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論污水廠自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

文檔作者：周關(guān)軍胡穎文檔來源：天津市中環(huán)系統(tǒng)工程有限責(zé)任公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年05月10日
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數(shù)控技術(shù)數(shù)字技術(shù)
與應(yīng)用
8
系統(tǒng)概述:在本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,本著系統(tǒng)“夠用、好用、實(shí)用”的
原則,整個(gè)設(shè)計(jì)緊密圍繞技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)合理為核心,做到技術(shù)、設(shè)
備先進(jìn)且經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則,同時(shí)系統(tǒng)選型和配置具有相應(yīng)的開放
性、可靠性、易用性。
整個(gè)系統(tǒng)保持了一定的先進(jìn)性,采用的設(shè)備和技術(shù)是當(dāng)前世界
先進(jìn)的技術(shù)和發(fā)展方向,能適應(yīng)將來的科技發(fā)展,并且具有廣泛的
行業(yè)成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),對系統(tǒng)的運(yùn)行的下列各項(xiàng)指標(biāo)均可很好地滿
足。
所提供的包括系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件在內(nèi)的所有產(chǎn)品,在當(dāng)前均
具有先進(jìn)性,同時(shí)所提供產(chǎn)品的廠家具有良好的產(chǎn)品及系統(tǒng)兼容
性,當(dāng)更新的、更先進(jìn)的產(chǎn)品出現(xiàn)時(shí),可完全和目前的產(chǎn)品保持兼
容。
總體設(shè)計(jì)思路:系統(tǒng)設(shè)計(jì)及產(chǎn)品選型保證了監(jiān)控系統(tǒng)具備良好
的擴(kuò)展能力,以適應(yīng)今后系統(tǒng)的擴(kuò)建或改造,并滿足監(jiān)控要求。由于
采用標(biāo)準(zhǔn)化的主流產(chǎn)品最大限度地降低了在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)對現(xiàn)行的
設(shè)備及軟件重新設(shè)置,而且對系統(tǒng)的擴(kuò)展或修改不會降低系統(tǒng)的可
靠性、可用性及安全性。
計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)就是要實(shí)現(xiàn)信息及資源的共享,完成不同廠商
間硬件和軟件的互連。在一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里,必然有多個(gè)廠商
的硬件及軟件,為了確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有互操作性,應(yīng)建立一個(gè)開放
式的、遵循工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中,對每個(gè)產(chǎn)品都進(jìn)行嚴(yán)
格選型,提供能夠保護(hù)用戶投資的、性能價(jià)格比較好的配置方案,為
將來的擴(kuò)展消除任何不必要的技術(shù)障礙。
由于軟件系統(tǒng)平臺是基于內(nèi)部工業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,因此在規(guī)劃軟
件系統(tǒng)平臺時(shí),充分考慮利用高速可靠網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn),發(fā)揮它的整體優(yōu)勢。
1 控制層次
整個(gè)系統(tǒng)由三層組成,從上到下依次為信息管理層、控制層、現(xiàn)
場設(shè)備層金字塔結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“集中管理、分散控制”的設(shè)計(jì)理念。
第一層:信息管理層,由操作員站、投影儀、工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)
和打印機(jī)等組成的控制設(shè)備構(gòu)成。
第二層:控制層,由分散在各主要構(gòu)筑物內(nèi)的現(xiàn)場PLC監(jiān)控站
和工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)組成。采用基于I E E E 8 0 2 . 3 標(biāo)準(zhǔn)的全雙工
100Mbps快速光纖以太網(wǎng)。傳輸介質(zhì)采用光纖。
第三層:現(xiàn)場設(shè)備層,由現(xiàn)場PLC、低壓電氣柜上智能單元、專
用工藝設(shè)備附帶的智能控制器、受控設(shè)備及檢測儀表等組成。
2 控制方式
主要電控設(shè)備的控制采用現(xiàn)場手動(dòng)控制、就地檢修控制、遙控
控制、自動(dòng)控制控制模式,控制級別由高到低為:現(xiàn)場手動(dòng)控制、就
地檢修控制、遙控控制、自動(dòng)控制。
（1）現(xiàn)場手動(dòng)模式:設(shè)備的現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的“就
地/遠(yuǎn)程”開關(guān)選擇“就地”方式時(shí),通過現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜
上的按鈕實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的啟/停、開/關(guān)操作。
