一种基于废水处理的代理架构的分布式控制系统外文翻译资料

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附录B 译文

一种基于废水处理的代理架构的分布式控制系统

Juan Baeza,* David Gabriel巴塞罗那 自治大学化学工程系，08193 贝拉特拉， 巴塞罗那， 西班牙 Javier Beacute;jar加泰罗尼亚理工大学计算机语言与系统系，08028 巴塞罗那， 西班牙 amp; Javier Lafuente巴塞罗那 自治大学化学工程系， 08193 贝拉特拉， 巴塞罗那， 西班牙

摘要：展示了污水处理厂（WWTP）中基于代理的分布式控制系统的开发和实现。硬件架构包含不同的监督级别，包括两个自主过程计算机，一个可编程逻辑控制器（PLC）和一个知识库系统（KBS），在最高监督级别起作用。信息被组织在几个分布式代理中，表示 WWTP 的每个子进程的可用信息。除了这些独立的代理之外，主管代理充当其主代理。分布式多代理架构改进了以前使用单片 KBS 开发的操作，允许开发独立且可重用的代理。包含、调整和修改了不同的策略，而无需进行大量的编程工作。开发的系统涉及将经典控制系统转换为使WWTP能够响应不同常见问题的系统。最后，该系统在监督试点污水处理厂3年多来得到了令人满意的验证。

1 引言

污水处理厂（WWTP）的主要目标是以最低的成本降低废水的污染水平。也就是说，以最低的可行成本去除流入工厂的水中的外来化合物（污染物），使污水中的污染物水平尽可能低（无论如何，低于法律允许的最大值）。

欧盟指令91/271提出，需要使现有的污水处理厂适应新的、更严格的条件，特别是关于污水中存在氮气的情况。欧洲法规还制定了最后期限日历，以满足新标准和特定的净化水平，这是接收环境敏感性的函数。因此，在排放到特别敏感的区域之前，必须去除废水中的有机物和过量的营养物质（特别是氮和磷）。这些新要求需要重新设计以前的清除程序，并制定新的程序以满足条例。新目标可以通过各种方式实现，包括改变现有设施（扩展，购买新设备等），改变操作程序（例如，开发新的治疗方法）或使用控制系统来优化过程。

1.1 污水处理厂控制系统

由于涉及的生物处理过程数量众多，WWTP系统的复杂性使得开发可靠的在线仪器成为必要。从过程中连续获得的即时和内联测量值，结合模型和不同控制策略的实施，可以使污水处理厂有更高效率。为此目的，已经使用了大量的控制方法。但是，它们通常在模拟条件下进行评估。事实上，很少有关于这种方法的实验验证的参考。使用控制系统使植物适应多变条件的一个例子是STAR系统（Isaacs等人，1999;Nielsen and Ouml;nnerth，2000），已成功应用于各种全规格污水处理厂。此外，知识库系统（KBS）已被广泛用于在处理厂实施控制系统。所报告的大多数系统都是离线KBS，旨在为操作员提供诊断和咨询工具（Gall和Patry，1989年;巴内特等人， 1992;帕特里和巴内特，1992年;Ozgur和Stenstrom，1994）。一些KBS的设计主要目的是即时监督（Verheijen等人，1997年），尽管没有使用实时监督控制。在以前的工作中，我们小组专注于知识结构的发展（Serra等人，1993年，1994年，1997年;桑切斯等人，1996; R-Roda等人，1999a，1999b）和控制策略（Moreno等人，1992年）。目前的工作主要涉及数据知识结构的实时实施（Baeza，1999;Baeza等人，2000年）。

1.2 基于代理的KBS

过程控制在每个控制级别都增加了其复杂性。自动分析仪、工业控制器、PLC和工业计算机正在成为控制回路中常见的设备。计算机技术应用于过程的控制和监督，导致这些系统获取的信息急剧增加。然而，这种频率、质量和过程数据多样化程度的提高并没有导致等效的系统改进。信息量如此之大，以至于其深入的研究是不可行的。该技术的结果是数据采集系统，其主要目的是提供该过程的概述。已经提出使用人工智能技术来处理获取的大量信息。此外，代理架构被广泛用作 实现分布式KBS的复杂任务的建模框架（Maes，1990;古哈和莱纳特，1994年;迪格纳姆和范林德，1996年;斯通和维罗索，1996年;詹宁斯和伍尔德里奇，1997年）。代理范式的一些优点是数据的分发，控制的分布，专业知识的分发和知识的分发。这些特性完全符合污水处理厂的监督和控制问题。在本工作中，展示了基于代理技术的分布式控制系统的硬件架构和软件开发。该系统应用于WWTP的监督和控制，通过生物去除有机物，氮和磷。这种发展可以定义为信息分布式系统。这意味着在过程的每个子系统上应用所有可能的信息，作为当前过程实时控制和监督的主要趋势。在此监督控制大纲中，每个元素都监督其控制下的分层元素。这一事实增加了系统的复杂性，但获得了一些重要的优势。首先，增加对过程故障的控制，以确保系统安全。通过这种架构，很容易获得容错系统。其次，顶层控制可用于在系统监督中工作。在我们的案例中，此顶级控制由基于代理的软件工程视角构建的分布式专家系统占用。该应用程序是使用G2（Gensym，1995）作为开发实时专家系统的工具开发的，尽管也可以使用其他开发工具实现。

