论污水厂自控系统设计方案

数控技术数字技术与应用论污水厂自控系统设计方案周关军胡颖(天津市中环系统工程有限责任公司 天津300060)摘要:系统采用现代先进控制思想的分布式计算机控制系统即集散型计算机控制系统,实现“集中管理,分散控制”的设计原则。由可编程序控制器(PLC )及自动化仪表组成的检测控制系统及现场分控站,对污水处理厂各过程进行分散控制;再由通讯系统、数据服务器、监控计算机组成的中央控制系统及中央控制室，对全厂实行集中管理。各分控站与中央控制室之间由工业以太网进行数据通信。网络系统采用冗余的环形光纤网络，100Mbps传输速率，全双工通信。关键词:水厂自控设计中图分类号:X703.3文献标识码:A文章编号:1007-9416(2015)03-0008-01系统概述:在本次系统设计中,本着系统“够用、好用、实用”的整个系统由三层组成,从上到下依次为信息管理层、控制层.现原则,整个设计紧密围绕技术先进、结构合理为核心,做到技术.设场设备层金字塔结构,实现系统“集中管理.分散控制”的设计理念。备先进且经济实用的原则，同时系统选型和配置具有相应的开放第一层:信息管理层，由操作员站.投影仪、工业以太网交换机性、可靠性、易用性。和打印机等组成的控制设备构成。整个系统保持了一定的先进性,采用的设备和技术是当前世界第二层:控制层,由分散在各主要构筑物内的现场PLC监控站先进的技术和发展方向,能适应将来的科技发展,并且具有广泛的和工业以太网交换机组成。采用基于IEEE802.3标准的全双工行业成功应用经验，对系统的运行的下列各项指标均可很好地满100Mbps快速光纤以太网。传输介质采用光纤。足。。第三层:现场设 备层,由现场PLC、低压电气柜上智能单元、专所提供的包括系统硬件和系统软件在内的所有产品,在当前均用工 艺设备附带的智能控制器、受控设备及检测仪表等组成。具有先进性,同时所提供产品的厂家具有良好的产品及系统兼容2控制方式性，当更新的.更先进的产品出现时,可完全和目前的产品保持兼主要电控设备的控制采用现场手动控制、就地检修控制.遥控容。总体设计思路:系统设计及产品选型保证了监控系统具备良好控制 :自动控制控制模式,控制级别由高到低为:现场手动控制、就的扩展能力，以适应今后系统的扩建或改造,并满足监控要求。由于地检修控制.遥控控制、自动控制。采用标准化的主流产品最大限度地降低了在系统扩展时对现行的(1)现场 手动模式:设备的现场控制箱或MCC控制柜上的“就设备及软件重新设置,而且对系统的扩展或修改不会降低系统的可地 远程”开关选择“就地”方式时,通过现场控制箱或MCC控制柜靠性、可用性及安全性。上的按钮实现对设备的启/停，开/关操作。计算机管理系统就是要实现信息及资源的共享,完成不同厂商(2) 就地检修维护模式:现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/间硬件和软件的互连,在一一个复杂的网络系统里,必然有多个厂商远程”开关选择.远程”方式时,设备控制权在LCS(Localcontrol的硬件及软件，为了确保网络系统具有互操作性，应建立一个开放station)控制站 。操作人员通过LCS控制站的操作面板上选择“手动”式的、遵循工业标准的网络系统。在本设计中，对每个产品都进行严方式， 利用监控画面或键盘对设备进行检修操作。格选型,提供能够保护用户投资的.性能价格比较好的配置方案,为(3)遥控模式:即远程手动控制方式。现场控制箱或MCC控制将来的扩展消除任何不必要的技术障碍。柜上的“就地/远程”开关选择“远程”方式，且LCS控制站的操作面由于软件系统平 台是基于内部工业局域网络环境,因此在规划软板 上选择“遥控”方式时.操作人员通过中控系统操作站的监控画面件系统平台时,充分考虑利用高速可靠网络的特点，发挥它的整体优势。用鼠标器 或键盘选择'遥控”方式并对设备进行启/停开/关操作。