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【摘要】浅析一种于污水处理领域运用的由西门子S7．300与工业以太网交换机SCALANCE X200为关键合成的自控系统，和故障的诊断方法。
【关键词】污水处理厂自控系统组成故障诊断
中图分类号： U664.9+2文献标识码：A 文章编号：
因为各实际情况均可能造成城市污水处理厂的不可长期、稳定地运行，故一些污水处理厂中运行费用高、处理效果不佳及污染环境等往往系因运行问题而导致。所以有必要地开发一套适用用于指导城市污水处理厂的日常运行智能决策的支持系统。
1. 污水处理厂的自控系统组成
中央控制室自控系统的组成见图1。
图1 中央控制室自控系统
鼓风机房控制室的自控系统组成见图2。
图2 鼓风机房控制室的自控系统
LCU单元中S7300硬件系统，可以分为 PLC1及PLC22个站。
2. 自控系统运行方式
①设备的运行状态指示是由软件编制，于工作站及模拟显示屏上进行显示。②全部设备在手动运行时，应用现场开启，若需要自动地运行，现场把选择开关旋到“自动运行”中。在工作站上，选取相应的自动运行模式，进入到“自动运行”。③系统同时能够接收多个图像信息，可以任意地将画面组合，并且可以切换其中任意一个图像。
3. 自控系统LED的故障诊断
工业以太网应用TCP/IP 能够经以太网，连接自动化系统至企业的内部及外部互联网、因特网不需额外硬件设备，就能够实现控制网络和管理网络数据共享，即 “管控一体化”。不需专用软件能够应用IE浏览器访问控制终端的数据。由于以太网灵活性好，目前现有设备能够不受到影响扩展。
运用CP343-1工业以太网通信处理器，其具1个RJ45插座，经S7路由能够于多个网络间行远程编程及PG/OP通信。
4. 运用STEP7行故障诊断
下载至运行安装于工程师站STEP7中项目文件和CPU中项目文件在完全一致情况下，能够采用 STEP7 监控与诊断控制系统：①于SIMATIC项目的管理器里，点击“查看”→“在线”，将项目在线视图打开；将所有站点打开，查看其中组态可编程模块状态；将某个检查站选中，点击“PLC” →“诊断/设置”→“模块信息”，将该站CPU 模块信息显示出：亦能够点击“PLC” →“诊断/设置”→“硬件诊断”，将该站CPU及存在故障模块中快速视图显示出来。②于SIMATIC项目的管理器中，将工具栏中的“在线”点击，将 “可访问的节点”窗打开，将网络内全部能够寻址可编程模块显示出来。③将快速视图里面CPU的有故障的某个模块选中，将 “模块信息”的按钮点击以获得该模块信息，在“诊断缓冲区”的选项卡可以提供最重要事件与故障诊断信息。④运用“诊断视图”来诊断。能够于SIMATIC项目的管理器中将 “在线”按钮点击，将在线视图打开，将某一个站选中，双点击该站右边窗口“硬件”的图标，能够将诊断视图打开；或者于已打开的离线硬件组态工具的HW CONFIG，将工具栏“在线”按钮点击，亦可以将诊断视图打开。于该视图里面将整一个站在线组态显示，包括模块诊断符号及机架的组态，能够读取每个模块在线状态和CPU模块模块类型、操作形式、地址、序列号及相关组态注释。运用该手段能够获得那些无故障因而无于快速视图内显示的模块信息 。
5. 使用通信处理器进行诊断
于SIMATIC的管理器里面执行菜单命令中的“选项”→“设置 PC/PC接口”，将“PG/PC接口”对话框打开，将以太网协议激活，把 “诊断”的按钮点击，将诊断的对话框打开，将 “TEST”的按钮点击，若网络正常，即可于按钮右边显示出“OK”，亦能够通过查看其它的选项来认识需采用网络检测的结果。
6. 智能诊断决策支持系统的设计
6.1 模型库系统