1.3 试验工厂

制定对真正的污水处理厂采取行动的监督和控制策略是一项复杂而昂贵的任务，并且可能对环境造成危险。为了避免这些可能的问题，这项工作的首要任务是设计和建造一个多功能的试验工厂，在那里可以开发，实施和验证不同的控制策略。此外，可以使用不同的处理配置，只需最小的物理变化;因此，可以在真正的污水处理厂中检查不同通常条件的运行，而不会出现与这些系统相关的问题。

本研究的重点是提高试验工厂在动态条件下的脱氮效率。通过使用适合工厂特定操作条件的控制系统，只需实时调整工艺条件以满足要求，即可在污水处理厂以更高的效率去除氮气。使用各种操作和控制方法来最大限度地提高COD和氮的去除率，同时尽可能多地节省能源。

2 系统架构

智能分布式控制系统的架构如图 1 所示。整个系统可分为五个主要模块：废水处理中试厂、工厂控制系统、自动分析系统、数据服务器和KBS。

在此体系结构中，反映了在实际 WWTP 中发现的不同控制动态。最快的动态是氧气控制的操作。这取决于所使用的曝气系统，但是，在我们的工厂中，所需的驱动频率大约每10秒一次。因此，该参数最好使用独立控制器进行控制。在这样的控制器中实现的控制算法可以是例如比例积分导数（PID）算法。其他快速控制参数包括工厂的不同流量 ，反应器中的搅拌速度等。所有这些参数都应直接使用本地控制回路进行控制。在我们的工厂中，这是使用独立的监测和控制系统完成的，该系统由工厂控制代理管理（在独立的PC中实现）。

图1 控制系统架构概述

为了获得有关试验工厂过程的更多信息，已经设计和实施了另一个子系统：自动分析系统。这独立于监视和控制系统，并由分析仪的代理控制（也在独立的PC中实现）。

这两个系统在物理上是独立的，但通过数据服务器代理链接，这允许在这些代理和KBS之间进行在线数据传输。如果其中一个系统出现问题，独立性会降低整体系统故障的可能性。

工厂控制代理能够使用一组固定的设定点进行控制，使工厂在正常条件下保持运行。但是，当出现异常情况时，此代理可能无法正确执行其任务。这是当需要更高的监督级别时。这些任务是经典控制系统无法充分管理的，是KBS是一个很好的选择。

2.1 试验工厂

所研究的工艺是基于^A2/O多级配置（EPA，1993）的生物废水处理，具有硝化-反硝化和生物过量除磷。该试验工厂是完全自动化的，每天能够处理500升合成进水剂。图2显示了中试规模设施的工艺图，该设施由厌氧反应器（9升），三个相同的曝气罐（28升）和一个沉降器（60升）组成。这 三个储罐的氧化状态很容易从KBS配置。第一个罐通常用作缺氧反应器，但也有好氧操作模式。

厌氧反应器用于提高磷的去除率。入口废水是由两种浓缩的碳和磷的复杂来源以及用自来水稀释的氮气混合而成的合成进水物。可以自动分配和安排不同的浓度和流量，以模拟真实情况。

2.2 监控系统及过程控制代理

工厂的每个机械单元（泵、液位检测器、截止阀 等）都由PLC控制，从而实现所有这些元件的自动化。在PLC程序中，包括操作故障检测和纠正措施。除了该控制系统外，中试工厂的每个反应器都配备了连接到探头控制器的即时传感器（溶解 氧，pH值，氧化还原电位，温度）。

过程控制代理监督PLC，从探头控制器获取数据，并通过操纵每个反应器的气动控制阀来控制溶解氧（DO）。该控制环路基于在代理中编程的数字PID算法。该代理包括图形监控、数据备份和关键工艺参数（流速、搅拌速率 等）的控制。

