摘 要：在污水处理中，提升泵站是生产的核心设备之一，其控制的好坏直接影响污水处理的效果和是否能实现节能降耗。本文主要以某污水处理厂为背景，分析了传统控制在提升泵站控制中的缺陷和不足，介绍了模糊控制和轮值控制的特点及在泵站的应用,实际运行表明该方案是合理和行之有效的。
关键词：污水处理; 模糊控制; 轮值控制; 提升泵房
0 引言
本文在分析了污水处理系统的基本原理、基本处理流程及模糊控制系统的设计理论的基础上，将模糊控制这一新的控制策略引入到污水处理系统中来，针对污水处理系统的提升泵房部分，设计和实现了污水处理自适应模糊控制和轮值控制系统，有效地克服了污水处理的非线性和强时滞，有较好的稳定性和鲁棒性，节能效果明显，具有一定的推广价值。
0.1生产流程
由厂区外的主污水管道而来的污水进入格间，由2台粗格栅和两台细格栅将污水中体积较大的污物拦住，通过格栅机的污水继续前行流入进水泵房。该处为全厂区标高的最低处，进水泵房底部放置有5台潜水泵，主要用于将污水提升到高处，以使污水只靠重力作用流经其余
的处理阶段。
图1 污水处理工艺流程图
0.2提升泵控制
传统提升泵站的控制方式采用液位控制，根据工艺条件计算集水井水位可能的变化范围，当水位达到一定值后，依次开相应的潜水泵。这种控制方式存在的问题是泵启动频繁、泵的磨损情况不一样，造成泵更换周期短、维护量大，而且在污水流量变化较大的情况下，还会产生无法满足流量要求的现象。通过对泵站进水量和控制设备的分析，我们提出采用模糊控制和轮值控制方法对提升泵站进行控制。
1 泵站模糊控制
1.1模糊控制简介
模糊控制系统由被控制过程和模糊控制器构成，模糊控制器由模糊化、模糊推理和去模糊化三部分组成，三者均建立在知识库（控制率和隶属函数）基础上。模糊控制的基本原理如图2所示。
图2 模糊控制框图
泵站的传统控制只考虑了液位的变化，没有考虑液位变化速率。采用计算机技术和先进液位检测仪表后，可以非常简便地得到液位差和液位变化率，通过引入模糊控制方法，利用液位变化率，实现PD控制结构，能明显提高泵站对进水量变化的响应能力[1][2]。
1.2泵站模糊控制方法
采用模糊控制方法的主要工作是确定模糊论域、隶属度函数、量化因子、模糊控制规则和模糊判决方法。结合有关文献和现场实际[1][5]，对该厂污水提升泵站我们进行了以下的控制方法实施。
1.2.1模糊控制器语言变量（The language variable of fuzzy controller）
模糊控制器采用三个模糊变量：液位差（E），液位变化率（EC），启动泵台数（U）其中E和EC为输入模糊变量，U为输出模糊变量。模糊控制器由PLC编程实现。根据现场实际，采样间隔设为10秒，这种结构实质上是非线性的PD控制方式。
1.2.2 模糊论域和隶属度函数（Fuzzy region and membership function）
根据现场对集水井液位变化情况的了解以及厂方的要求，三个控制变量的论域量化关系如下：
液位差E分为 6档 11级，即
｛-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5｝
模糊子集选取如下语言值
｛NB（负大），NM（负中），NS（负小），PS（正小），PM（正中），PB（正大）｝
液位变化率EC分为5档7级，即
｛3，-2，-1，0，+l，+2，+3｝
模糊子集选取如下语言值
｛NB（负大），NS（负小），Z（零），PS（正小），PB（正大）｝
控制变量U分为5档5级，即
｛0，1，2，3，4｝
模糊子集选取如下语言值
｛小，中，大，很大｝
在各变量隶属函数选择时，我们参考有关资料[2][3][4],由于不同形状隶属函数所代表的控制含义不同，结合实际控制要求，对液位变化率和控制变量采用三角函数形式。在选择变量的隶属度时，我们进行了大量的现场调查，同时查阅了其它相关行业对泵控制的成功经验[5][6]，首先在实验室对系统进行计算机仿真，在此基础上，在保证生产正常进行的情况下，进行了在线调试，最后确定了较合理的变量隶属度。
下面是三个变量的隶属度列表。
表1 液位变化率变量隶属度
表2 泵控制变量隶属度
表3 液位差变量隶属度
1.2.3量化关系