模型库系统系模型库及模型管理系统共同组成。按照污水处理的工艺流程模块特点，本系统运用数据处理模型及智能模型等多种模型相结合而建立模型。专家系统是智能模型在人工智能中应用最广泛，其处理对象为知识库，以智能程序表示，运用递归方式及知识推理形式而解决问题。
6.2 模型的建立
6.2.1智能模型—专家系统的建立
（1）知识获取
这系ES开发过程中最重要阶段。在很大程度上，专家系统的成功取决于从人类专家上获取的知识。本系统开始时，从污水处理厂工程师、水处理专家、实际运行人员、国内外知名水处理专家及运行指导书籍中，可以获得大量的有用知识。
（2）知识表示。
运用最广泛应用的产生式规则，一般以“if A then B”形式，把自人类专家获取得到的知识转化为适合计算机表达形式，然后存储于系统知识库里。此时不断地从人类专家上获取反馈的信息，并及时修改表达中出现和知识转化的错误。
（3）知识库。
自人类专家里获取得到的知识经组织后，以规则“Then…”、“If…”形式存储于知识库内。按照过往经验，知识良好组织为系统可灵活地应用必要条件。为此，知识库应用了模块化结构，把知识分若干个互相独立知识库，如故障检索知识库、故障诊断知识库及活性污泥法培训知识库等。系统工作过程中，推理机按照实际的情况，把相应知识库调入内存用。
（4）推理形式。
本系统运行时按照不同的情况运用不同推理机理。因为故障的诊断系一个典型解析问题过程，而决策系一个典型合成过程，故故障诊断时应用与其特点相适应反向推理机理，于决策时运用与其特点相适应正向推理机理。同时，运用推理树形式，向用户公开知识库中知识组织形式，从而便于用户使用与维护系统，各个推理树相对地独立，各树间亦存在一定关联。
（5）数据库。
存放全部原始数据资料、动态数据查询表、求解时中间数据、推进记录和最后结果。
6.2.2 建立数学模型
生物池溶氧值的运行是污水处理厂中至为重要的环节,其运行品质的好坏,直接关系到出水质量和污水厂能耗的高低。溶解氧控制的主要目标是:确保供氧量满足有机物氧化分解过程动态变化的需要并且维持一个期望的混合液DO浓度;有效地控制氧气的传输,以便最大限度地减小曝气能耗。
生物反应过程中，溶解氧的变化率能以下式来表示
dc/dt=αKla(βCs-C)-γ
式中的dc/dt为溶解氧变化率（单位为mg/Loh），αKla是氧于污水中总转移系数（单位为h-1）；Kla是氧于清水中总转移系数（单位为h-1）；Cs是氧于清水中溶解度（单位为mg/L）；βCs是氧于污水中溶解度（单位为mg/L）；C是氧于污水中实际浓度（单位为mg/L）；γ是生物池中氧消耗速率（单位为mg/Loh）。
生物池中氧消耗速率是由生化反应需氧量来决定，若不考虑硝化的作用，碳化需氧量O2则表示为O2=aQ(So-Se)+bVX
上述式中Q(So-Se)是基质去除量（单位为kg/d）；VX是微生物量（单位为kg）；a是常数（kgO2/kg基质）；b亦是常数（微生物内呼吸需氧率d-1）。
6.2.3 建立图形模型
污水处理厂的污水处理量日均改变范围较大，即需氧量的改变较大，其要求鼓风机风量的调节范围较宽，主要调节方法有鼓风机进口节流调节及出口节流调节。
（1）进口节流。通过对鼓风机进口节流阀门开度的调节，改变鼓风机性能，从而适应工艺对于流量要求。调节进口节流阀，则会改变鼓风机性能曲线。运用进口节流调节时，需维持阀门后气流的均匀流畅，从而防止影响后面的压缩机工作，使工作效率降低。
（2）出口节流。通过对出口阀门开度调节来变化管网特性的曲线，让使鼓风机工况点移动以达到调节气量工艺要求。
6.3数据库及数据库管理系统
运用Microsoft SQLsever 2000的数据管理系统，存放全部求解时中间数据、原始数据资料、动态数据查询表、推进记录和最后结果。
参考文献：
[1]黄梯云.智能决策支持系统[M].北京:电子工业出版社,2001.
[2]陈文伟.智能决策技术[M].北京:电子工业出版社,1998.
