论文部分内容阅读
摘要：伴随我国人口的持续增长，生活用水量有了大幅度的提高，对水源造成了很严重的污染，加上我国水资源短缺，因此，必须要加大污水处理工作的力度，有效的对城市污水进行处理。本文主要对于污水处理厂的自动控制系统进行了简单的探讨。
关键词：污水处理；自动控制系统；PLC
中图分类号： U664 文献标识码： A
引言
伴随着科技的迅猛发展和人们生活环境的改善，人们对于洁净水源也提出了更高的要求。水是人们日常生活中不可或缺的重要资源，水处理自动化系统是否可靠稳定已经成了当前城市水资源管理部分重点关注的问题。信息技术和自动化控制技术的发展，提高了水处理控制的智能化程度，因为PLC和3C技术相结合具有较强的抗干扰性、稳定性、灵活性而成了水处理自动化系统中的主要控制部件，并有效提高了水处理自动化系统的智能化程度，减少了人力资源的投入。
一、污水处理厂自动控制系统设计原则污水处理厂自动控制系统为了实现被控对象的工艺要求，以提升生产效率和出水水质，在对控制系统进行设计时应遵循以下几项原则：(1)可靠性原则：污水处理与一个城市居民的身体健康和居住投资环境息息相关，所以设计的可靠性原则为所有原则之首。(2)技術成熟性原则：在设计的适合，不但要考虑满足设计的需要，还要重视使用较为成熟、先进、方便后期维护的设备和技术。(3)技术经济性原则：重视当前以及未来技术发展的需求，选择实用性强、兼容性好、性价比高的方案和设备配置。
二、污水处理控制系统设计与实现
（一）污水处理控制系统结构
依据污水处理工艺过程要求，为了使自动控制实现可靠性，系统采用分层控制结构。控制系统分三层结构和二级网络。三层结构有：设备层、数据采集层和监控层(中心控制室) 。其中，设备层主要由设置在各污水处理单元内的COD 监测仪、氨氮监测仪、PH 计、电流传感器等等设备组成；数据采集层由设置在现场的PLC 数据采集单元(下位机) 组成；监控层由设置在中心控制室内的操作站计算机(上位机) 及组态软件组成。现场每一种数据通过现场数据采集模块采集，并通过Profibus DP 现场通讯总线传送至中央控制室操作站进行集中监视和管理。二级网络主要有： PROFIBUS－DP 现场通讯总线和以太网。PROFIBUS－DP 现场通讯总线负责设备层和数据采集层之间的通讯和数据传输；以太网负责数据采集层和监控层之间的通讯和数据传输。系统的总体结构图如图1所示。
（图1 系统总体结构图 ）
（二）PLC的选择
污水处理自动控制系统要求PLC 的性能较高，首先，PLC是污水处理自动控制系统的核心，需具备稳定可靠的特点，可以预处理数据并进行集中传输，故障保护能力高；其次，控制分站中的控制器要具备可以独立控制分区各项任务的功能，如果监控站或者监控中心意外停止运行，相邻区域控制器也能进行数据信息交换；再次，如果某控制站中的控制量出现变化，就要根据预定方案采取措施，相应的调整相关区域设备。因此，必须要具备实现集中或独立工作方式，尤其是能在独立控制时实现与相邻控制器进行数据交换数据采集存储处理、容错等功能。综合考虑整个监控系统性能及运营周期等因素之后再选择适宜的设备，尤其在气候环境条件恶劣的情况下及规模相对较大的污水处理厂，必须选用性能更高的双机热备冗余PLC。
一般环境下或规模较小的污水处理厂，通常多使用SIMATIC S7系列标准机型作为现场控制器，对工业以太网与多种现场总线的支持性、系统开放性及兼容性都很好，采取远程智能分布式结构控制方式，可以符合污水处理自动控制系统对信号处理的不同需求。
（三）系统软件设计
1、PLC 程序设计
