A2O污水处理工艺过程故障诊断专家系统的设计与实现.pdf 3页

'l198化工自动化及仪表第38卷A2O污水处理工艺过程故障诊断专家系统的设计与实现王磊。刘栽文1杨斌2许继平1王小艺1安晓东3(1．北京工商大学计算机与信息工程学院，北京100048；2．北京金控自动化技术有限公司，北京100048；3．山西恒泰创新技术有限公司，太原030006)摘要提出一种基于故障树模型的A20污水处理工艺过程智能故障诊断专家系统，可以根据故障信息判断故障的类型和引起故障的原因，并给出适当的处理措施，最终提高了污水处理效率。关键词A20污水处理专家系统故障诊断故障树中图分类号TPl82文献标识码A文章编号1000·3932(2011)10一1198-03城市生活污水处理是保护环境的一项重要措施。城市污水处理厂实际运行过程中经常会遇到各种故障问题，这些故障将会导致处理效果不佳、运行成本增加及环境污染等问题的出现。开发一套用于城市污水处理过程的智能故障诊断专家系统，对于提高污水处理厂运营效率，降低运行成本，减小环境污染十分必要。对于污水处理过程故障诊断专家系统国内外已经做了大量研究工作。BarnettMW建立了一个基于规则的专家系统，用于污泥厌氧消化的故障诊断1“。ComasJ等通过集成在线、离线和启发式知识，研究开发了用于诊断和解决活性污泥解絮问题的专家系统"’。PunalA等采用专家系统对厌氧污水处理厂的运行进行了管理和诊断"’。国内专家施汉昌和王玉珏开发了用于诊断城市污水处理厂日常运行故障的专家系统”·，系统采用了正反向混合推理机制，并以故障树的形式将知识库中的知识组织形式向用户公开，便于用户使用和对系统维护。柯细勇等开发的城市污水处理厂运行决策支持系统包含专家系统、模拟系统和培训系统3个部分”’，处理来自纤维厂高度污染的废水，底部为升流式污泥床(UASB)，顶部为升流式厌氧滤池(UAF)。针对城市污水处理(A20污水处理工艺)过程中容易发生如污泥膨胀、污泥解体等故障，提出一种故障树智能诊断系统，可分析污水处理过程中存在的不同故障原因，并提供适当的处理措施，具有分析问题及提出建议等功能。1A¨O法污水处理原理A20(Anaerobic—Anoxic—Oxic)污水处理工艺是城市污水处理领域中目前广泛使用的技术之一，其产生于上世纪70年代，由美国的一些专家在AO法脱氮工艺基础上开发，具体的工艺流程如图l所示。内循环污¨流“泥J图lA20污水处理工艺流程污水与从沉淀池排出的含磷回流污泥同步进入厌氧反应器完成释放磷和有机物氨化反应；缺氧反应器的功能是完成脱氮过程，硝态氮是通过内循环由好氧反应器送至缺氧反应器，并去除BOD；硝化和吸收磷等均在好氧反应器(曝气池)中进行；沉淀池中进行泥水分离，污泥一部分回流至厌氧反应器，上清液作为处理水排放。2A20污水处理工艺过程故障诊断专家系统设计2．1专家系统设计原理专家系统一般由知识库、推理机、数据库、解释机、知识获取机及用户界面等几部分组成，污水处理故障诊断专家系统结构如图2所示。收稿日期：2011-04-23基金项目：北京市自然科学基金(4112017)：山西省科技攻关计划项目(20100321022)；2010年北京工商大学研究生创新基金 第10期王磊等．A20污水处理工艺过程故障诊断专家系统的设计与实现1199托水处娜々家l，J1J产人机尘II：摊Inl知识捩H《机构ll静f扦+J【构戡#t：胯图2污水处理故障诊断专家系统结构示意图2．1．1知识库知识库由规则和故障树组成。故障树分析是一种稳定可靠的分析技术，是目前故障诊断中应用最多的方法之一，它建立在对系统的故障经验库的基础之上，将系统级的故障现象(根节点)与最基本的故障原因(结论)之间的内在关系表示成树形的网络图M]。生成故障树则是为了使用户能够更加直观、系统地浏览和了解故障诊断的知识，并提高故障诊断的效率。故障树的根节点对应于专家系统要分析解决的任务，故障树由上到下的逻辑关系对应于专家系统的推理过程⋯，故障树的树枝对应于专家系统中知识库中的规则，其树枝数对应于规则的规则数，知识库的获取来源于故障树。2．1．2推理机推理机是专家系统的核心。推理就是根据用户所观测到的故障现象和辅助信息，根据故障树节点间的逻辑关系，并按照一定的推理策略逐步求解问题。利用根节点作为推理的起始点，利用子节点进行假设排除，最终确定故障原因。每棵NY树的节点对应一个故障现象或辅助信息，非节点对应一种故障结论或解决方案。2．1．3数据库数据库用于存放用户提供的初始事实、故障现象和系统运行过程中得到的中间结果、最终结果、运行信息，以及污水处理过程中各种检测仪表的数据和各种化验结果。2．1．4人机接口人机接口是故障诊断系统与污水处理领域专家和用户之间进行信息交换的界面，由一组程序和相应的硬件组成，用于完成输人输出工作。领域专家通过它输入知识，更新、完善知识库；用户通过它输入故障信息向系统提出询问，系统通过它输出运行结果，或者向用户索取进一步的故障现象，最后输出故障原因和相应的解决方案。2．2故障诊断专家系统在A20污水处理工艺过程中的实现故障诊断专家系统运行时，首先获取根节点故障现象，通过这些故障现象搜索出相关的故障树，进行推理。推理过程是从故障树根节点开始计算每条规则是否满足，计算的方法是分析规则表达式，从而获得下一个起始子节点，依次进行每一层次的运算直到不能再运算为止。最后分析运算的结果，得到诊断的结论信息。图3是A20污水处理过程中的污泥膨胀故障树。下面以A20污水处理工艺过程中发生的污泥膨胀现象为例进行说明。在曝气池的沉降区镜榆确；芷U微q．物种炎I。