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1 引言
废水生物处理技术中的批式活性污泥法又称SBR法，是一种简快速且低耗的污水处理工艺，具有工艺简单、效率高、脱氢除磷效果好，防止污泥膨胀性能强，耐冲击负荷和处理能力强等优点，非常适用于水质变化大的中小城镇的生活污水处理，以及易生物降解的工业废水处理。
目前由于化学需氧量COD浓度在线检测仪器的出现，将COD浓度作为重要的工艺参数，系统通过在线检测COD的浓度值来调节曝气量，以保证出水质量，节省运行费用。
2 SBR法污水处理过程分析
图1所示为活性污泥处理流程示意图。SBR废水处理法初次沉淀池、曝气池、二次沉淀池、污泥回流和剩余污泥排放几个系统组成。初次沉淀池用以去除污水中原生悬浮物，悬浮物少时可不设置。污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液，通过罗茨风机充入空气，使混合液得到足够的搅拌而呈悬浮状态，然后流入沉淀池。混合液中的悬浮固体在沉淀池中沉淀下来和水分离，流出沉淀池的净化水。沉淀池中的污泥大部分回流，成为回流污泥。
传统的控制方法是时间程序控制，即按照规定的时间和顺序进行：
· 充水（打开进水电动阀）：7h
· 曝气（开启罗茨风机）：1.75h
· 搅拌（接通搅拌电机）：1.25h
· 沉淀：1.5h
· 排水（打开电磁阀）：0.5h
从充水开始到排水结束为一个周期。在一个周期内，通过曝气、停气使充氧/缺氧状态相互交替进行。在分解污水中含碳化合物（以COD为代表）的同时，相继进行含氮化合物的硝化和反硝化，终达到脱碳、脱氨和脱氮的目的。
一般情况下，采用每天执行两周期（12h / 周期），但是，工业污水中有机物的浓度往往是随时间变化的，如果按固定的反应时间控制SBR法污水处理系统的运行，则既浪费能源又容易发生污泥膨胀。如时间设置不合适，还将影响处理效果。
3 曝气量的变频调速控制设计
化学需氧量COD是一个重要的工艺参数，如控制系统在污水处理过程中，在线检测COD的值来调节曝气量，使整个反应过程的化学需氧量COD处于适当的范围，这样既能保证出水质量，又能节省运行费用。
图2为一种西门子变频器与PLC相结合实现PID调节的变频调速的风机控制系统，其中EM235为PLC模拟量I/O扩展模块。其工作过程是：系统在线检测的COD值，送入PLC模块后，进行PID的运算，其模拟量输出作为变频器的输入，控制变频调速，来达到调整风机转速，从而实现曝气量的调节控制。
图3给出了本例实现PID控制的流程图。
4 变频调速的节电分析
由图1可知，调节曝气量的大小，可采用调节风门控制风量和调节风机转速控制风量两种方法。此两种方法相比，后者有着明显的节电效果，其原理图如图4所示。
图中，曲线1为风机在恒速下的风压-风量（H-Q）特性曲线;曲线2为恒速下的功率一风量（Ps一Q）特性曲线;曲线3为管网风阻特性（风门全开）。
设风机在设计时工作在A点，效率高，此时输出风量Q为，轴功率为Ps1，与Ql、H1的乘积成正比，即P s1与AH1OQ1所包围的面积成正比。
当需要调节风量时，例如，所需风量从减少到额定风量的50%，即从Q1减少到Q2时，如采用调节风门的方法来调节风量，使管网阻力曲线由曲线3变为曲线4。就是说，减小风门开度增加了管网阻力。此时，系统的工作点由原来的A点移至B点。可以看出，风量虽然降低了，但风压增加了，轴功率Ps2与面积BH2 OQ2成正比，它与Ps1相比，减少不多。