[3]李德毅.知识获取和数据库学习系統[J].计算机科学,1993,20(12):44-47.
【关键词】污水处理厂自控系统组成故障诊断
中图分类号： U664.9+2文献标识码：A 文章编号：
因为各实际情况均可能造成城市污水处理厂的不可长期、稳定地运行，故一些污水处理厂中运行费用高、处理效果不佳及污染环境等往往系因运行问题而导致。所以有必要地开发一套适用用于指导城市污水处理厂的日常运行智能决策的支持系统。
1. 污水处理厂的自控系统组成
中央控制室自控系统的组成见图1。
图1 中央控制室自控系统
鼓风机房控制室的自控系统组成见图2。
图2 鼓风机房控制室的自控系统
LCU单元中S7300硬件系统，可以分为 PLC1及PLC22个站。
2. 自控系统运行方式
①设备的运行状态指示是由软件编制，于工作站及模拟显示屏上进行显示。②全部设备在手动运行时，应用现场开启，若需要自动地运行，现场把选择开关旋到“自动运行”中。在工作站上，选取相应的自动运行模式，进入到“自动运行”。③系统同时能够接收多个图像信息，可以任意地将画面组合，并且可以切换其中任意一个图像。
3. 自控系统LED的故障诊断
工业以太网应用TCP/IP 能够经以太网，连接自动化系统至企业的内部及外部互联网、因特网不需额外硬件设备，就能够实现控制网络和管理网络数据共享，即 “管控一体化”。不需专用软件能够应用IE浏览器访问控制终端的数据。由于以太网灵活性好，目前现有设备能够不受到影响扩展。
运用CP343-1工业以太网通信处理器，其具1个RJ45插座，经S7路由能够于多个网络间行远程编程及PG/OP通信。
4. 运用STEP7行故障诊断
下载至运行安装于工程师站STEP7中项目文件和CPU中项目文件在完全一致情况下，能够采用 STEP7 监控与诊断控制系统：①于SIMATIC项目的管理器里，点击“查看”→“在线”，将项目在线视图打开；将所有站点打开，查看其中组态可编程模块状态；将某个检查站选中，点击“PLC” →“诊断/设置”→“模块信息”，将该站CPU 模块信息显示出：亦能够点击“PLC” →“诊断/设置”→“硬件诊断”，将该站CPU及存在故障模块中快速视图显示出来。②于SIMATIC项目的管理器中，将工具栏中的“在线”点击，将 “可访问的节点”窗打开，将网络内全部能够寻址可编程模块显示出来。③将快速视图里面CPU的有故障的某个模块选中，将 “模块信息”的按钮点击以获得该模块信息，在“诊断缓冲区”的选项卡可以提供最重要事件与故障诊断信息。④运用“诊断视图”来诊断。能够于SIMATIC项目的管理器中将 “在线”按钮点击，将在线视图打开，将某一个站选中，双点击该站右边窗口“硬件”的图标，能够将诊断视图打开；或者于已打开的离线硬件组态工具的HW CONFIG，将工具栏“在线”按钮点击，亦可以将诊断视图打开。于该视图里面将整一个站在线组态显示，包括模块诊断符号及机架的组态，能够读取每个模块在线状态和CPU模块模块类型、操作形式、地址、序列号及相关组态注释。运用该手段能够获得那些无故障因而无于快速视图内显示的模块信息 。
5. 使用通信处理器进行诊断
于SIMATIC的管理器里面执行菜单命令中的“选项”→“设置 PC/PC接口”，将“PG/PC接口”对话框打开，将以太网协议激活，把 “诊断”的按钮点击，将诊断的对话框打开，将 “TEST”的按钮点击，若网络正常，即可于按钮右边显示出“OK”，亦能够通过查看其它的选项来认识需采用网络检测的结果。
6. 智能诊断决策支持系统的设计
6.1 模型库系统
模型库系统系模型库及模型管理系统共同组成。按照污水处理的工艺流程模块特点，本系统运用数据处理模型及智能模型等多种模型相结合而建立模型。专家系统是智能模型在人工智能中应用最广泛，其处理对象为知识库，以智能程序表示，运用递归方式及知识推理形式而解决问题。