商¨MIl低¨MlIⅢ，较低|lrH较低I|爨窃芸窆l|豢娄襄奋Jl尝鑫疆粝II·c它原闻薹孽蓊。Ij舞矗翟泥l|船盔鎏泥|I降低曝气¨泼奁鼍嚣JIg挈品池jI霆篓粪：Jl豢囊亳翌JI粪袭巍芝JJ磊盎袈囊图3污泥膨胀故障树(下转第1250页) 化工自动化及仪表第38卷rewinderandPLCwasattainedbyhavingS7-300PLC．G120andMP277andProfinetcommunicationprotocolbasedandthesystemconfigurationfinishedthroughSTEP7；andtheloaddistributionoverlowerrolls，theree-ling—offtensioncontrolandthefeedrollerpressurecontrolwereexpounded．Itsapplicationina4200／2000highspeedrewinderprovesthestabilityandreliabilityofthissystem．Keywordsrewinder，S7-300PLC，loaddistributionoverthelowerrolls，reeling—offtension，feedrollerpres—sure，PROFINETcommunicationprotocol(上接第1199页)有时会出现污泥膨胀现象。膨胀了的污泥结构松散、沉降性能差，造成污泥上升而随水流失。这样不仅影响出水水质，而且由于污泥大量流失，使曝汽池中混合液浓度不断降低，严重时甚至破坏整个生化处理过程。从图3可以看出，在污水处理过程中，只有当系统获得SVI(污泥体积指数)值偏高时，才会进行污泥膨胀故障树的相关推理。图中的箭头表示诊断过程的推理关系，得到SVI值偏高的信息后，系统判断丝状菌数屋是否偏多，以此类推，直至不能再运算，根据运算结果，得出故障原因，并给出相应解决方案。3结束语以A20污水处理工艺过程的智能故障诊断为主要内容，研究并实现了基于故障树形式的污水处理过程智能故障诊断专家系统。该系统能够在给定事实前提下，经过推理得到故障原因，并给出相对应的解决方案，对污水处理厂工作人员提供帮助与指导。但对于不同工艺流程的污水处理厂，会存在一些具体问题，随着人工智能新技术的不断发展，故障诊断方式会向更高层的智能化方向发展。参考文献[1]BarnettMW．ExpertSystemsforAnaerobicDigestionProcessOperation[J]．JournalofEnvironmentalEngi—neering，1992，118(6)：949—963．[2]ComasJ，RodfiguezJ，SancgezmarreMeta1．AKnowl—edge—basedApproachtotheDeflocculationProblem：IntegratingOn·line，Off-line。andHeuristicInformation[J]．WaterResearch，2003，37(10)：2377—2387．[3]PunalA，RoeaE，LemaJM．AnExpertSystemforMo-nitoringandDiagnosisofAnaerobicWastewaterTreat—mentPlants[J]．WaterResearch，2002，36(10)：2656—2666．[4]施汉昌，王玉珏．污水处理厂故障诊断专家系统[J]．给水排水，2001，27(8)：88—89．[5]柯细勇，施汉昌，王玉珏．运行决策支持系统在城市污水处理厂的应用[J]．中国给水排水。2003，19(7)：102—104．[6]段隽醋．基于故障树的故障诊断专家系统研究[J]．科学技术与工程。2009，9(7)：1671—1673．[7]魏士杰．模糊故障树分析法在深孑L镀铬控制系统中的应用[J]．化工自动化与仪表，2010，37(10)：50—54．DesignandImplementationofIntelligentFaultDiagnosisExpertSystemforA2OSewageTreatmentWANGLeil，LIUZai—wenl，YANGBin2，XUJi．pin91，WANGXiao．yil，ANXiao?don93(1．CollegeofCompu比randInformationEngineering，BeOingTechnologyandBusinessUniversity，Beijing100048，China；2．BeijingKINGTROLAutomaticTechnologyCo．，厶d．，Beijing100048，China；3．ShanxiHengtaiInnovationTechnologyCo．，Ltd．，TairMan030006，China)AbstractBasingonafaulttreemodel，anexpeasystemforintelligentfaultdiagnosisinA2Osewagetreat—mentwaspresentedtodistinguishfaulttypesandcausesaccordingtothefaultinformation，thentOworkoutSO—lutionsasrequested．KeywordsA20sewagetreatment，expertsystem，faultdiagnosis，faulttree'