Step7 v5.4 是西门子S7－300 系列PLC的编程软件，支持梯形图编程、STL 语句表编程、I /O 模块布局配置、数据库编辑，且能进行程序的线上更改、监控及调试。PLC 具体程序控制流程图如图2所示。
（图2 PLC 程序控制流程图 ）
（三）组态软件设计
上位工控机软件运用北京亚控公司的组态王V6．55版本。组态王是专门为过程控制和现场监控而开发的监控系统组态软件，具有很好的数据处理能力和友好的用户界面，并提供了大量的数据库功能和在线帮助功能，因为它简单易学，具有丰富的工具箱、图库和操作向导，界面为全中文，所以深受国内广大用户的青睐，在电力、制冷、化工、机械制造、交通管理等领域已经被广泛应用。在任何应用场合，都能使用组态王快速构造出美观的监控和数据采集系统。现场生化曝气池运行工艺画面和日报表画面分别如图3、图4所示。
（图3现场生化曝气池运行工艺画面）
（图4 日报表画面）
三、污水处理厂的自动化系统中的问题
1、不能够精确地对程序进行控制，且运行人员的工作量没有减少。污水处理工艺较为复杂，一般是由多个子系统完成不同的过程,然而现行的计算机监控系统的控制只是针对某一个工艺过程,缺乏完善的联动程序实现多个工艺过程的控制，且没有实现其自动控制过程。
2、没有研制出具有人性化的计算机监控程序，所以缺乏操作性，使得自动化系统的效率未能提高。
网络设计滞后，缺乏可靠性，使得生产无法正常进行。现行的网络基本都属于星型网络，如果一个节点割断，就会影响到其他子系统的运行。
四、解决措施
1、在计算机的监控系统中需要研发出可以把多个工艺过程相连接的联动程序。比如自动控制格栅间及进水泵房；格栅间实现螺旋输送机先于格栅机打开,滞后于格栅机停，并能在监控软件中设定启停的间隔时间。
2、开发出具有人性化的计算机监控系统，便于操作人员的工作，能够促进多个指定画面的研发。
3、对污水处理厂的计算机监控系统中的网络结构进行改善,可采用光纤环网，这样则可以避免星形网络结构引发的问题，增强其可靠性。
五、污水处理过程的单元控制
（一）提升泵房运行以及控制
由于排水管网的实时调度难度比较大，所以要提高泵房就应运用合理的编组策略，要主动适应管网的涞水流量进行变化。泵选型的提升直接影响着编组策略，需要综合的考虑控制流量与能源效率的关系。在确定提升泵以后，其提升水量还要与提升出口液位、集水井液位以及格栅前液位具有一定的函数关系。提升泵的编组数学含义就是需要采用不同的编组的数字含义，就是要运用不同的编组形成的流量分段函数接近于连续变化的管网来水流量。
在工程施工过程中，一般情况下要依据集水井液位进行模糊的控制和分段控制，控制的效果会受到提升泵选型以及排水管网特性等一些因素的影响。 （二）初沉池的运行以及控制
初沉池的运营会极易受水量波动的影响，从而使泥层的厚度以及初沉出水的水质发生改变。初沉池的控制参数也主要是排泥量及其停留时间，降低排泥量、延长停留的时间有对于难降解有机质在初沉池的泥层中进行水解以及发酵反应有帮助，可以提升初沉池的出水有机质的浓度以及易降解组分的比例，大部分都是被应用在进水碳源含量相对较低的情况。
（三）生化处理单元的运行以及控制
生化处理单元的过程参数主要有内回流以及曝气量等，过程的主要特征是滞后性明显、惯性较大，很难精细的对其进行控制。目前，较成熟的对策就是以曝气量以及管道压力作为中间变量的串级反馈的控制算法。串级反馈结构主要是分离了相对较快的曝气过程以及相对缓慢的氧传质以及消耗的过程，而且还能够较好的实现溶解氧浓度的稳定控制情况。此外，还有很多关于模糊控制、专家系统以及神经网络等溶解氧的控制算法的研究成果，还可以在工程的实践过程中进行尝试以及完善。