(4)自动模式:现场控制箱或MCC控制柜上的“就地/远程”开1控制层次关选择“远程”方式,且LCS控制站的“自动/遥控”设定为“自动”方式时,设备的运行完全由各LCS根据污水处理厂的工况及生产要求污水自动控制系统工艺说程图E来完成对设备的运行或开/关控制，而不需要人工干预手动方式是操作人员的专有权利，因为过程连锁在此模式下无效;而自动模式下,安全连锁是有效的，并限制操作的可能性,可防止非正常状态下运行。离工艺过程越近的控制层具有更高的优先权19Pa3控制原则(1)下级优先。当控制场所“就地/远程”开关选择“就地”方式3 632.0时,LCS控制站及中心调度计算机系统只对现场设备的运行工况进15.16C1行监视，无权进行控制。当选择“远程”控制时,允许LCS控制站及计算机系统对现场设备进行控制。当被控设备退回“就地”控制时,在LCS控制站及计算机侧操作控制该设备，系统弹出报警窗口,提示“禁止操作!设备在现场操作位置”手动干预是操作人员的专有权利;而自动模式下,安全连锁是.....下转第10页收稿日期:2015-03-26作者简介:周关军(1970- ),男,汉族,河南人毕业于中国工业工程学院,现就职于天津市中环系统T程有限责任公司项目一部,大学专科,助理工程师,研究方向:水厂自动化控制;胡颖( 1988一)女,汉族,天津人，毕业于中国煤化工天津市中环系统工程有限责任公司项目一部,大学本科,助理工程师，研究方向:水厂自动化控制。YHCNMHG数控技术数字技术与应用|u(k)= u(k-1)+KE n(k)x,(k)i个符号出现在基因座j上的概率,M为抗体长度。按d(N=+H(N)]得到抗体群的亲和度,如其值小于阈值A0(A0值随群体规模增加而W(k)=减少,本文取0. 2),说明多样性符合要求，则计数器加1,判断是否达wy(k)到截至代数,如是,输出最高亲和度的个体,否则转入(3);如其值a(k+1)= o(k)+η,2(1- 6)大于AO, 说明多样性不符合要求，则程序向下执行。o,(k +1)= a()+n.2(7)随机产生P个新抗体，使抗体总数为N+P。0.(+1)= o,()+76Q(8)抗体浓度的群体更新及多样性保持。抗体浓度按式(12)计算其中2= KE(k + I)sgn('2y(k+1)、(e(k)+ Ae(k) , sgn(x) =J+1,x>0Ci=(抗体i亲和度大于的抗体数)/N(12),其中Aij=1/[ 1+H(2)](13) .Ou(k)l-1,x<0为抗体间相似度,Aij为相似度常数,本文取0.8。综合评价抗体的适2基于免疫遗传算法改进神经元PID控制应度与抗体浓度，得到抗体的聚合适，适应度公式免疫遗传算法首先接收一-个抗原(对应特定问题),然后随机产fitness = fitness *exp(k *C)(14)聚合适应度fitness'实质是对抗体适生一组初始抗体(对应初始候选解),接着计算每一抗体的适应度,对应度fitness进行修正。对于最大优化问题,式(14)中k为负数,本文抗体进行交叉和变异。再通过基于浓度的群体更新策略生成下一代(9)判断是否达到截至代数或抗体平均浓度稳定,如不是,则计抗体群，直至满足终止条件,算法结束。免疫遗传算法优化神经元网络的基本步骤:数器加1,并转入(3);否则输出聚合适应度最高的最优抗体,并译码。(1)读入初始化文件。根据给定问题(视为抗原)进行具体分析，免疫遗传算法优化神经元网络的流程图,如图2-1所示。从中提取最基本的特征信息,根据这种信息而得出的-类解即为抗3 仿真图形本。(2)产生初始群体(抗体)并编码。如果是记忆中的抗原，则从经过免疫遗传算法的一系列的操 作全局寻优过程,得到最优的记忆细胞中提取出相应的抗体组成IGA的初始群体;否则,随机产加权函数并设计基于免疫算法的神经元自适应控制器。针对被控系生初始群体。采用二进制编码，将待优化的4个参数K、ηp17、统可能出现的四种参数变化情况,应用本文设计的控制器对其进行组成基因码串，每个参数的范围均在0~ 3之间,设置种群规模仿真，仿真结果如3- 1所示。本文设计的基于免疫算法优化的神经元自适应PID控制器在针N=30， 进化代数G= 100。