污水处理过程中不可避免地需要使用提升泵输送污水，大量能源消耗在输送污水上，而为了保障污水处理过程的安全，提升泵组中提升泵台数通常多于其所需台数。提升泵组的调度问题关系到污水处理工艺的稳定运行，泵组控制方案的好坏，决定了相关污水处理工艺的效率和能耗。如何根据生化污水治理工艺复杂工况设计合适的提升泵组执行控制策略，对于优化泵组的运行效率，降低泵组故障具有重要意义。为了解决提升泵组优化控制问题，已有一些文献开展了相关研究^〔1-5〕。

但之前的研究中，优化目标主要是泵组运行功率，其中对执行器的供电、功率、变频调速的影响、经济因素等进行考虑，部分文献还提到了设备利用率、故障预防等因素。在实际现场中提升泵主备用切换和故障切换是常见的调度问题，同时考虑了提升泵和被控对象的工况，将多台污水提升泵的调度问题分解为两个部分，分别是泵的投入顺序和泵的投入数量。为了提高设备使用寿命，减少提升泵启动频率和长期工作时间，给出了策略评价指标，实践表明调度策略达到了设计要求。

图 1是典型的CASS工艺流程图。

CASS池在ICEAS反应池（间歇式循环延时曝气活性污泥池）的前端增添了一个生物选择器作为第一个反应区，在池末端好氧区设置污泥回流泵，让污泥通过回流泵不断从主曝气区泵送至生物选择器中。滗水器改善了CASS工艺的连续性，让CASS池能够连续进水，使之适应于更大规模的污水处理。从末端好氧区回流的污泥被输送到生物选择器及缺氧区内，在厌氧或兼氧条件下保证回流的活性污泥不断在选择器环节处于高絮体负荷（S0/X0，即底物浓度和活性微生物浓度的比值）阶段，促进絮状细菌生长，同时抑制丝状菌，提高了去除有机污染物的效率。主反应区是去除有机底物的主场所，通过控制曝气量，使反应区溶液处于好氧状态，满足好氧菌降解有机物的条件^〔6〕。CASS工艺通过多组反应器在时间上交替运行保证沉淀阶段污泥无进水干扰，满足了理想沉淀条件，保障了良好的沉淀效果^〔7〕。

污水经过调节池处理输送到CASS池，通常工程中CASS池分为4路。每个CASS池分为3个区域，污水依次流过生物选择区、兼氧区和主反应区，在CASS内经过进水、曝气、沉淀和滗水四个过程后，污水进入中间水池等待下一步的处理，而污泥一部分回流到生物选择区与进水混合，利用活性污泥的吸附作用和水解作用对污水中的悬浮物和有机物进行预处理，在厌氧环境下释放了污泥中的磷，强化了反硝化反应，有利于主反应区的脱氮除磷；另一部分由排泥泵排出系统。在CASS池处于曝气状态时，鼓风机通过池内的鼓泡器向兼氧区和主反应区曝气。经过一段时间后，CASS池进入沉淀状态，曝气系统关闭，微生物释放富磷的污泥沉淀到池底。最终经过处理的污水通过滗水器离开CASS池。经过这样一个循环单个CASS池能够实现连续进水和间歇出水的工作方式。由于本工程采用了四路CASS池，每一路CASS池都处于进水、曝气、沉淀、滗水四种状态的其中一种，通过这种方式近似地达到了连续进水、连续出水的工作方式，使得污水处理厂的生产效率大大提高。

单个CASS池各个环节耗费时间如图 2所示，以6 h为1个循环，进水与曝气环节占据前4个小时和最后一个小时，沉淀环节在第5个小时，排水环节在最后。

进水环节与曝气环节完全重叠，进水、排水环节中提升泵组处于工作状态，其余环节不工作。沉淀、排水环节各占1 h。

降雨和居民生产生活造成污水流量规律性波动，CASS工段前后设置有调节池和中间水池，以减少污水流量与污染物浓度的冲击。

CASS工艺省去了沉淀池，在一个反应池内处理多道工序，相比传统工艺建设成本小；其工艺简单，脱氮除磷效果好并且污泥产量低，污泥性质稳定，不产生污泥膨胀，出水水质较好。