如果采用调节转速来调节风量的方法，风机转速由原来的n1降到n2。根据风机参数的比例定律，可以画出在转速n2下的风压一风量（H—Q）特性曲线5，风机工作在C点。可见，在满足同样风量Q2的情况下，风压将大幅度降低到H3，轴功率Ps2（与面积CH3OQ2成正比）也明显降低。所节约的功率与面积AH1OQ1和CH3OQ2之差成正比。由此可见，用调速的方法来减少风量的经济效益是十分显著的。
由流体力学可知，风量Q与转速n的一次方成正比，风压H与转速n的平方成正比，轴功率Ps与转速n的三次方成正比。即：
Q∝n H∝n2 Ps∝n3
当所需风量减少，风机转速降低时，其功率按转速的三次方下降。如所需风量为额定风量的80%，则转速也下降为额定转速的80%，而轴功率下降为额定功率的51.2%;当所需风量为额定风量的50%时，轴功率可以下降为额定功率的12.5%。当然，转速降低时，效率也会有所降低，同时还应考虑控制装置的附加损耗等影响。即使如此，这种方法的节电效果也是非常可观的。另一方面，使用通用变频器来改变转速后，当风机转速下调10%时，则风机输出功率下降到额定功率的73%;当风机转速下调20%时，则风机输出功率下降到额定功率的51%。可见应用变频器技术调速又比普通调速来控制曝气量的大小其节电效果更加显著。
5 结束语
本例采用变频调速技术与PLC相结合进行曝气量的调节控制，既保留了PLC控制系统可靠、灵活、适应能力强等特点，又tigao了控制系统的智能化程度。
本文作者的创新点在于，利用了变频器与PLC相结合，对风机的曝气量实现了jingque的PID调节控制。这种控制方法不仅tigao了污水处理系统的可靠性、节约了能源，而且对于进一步实现各种活性污泥法的实时控制提供了一较为理想的控制方
一、前者失败的原因：
1．选型的错误。由于地下水有较强的压力阻力，选型时一定放大一个功率段，即30KW电机应选37KW变频器，旦一定设置为P型。
2．对于这种长距离传输的变频器，应当在变频器输出端加电抗器，以防止线路的电压降落，维持电机端子足够的功率。
3．变频器必须进行自调谐，以保证控制性能，即满足力矩特性和保护功能。
4．参数设置不当。导致变频器的潜力没有得到充分的挖掘。
针对上述情况，我们采取了相应的措施。
二、我们的对策
1．选用艾默生EV2000-4T0370P型变频器拖动30KW潜水泵。
2．配置上海鹰峰电子公司的YFT-OCL型90A电抗器。
3．做静态电机自调谐（因电机在水下，无法旋转调谐）。
4．合理的设置变频器控制参数。
三、控制原理图：
此方案采用VCI作为闭环给定信号，CCI作闭环反馈信号，由Xι作为开环工频给定，X2作为闭环失效命令。
四、主要参数设置
在焦炉炼焦过程中，会有大量的荒煤气产生，荒煤气由集气管收集,通过输气管网由鼓风机送往后续工段处理。由于产气量随结焦时间而变化，集气管中的压力不断改变，特别是在炭化室进行推焦、装煤时会造成集气管压力大幅波动。当炉体内操作形成负压时，空气就会从炉门、炉盖等处进入炉体，导致焦炭燃烧、灰分增加、焦炭质量下降。进入的空气还会同炉体建筑材料发生化学反应，导致炉体剥蚀，缩短炉体使用寿命；空气还会促使荒煤气燃烧，使煤气系统温度增高，从而加重了冷却系统的负担,产生不必要的能源消耗。当炉体内的压力过高时，荒煤气将会从炉门、炉盖等处冒出，一方面造成跑烟冒火，污染环境；另一方面降低了荒煤气的回收率，造成能源的浪费[1]。，集气管压力的稳定不但影响焦炭的质量，也关系到焦炉的寿命。所以我们必须对集气管压力进行控制，使其维持在设定的压力范围内，考虑到焦炉集气管压力控制对象的数学模型难以建立，本文以湘钢焦化厂工艺过程控制技术改造项目为研究对象，利用经典控制与智能控制相结合进行集气管压力的控制。