根据现场泵站工作情况，集水井最大高度4.5m，要求液位变化范围在1.5m—3.5m之间。取2.5m为液位基准值，液位差的变化范围在（-1m，+1m）之间，通过以下公式可以得到液位与液位差E论域元素之间的变换关系：
y=10/（b-a）＊[x-（a+b）/2] 1——-1 注：[a，b]即液位范围[1.5m, 3.5m]
x为液位值，y为量化级数
污水提升泵站的液位变化率可以通过计算获得，集水井最大进水量为 1万立方/天，4台泵工作的最大提升流量为 480立方/小时，根据集水井容积，10s内的最大液位变化率约为士0.3m。可以得到液位变化率的量化关系：
y=6/（b-a）＊[x-（a+b）/2] 1——-2
注：[a，b]即液位变化范围[-0. 3m/10s，0 .3m/10s]
X为液位变化值，y为量化级数
1.2 .4模糊控制规则
根据资料[1][2]和操作人员经验的总结，模糊控制规则可综合为以下控制状态表：
表4 模糊控制状态表
Table 4 The state of Fuzzy control
根据控制状态表可以采用以下方法计算得到模糊控制的总模糊关系矩阵：
R=R1 V R2…V Ri…
R-总模糊关系，Ri-每条规则的模糊关系
每条规则所代表的模糊关系，可以用下面方法得到：
R1=（NB）E X （NB）EC X （零）U
R2=（NB）E X （NM）EC X （零）U
┋
将得到的30条规则各自的模糊关系进行合并运算，可以得到总的关系矩阵。 已知模糊关系，采用加权平均法模糊判决，可以计算得到总的控制表。
以上模糊控制可通过PLC编程实现，将上表内容存放在PLC内存中，作为控制查询表来实现模糊控制规则。PLC间隔10秒检测集水井水位，根据式（1-1）和式（1-2）计算得到E和EC的量化级数;将级数转化为控制表位置，查询得到实际应启动的泵台数。
2.污水提升泵轮值控制
在PLC逻辑连锁控制程序中我们考虑了泵站负载均匀分配和启动频率控制。有别于传统控制方式之处是通过对泵启动次序和运行时间的控制，本程序可以基本保证在泵站长时间运行过程中各泵的负荷均匀分配。为了便于控制，将4台泵按l# -4#的顺序依次编号加以区分。在PLC中设立每台泵的启动和停止序号，存放在相应的内存单元中。
我们设计的思想是当一台泵启动时，其相应的本次运行时间开始计时;当它停止时，本次运行时间计时停止，同时将其加到累计运行时间上，并按每个泵的累计运行时间进行排序，按排序结果置相应的启动序号。当系统根据模糊控制器的输出判定需要启动泵时，程序检测相应的启动序号，按启动序号启动相应的泵，当系统根据模糊控制器的输出判定需要停止泵时，程序检测相应的停止序号，按停止序号停相应的泵。停止序号的设定是在启动时完成的，即启动每一台泵时，按顺序设定其停止序号，以保证先启的泵先停，后启的泵后停，避免一台或数台泵长期工作，其他泵闲置的情况。由于系统在泵启、停控制时不再针对某一台固定的泵操作，而是不断检测泵己启动的台数和模糊控制器输出比较以确定系统应执行启泵或停泵操作;因此，当出现某一台泵故障时，自动控制程序会跳过该泵而正常运行，从而增强了自动程序的故障处理能力。
当泵房水位不发生明显变化时，某台泵会出现长期工作的情况，为此对单台泵的工作时间要进行限制，程序通过监视泵工作时间，对工作时间超过设定值的泵进行强制切换。通过以上方法，基本可以保证每台泵工作负荷均匀分配。泵站控制的另一关键问题是泵的启动频率问题，频繁启动会造成电气和机械设备的冲击，影响设备寿命。因此，在程序中需要对泵的启动周期进行限制。污水提升泵轮值控制逻辑框图见图3。
图3 控制程序流程图
3 结论
本文作者创新点是将模糊控制这一新的控制策略引入到污水处理系统中来，针对提升泵房部分，设计和实现了污水处理自适应模糊控制和轮值控制系统，有效地克服了污水处理的非线性和强时滞，具有较好的稳定性和鲁棒性，控制速度快，超调量小，运行结果良好，节能效果明显。
参考文献
[1] 张悦.浅谈城市污水处理自动化系统的总体设计[J].自动化仪表,1998,13（1）: 22-23
[2] 章卫国.杨向忠著.模糊控制理论与应用[M] 西安：西北工业大学出版社，1999.10 59-79
[3]吴振纲，陈虎.PLC的人机接口与编程[J].微计算机信息，2005，8-1：21-23