6.2 模型的建立
6.2.1智能模型—专家系统的建立
（1）知识获取
这系ES开发过程中最重要阶段。在很大程度上，专家系统的成功取决于从人类专家上获取的知识。本系统开始时，从污水处理厂工程师、水处理专家、实际运行人员、国内外知名水处理专家及运行指导书籍中，可以获得大量的有用知识。
（2）知识表示。
运用最广泛应用的产生式规则，一般以“if A then B”形式，把自人类专家获取得到的知识转化为适合计算机表达形式，然后存储于系统知识库里。此时不断地从人类专家上获取反馈的信息，并及时修改表达中出现和知识转化的错误。
（3）知识库。
自人类专家里获取得到的知识经组织后，以规则“Then…”、“If…”形式存储于知识库内。按照过往经验，知识良好组织为系统可灵活地应用必要条件。为此，知识库应用了模块化结构，把知识分若干个互相独立知识库，如故障检索知识库、故障诊断知识库及活性污泥法培训知识库等。系统工作过程中，推理机按照实际的情况，把相应知识库调入内存用。
（4）推理形式。
本系统运行时按照不同的情况运用不同推理机理。因为故障的诊断系一个典型解析问题过程，而决策系一个典型合成过程，故故障诊断时应用与其特点相适应反向推理机理，于决策时运用与其特点相适应正向推理机理。同时，运用推理树形式，向用户公开知识库中知识组织形式，从而便于用户使用与维护系统，各个推理树相对地独立，各树间亦存在一定关联。
（5）数据库。
存放全部原始数据资料、动态数据查询表、求解时中间数据、推进记录和最后结果。
6.2.2 建立数学模型
生物池溶氧值的运行是污水处理厂中至为重要的环节,其运行品质的好坏,直接关系到出水质量和污水厂能耗的高低。溶解氧控制的主要目标是:确保供氧量满足有机物氧化分解过程动态变化的需要并且维持一个期望的混合液DO浓度;有效地控制氧气的传输,以便最大限度地减小曝气能耗。
生物反应过程中，溶解氧的变化率能以下式来表示
dc/dt=αKla(βCs-C)-γ
式中的dc/dt为溶解氧变化率（单位为mg/Loh），αKla是氧于污水中总转移系数（单位为h-1）；Kla是氧于清水中总转移系数（单位为h-1）；Cs是氧于清水中溶解度（单位为mg/L）；βCs是氧于污水中溶解度（单位为mg/L）；C是氧于污水中实际浓度（单位为mg/L）；γ是生物池中氧消耗速率（单位为mg/Loh）。
生物池中氧消耗速率是由生化反应需氧量来决定，若不考虑硝化的作用，碳化需氧量O2则表示为O2=aQ(So-Se)+bVX
上述式中Q(So-Se)是基质去除量（单位为kg/d）；VX是微生物量（单位为kg）；a是常数（kgO2/kg基质）；b亦是常数（微生物内呼吸需氧率d-1）。
6.2.3 建立图形模型
污水处理厂的污水处理量日均改变范围较大，即需氧量的改变较大，其要求鼓风机风量的调节范围较宽，主要调节方法有鼓风机进口节流调节及出口节流调节。
（1）进口节流。通过对鼓风机进口节流阀门开度的调节，改变鼓风机性能，从而适应工艺对于流量要求。调节进口节流阀，则会改变鼓风机性能曲线。运用进口节流调节时，需维持阀门后气流的均匀流畅，从而防止影响后面的压缩机工作，使工作效率降低。
（2）出口节流。通过对出口阀门开度调节来变化管网特性的曲线，让使鼓风机工况点移动以达到调节气量工艺要求。
6.3数据库及数据库管理系统
运用Microsoft SQLsever 2000的数据管理系统，存放全部求解时中间数据、原始数据资料、动态数据查询表、推进记录和最后结果。
参考文献：
[1]黄梯云.智能决策支持系统[M].北京:电子工业出版社,2001.
[2]陈文伟.智能决策技术[M].北京:电子工业出版社,1998.
[3]李德毅.知识获取和数据库学习系統[J].计算机科学,1993,20(12):44-47.