基于LabVIEW的污水处理工艺数据处理系统，汤斌斌，熊伟丽，在污水处理过程中，工艺参数直接影响出水水质，所以在污水处理过程中对工艺数据进行监测，控制处理是至关重要的。系统采用LabVIEW��
山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 65公司川发的专门面向测量和网络的实吋高速数据交换的 DataSocket技术,通过 Data Socket Read和 DataSocket write控件,实现 LabView与PLC的髙速通信。通信流程如图2所示。 OPC Server服务器 作台选置 数据通讯测试 古点匹置 在sTEP7中组 OPC Scout 分配以太网络 定义接口 Bad 为 IE General NetPc 网络配 配置以太网 OPC Server 组态下载 建立完成 以太网 网卡 以太网通讯 PS/CPU 上机 佟2OPC服务器通信流程 Fig 2 OPC server communication process 7022LabⅤIEW通过 MODBU协议通信 MODBUS通信协议是一种通用工业标准,通过此协议,可以快速地实现对不同生产现场的控制设各 进行组网,便于集中控制。 MODBUS通信协议定义了ASCI和RTU两种数据传输模式,用户可选择其中 一种模式,在配置每个控制器时,所有没各都必须选择相同的传输模式和串口參数,并分别设置好地址。 系统采用RTU模式进行通信{ Labview平台通过仪器IO控件SA程序库对串口进行参数设置和读写数据,基本步骤如下 (1)串口参数设置:利用Ⅵ SA Configure serial Port刈串口进行选择和参数设置,包括波特率、数据 比特、停止位等。 (2)读写串口:利用Ⅴ ISA Read和Ⅴ SA Write完成数据的发送与接收。 (3)关闭串口:利用Ⅴ ISA Close关闭当前串口,停止所有读写操作。 03数据输出系统 在活性污泥法污水处理工艺中,工艺数据对污染物质的去除起着至关重要的作用,如进 水流量、水温、PH值、溶解氧浓度等直接影响嗉气池中有机物的去除,所以工艺过程中数 据的实时掌控对整个污水处理过程尤为重要。系统将釆集的现场实时数据通过多种方式输 岀,确保处理过程安全有效,输岀系统包括:基」PLC的模糊自适应PID控制,多态报表 85生成,手机数据查询和故障数据自动输出系统。 3.1模糊自适应PID控制器设计 般的活性污泥法污水处理系统由初沉池、曝气池和二沉氿三个阶段来完成,其中曝气 池对有机物的去除尤为重要。曝气池去除有机物质主要是依靠好氧微生物的生化反应,其中 溶解氧浓度直接影响生物膜生成和岀水水质,经过大量实验硏究证明,当溶解氧浓度控制在 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 902.0mg冮L时吋,既可以提高徴生物的活性和生物氧化分解有机物的速率,又能大大降低曝气池 的反应成本,所以,系统以溶解氧浓度为被控量,利用西门子PLC实现模糊自适应PID ( Fuzzy-PID)控制。 3.1.1污水处理模型建立 系统在文献[S]对系统中的有机底物和微生物等作物料平衡,得到活性污泥法污水处理 95过程的基本状态方程为 dX cQ X-2S+2s (1) dO_-(-1Y2)-、h 式中:S为曝气池底物浓度(gBOD,lm3);X为曝气池微生物浓度(gSS/m3);O为 曝气池溶解氧浓度(gO3/m3);S为进水中底物浓度(gBOD,/m3);x,为进水中微生物浓度 (gSS/m3);K4为自衰减系数(dy1);a为微生物的最大化增长速率(day-);y为产 100率系数( glss/gBOD);Y为异养菌可观测产率(gKSS/gBOD):f为有机物与需氧量的一个 因了( gBOd/ gCOD);f为消耗因子(sCOD/gISs);c为二沉池浓缩系数;w为曝气量 sOD/g);为冲量系数;v为曝气池容积(m);g为进水流量(m3ly);gn为 排出污泥流量(m3/oy)。 系统选取曝气量α为控制量,溶解氧浓度αω作为被控量,并将非充水期流入曝气系统 105的有机物浓度作为干扰,可以将式(1)写为状态方程的形式: ∫X()=Ax(O)+B.u(m)+ (2) y(t)-C·X()+D.t() 其中 CQH A (1-)-ffY B-[00;C-[001;D=0 110 根据污水处理厂的实际情况,状态方程(2)中的参数是在·定的范围内变化的,属于 不确定参数有界系统。以日污水处理能力为2×10°m3/d,冲量系数恒取1为例,确定(2) 中各参数的上、下界值如式(3) i-K,-Cx2)49554 ∈90634,17.1296 0.05,6.05 (3) i(1-fYn)-∥1 ∈[493649436 g000.142 在参数范围内任取参数,系统以下列模型为例对其进行仿真研究。 