2 工艺分析
2.1 工艺流程
目前湘钢焦化厂现有四座焦炉、三台初冷器（2开1备）以及四台鼓风机（2开2备）。由于中间的闸阀都关死了，整个系统可以看成两套独立的系统Ⅰ和系统Ⅱ。系统Ⅰ包括1#初冷器、1#和2#鼓风机（1开1备），连接1#和2#焦炉；系统Ⅱ包括3#初冷器、3#和4#鼓风机（1开1备），连接3#和4#焦炉，系统Ⅰ和系统Ⅱ鼓风机输出端合并，2#初冷器备用。焦炉煤气从各炭化室通过上升管，并在上升管被循环氨气冷却到80~90°C，然后进入集气管。在气液分离器与焦油、氨水分离，进入初冷器，在初冷器冷却到35~40°C，然后通过鼓风机送往下道工序。如图1所示。
2.2 影响集气管压力的因素
通过分析，影响焦炉集气管压力的因素[2]：①炭化室内间歇地装煤和推焦对集气管压力产生较大的冲击；②各焦炉之间的相互耦合，在器前吸力稳定的情况下，任一焦炉压力的波动，都会影响另一焦炉压力；③器前吸力变化的影响，在鼓风机抽力不变的情况下，机后设备的阻力发生变化或煤气用户的用量发生变化时，都会引起机后压力的变化，进而引起器前吸力的变化，在煤气发生量稳定的情况下，该吸力势必引起集气管压力的波动；④结焦时间的变更和加热制度的变化使得产气量存在明显波动；煤的成分、装煤量的变化以及实际推焦时间的变化也会影响到集气管的压力变化；⑤循环氨水liuliang和温度的变化，荒煤气冷却系统是否畅通、阻力大小也影响压力的稳定及气量传输的动态特性，鼓风机入口排液系统、鼓风机后管线是否畅通直接影响压力系统的稳定；⑥荒煤气的温度高低直接影响输气系统正常运行，过高时风机负荷加重且易发生危险，过低时则会导致冷却系统结萘；⑦炉门、炉盖密封不严引起集气管压力降低；⑧氨水量的变化形成瀑布，从而增加荒煤气的流动阻力。
2.3 原有系统的情况
经过很长一段时间对原有系统的观察，发现湘钢焦化厂的原有控制系统存在如下情况：①集气管压力波动大，在焦炉加高压氨水或者机后压力很大的时候，压力有时能达到400Pa左右，焦炉严重冒烟,有时煤气发生量小或者机后压力很小的时候，压力能达到-300Pa左右；②初冷器前吸力经常达到大值，并且经常出现急剧上升和下降的现象；③当集气管处于高压或者低压，并且长时间不能下来或者上去时，操作人员不得不开大或者关小机前闸阀，这种情况在每个班都要出现好多次，特别是夜班更多。④1#和2#，3#和4#集气管压力耦合现象严重。如图2、图3所示。
图2 原有系统在正常工况下集气管压力和器前吸力曲线
图3 原有系统在大扰动工况下集气管压力和器前吸力曲线
3 控制策略
不管是系统Ⅰ还是系统Ⅱ，首先我们要稳定的是初冷器前的吸力，只有这个吸力大致稳定了，集气管的压力才能得到很好的控制。因此，我们制定了下列的控制策略。本次改造工程中采用西门子S7-300系列PLC(CPU315-2DP)与西门子SIMOVERT MV变频器作为控制核心，PLC和变频器之间通过Profibus-DP通讯，上位机监控软件采用杰控的FameView。
3.1 器前吸力的控制
对于系统Ⅰ，以初冷器前吸力为被调量，以横管上蝶阀的开度为控制量组成单回路的闭环控制系统，采用常规PID控制算法来控制蝶阀达到稳定器前吸力的目的。对于系统Ⅱ，采用了变频器组成单回路的闭环，也是以初冷器前吸力为被控对象，通过改变频率进而改变鼓风机的转速达到稳定初冷器前吸力的目的（此时横管上的蝶阀手动处于全开状态），也是采用的常规PID算法。
3.2 集气管压力的控制