污水处理过程中常常需要利用提升泵完成污水的输送，对于常见的CASS污水处理工艺，在污水进入活性污泥生物反应池处理之前，需要经过粗格栅、细格栅过滤一部分悬浮物，进入调节池进行简单曝气等一系列准备过程^〔8〕。这一过程被称为预处理，污水提升是这个过程的最终步骤，该环节是污水处理的一个重要环节，对于保障整个工艺的连续性十分关键。

当CASS池处于进水、曝气阶段时，提升泵需要快速提升反应池液位达到给定状态，保障曝气阶段时长。处于沉淀阶段时，提升泵停止工作。排水阶段时，滗水器排水，提升泵少量补充进水。调节CASS工艺进水、曝气阶段的提升泵是控制的重点。为提高进水量、系统安全性，保障污水处理工艺正常运行，采用多台提升泵设置主备用的方式。为延长设备寿命，经常性切换主备用泵，防止泵长期运行。因此提升泵通常不是单独存在，而是以提升泵组的形式工作^〔9〕。当使用单一提升泵时，可以采用直接启停的控制方式来保障下一级污水液位的稳定，这种方式简单易行，然而当提升泵的数量逐渐增多时，这个控制方式的弊端显现，简单地依次启动或停止多个泵不能很好地发挥泵组的性能，对于故障状况也不能解决。

对含有多个提升泵的液位控制系统，将多个执行器并联用一个控制器去控制是一种较为简单的控制方案，如图 3所示。

如同控制器控制单个执行器的情况，一个控制器同时控制所有提升泵，调节液位到稳态值，提升泵组的主备用切换和故障检修需要人工操作完成。

简单的控制所有提升泵使得其中大多数没有发生故障的泵处于长期运行状态，降低了设备使用寿命，实际现场中往往只需要运行一部分提升泵，当液位偏差较小时，多个提升泵同时运行会降低控制精度。除此之外这种方案还需要人工实现主备用切换，对故障的提升泵没有进行处理。因此，对于含有多个提升泵的控制系统需要对被控对象的工况进行分析以获取更好的控制效果。

考虑多台预处理提升泵，其控制难度在于需要根据现场情况对泵组的工作进行合理调度。考虑到当前反应池液位状态，即被控对象工况，通过调度让某台或某几台泵在一段时间工作，使得反应池液位处于正常状态并保持稳定，状态正常的泵轮换工作保障泵的使用寿命^〔10〕。将被控对象的工况进行分类以不同的控制器操作不同功率和数量提升泵，达到适应于对象工况的控制，如图 4所示。

对于液位测量值与液位给定差距过大的情况，控制器选择提升泵组中功率较大的泵工作，以取得更快的响应速度。反之，则选择功率较小的提升泵使得液位更稳定，系统超调更小。这种方法根据被控对象的工况进行分类，实现了不同的执行器依工况轮换工作，改善了系统性能，提高了效率。

然而对于控制较稳定的系统，这种分段式的控制方案，使得偏差较小的控制回路长期处于工作状态，相关的泵工作时间较长，而偏差较大的控制回路，控制效果明显，在进水流量不稳定的情况下容易反复启停，影响提升泵使用寿命。为了提高泵的使用寿命需要考虑泵自身的工况。

合理调度多台预处理提升泵兼顾其控制效果、运行功率和使用寿命。同时考虑包括被控对象工况、执行器工况，对于提升泵其工况主要包括连续运行时间和故障状态。通过调度让提升泵组内各个提升泵工作时间大致相同并减少泵反复启停的情况，这样减少了泵发生故障的概率，对于已经发生故障的提升泵自动列入备用泵行列，在自动轮换时能使控制系统不受影响。

