每個(gè)系列由8臺進(jìn)水泵，分別需要采用恒壓進(jìn)水的方式。壓力的設定與產(chǎn)水的流量是一一對應，此參數由碧水源超濾膜的性能決定，可根據其產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中查詢(xún)參數對照表。在正常運行過(guò)程中，集水池的液位應保持在一個(gè)安全的液位范圍內。但是集水池的來(lái)水量隨著(zhù)每天人們生活排水量決定，而排水量又與人們的日常生活習慣有關(guān)。

二十四小時(shí)平均進(jìn)水量趨勢圖如圖2所示，從圖可以看出，在早上7點(diǎn)左右進(jìn)水量逐漸增大，當到達十一點(diǎn)左右到達第一次峰值。這是由于人們早上用水量增大，通常情況下早上七點(diǎn)左右為用水高峰，而通過(guò)管網(wǎng)的延時(shí)，導致進(jìn)水量在十點(diǎn)左右到達高峰。同樣的十三點(diǎn)和第二天零點(diǎn)分別是兩次進(jìn)水高峰。第三次高峰段的延長(cháng)是由于這段時(shí)間人們生活所致，例如晚飯時(shí)間用水及洗澡時(shí)間的用水等造成水量的持續高峰。

針對于每天用水高峰，我們可以在水處理進(jìn)水控制部分實(shí)時(shí)調節處理量參數來(lái)解決，但是過(guò)于頻繁的調節水處理量參數對于整個(gè)膜系統會(huì )有較大的影響。第一，過(guò)于頻繁調節水處理量參數會(huì )導致超濾膜所受壓力頻繁變化，而且由于過(guò)于頻繁壓力變化會(huì )存在較多的尖峰，這些壓力峰值容易對超濾膜產(chǎn)生壓力沖擊，不利于膜的壽命。

第二，頻繁調節水處理量參數容易導致其他附屬設備的頻繁調整，影響整個(gè)系統的穩定性，而且也會(huì )削減其附屬設備的壽命。但是不去按照來(lái)水量去調整水處理量很容易造成集水池外溢或處理不及時(shí)相關(guān)連帶后果。因此進(jìn)水控制方面既要去滿(mǎn)足自適應進(jìn)水量去控制進(jìn)水，又不能過(guò)于頻繁的操作水處理量參數。

基于以上問(wèn)題，我們提出了一種自適應梯階進(jìn)水的控制方法，此方法既可以滿(mǎn)足根據來(lái)水量的變化對水處理參數進(jìn)行調整，又不會(huì )頻繁的調整水處理參數，進(jìn)而可以根據來(lái)水量大小對產(chǎn)水量的大小進(jìn)行自動(dòng)調整，最終實(shí)現根據自適應來(lái)水量的產(chǎn)水功能。

我們假設t時(shí)刻來(lái)水流量為Fi(t)，集水池的液位就為L(cháng)(t)，S為集水池的底面積，膜進(jìn)水量Fo(t),ΔL_i(t)為來(lái)水液位增量，L_(t-1)(t)為t-1時(shí)的液位，ΔL_o(t)為超濾系統處理產(chǎn)量對業(yè)務(wù)液位增量?？傻弥?/p>

首先從公式(4)中可以看出為了讓L(t)達到一個(gè)相對穩定的值，必須讓F_i(t)與F_o(t)接近。但是實(shí)際是不可能接近的，而且不能實(shí)時(shí)逼近。因為如果實(shí)時(shí)逼近，則會(huì )造成超濾系統水處理參數頻繁變化。因此將其變換為公式(6),我們?yōu)榱耸笷_o(t)不頻繁變動(dòng)，即給它暫時(shí)設定一個(gè)固定值，這樣對于F_i(t)的一個(gè)范圍，這時(shí)會(huì )存在一個(gè)ΔL(t)的范圍與之對應，L_(t-1)(t)是前一次的時(shí)刻值,運用遞歸的思想，可以將其考慮為一個(gè)固定值，這樣便可以將來(lái)水量范圍轉換為一個(gè)固定處理水量F_o(t)和一個(gè)液位L(t)的一個(gè)范圍。