对于四个集气管压力，都是以集气管压力为被调量，以集气管上的蝶阀的开度为控制量组成单回路闭环控制系统，采用变参数PID控制算法；鉴于压力在正常范围波动时，固定参数PID控制能取得很好的效果，但是当压力很高或者很低时，调节就显得力不从心，本应该快速地开大阀门或者本应该快速关小阀门，这时候却做不到这些。因此，我们将压力分段考虑，压力在不同的区段用不同的P值，通过改变P值来做到快速的调节阀门开度来脱离高压或者低压状态。
4 专家系统控制
尽管采用上述的控制策略能应付大多数情况，但是当集气管的阀位为全开而压力依然很高或者当集气管的阀位为全关而压力依然很低时常规PID算法的收敛速度难以满足调节要求，这时候采用专家系统就显得很有效。专家系统总的思想是通过对集气管压力和阀位的考虑来改变初冷器前吸力的设定值，让集气管压力快速地脱离极限状况。
对于系统Ⅰ来说，在下面两种情况下增大初冷器前吸力1的设定值：①1#焦炉集气管压力P1〉P1max, 1#焦炉集气管阀位V1〉V1max, 2#焦炉集气管压力P2〉P2max；②2#焦炉集气管压力P2〉P2max, 2#焦炉集气管阀位V2〉V2max，1#焦炉集气管压力P1〉P1max。在下面两种情况减小器初冷前吸力1的设定值：①1#焦炉集气管压力P1〈P1min, 1#焦炉集气管阀位V1对于系统Ⅱ来说，在下面两种情况下增大初冷器前吸力2的设定值：①3#焦炉集气管压力P3〉P3max, 3#焦炉集气管阀位V3〉V3max, 4#焦炉集气管压力P4〉P4max；②4#焦炉集气管压力P4〉P4max, 4#焦炉集气管阀位V4〉V4max，3#焦炉集气管压力P3〉P3max。在下面两种情况减小初冷器前吸力2的设定值：①3#焦炉集气管压力P3〈P3min, 1#焦炉集气管阀位V35 改造后系统运行效果
系统改造后，对于系统Ⅱ来说，由于变频器调节能力很强，器前吸力波动很小，集气管压力基本能控制在80±20Pa，在装煤、加氨水等大扰动情况下，压力能在很短时间内恢复正常。对于系统Ⅰ来说，横管上蝶阀的调节能力远远不如变频器那么强，初冷器前吸力相对波动比较大，集气管压力能基本控制在80±50Pa，在装煤、加氨水等大扰动情况下，压力能在较短时间内恢复正常。如图4、图5所示。
图4 改造后系统在正常工况下集气管压力和器前吸力曲线
图5 改造后系统在大扰动工况下集气管压力和器前吸力曲线
6 改造后系统依然存在的问题
对于系统Ⅱ来说，基本不存在什么问题，但对于系统Ⅰ，在煤气发生量很小或者机后压力很高时，横管上的蝶阀处于较低开度或者较高开度阀位时，蝶阀对初冷器前吸力的调节能力显得很弱，有时甚至吸力不可控，这种情况下也造成集气管压力处于很低或者很高的状况，并且很长时间也不能恢复，现场的操作人员不得不去把机前的闸阀关一点或者开一点，每个班发生这种情况一到两次，这种现象可能与蝶阀本身工作方式有关。
7 结束语
实践表明，本文提出的一些控制策略在湘钢焦化厂的此次焦炉集气管压力自动控制系统改造中是很有效的，改造是成功的，得到了湘钢焦化厂的一致认可。另外，系统Ⅱ所用的变频器是湘钢焦化厂使用的台变频器，起初他们是不认同变频器的，但系统Ⅱ后达到如此好的控制效果改变他们起初对变频器的观点。
1、 引言
工业离心机是化工行业主要设备之一，其主要通过离心力作用将固液分离。一般包括进料、洗涤、脱水、括刀、卸料等几个部分，其中进料、洗涤、括刀、卸料等部分是通过电磁阀、气动阀控制;离心釜为实现固液分离的主要部件，由一台三相电机通过皮带传动。根据工艺特点在开始阶段物料主要是固液混合物，刚起动时负载相对较大，当达到一定的转速时液体在离心力的作用下由离心外侧流出，这样部分液体先被分离出来，随着电机转速的进一步tigao，负载也相应减小。根据工芝一般分为几个不同的分离效果。