4 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn X( 3.945 115 S(|=1-15038050S0)+0a()+1,7y)-001]s0(4 O(t) 对上述模型进行求解,得到对应的零、极点分别为z-[8050039450 P=-805001472540910914725-0909,由线性系统理论知识,系统的右半平面存在极点, 所以系统模型是内在不稳定的,因此首先需改善其稳定性能。 系统将状态方程模型的期望极点放置在离虚轴较远的左半平面,分别设为S2=-1=0,及 120$3=-10,可见$2用来满足动态性能的要求,s、是远离虚的极点对系统动态性能的影响很 小。可以得到模型对应的反馈增益矩阵为: K=[34453-643956850](5) 于是,稳定系统的状态方程表达式为 1.0000X(1) S(t)=-1506308.0500 s(t 0-u()+1|· O()L20.38836439578950O 0.3275 ()=01(0(6) 312模糊自适应PID控制器设计 在工业生产过程中看,许多被控对象随着负荷变化或干扰因素影响,其对象特征参数或 结构发生改变。自适应控制运用现代控制理论在线辨识对象特征参数,实吋改变其控制策略, 使控制品质指标保持在最佳沱围内。在实际生产中,由于操作亼员经验不易精确描述,控制 130过程中各种信号量以及评价指标不易定量表示,而模糊理论有效的解决这一问题。系统运用 模糊推理实现对PID参数最优解的自动调整!,即模糊自适应PD控制( Fuzzy-PID) 控制器以误差ε和误差变化ec作为输入,满足不同时刻的ε和εec对PID参数自整定的要 求。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改,便构成了自适应模糊PID控制器,其结 构如图3所示。 p PID 控制器 调节器 Ku 鼓风机 叫ddte°-kecl kd DO传感器 135 图3 Fuzry-PID结构 fig 3 Fuzzy-PID structure 对于该模糊自适应PD控制器,其语言变量、基本论域、模糊子集、隶属度函数、模 140糊论域及量化因子如表1所示。 表1模湖自适应控制器设计表 Tab 1 Fuzzy adaptive controller design table 交量 k k k 语言变量 K K K 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 基本论域 -6,6] [-6,6][-0.3,0.3]-0.06,0.06][-3,3 模糊∫集 NB MM NS ZO PS PM PB 录属度函数 模糊论域[-1.5,1.5][-0.5,0.5][-0.3,0.3]-0.06,0.06][-3,3 量化因子 4 12 利用 MATLAB对状态方程(6)系统进行仿真,将模糊自适应PID与传统PID进行对 比,溶解氧浓度输岀和误差输出仿真如图4所示 15 5 145 DO Simulation output Error Simulation output 图4仿真输出曲线 Fig 4 The simulation output curve 仿真结果苌明:模糊自适应PID控制器使系统避免了超调,消除了稳态误差,具有优 150良的控制精度和稳定性,从而改善了整个系统的动态品质。 313基于S7-300PLC的 Fuzzy-Pln控制器设计 根据上述仿真系统,建立离线的模糊控制査询,按照一定的规律冶其存放在PLC的数 据冇储器(保持)中。实时控制时,PLC只需对采样得到的精确量ε和ε进行量化,得到模 糊变星E和EC,冉通过査询模糊控制表获待PID输岀控制量κ、k、k,利用西门子STEP 155中集成的非连续PID功能模块FB428,调节溶解氧浓度,获得输出控制量的量化值乘以比 例量化因子即可得到最终的精确控制量。系统设计流程如图5所示。 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 开始 将量化因子Ke、Kec、Ku写 入PLC的数据寄存(保持 将输入量模糊化为E和EC 区)中 写入PLC数据寄存器 采样时 NO 査询模糊控制量表,求得 间到 Kp、 Kd YES 将输入量e和ec分别写入PLC 调用西门子PID功能块 的数据寄存器 FB42,求得控制量U 输入值超限? 