根據本超濾系統進(jìn)水的規律，通過(guò)多次的實(shí)驗測試，我們最終定下了一組更適合本超濾系統的液位范圍和流量的對應數據組，具體對應關(guān)系如表1所示：

表1是本系統中梯階自適應液位與流量壓力的參數對照表。這里的壓力與流量是對應的，其壓力是根據膜的參數信息進(jìn)行對照查詢(xún)所得。液位與流量則是通過(guò)粗略計算和實(shí)驗矯正所得。當集水池液位大于6米時(shí)，存在溢出風(fēng)險，這個(gè)時(shí)候系統滿(mǎn)負荷運行。當低于3米時(shí)，為了防止提升泵干抽，我們將停止系統運轉。

通過(guò)按照表1的參數控制，本系統可以較好的應對來(lái)水量的變化，并且系統水處理參數也不會(huì )頻繁變化。

3.2過(guò)濾產(chǎn)水及酸堿清洗控制

超濾系統中過(guò)濾產(chǎn)水及酸堿清洗控制是超濾控制系統研究的重點(diǎn)之一。超濾過(guò)濾產(chǎn)水過(guò)程是一個(gè)多時(shí)段不同事件的運行過(guò)程。這個(gè)過(guò)程包含了產(chǎn)水、水反洗、氣水反洗及排空四個(gè)階段。同一廊道每個(gè)階段是唯一的。其中產(chǎn)水階段的運行直接與產(chǎn)量掛鉤，其他階段只是為了對超濾膜進(jìn)行保護。

單廊道的過(guò)濾產(chǎn)水過(guò)程流程圖如圖3所示。從圖中可看出超濾產(chǎn)水過(guò)程所包含的四個(gè)階段依次順序執行，之后再次循環(huán)。在這四個(gè)階段只有產(chǎn)水和排空是屬于單個(gè)廊道的獨立行為，而單個(gè)廊道進(jìn)行水反洗、氣水反洗階段時(shí)所使用的設備是廊道的公共設備，即氣擦洗空壓機、反洗水泵及其他附屬公共設備。

因此在進(jìn)行水反洗和氣水反洗時(shí)，每個(gè)時(shí)間段應最多有一個(gè)廊道且最多僅有一個(gè)廊道進(jìn)行此階段的行為。但是實(shí)際運行中，由于多廊道都運行在正常的過(guò)濾產(chǎn)水過(guò)程中，這樣就會(huì )造成廊道與廊道之間的水反洗或氣水反洗的沖突。通常將水反洗和氣水反洗統稱(chēng)為反洗。將各廊道過(guò)濾產(chǎn)水過(guò)程的反洗階段的沖突的現象稱(chēng)為廊道反洗競爭，簡(jiǎn)稱(chēng)廊道競爭。

在過(guò)濾產(chǎn)水清洗過(guò)程中對廊道競爭問(wèn)題處理不合理的話(huà)容易使超濾系統產(chǎn)量降低，甚至很有可能降低超濾膜的壽命。因為當很多廊道同時(shí)請求反洗時(shí)，如果不能得到及時(shí)反洗且繼續工作過(guò)長(cháng)時(shí)間，會(huì )對膜壽命有影響。

但是如果多個(gè)廊道有反洗請求，正在反洗一個(gè)廊道，而其他具有反洗請求的廊道等待的話(huà)，這樣超濾系統的產(chǎn)量又會(huì )降低。而且隨著(zhù)廊道數量的增加，廊道競爭現象越劇烈。因此解決廊道競爭問(wèn)題實(shí)際是對于競爭廊道的反洗請求即要及時(shí)(相對)響應，又要處理好競爭廊道的運行狀態(tài)。

這里我們采用隊列法來(lái)處理廊道競爭問(wèn)題。隊列法是一種遵循先進(jìn)先出原則的調度方法。具體原理如圖4所示。隊列調度由入隊列、出隊列和調度隊列空間三部分組成。入隊列是根據廊道反洗請求情況將有反洗需求的廊道壓入到隊列空間的過(guò)程。出隊列則是根據當前的反洗設備的運行狀況將需要反洗的廊道彈出隊列的過(guò)程。反洗調度隊列空間即扮演一個(gè)存儲調度序列的角色，同時(shí)其還具有優(yōu)化和排布序列的功能。