内回流的控制与水负荷情况息息相关，依据进水的水质和水量情况特点，对内回流泵进行动态的调节，可以在一定的条件下对其总氮的去除效果进行改善。
（四）二沉池的运行以及控制
二沉池的控制过程主要包含外回流、泥位以及排泥量。控制二沉池的泥位进行可以获取较为稳定的泥水分离的效果，可以对二沉池出水的水质量进行改善。对外回流的控制可以对系统内的活性污泥浓度进行改变和控制，从而获取稳定的污泥负荷或者是生物量。对排泥量的控制可以考虑改变系统的污泥龄。
同时二沉池的控制还需要综合、统一的和生化单元的控制进行考虑，可以依据进水流量的整体变化，时的预警和判断泥位，對于排泥泵和回流泵进行及时和有效的控制。
（五）化学除磷过程的运行以及控制
由于生物的除磷过程有一定的局限性，污水的处理厂还常常需要增加化学的除磷单元对出水的总磷进行控制实现达标。目前，一般所采用恒量的投加化学除磷药剂的方式和方法，极易导致药剂的浪费或者是影响污泥的活性等。化学除磷的控制技术通常都包含磷符合前馈控制技术以及出水磷浓度的反馈控制技术等等。在进行控制的策略方面，可以依据有关工艺的特点选择合适的加药点，分析化学药剂的性能，从而再依据磷的浓度或者是符合的变化对药剂的投加量进行动态的控制。
（六）深度处理单元的运行以及控制
深度的处理单元主要包含过滤、消毒以及高级氧化等其他工艺，一般都是成套化的设备，具备独立的控制系统。目前，深度处理单元的水力学控制技术相对较为成熟，然而在水质学的控制方面还有很多不足之处，还不对污染物的去除量进行准确的估计此外，要是还需要在整个工艺过程中只能对污染物的去除比例进行合理的分配，这就需要统筹的对整个流程进行考虑。
六、污水处理工艺的整个流程控制策略
为了可以实现对整个流程的控制，需要有效的对以下问题进行解决。
（一）进一步发展和完善单元的控制技术
单元的控制技术是整个流程控制的基础。目前，提升泵房控制以及溶解氧等控制单元的过程控制技术，紫外线消毒以及深度处理滤池等设备控制技术也已经在大型的污水处理厂有了较为广泛的应用。其他的单元控制技术还是需要进一步结合工程的实际情况加以完善，从而提高技术的使用性。
（二）提高在线仪表的可靠性
要开发新型的过程类仪表。在线的水质测量仪表的价格比较昂贵，维护起来也有些困难，而且其可靠性不足，这些都对我国城市污水处理厂实现实时控制技术形成了制约。因此，这就需要可以提高在线水质仪表的质量以及国产化的水平，从而改变运行人员对在线所测定的水质数据的信心不足问题。此外，由于水质参数主要是状态变量，还不可以快捷和直观的对过程特征进行反映，因此还需要推广在线沉降速率仪、在线呼吸速度仪等价格低廉的新型过程类的仪表，进而适应过程控制的需要。
（三）对不同系统便捷的工艺优化运行策略进行研究
污水处理系统的控制对策主要可以分为生化单元控制、厂网联合优化运行以及污水处理工艺优化运行三个层次。不同的系统边界所产生的优化结果往往不同，因此，就需要详细的对工艺进行分析，从而得到主要矛盾选取合适的边界进行研究以及示范。
结束语
伴随信息技术的发展，我国污水处理厂的程序开始大量引进自动化技术。通过运用自动化系统，可以实现污水处理的无人无人值守全自动控制。因此自动化系统也就成了现在污水处理的关键，需要注重研制出有效的、科学的、合理的计算机监控系统，使污水处理可以更加有效。
参考文献：
[1]常帅. 自动控制系统在污水处理厂中的应用[J]. 科技资讯,2009,06:122.
[2]姜西羚,庞晶晶. 基于PLC的污水处理厂自动控制系统[J]. 建筑电气,2009,06:48-50.
[3]王芳. 污水处理厂自动控制系统的建立[J]. 机械工程与自动化,2010,06:203-204.
