PID控制技术在城市污水处理厂中的应用

PID控制技术在城市污水处理厂中的应用

赵永恒

海口威立雅水务有限公司   海口市   571000

摘要：目前污水处理的工艺日渐成熟，处理效果已达到排放标准，但因受限于建设时设计环境及理念的影响，均按手动控制设计，各工艺系统相对独立，未形成统一的控制整体，导致污水处理未能高效运转。本文从PID自动控制技术的角度浅析污水处理过程中自动控制技术的具体应用，将整个污水处理工艺系统连成一个控制整体，使之高效运转。

关键词：控制技术；污水处理；PID

1 某污水处理厂工艺流程简介

污水通过格栅后经由潜水泵进入曝气沉砂池进行砂水分离，完成初次沉淀。出水进入高负荷曝气池完成生物处理后进入沉淀池进行二次沉淀，后经二次提升泵将二次沉淀水打入曝气生物滤池进行消化和反消化处理。处理后的水经紫外线消毒后进入排放渠，通过出水泵排海。其中沉淀池的污泥部分回流至高负荷曝气池再处理，部分进行浓缩后经脱水和干燥后外运利用。

图1：污水处理厂工艺流程简图

工段中涉及自动调节的工艺有进水泵、二次提升泵和出水泵的液位控制，高负荷曝气池风量控制和曝气生物滤池风量控制。以上工艺在工程实例中均未能实现自动调节控制，更无法实现全厂的联动控制。各工段的控制均在手动控制下各自为战，未形成统一、有效的控制整体，造成各种资源浪费。

2 PID控制技术的应用

2.1 进水泵房液位控制策略

本工段配置变频潜水泵，选用泵房液位或入口渠道流量作为控制值，可选择恒流量或恒液位控制模式。

2.1.1恒流量模式

入口流量作为设定值，通过PID模块计算后，输出指令调节变频潜水泵，使出水流量恒定控制。为了使液位在流量恒定的情况下不出现超限情况，应设定高低液位报警。液位超限时，作为超驰信号，将PID的输出指令置最大值并报警，同时逐步关小进水阀。恒流量模式适应各种流量变化，每个控制时段水量变化小，满足出水量精确控制的要求。通过调节流量设定值，就能精准控制每日水量，利于后端工艺段稳定运行。

2.1.2恒液位模式

集水池液位作为设定值，通过PID模块计算后，输出指令调节变频潜水泵，使集水池液位值恒定。恒液位控制模式适应高液位工况，当液位接近或者低于潜水泵入口时，必须停止泵组运行，防止干抽，因此恒液位控制模式可调裕量不高，不利于节能降耗。当采用恒液位控制模式时，均希望集水池在较高液位运行，以达到精准调控的效果。

2.2高负荷曝气风量控制策略

本工段需配置变频风机或调节型入口导叶，采用风机出口风量或高负荷曝气池出口含氧量作为控制值，以控制出口水含氧量值在合理范围，可选择恒氧量或变流量控制模式。

2.2.1 恒氧量模式

氧量作为设定值，通过PID模块计算后，输出指令调节变频风机或风机入口导叶，改变风机出口风量，通过风量自动调节DO值。因氧量测量存在滞后，会导致控制系统存在一定的延迟。当氧量值突变时，控制系统波动会比较明显，会间接造成调节对象频繁动作，控制效果不佳，且不利于设备可靠性和节能降耗，因此应选择开环控制或者前馈控制方式。

2.2.2变流量模式

该方式以闭环+前馈控制方式，设定值由高负荷曝气池的进水量与风量的对应函数算出，通过PID模块计算后，输出指令驱动调节对象的来实现曝气，同时采用DO值作为前馈量进行细调，即当发生DO值突变时，PID控制系统优先对其进行抑制控制，以保证风量快速满足要求，使得DO值能快速返回合理值。