下面是將一個(gè)廊道反洗請求入隊列的過(guò)程：

查詢(xún)是否有反洗請求，如果有進(jìn)行到下一步，否則繼續查詢(xún)。

查詢(xún)隊列空間是否為空，如果為空且有廊道正在反洗，則將此反洗請求壓入隊列調度空間后進(jìn)行下一步;如果為空且無(wú)正在反洗廊道，則直接響應此廊道反洗請求，并返回至(1);如果隊列空間非空，則直接將此反洗請求壓入隊列調度空間后進(jìn)行下一步。

清除此廊道的反洗請求。

如上為此入隊列的步驟，但是可以看出對于入隊列步驟的第二步邏輯過(guò)于混亂，對于PLC來(lái)說(shuō)，太耗資源，因此我們對以上步驟進(jìn)行優(yōu)化，具體步驟如下：

查詢(xún)是否有反洗請求，如果有進(jìn)行下一步，否則繼續查詢(xún)。

查詢(xún)是否有廊道正在反洗，如果無(wú)廊道清洗，直接響應反洗請求，并返回(1);否則進(jìn)行下一步。

將此廊道的反洗請求壓入隊列空間，并清除此廊道的反洗請求。

可以看出在第二步時(shí)，首先查詢(xún)“是否有廊道正在反洗”可以避免在此查詢(xún)隊列空間，對于入隊列效率有所提高。

出隊列實(shí)際上是對按照隊列空間的排列順序對所需反洗的廊道進(jìn)行彈出的過(guò)程，此過(guò)程的具體步驟如下：

查詢(xún)是地址空間是否為空，如果是，繼續查詢(xún)，否則下一步。

查詢(xún)是否有廊道正在反洗，如果是，繼續返回(1)，否則下一步。

就近對彈出隊列空間的所需反洗的廊道，響應此廊道的反洗。

確認彈出的廊道，并清楚殘留在隊列空間此廊道占位。

對隊列空間序列進(jìn)行進(jìn)位排列，并返回(1)。

如上描述了整個(gè)出隊列的過(guò)程，其(3)的“就近”指的是離出隊列進(jìn)出口最近方向。

通過(guò)對調度隊列的各部分的描述，可以看出，隊列調度具有以下的特點(diǎn)：(1)時(shí)效性。在整個(gè)隊列調度過(guò)程中，由于入口和出口的分開(kāi)方式，包成了出口按需彈出隊列，入口按實(shí)際情況進(jìn)行壓入隊列。(2)先進(jìn)先出。在整個(gè)超濾產(chǎn)水過(guò)程中，采用先進(jìn)先出的方式，可以保證需反洗的廊道的等待時(shí)間不會(huì )過(guò)長(cháng)，最終保證了每個(gè)廊道響應反洗的等待時(shí)間達到最短，也保證了每個(gè)廊道的等待時(shí)間達到均衡，增強了廊道競爭的公平性。

其次關(guān)于超濾中的酸堿洗，則是按照用戶(hù)要求進(jìn)行，這里時(shí)間存在隨機性，因此不做贅述。

3.3水錘及其他附屬控制

因開(kāi)泵、停泵、開(kāi)關(guān)閥門(mén)過(guò)于快速，使水的速度發(fā)生急劇變化，特別是突然停泵引起的水錘，可以破壞管道、水泵、閥門(mén)，并引起水泵反轉，管網(wǎng)壓力降低等。水錘效應有極大的破壞性：壓強過(guò)高，將引起管子的破裂，反之，壓強過(guò)低又會(huì )導致管子的癟塌，還會(huì )損壞閥門(mén)和固定件。在極短的時(shí)間里，水的流量從零增到額定流量。由于流體具有動(dòng)能和一定程度的壓縮性，因此在極短的時(shí)間內流量的巨大變化將引起對管道的壓強過(guò)高和過(guò)低的沖擊。壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪聲，猶如錘子敲擊管道一樣，故稱(chēng)為水錘。