张军(1980-),男,大专学历,2002年毕业于陕西工业职业技术学院电气自动化专业,工程师,从事于自动化项目设计调试工作及污水处理电气设计。
吕策思(1981-),男,本科学历,2005年毕业于中国矿业大学电气工程与自动化专业,工程师,从事于自动化项目设计调试工作。
关键词：污水处理；自动控制系统；PLC
中图分类号： U664 文献标识码： A
引言
伴随着科技的迅猛发展和人们生活环境的改善，人们对于洁净水源也提出了更高的要求。水是人们日常生活中不可或缺的重要资源，水处理自动化系统是否可靠稳定已经成了当前城市水资源管理部分重点关注的问题。信息技术和自动化控制技术的发展，提高了水处理控制的智能化程度，因为PLC和3C技术相结合具有较强的抗干扰性、稳定性、灵活性而成了水处理自动化系统中的主要控制部件，并有效提高了水处理自动化系统的智能化程度，减少了人力资源的投入。
一、污水处理厂自动控制系统设计原则污水处理厂自动控制系统为了实现被控对象的工艺要求，以提升生产效率和出水水质，在对控制系统进行设计时应遵循以下几项原则：(1)可靠性原则：污水处理与一个城市居民的身体健康和居住投资环境息息相关，所以设计的可靠性原则为所有原则之首。(2)技術成熟性原则：在设计的适合，不但要考虑满足设计的需要，还要重视使用较为成熟、先进、方便后期维护的设备和技术。(3)技术经济性原则：重视当前以及未来技术发展的需求，选择实用性强、兼容性好、性价比高的方案和设备配置。
二、污水处理控制系统设计与实现
（一）污水处理控制系统结构
依据污水处理工艺过程要求，为了使自动控制实现可靠性，系统采用分层控制结构。控制系统分三层结构和二级网络。三层结构有：设备层、数据采集层和监控层(中心控制室) 。其中，设备层主要由设置在各污水处理单元内的COD 监测仪、氨氮监测仪、PH 计、电流传感器等等设备组成；数据采集层由设置在现场的PLC 数据采集单元(下位机) 组成；监控层由设置在中心控制室内的操作站计算机(上位机) 及组态软件组成。现场每一种数据通过现场数据采集模块采集，并通过Profibus DP 现场通讯总线传送至中央控制室操作站进行集中监视和管理。二级网络主要有： PROFIBUS－DP 现场通讯总线和以太网。PROFIBUS－DP 现场通讯总线负责设备层和数据采集层之间的通讯和数据传输；以太网负责数据采集层和监控层之间的通讯和数据传输。系统的总体结构图如图1所示。
（图1 系统总体结构图 ）
（二）PLC的选择
污水处理自动控制系统要求PLC 的性能较高，首先，PLC是污水处理自动控制系统的核心，需具备稳定可靠的特点，可以预处理数据并进行集中传输，故障保护能力高；其次，控制分站中的控制器要具备可以独立控制分区各项任务的功能，如果监控站或者监控中心意外停止运行，相邻区域控制器也能进行数据信息交换；再次，如果某控制站中的控制量出现变化，就要根据预定方案采取措施，相应的调整相关区域设备。因此，必须要具备实现集中或独立工作方式，尤其是能在独立控制时实现与相邻控制器进行数据交换数据采集存储处理、容错等功能。综合考虑整个监控系统性能及运营周期等因素之后再选择适宜的设备，尤其在气候环境条件恶劣的情况下及规模相对较大的污水处理厂，必须选用性能更高的双机热备冗余PLC。
一般环境下或规模较小的污水处理厂，通常多使用SIMATIC S7系列标准机型作为现场控制器，对工业以太网与多种现场总线的支持性、系统开放性及兼容性都很好，采取远程智能分布式结构控制方式，可以符合污水处理自动控制系统对信号处理的不同需求。
（三）系统软件设计
1、PLC 程序设计
Step7 v5.4 是西门子S7－300 系列PLC的编程软件，支持梯形图编程、STL 语句表编程、I /O 模块布局配置、数据库编辑，且能进行程序的线上更改、监控及调试。PLC 具体程序控制流程图如图2所示。