三足立式离心机结构示意图如图1下所示。
2、变频器在离心机上的应用
2.1 变频器应用的提出
近几年变频器作为一种工业控制设备在不断更新发展，在各行各业都获得了广泛的应用。随着电力电子技术、变频控制理论、微机控制技术的不断成熟，变频器的性能不断完善、功能也不断增强：如多段速、可编程自动运行、通讯等，这使用得变频器能适应多种应用场合。根据离心机的生产工艺，可采用变频器的多段速功能控制来实现。另外，变频器一般都带有内置制动单元或外部制动单元，这可解决离心机在停车时因惯性大造成停车困难的问题。
2.2 康沃G2系列变频器在离心机上的应用
离心机负载为恒转矩大惯性负责，这里选用深圳康沃公司生产的G2系列恒转矩型变频器。以电机功率为22kW的4极电动机为例，选用CVF-G2-4T0220，其控制电路如图2所示。
其中X1到X3为康沃变频器多功能控制端子，这里作为多段速选择端子使用，根据需要选用三段速即低速运行、中速运行及高速运行，具体运行速度可通过设定相对应的参数，CVF-BU-4T0220为康沃公司生产的制动单元，其原理参见图4。
2.1 康沃变频器主要参数设定
根据离心机负载特性，设定以下主要参数：
其中多功能端子与多段速度选择如下（0表示断开、1表示接通）：
2.2 康沃制动单元的应用
离心机为大惯性负载，采用变频器控制时都要求增加制动单元才能满足要求。由电机的运行特性知道当电机的实际转速高于同步转速时，电机运行在发电机状态。当离心机开始停机时，变频器的输出频率开始按减速时间下降，由于负载惯性较大，离心机此时转速变化较慢，造成电机实际转速高于同步转速，电机处于发电机状态。由变频器的主回路可知，此时电机侧反馈回的能量将通过逆变回路的续流二极管D1-D6反馈到直流回路的滤波电容C1、C2上，这时变频器的母线电压UD并会升高（即泵升电压）。
如果不把这部份能量消耗掉，过高的泵升电压将使用变频器出现保护，甚至会损坏变频器。为尽快把电机反馈的能量消耗掉必须加装装制动组件，深圳康沃电气公司生产的CVF-BU系列制动单元适用于各种通用变频器，如图3所示。当制动单元控制回路检测到直流母线电压达到设定值时控制其开关器件IGBT开通，制动电阻RB接到回路中将电机的反馈的能量消耗在电阻上。
3 调试注意问题
根据离心机负载特性，在调试时应注意：
3.1 离心机负载起动转矩要求较高，可能出现起动难的情况。这时可适当tisheng变频器的转矩补偿值，康沃G2系列设定参数为L-1。但起动转矩补偿不可太大，否则可能出现过流（故障代码为ER03）、过载（故障代码为ER09）等报警，若在加速中出现过流报警（故障代码为ER01），应适当延长加速时间。
3.2 离心机惯性大，若要变频器按减速时间停车，必须加装制动单元，其制动电阻的选择可参考提供的说明书。正常工作时制动电阻会因消耗能量而发热，如果减速时会出现过压报警（故障代码为ER05）可通过设置b-8参数适当延长减速时间。
3.3 一般离心机安装在操作现场，多台变频器集中置于控制室内。如果现场距离心机距离超过变频器的允许范围，应采相应的处理措施，如合理分布主回路线与控制、加装输出电抗或滤波器以防变频器输出电压的衰减，或考虑加大变频器的容量。
4 结论
离心机采用变频调速，可以根据不同工艺要求和物料的方便地选择多段速运行，同时采用变频控制实现电机的软启动减少对电网的冲击。变频器具有过流、过载、过压等丰富的保护功能。当负载或电机出现异常时变频器因故障停机并快速封锁输出，这样可及时保护电机。