根据反应池液位将液位状况分为多种情况，分情况决定泵的启动数量；根据泵的故障状况和泵的工作时间决定相应的泵处于工作状态、检修状态还是休息状态。可知，在污水处理提升泵组的具体问题主要集中在泵投入的优先级、泵投入的数量。其调度控制原理如图 5所示。

综合考虑了被控对象和执行器的工况，由被控对象决定执行器的工作数量，执行器工况决定其工作优先级。这样的策略使得电机主备用自动切换，保障水泵的运行寿命，降低发生故障的概率。相比上两种控制方法，在保障了控制效果的同时，将调度问题分为确定执行器投入次序和投入数量两个子问题。基于以上原因，本研究采用同时兼顾被控对象和执行器工况的提升泵调度策略。

经过上一小节的分析，为了兼顾考虑被控对象和执行器的工况，将污水提升泵的调度问题分解为确定执行器投入数量和次序两个问题。

对于污水提升泵的调度问题首先需要解决的是提升泵的投入数量问题。由被控对象的工况，即液位测量值与给定值的偏差来决定提升泵投入数量，将液位偏差划分为多个等级的液位区间，在不同的区间运行不同数量的提升泵。具体见式（1）、式（2）。

(1)

(2)

式中：N——投入运行的提升泵数量；

n——提升泵总数；

P_j——第j个提升泵功率，kW；

k——反应池容积系数，反映提升泵提升反应池液位的能力；

e——液位偏差，m；

f（x）——偏差与提升泵数量的关系模型，当f（x）=x时，表示偏差大小与提升泵数量成正比例关系；

e_i——第i个液位区间上界，m。

相关约束条件见式（3）。

(3)

根据式（3）可以得出最大可以划分n个液位等级对应n个偏差区间，区间1为（0，e₁），提升泵投入数量为1；区间2为（e₁，e₂），提升泵投入数量为2，依次排列。确定完提升泵投入的数量，还需要确定泵的投入次序。

工业现场执行机构往往分为工作、热备用、冷备用、检修四种工作状态。对于用于污水处理的提升泵，主泵处于工作状态、备用泵一般处于热备用和冷备用状态、发生故障后的泵需要进行检修，此时泵处于检修状态。这四种状态代表了泵的投入次序，即优先级，在工作中，主泵先运行，当偏差过大时，启用备用泵，处于检修状态的泵不参与工作。

确定合适的泵投入顺序，让故障概率更低的泵先工作，而让故障概率高，甚至已经出现故障的泵备用或进行检修，提高泵的使用寿命，保障污水处理效率。为了考察提升泵的故障率，综合考虑泵的累计工作时间和连续工作时间、供电电压偏差。供电电压偏差较大，使整个泵组的故障率提高、泵累计工作时间、连续工作时间越长发生故障概率越大。

为了确定泵的投入顺序，引入了泵的故障评价指标，见式（4）。

(4)

式中：t₁——泵的累计工作时间，h；

K₁——累计工作时间故障系数；

t₂——泵的连续工作时间，h；

K₂——连续工作时间故障系数；

Q_V——供电电压偏差系数。

当Q大于一定值需要进入检修状态。根据每个泵的Q值决定提升泵组的工作优先级。

完成故障评价后，泵组中的各个泵的投入次序按故障评价指标由高到低排列次序确定形成次序队列。按照队列对提升泵进行重新编号，依次是逻辑a泵、逻辑b泵等等。

确定了泵的投入数量和投入次序后，按照确定的参数进行调度控制。依据提升泵工作数量将提升泵按投入次序进行工作。设定连续工作时间参数t_s，该参数过大会导致提升泵连续工作时间过长，降低设备使用寿命；参数过小，提升泵队列很快完成一轮主备用切换，会使得提升泵频繁启动，从而降低设备使用寿命。当每个泵工作一个连续工作时间后提升泵停止工作，队列次序发生改变，该泵进入队尾，逻辑位号由a变为n，其他提升泵逻辑位号依次提升一位，如图 6所示。