（2）就地檢修維護(hù)模式:現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的“就地/
遠(yuǎn)程”開關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式時(shí),設(shè)備控制權(quán)在LCS(Local control
station)控制站。操作人員通過LCS控制站的操作面板上選擇“手動(dòng)”
方式,利用監(jiān)控畫面或鍵盤對設(shè)備進(jìn)行檢修操作。
（3）遙控模式:即遠(yuǎn)程手動(dòng)控制方式?，F(xiàn)場控制箱或MCC控制
柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式,且LCS控制站的操作面
板上選擇“遙控”方式時(shí),操作人員通過中控系統(tǒng)操作站的監(jiān)控畫面
用鼠標(biāo)器或鍵盤選擇“遙控”方式并對設(shè)備進(jìn)行啟/停、開/關(guān)操作。
（4）自動(dòng)模式:現(xiàn)場控制箱或MCC控制柜上的“就地/遠(yuǎn)程”開
關(guān)選擇“遠(yuǎn)程”方式,且LCS控制站的“自動(dòng)/遙控”設(shè)定為“自動(dòng)”方
式時(shí),設(shè)備的運(yùn)行完全由各LCS根據(jù)污水處理廠的工況及生產(chǎn)要求
來完成對設(shè)備的運(yùn)行或開/關(guān)控制,而不需要人工干預(yù)。
手動(dòng)方式是操作人員的專有權(quán)利,因?yàn)檫^程連鎖在此模式下無
效；而自動(dòng)模式下,安全連鎖是有效的,并限制操作的可能性,可防
止非正常狀態(tài)下運(yùn)行。離工藝過程越近的控制層具有更高的優(yōu)先
權(quán)。
3 控制原則
（1）下級優(yōu)先。當(dāng)控制場所“就地/遠(yuǎn)程”開關(guān)選擇“就地”方式
時(shí),LCS控制站及中心調(diào)度計(jì)算機(jī)系統(tǒng)只對現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行工況進(jìn)
行監(jiān)視,無權(quán)進(jìn)行控制。當(dāng)選擇“遠(yuǎn)程”控制時(shí),允許LCS控制站及計(jì)
算機(jī)系統(tǒng)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制。
當(dāng)被控設(shè)備退回“就地”控制時(shí),在LCS控制站及計(jì)算機(jī)側(cè)操作
控制該設(shè)備,系統(tǒng)彈出報(bào)警窗口,提示“禁止操作！設(shè)備在現(xiàn)場操作
位置”。
手動(dòng)干預(yù)是操作人員的專有權(quán)利；而自動(dòng)模式下,安全連鎖是
論污水廠自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
周關(guān)軍 胡穎
（天津市中環(huán)系統(tǒng)工程有限責(zé)任公司 天津 300060）
摘要:系統(tǒng)采用現(xiàn)代先進(jìn)控制思想的分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)即集散型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)“集中管理,分散控制”的設(shè)計(jì)原則。由可編程序控
制器（PLC）及自動(dòng)化儀表組成的檢測控制系統(tǒng)及現(xiàn)場分控站,對污水處理廠各過程進(jìn)行分散控制；再由通訊系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控計(jì)算機(jī)組成
的中央控制系統(tǒng)及中央控制室,對全廠實(shí)行集中管理。各分控站與中央控制室之間由工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用冗余的環(huán)形光纖網(wǎng)絡(luò),
100Mbps傳輸速率,全雙工通信。
關(guān)鍵詞:水廠 自控 設(shè)計(jì)
中圖分類號:X703.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-9416(2015)03-0008-01
收稿日期:2015-03-26
作者簡介:周關(guān)軍（1970 —）,男,漢族,河南人,畢業(yè)于中國工業(yè)工程學(xué)院,現(xiàn)就職于天津市中環(huán)系統(tǒng)工程有限責(zé)任公司項(xiàng)目一部,大學(xué)?？?
助理工程師,研究方向:水廠自動(dòng)化控制;胡穎（1988 —）,女,漢族,天津人,畢業(yè)于吉林建筑工程學(xué)院,現(xiàn)就職于天津市中環(huán)系統(tǒng)工
程有限責(zé)任公司項(xiàng)目一部,大學(xué)本科,助理工程師,研究方向:水廠自動(dòng)化控制。
圖1 ······下轉(zhuǎn)第10頁
數(shù)控技術(shù)數(shù)字技術(shù)
與應(yīng)用
10
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u k u k K w k x k
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( 1) ( )
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( 1) ( )
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( ) ( 1) ( ) ( )
3 3
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1 1
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1
3
1
（ ）
（ ）
(1-6)
其中
)( ( ) ( ))
( )
( 1) sgn( ( 1) e k e k
u k
Kz k y k ? ?