（图2 PLC 程序控制流程图 ）
（三）组态软件设计
上位工控机软件运用北京亚控公司的组态王V6．55版本。组态王是专门为过程控制和现场监控而开发的监控系统组态软件，具有很好的数据处理能力和友好的用户界面，并提供了大量的数据库功能和在线帮助功能，因为它简单易学，具有丰富的工具箱、图库和操作向导，界面为全中文，所以深受国内广大用户的青睐，在电力、制冷、化工、机械制造、交通管理等领域已经被广泛应用。在任何应用场合，都能使用组态王快速构造出美观的监控和数据采集系统。现场生化曝气池运行工艺画面和日报表画面分别如图3、图4所示。
（图3现场生化曝气池运行工艺画面）
（图4 日报表画面）
三、污水处理厂的自动化系统中的问题
1、不能够精确地对程序进行控制，且运行人员的工作量没有减少。污水处理工艺较为复杂，一般是由多个子系统完成不同的过程,然而现行的计算机监控系统的控制只是针对某一个工艺过程,缺乏完善的联动程序实现多个工艺过程的控制，且没有实现其自动控制过程。
2、没有研制出具有人性化的计算机监控程序，所以缺乏操作性，使得自动化系统的效率未能提高。
网络设计滞后，缺乏可靠性，使得生产无法正常进行。现行的网络基本都属于星型网络，如果一个节点割断，就会影响到其他子系统的运行。
四、解决措施
1、在计算机的监控系统中需要研发出可以把多个工艺过程相连接的联动程序。比如自动控制格栅间及进水泵房；格栅间实现螺旋输送机先于格栅机打开,滞后于格栅机停，并能在监控软件中设定启停的间隔时间。
2、开发出具有人性化的计算机监控系统，便于操作人员的工作，能够促进多个指定画面的研发。
3、对污水处理厂的计算机监控系统中的网络结构进行改善,可采用光纤环网，这样则可以避免星形网络结构引发的问题，增强其可靠性。
五、污水处理过程的单元控制
（一）提升泵房运行以及控制
由于排水管网的实时调度难度比较大，所以要提高泵房就应运用合理的编组策略，要主动适应管网的涞水流量进行变化。泵选型的提升直接影响着编组策略，需要综合的考虑控制流量与能源效率的关系。在确定提升泵以后，其提升水量还要与提升出口液位、集水井液位以及格栅前液位具有一定的函数关系。提升泵的编组数学含义就是需要采用不同的编组的数字含义，就是要运用不同的编组形成的流量分段函数接近于连续变化的管网来水流量。
在工程施工过程中，一般情况下要依据集水井液位进行模糊的控制和分段控制，控制的效果会受到提升泵选型以及排水管网特性等一些因素的影响。 （二）初沉池的运行以及控制
初沉池的运营会极易受水量波动的影响，从而使泥层的厚度以及初沉出水的水质发生改变。初沉池的控制参数也主要是排泥量及其停留时间，降低排泥量、延长停留的时间有对于难降解有机质在初沉池的泥层中进行水解以及发酵反应有帮助，可以提升初沉池的出水有机质的浓度以及易降解组分的比例，大部分都是被应用在进水碳源含量相对较低的情况。
（三）生化处理单元的运行以及控制
生化处理单元的过程参数主要有内回流以及曝气量等，过程的主要特征是滞后性明显、惯性较大，很难精细的对其进行控制。目前，较成熟的对策就是以曝气量以及管道压力作为中间变量的串级反馈的控制算法。串级反馈结构主要是分离了相对较快的曝气过程以及相对缓慢的氧传质以及消耗的过程，而且还能够较好的实现溶解氧浓度的稳定控制情况。此外，还有很多关于模糊控制、专家系统以及神经网络等溶解氧的控制算法的研究成果，还可以在工程的实践过程中进行尝试以及完善。
内回流的控制与水负荷情况息息相关，依据进水的水质和水量情况特点，对内回流泵进行动态的调节，可以在一定的条件下对其总氮的去除效果进行改善。
（四）二沉池的运行以及控制