当提升泵投入数量降低时，使逻辑位号靠前的提升泵停止，如上所述更新逻辑位号；当某个提升泵发生故障时，则将该提升泵剔出次序队列，轮换主备用切换时将不会遍历到该泵，现场工程师可以对其进行检修。对于一个泵，轮换流程如图 7。

其中n为提升泵第一次评价排列获得的次序，N为提升泵投入数量，t_s为提升泵连续工作时间参数，n_max为提升泵的总数减去故障数。对于单个提升泵先进行故障评价，然后根据评价结果得到提升泵逻辑位号，再等待逻辑位号更新到小于相等投入数量的时候，启动该提升泵，在经历一个连续工作时间后停止工作，更新逻辑位号排列到队尾。当发生故障时，这将该泵移出次序队列并更新其余提升泵的逻辑位号；提升泵投入数量减少时，根据逻辑位号的大小依次排列到队尾。

通过这样的控制策略，当提升泵投入数量为2时，只需要将提升泵a、b投入运行，而不需要知道提升泵的物理位号，具体控制某两台泵运行，方便了控制策略的实现。

该调度策略避免了提升泵满负荷造成的浪费，同时较少了泵的频繁启停，延长设备使用寿命，节约成本。

为了定量衡量多种调度策略对提升泵组工况的影响程度，定义了以下指标：

（1）提升泵启动率。提升泵的启动率定义为提升泵启动次数与系统响应曲线波动次数之比，用来反映提升泵启动的频繁程度，其计算见式（5）。

(5)

式中：N_on——提升泵启动次数；

N_c——系统响应曲线波动次数。

（2）提升泵平均工作率。提升泵平均工作率定义为每个提升泵工作总时间与控制过程总时间之比的平均值，用来反映提升泵总工作时间的长短，其计算见式（6）。

(6)

式中：t_i——第i个提升泵工作总时间，h；

t_t——控制过程总时间，h；

n——提升泵数量。

（3）提升泵工作时间方差。各个提升泵工作时间与提升泵平均工作时间之差的平方和的平均数，用来反映各个提升泵工作时间与平均工作时间的离散程度，其计算见式（7）。

(7)

式中：t_i——第i个提升泵工作总时间，h；

${\bar t}$_i——提升泵工作总时间的均值，h；

n——提升泵数量。

（4）控制合格率。控制合格率定义为被控变量实际值在给定值附近10%的区间内所占的时间与整个控制过程时间之比，用来反映控制策略的控制效果，其计算见式（8）。

(8)

式中：t_h——控制变量实际值满足条件的总时间，h；

t_t——控制过程总时间，h。

本研究利用秦安污水处理提标改造工程进行实验，其系统组态曲线图和参数如图 8、图 9所示。

根据相关数据计算评估结果见表 1，第一种简单控制方案启动率最高，按被控对象工况调度的方案启动率大大降低，主要是由于液位偏差较小，有一部分提升泵一直没有工作，导致提升泵启动率较低，而平均工作率也是因为同样的原因比第一种方法低很多，但这种方法导致提升泵工作时间方差很大，一部分泵连续工作时间长，而另一部分泵长期处于备用状态。

第三种调度方法提升泵启动率最低，表明提升泵反复启停现象较少，轮流切换主备用的方式使得提升泵平均工作率也很低。工作时间方差虽然较第二种方法小但是仍然较高表明在控制过程中，一个提升泵经常没有执行完一个连续工作时间就因为投入数量变化而更新逻辑位号进入队尾，这样提升泵的工作时间离散程度比较大导致了方差较大。

针对污水处理过程中常见的提升泵组调度问题进行了分析，考虑了被控变量和执行器的工况将其分解为泵的投入次序和投入数量问题并给出了相应的控制方案。控制方案也分为两层，第一步液位给定偏差，确定泵的投入数量；第二步建模对提升泵进行故障评价给出投入次序并给出策略评估指标。经过实验表明，该调度策略能够在控制效果不劣化的情况下，使得提升泵的启停频率降低，长时间运行的情况减少，保障了设备的使用寿命，具有很大经济意义。