对系统模型参数发生变化时,其表现出的控制效果符合系统控制的(3)计算目标函数值(个体适应值)。按编码规则来计算群体中每各项性能指标，而且通过免疫算法的寻优节省了大量的人工和时间一个体的适应值。为获取满意的过渡动态特性,采用误差绝对值时反复试验设计。间积分性能指标作为参数选择的最小目标函数;同时,为了防止控4结语制能量过大,在目标函数中加入控制输人的平方项。选取的最优指标为:免疫算法和神经元自适应PID控制进行了结合,设计了基于免J= I (n1]e()+ wu())dt +w●t,(2-1)疫算法优化的控制器。仿真结果表明,采用免疫算法优化设计的神式中,e()为系统误差, u()为控制器输出,1。为上升时间n经元自适应PID控制器在汽轮机转速控制系统中取得了良好的控制,为权值。避免超调，可采用惩罚功能，即- I旦产生超调,将超 效果,同时也表明了采用免疫算法对于找出符合性能要求的加权函调量作为最优指标的一-项,此时最优指标为:数是有效合理的。ife(1)<0(2-2)参考文献J=[" (mle()+ wsur()+wle()dt+wg●l. (2-3) [1]肖增弘,徐 丰汽轮机数字式电液调节系统[M.北京:中国电力出版社,2003.式中,W4为权值，且w4 > W1.[2]李浩,孙海蓉300 MW机组数字电液控制系统DEH仿真机研发(4)演变记忆细胞。若是新抗原,则用当前群体中适应度值高的[J].电力科学与工程,2013,29(5):62-66.个体代替记忆细胞中适应度值低的个体;否则,将当前群体中适应[3]邢宏.汽轮机数字电液控制系统故障分析与处理[J].电源技术应度值高的个体加入至记忆细胞中。(5)产生新抗体。按交叉概率pc.变异概率pm进行与标准遗传算用,201 3.(8):342.[4]官赤坤,华泽钊.RBF网络在线辨识的神经元控制[J].自动化仪表,法相同的交叉和变异操作。2002,23(11):17-20.(6)信息熵及相似度计算。按H(N)=-2得抗体群的平均信息[5]李绍铭， 刘寅虎.基于改进型RBF神经网络辨识的PID控制[J].自嫡，其中"(N-Lp.1og,P,!为第N个抗体基因座j的信息熵，pi为第动化与仪表,2006,21(5):40-43....... 上接第8页提示处理:方式。但不进行复杂的判断和自动故障处理。系统停留在发有效的,并限制操作的可能性,可防止非正常状态下运行。离工艺过生报警时刻的状态。由运行人员决定是否将现场设备退回现场操作。程越近的控制层具有更高的优先权。(4)全自动运行时现场设备故障情况的处理。当现场设备发生(2)设备的分组控制。设备的分组控制,是指在工艺上具有逻辑故障，影响工艺正常运行或有可能造成事故时，计算机弹出该设备关联的几台设备之中，只要有一一台设备故障或退到“就地”控制.这的报警信 息,并记录到数据库。同时现场控制站启动事故处理程序，几台设备便要全部退出系统。这时,将这些设备的控制分在一-组进使工艺设备置 于安全状态并自动启动备用设备。行监控。(5)水泵.阀门的“一步化”。各类泵,凡涉及到与其联动控制的(3)现场设 备故障情况的处理。当现场单体仪表、被控设备发生设 备(一般指泵的进/出口阀门)，需要按-定顺序启停的场合,称故障，不会影响工艺正常运行和造成事故时，计算机系统报警,并E作“一步化”控制。该“一步化’的顺序控制过程由PLC控制系统完成。.....上接第7页泵相关机械或电气方面的故障将不会影响整个高压水系统的正常滑泵一用两备,两条线材同时生产时,采用两用一- 备。对于电控系统运行。的改造涉及增加备用泉选择(任何备用),备用泵模式选以上改造主要针对程序.画面及参数等方面的改动，而牵扯到择(一用两备或两用一.备)等转换开关，通过原设有的润滑压成本的硬件改动并不大。成本低廉效果显著.便是这套系统改造的力表反馈来决定备用泵的投入与否,当润滑压力小于0.2Mpa持续1特 点,也是我们工中国煤化工。后经证实,以上改秒以上时，便自动启动备用泵。这样,由于备用泵可随时启动，润滑造对设备故障率的YHCNMHG建性的作用。.10 )