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1, 0
1, 0
sgn( )
x
x
x
2 基于免疫遺傳算法改進(jìn)神經(jīng)元PID控制
免疫遺傳算法首先接收一個(gè)抗原(對應(yīng)特定問題),然后隨機(jī)產(chǎn)
生一組初始抗體(對應(yīng)初始候選解),接著計(jì)算每一抗體的適應(yīng)度,對
抗體進(jìn)行交叉和變異。再通過基于濃度的群體更新策略生成下一代
抗體群,直至滿足終止條件,算法結(jié)束。
免疫遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的基本步驟:
(1)讀入初始化文件。根據(jù)給定問題(視為抗原)進(jìn)行具體分析,
從中提取最基本的特征信息,根據(jù)這種信息而得出的一類解即為抗
體。
(2)產(chǎn)生初始群體( 抗體) 并編碼。如果是記憶中的抗原, 則從
記憶細(xì)胞中提取出相應(yīng)的抗體組成IGA的初始群體; 否則,隨機(jī)產(chǎn)
生初始群體。采用二進(jìn)制編碼, 將待優(yōu)化的4個(gè)參數(shù) K 、 P ? 、 I ? 、 D ?
組成基因碼串, 每個(gè)參數(shù)的范圍均在0～3之間,設(shè)置種群規(guī)模
N=30, 進(jìn)化代數(shù)G=100。
(3)計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值(個(gè)體適應(yīng)值)。按編碼規(guī)則來計(jì)算群體中每
一個(gè)體的適應(yīng)值。為獲取滿意的過渡動(dòng)態(tài)特性,采用誤差絕對值時(shí)
間積分性能指標(biāo)作為參數(shù)選擇的最小目標(biāo)函數(shù);同時(shí),為了防止控
制能量過大,在目標(biāo)函數(shù)中加入控制輸入的平方項(xiàng)。
選取的最優(yōu)指標(biāo)為:
?? ? ? ? ?
0 3
2
1 2 ( ( ) ( )) u J w e t w u t dt w t (2-1)
式中, e(t)為系統(tǒng)誤差, u(t)為控制器輸出, u t 為上升時(shí)間 1 w , 2 w ,
3 w ,為權(quán)值。為了避免超調(diào),可采用懲罰功能,即一旦產(chǎn)生超調(diào),將超
調(diào)量作為最優(yōu)指標(biāo)的一項(xiàng),此時(shí)最優(yōu)指標(biāo)為:
if e(t) ? 0 (2-2)
?? ? ? ? ? ?
0 4 3
2
1 2 ( ( ) ( ) ( )) u J w e t w u t w e t dt w t (2-3)
式中, 4 w 為權(quán)值, 且 4 1 w ? w 。
(4)演變記憶細(xì)胞。若是新抗原,則用當(dāng)前群體中適應(yīng)度值高的
個(gè)體代替記憶細(xì)胞中適應(yīng)度值低的個(gè)體;否則,將當(dāng)前群體中適應(yīng)
度值高的個(gè)體加入至記憶細(xì)胞中。
(5)產(chǎn)生新抗體。按交叉概率pc、變異概率pm進(jìn)行與標(biāo)準(zhǔn)遺傳算
法相同的交叉和變異操作。
(6)信息熵及相似度計(jì)算。按
??
?
M
M j
H N
1
( ) 1 得抗體群的平均信息
熵, 其中
??
?
n
j
j ij ij H N p p
1
2 ( ) log
為第N個(gè)抗體基因座j的信息熵, pij為第
i個(gè)符號出現(xiàn)在基因座j上的概率,M為抗體長度。按 ?1 ( )?
1
A（N）? ? H N
得到抗體群的親和度,如其值小于閾值A(chǔ)0(A0值隨群體規(guī)模增加而
減少,本文取0.2),說明多樣性符合要求,則計(jì)數(shù)器加1,判斷是否達(dá)
到截至代數(shù),如是,輸出最高親和度的個(gè)體,否則,轉(zhuǎn)入(3) ;如其值
大于A0,說明多樣性不符合要求,則程序向下執(zhí)行。
(7)隨機(jī)產(chǎn)生P個(gè)新抗體, 使抗體總數(shù)為N+P。
(8)抗體濃度的群體更新及多樣性保持。抗體濃度按式(12)計(jì)算
Ci=(抗體i親和度大于的抗體數(shù))/N(12),其中Aij=1/[ 1+H(2)](13)
為抗體間相似度,Aij為相似度常數(shù),本文取0.8。綜合評價(jià)抗體的適
應(yīng)度與抗體濃度, 得到抗體的聚合適應(yīng)度公式
fitness, ? fitness ? exp(k ?Ci) (14)聚合適應(yīng)度fitness' 實(shí)質(zhì)是對抗體適
應(yīng)度fitness進(jìn)行修正。對于最大優(yōu)化問題,式(14) 中k為負(fù)數(shù),本文
取k=- 0.8;
(9)判斷是否達(dá)到截至代數(shù)或抗體平均濃度穩(wěn)定, 如不是,則計(jì)
數(shù)器加1,并轉(zhuǎn)入(3);否則輸出聚合適應(yīng)度最高的最優(yōu)抗體,并譯碼。
免疫遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的流程圖,如圖2-1所示。