过程控制代理将传感器提供的信息发送到数据服务器代理，后者负责将此信息分发给其他代理。它还可以接收传达控制操作更改的消息。

图2 应用中试工厂的工艺流程图

2.3分析系统和分析仪的试剂

已对铵、硝酸盐、亚硝酸盐和磷酸盐监测实施了流动注入分析 （FIA） 和连续流动分析 （CFA） 技术。开发的分析系统侧重于自动化，可靠性和长期稳定性，以无人值守的方式运行最长时间。 分析仪 是标准化化学程序的自动化。它们由分析仪的代理控制，该代理在独立计算机中实现，其中连接了三个分析系统的所有模块。

用于同时测定硝酸盐加亚硝酸盐的FIA（Gabriel等人，1998年）基于Shinn方法。使用铜涂层镉还原柱，用于将硝酸盐还原为亚硝酸盐。此方法能够每 8 分钟提供一次度量。

用于磷酸盐测定的FIA基于先前通过加入钒酸盐 - 钼酸盐试剂形成的钒钼酸的比色测定。该分析仪基于反向FIA技术，其中试剂被注入样品流中。使用此方法，可以每3分钟获得一次测量值。铵的CFA基于氨的电位测定。将样品连续送入分析仪并与氢氧化钠流量混合，以获得定量氨。该流通过气体扩散装置，其中氨被转移到氯化铵缓冲溶液的交叉流中。该流通过具有平坦pH电极的电池，其中读取电位。此方法每16分钟提供一次分析。

每个反应器都配备了一个自动取样系统，以获得连续的无生物质样品流。一组计算机控制的截断阀用于选择采样回路。

在此子系统上实现的分析仪代理包括数据采集、图形监控、数据备份和采样系统控制。此外，它还驱动分析仪的每个模块（三通 阀、喷射阀和泵）。所有这些信息都用于馈送数据服务器代理。

2.4 数据服务器代理

独立进程计算机（PC）使用数据服务器代理进行链接，该代理程序在 Workstation Sun Sparcstation上执行。该网关允许使用系统中生成的信息维护实时数据库。数据服务器代理程序使用其他代理程序提供或请求的信息管理数据库。

数据服务器代理能够随时接收来自任何其他代理的查询，并立即发送所需的信息。它还能够同时与不同的代理保持多个通信，以避免连接中的任何延迟。该代理提供分布式控制系统所需的实时环境;它特别允许hArr;KBS的双向通信系统试验工厂。

基于客户端/服务器体系结构的 TCP/IP 协议已用于解决通信要求。这种通信是通过消息完成的，消息是使用一组预定义的选项（如读取或发送数据，读取或发送消息，或激活/停用本地控制循环）组成的。该消息包括所需的操作、变量的标识，最后是提高数据传输安全性的校验和。使用实现的系统，连接到Internet的任何计算机和数据服务器代理之间的通信（数据采集和远程致动）是可能的。

2.5知识库系统

在 G2 shell中开发的KBS在Sun工作站中运行，位于系统架构的顶端。它由一组在监控设定点控制（SSC）方案中启动的代理组成。它还能够执行此类系统中未包含的其他控制操作，例如，在某些情况下停用本地控制回路。

KBS中存储的知识基于有关我们特定系统中获得的类似过程和经验的现有科学背景。使用的主要书目来源是废水工程（Metcalf和Eddy Inc.，1991年）和氮控制手册（EPA，1993年），尽管也使用了与废水处理有关的其他论文。所考虑的实践经验来自对系统设计师和工厂操作员的访谈 。该试验工厂已经连续工作了4年以上;因此，发现了一组重要的启发式规则。

所有知识都是通过试验工厂每个子系统的一整套规则和程序构建的，分布在一组专门的代理上，并与主管代理共同协调。主管代理可以与其下属代理进行双向通信;它还可以从管理数据服务器的代理请求数据并控制工厂的性能。

3 知识库系统架构

KBS基于由主管集成的分布式架构，是先前定义的架构的特定应用（Serra等人，1994;桑切斯等人，1996年）。信息分布在多个代理上，表示 WWTP 的每个子进程的可用知识。使用基于代理的软件工程视角具有一些优势（Jennings和Wooldridge，1997），例如，获得系统的模块化，可重用性和可扩展性，或者获得能够管理AI系统日益增加的复杂性的系统。所有独立代理和主管代理共享一个通用知识库，该知识库在它们之间交换信息时使用。在图 3 中，显示了独立代理和 KBS 体系结构的方案。系统分为四个不同的级别：本地控制级别、数据级别、分布式知识级别和监督级别。

3.1 本地控制级别

WWTP最初是使用分布式本地控制系统构建和运行的。该级别允许使用一组预定义的设定点直接控制试验工厂，并主要应用数控。具有此本地控制的硬件体系结构允许监视和控制系统以及KBS的独立性。此控件可以在没

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