由于本超濾系統規模大，管道粗，水錘明顯。水錘位置主要存在于本系統的提升泵出水管、反洗管、超濾膜進(jìn)水管及超濾膜出水管中。對于這些管道及設備安裝位置可知，各位置引起水錘原因是有所不同，具體如表2所示：

從表2可以看出，在本系統中造成水錘效應的設備主要分為水泵和氣動(dòng)閥。因此我們如果削減或消除水錘的話(huà)，則也許從這兩個(gè)方面考慮。

通過(guò)對現場(chǎng)的觀(guān)察和計算，我們得知水錘主要存在于關(guān)閥和停泵時(shí)，且屬于直接水錘。而直接水錘與停泵時(shí)間及關(guān)閥速度有關(guān)系，因此要解決直接水錘，在水泵方面應采用水泵緩停的方式來(lái)解決，而對于氣動(dòng)閥換面關(guān)閉的實(shí)現，我們采用PWM控制的方式來(lái)控制氣動(dòng)閥的緩慢關(guān)閉。

在本系統中提升泵、反洗水泵均為變頻控制，因此我們可以采用通過(guò)設置變頻器的停車(chē)時(shí)間和停車(chē)方式來(lái)實(shí)現。并且在多次試驗后，停車(chē)方式采用S曲線(xiàn)停車(chē)效果較好。在停車(chē)時(shí)間方面，測試得出，本系統提升泵停車(chē)時(shí)間設置為25.3秒為最佳，而反洗水泵停車(chē)時(shí)間設置為11.5秒為最佳。

針對于氣動(dòng)閥緩慢關(guān)閉的功能，我們采用PWM的控制方法。本系統中，對氣動(dòng)閥的控制采用閥島。閥島控制是通過(guò)閥島上的可編程控制器直接控制氣缸的通斷來(lái)實(shí)現氣動(dòng)閥的打開(kāi)或關(guān)閉。由于其對氣缸開(kāi)閉進(jìn)行直接控制，因此具有響應速度快的特點(diǎn)。

我們可以通過(guò)控制PWM的占空比來(lái)可以控制氣缸開(kāi)度，進(jìn)而通過(guò)對PWM占空比實(shí)時(shí)調整，可以實(shí)現氣動(dòng)閥的緩開(kāi)緩閉。對于占空比的調整，我們假設一個(gè)氣動(dòng)閥需要緩慢關(guān)閉，要求關(guān)閉時(shí)間為8s，則占空比的從100%到0的調整時(shí)間就為8s。如果需要精確的話(huà)，可以考慮到氣動(dòng)閥的氣動(dòng)裝置的延遲時(shí)間，便可實(shí)現精確地緩閉時(shí)間控制。通過(guò)對關(guān)閉時(shí)間的測試，本系統中超濾膜進(jìn)水管緩閉時(shí)間設置為8.6秒水錘最弱，產(chǎn)水氣動(dòng)閥的緩閉時(shí)間設置為7秒時(shí)水錘最弱。

超濾系統中還包含了氣擦洗、儀表空壓機等附屬設備的控制，其控制主要是與相關(guān)設備的聯(lián)動(dòng)，所以這里不在贅述。

4、結語(yǔ)

采用自適應梯階進(jìn)水方式，將集水池液位始終穩定在一個(gè)安全的范圍內，特別是在來(lái)水高峰期時(shí)，效果較為明顯。使用隊列調度法，較好地解決了大型超濾系統中的廊道競爭問(wèn)題，從了提高了本超濾系統的產(chǎn)量。采用S曲線(xiàn)停泵及PWM閥門(mén)緩閉的控制方法，削減了水錘效應，增強了管道的安全及穩定性。通過(guò)以上的技術(shù)應用，保證了北京市小紅門(mén)污水處理廠(chǎng)超濾系統長(cháng)期高效、穩定、可靠及安全的運行。