控制量乘以量仁因子,得实 际控制量u YES 令超限值等于 上:限或下限 结束 图5Fxy-PI设计流程 Fig 5 Fuzzy-PId dcsign proccss 16032多态报表生成系统 在工业控制过程中不可避免的要和数据厍进行信息互换,实现工艺数据的存储、读取、 归纳分析等架作。LabⅤEW是一个开放性的编程半台,为用户提供了多种访问数据库的方 式,木系统采用LabⅤ IEW Database Co 工具包中的 Database控件与 MicrosofT SQL Server数据库进行信息的交互。 165 长期污水处理过程要求有处理日报表等,对报表的实时性、准确性提出了要求, LabView可以很方便的完成数据的釆集、处理和存储等仁务构成一个完整的监控系统。 LabView具有强大的报表生成功能,本系统采用IabⅤ IEW RGT工具包,实现工艺数据多 种报表形式输出,如WORD, EXCEL和超文本形式。 EXCEL报表生成程序如图6所示。 醒网 单元基数位盟 过魔 置单凡画] 置单元桔魔 170 图6 EXCEL报表生成 Labview程序 Fig. 6 The EXCEL report generation Lab ViEW program 33GSM无线短信收发 全球移动通信系统( Global System of mobile communication,GSM)是当前我国应用较 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 为广泛的移动电话标准。短信服务( Short message service,SMS)作为基于GSM的增值 175业务,价格低廉、服务稳定,除了手机之问的短消息通信外,SMS还被广泛应用到远程数 据采集、电子商务、办公自动等领域 系统上位机通过RS-232串行总线与本地GSM模块相连,通过内嵌的VISA串口通信组 件,采用AT指令和GSM模块通信实现短信收发。相关的AT指令如表2所示 表2短信息服务相关的 GSMAT指令表 Tab 2 GSM AT instrctions related to SMS service AT指令 功能 ATEO RESET AT+CSMS 选择短消息服务 AT+CMGC 发出一条短消息 AT+CMGD 删除短消息 AT+CMGR 读短消息 ATICMGIS 发短消息 ATICSCA 短消息服务中心地址设置 短信编码方式采用协议数据单元( Protocol data unit,PDU)模式,支持UTF7、UIF8 和 Unicode三种编码ll本系统采用两字节的 Unicode编码,实现中文消息的发送和接收 系统实现用户通过短信中的相关字查询对应的工艺数据,如发送“液位”即可查污水处 理工艺中所有水池的液位数据。另外,当系统中电杋出现改瘴,则系统在故障解决前每隔 185定时间就将当前时刻的所有工艺数据自动发送到相关技术人员的于机上,提醒用户尽快排出 故障,确侏处理工艺稳定,可靠运行。GSM无线半台如图7所小。 GSM无线平台 发送梦数至指定号码发送自确信思至指定号码 意国 收值A/信人 内容 直询时落:时 在历说□边中内目数,可导出 图7GSM无线平台 Fig. 7 (iSM wireless platform 1904结束语 系统采用LabⅤIEW编程平台开发,基于 Industrial ethernet和 MODBUS协议完成了对 污水处理整个工艺流程的数据采集和输岀任务。采用西门子PI功能块实现DO浓度模糊自 适应PID控制,系统运行安全可靠,操作简单;智能控訇参薮稳定可信,动态品质优良 利用GSM无线技术实现短信査询工艺参薮,通过短信和E-mai等多种手段实现故障报警, 195并利用互联网技术实现了随时随地的远程在线监控。木系统实现了真正意义上的监测与控制 体化管坦,提爪了污水处理站的自动化水平和故障实时处理能力。 山国武获论文在丝 http:/www.paper.edu.cn 参考文献] References [I]张自,林荣忱,金儒霖、排水工程(第四版下册)M北京:中国建筑工业出版社,2000 2」陈斌,哀雪,管国强,等.基于 LabView的生物发酵过程远程在线监控系统设计农业程学报,208, 20024(8):174-177 3]熊伟丽,贾岩,许文强,等基于OPC技术的 Labview与S7-300PLC的污水处理监控系统[计算机与 应用化学,2011,25(9):1131-113 [4]谢启,颋启明,浍水林,等基于 Labview的 Modbus rtu通信协议的实现煤矿机械,2006,27(1): 95-97 205[5]胡玉玲,乔俊飞变参数活性污泥系统溶解氧的馍糊神经网络控制.电工技术学报,2004,19(3):36-40. 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