2.3 二次提升泵房液位自动控制策略

本工段配置变频潜水泵，采用泵房液位作为控制值，可选择恒液位控制模式。

液位作为设定值，通过PID模块计算后，输出指令调节变频泵，进行液位恒定控制。由于集水池跨度长，液位可能出现高度差，因此可安装三台液位计，选用取中间值或平均值参与自动控制，以保证液位值的准确性。为防止液位出现高度差时泵发生干抽的情况，液位低限报警、连锁停泵定值应选用就近液位计的测量值，保证控制定值的准确性，以提高逻辑的可靠性。

2.4 曝气生物滤池风量自动控制策略

本工段配置变频风机或调节型入口导叶，采用风机出口风量或各消化池风量之和作为控制值，控制上应以满足风量为前提，同时兼顾压力值的合理性，因此可选择恒流量控制模式。

风机出口风量或各消化池风量之和作为设定值，通过PID调节变频风机或风机入口导叶，自动调节出口风量在设定值范围，辅以风机出口压力与风量线性关系的输出作为前馈量参与自动调节，并且与消化池入口风量自动调节回路对应，以满足消化池风量和压力的要求。为了满足运行工况要求，当出口压力对应风量的线性关系偏差太大时，自动调节回路应闭锁或切手动运行，以避免控制回路进入震荡调整状态。

2.5 出水泵房液位自动控制策略

本工段配置变频潜水泵，采用泵房液位或进水流量作为控制值，可选择恒液位、变流量控制模式。

在上位机设定液位为设定值，通过PID调节变频泵，使泵房液位恒定控制。由于出水排海受到潮汐、进水流量等因素影响，控制工况极不稳定，泵组的启动操作过度频繁，泵组启停冲击较大，故障率较高。因此本工艺除了在正常运行时间采用恒液位控制模式外，还应将进水变化量作为控制系统的前馈量，以防止流量波动过大引起液位大偏差，造成自动控制系统异常。

3 全工段联动控制策略

3.1 进水泵与进水阀联动控制

本工段需配置调节型进水阀，配合进水泵做自动控制运行，以达到进水量超限时的抑制。即进厂水量过多时，在可调范围内逐渐关小进水阀，减缓进厂水量，以给下游工段预留处理时间，以保证下游工段液位、流量的相对稳定，防止出水泵房跑水。

3.2二次提升泵与出水泵联动控制

出水泵房和二次提升泵房自动控制策略满足运行需求后，可在两个子系统之间设置自动调节的联动功能，可选取以下方式实现两个子系统自动调节之间的联动。

3.2.1设置前馈量

该方式可将二次提升泵房的液位（或流量）作为出水泵自动调节的前馈量，当二次提升泵房液位（或流量）大幅度升降时（为了自动调节回路的稳定性，此处需要设置速率限制），出水泵房的自动调节回路提前改变出力指令，以保证液位（或流量）稳定在设定值附近。

3.2.2设置闭锁量

当出水泵房液位（流量）达到高限值时，闭锁增二次提升泵变频器输出指令，同时禁止停止运行中的出水泵；当出水泵房液位达到低限值时，闭锁减二次提升泵变频器输出指令，同时禁止启动备用出水泵。通过进行相互闭锁的方式，保证液位在极限位置时连续可调控制，防止备用泵的多次启停，提高设备的可靠性。

3.2.3采用串级控制系统进行联动

该方式可将出水泵房的液位（或流量）自动调节系统作为串级控制的粗调量，二次提升泵房液位作为串级控制的细调量，实现泵房间液位自动调节的联动调节。

4 结束语

随着自动控制技术的发展，PID控制技术在PLC领域中也得到广泛应用，而将PID控制技术应用于污水处理后，打破传统的控制模式，让污水处理进入以计算机控制为主导的集中式PID控制时代，可实现污水处理高效化的预期。

参考文献：

{1}计算机过程控制系统  李向舜  电子工业出版社出版 2019年出版

{2}污水处理工程工艺设计从入门到精通   郑梅  化学工业出版社  2018年出版

作者简介：

赵永恒（1982-），男，工程师，毕业于长沙理工大学，现就职于海口威立雅水务有限公司。