二沉池的控制过程主要包含外回流、泥位以及排泥量。控制二沉池的泥位进行可以获取较为稳定的泥水分离的效果，可以对二沉池出水的水质量进行改善。对外回流的控制可以对系统内的活性污泥浓度进行改变和控制，从而获取稳定的污泥负荷或者是生物量。对排泥量的控制可以考虑改变系统的污泥龄。
同时二沉池的控制还需要综合、统一的和生化单元的控制进行考虑，可以依据进水流量的整体变化，时的预警和判断泥位，對于排泥泵和回流泵进行及时和有效的控制。
（五）化学除磷过程的运行以及控制
由于生物的除磷过程有一定的局限性，污水的处理厂还常常需要增加化学的除磷单元对出水的总磷进行控制实现达标。目前，一般所采用恒量的投加化学除磷药剂的方式和方法，极易导致药剂的浪费或者是影响污泥的活性等。化学除磷的控制技术通常都包含磷符合前馈控制技术以及出水磷浓度的反馈控制技术等等。在进行控制的策略方面，可以依据有关工艺的特点选择合适的加药点，分析化学药剂的性能，从而再依据磷的浓度或者是符合的变化对药剂的投加量进行动态的控制。
（六）深度处理单元的运行以及控制
深度的处理单元主要包含过滤、消毒以及高级氧化等其他工艺，一般都是成套化的设备，具备独立的控制系统。目前，深度处理单元的水力学控制技术相对较为成熟，然而在水质学的控制方面还有很多不足之处，还不对污染物的去除量进行准确的估计此外，要是还需要在整个工艺过程中只能对污染物的去除比例进行合理的分配，这就需要统筹的对整个流程进行考虑。
六、污水处理工艺的整个流程控制策略
为了可以实现对整个流程的控制，需要有效的对以下问题进行解决。
（一）进一步发展和完善单元的控制技术
单元的控制技术是整个流程控制的基础。目前，提升泵房控制以及溶解氧等控制单元的过程控制技术，紫外线消毒以及深度处理滤池等设备控制技术也已经在大型的污水处理厂有了较为广泛的应用。其他的单元控制技术还是需要进一步结合工程的实际情况加以完善，从而提高技术的使用性。
（二）提高在线仪表的可靠性
要开发新型的过程类仪表。在线的水质测量仪表的价格比较昂贵，维护起来也有些困难，而且其可靠性不足，这些都对我国城市污水处理厂实现实时控制技术形成了制约。因此，这就需要可以提高在线水质仪表的质量以及国产化的水平，从而改变运行人员对在线所测定的水质数据的信心不足问题。此外，由于水质参数主要是状态变量，还不可以快捷和直观的对过程特征进行反映，因此还需要推广在线沉降速率仪、在线呼吸速度仪等价格低廉的新型过程类的仪表，进而适应过程控制的需要。
（三）对不同系统便捷的工艺优化运行策略进行研究
污水处理系统的控制对策主要可以分为生化单元控制、厂网联合优化运行以及污水处理工艺优化运行三个层次。不同的系统边界所产生的优化结果往往不同，因此，就需要详细的对工艺进行分析，从而得到主要矛盾选取合适的边界进行研究以及示范。
结束语
伴随信息技术的发展，我国污水处理厂的程序开始大量引进自动化技术。通过运用自动化系统，可以实现污水处理的无人无人值守全自动控制。因此自动化系统也就成了现在污水处理的关键，需要注重研制出有效的、科学的、合理的计算机监控系统，使污水处理可以更加有效。
参考文献：
[1]常帅. 自动控制系统在污水处理厂中的应用[J]. 科技资讯,2009,06:122.
[2]姜西羚,庞晶晶. 基于PLC的污水处理厂自动控制系统[J]. 建筑电气,2009,06:48-50.
[3]王芳. 污水处理厂自动控制系统的建立[J]. 机械工程与自动化,2010,06:203-204.
张军(1980-),男,大专学历,2002年毕业于陕西工业职业技术学院电气自动化专业,工程师,从事于自动化项目设计调试工作及污水处理电气设计。
吕策思(1981-),男,本科学历,2005年毕业于中国矿业大学电气工程与自动化专业,工程师,从事于自动化项目设计调试工作。