3 仿真圖形
經(jīng)過免疫遺傳算法的一系列的操作全局尋優(yōu)過程,得到最優(yōu)的
加權(quán)函數(shù)并設(shè)計(jì)基于免疫算法的神經(jīng)元自適應(yīng)控制器。針對被控系
統(tǒng)可能出現(xiàn)的四種參數(shù)變化情況,應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的控制器對其進(jìn)行
仿真,仿真結(jié)果如3-1所示。
本文設(shè)計(jì)的基于免疫算法優(yōu)化的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器在針
對系統(tǒng)模型參數(shù)發(fā)生變化時(shí),其表現(xiàn)出的控制效果符合系統(tǒng)控制的
各項(xiàng)性能指標(biāo),而且通過免疫算法的尋優(yōu)節(jié)省了大量的人工和時(shí)間
去反復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。
4 結(jié)語
免疫算法和神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制進(jìn)行了結(jié)合,設(shè)計(jì)了基于免
疫算法優(yōu)化的控制器。仿真結(jié)果表明,采用免疫算法優(yōu)化設(shè)計(jì)的神
經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器在汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中取得了良好的控制
效果,同時(shí)也表明了采用免疫算法對于找出符合性能要求的加權(quán)函
數(shù)是有效合理的。
參考文獻(xiàn)
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動(dòng)化與儀表,2006,21(5):40-43.
泵相關(guān)機(jī)械或電氣方面的故障將不會影響整個(gè)高壓水系統(tǒng)的正常
運(yùn)行。
以上改造主要針對程序、畫面及參數(shù)等方面的改動(dòng),而牽扯到
成本的硬件改動(dòng)并不大。成本低廉,效果顯著,便是這套系統(tǒng)改造的
特點(diǎn),也是我們工程技術(shù)人員的改造的初衷目標(biāo)。后經(jīng)證實(shí),以上改
造對設(shè)備故障率的減少、生產(chǎn)的穩(wěn)定起到了關(guān)鍵性的作用。
滑泵一用兩備,兩條線材同時(shí)生產(chǎn)時(shí),采用兩用一備。對于電控系統(tǒng)
的改造涉及增加備用泵選擇(任何一臺潤滑泵備用),備用泵模式選
擇(一用兩備或兩用一備)等轉(zhuǎn)換開關(guān),通過原設(shè)計(jì)中已有的潤滑壓
力表反饋來決定備用泵的投入與否,當(dāng)潤滑壓力小于0.2Mpa持續(xù)1
秒以上時(shí),便自動(dòng)啟動(dòng)備用泵。這樣,由于備用泵可隨時(shí)啟動(dòng),潤滑
有效的,并限制操作的可能性,可防止非正常狀態(tài)下運(yùn)行。離工藝過
程越近的控制層具有更高的優(yōu)先權(quán)。
（2）設(shè)備的分組控制。設(shè)備的分組控制,是指在工藝上具有邏輯
關(guān)聯(lián)的幾臺設(shè)備之中,只要有一臺設(shè)備故障或退到“就地”控制,這
幾臺設(shè)備便要全部退出系統(tǒng)。這時(shí),將這些設(shè)備的控制分在一組進(jìn)
行監(jiān)控。
（3）現(xiàn)場設(shè)備故障情況的處理。當(dāng)現(xiàn)場單體儀表、被控設(shè)備發(fā)生
故障,且不會影響工藝正常運(yùn)行和造成事故時(shí),計(jì)算機(jī)系統(tǒng)報(bào)警,并
提示處理方式。但不進(jìn)行復(fù)雜的判斷和自動(dòng)故障處理。系統(tǒng)停留在發(fā)
生報(bào)警時(shí)刻的狀態(tài)。由運(yùn)行人員決定是否將現(xiàn)場設(shè)備退回現(xiàn)場操作。
（4）全自動(dòng)運(yùn)行時(shí)現(xiàn)場設(shè)備故障情況的處理。當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生
故障,影響工藝正常運(yùn)行或有可能造成事故時(shí),計(jì)算機(jī)彈出該設(shè)備
的報(bào)警信息,并記錄到數(shù)據(jù)庫。同時(shí)現(xiàn)場控制站啟動(dòng)事故處理程序,
使工藝設(shè)備置于安全狀態(tài)并自動(dòng)啟動(dòng)備用設(shè)備。
（5）水泵、閥門的“一步化”。各類泵,凡涉及到與其聯(lián)動(dòng)控制的
設(shè)備（一般指泵的進(jìn)/出口閥門）,需要按一定順序啟/停的場合,稱
作“一步化”控制。該“一步化”的順序控制過程由PLC控制系統(tǒng)完成。
······上接第7頁

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