污水处理自动化控制系统的应用研究

今年10月，人类人口进入70亿时代，本世纪末将突破100亿。这样一来，水资源危机将日趋严重。为了保护环境，节约用水，我国近年来对城市污水处理的投入大幅度增加，在一般的大、中城市都建立起了污水处理厂。但限于各方面的原因，大部分的污水处理厂都是人工操作状态，技术和管理跟不上，运行成本也相当惊人。据有关调查资料，目前我国各地区污水处理的平均电耗为0.29KW·h / m3，比发达国家落后10到20年，电耗差不多是发达国家的两倍。如何提高我国城市污水处理自动化控制水平，是亟待解决的问题。本文根据自己工作中的实际，结合某厂实际，提出城市污水处理自动化控制系统的设计，希望对普遍的自动化控制系统运用提供启发。

　　1.自动化控制系统的总体构成设计

　　在总体设计中，应充分考虑污水处理工艺流程各个部分的特性，覆盖污水处理的各个环节，如沉砂池——最初沉淀池——反应槽——最终沉淀池——消毒设备——污泥处理等。这一自动化控制系统应该包括中央控制室监控系统、可编程控制器（PLC），检测仪表，闭路监控，避雷等。该系统应该能够及时全面地反映出污水处理过程的运行工况、工艺参数的变化等信息，保证适用性强，开放性好，保证出水水质，节省成本，保证提高运行管理水平。

　　这一系统可以分为现场控制层和管理监控层两个部分。现场控制层通过现场控制器实施控制。这是一个实时监控的体系，24小时全方位实现监控。它实现了污水处理所有环节的过程参数和设备运行状态监控；它还实现对电气参数的数据采集，对单元过程、设备进行控制。它利用网络向监控层传送数据，按照监控层的控制指令，实现对现场设备的数据采集、报警、控制和连锁等。管理监控层全面采用组态软件，数据传输、通讯通过开放式通讯协议进行实现。在运行的过程中，将形成实时数据库，同步完成画面的组态设置。不仅如此，这一大监控层，还能参与生产数据报表计算和统计，通过大量的数据信息，同步降低管理的强度，使管理更加科学化、系统化和规范化，有力地促进管理水平的飞跃。

　　2.自动化控制系统设备选型

　　监控系统的选型。按照某污水处理厂的设计，采用工业控制机 IPC610（研华股份有限公司生产）作为计算机控制系统中的上位监控计算机。显示器，选用相关配套产品。之所以采用该产品，是因为在以往的实践中，确认其可以在工业应用环境下，有效地提高设备的使用寿命。上位组态软件采用RSview监控组态软件包（诶比集团生产）。现场控制站内的可编程控制器选用ControlLogix系列（诶比集团生产），显示器选用该系列的配套产品。工业以太网交换机选用ED6008 系列（摩沙公司生产），其通讯介质为光纤。各个就地控制站选用SLC 系列控制器（诶比集团生产），通过DeviceNet或DH+实现与现场控制站连接。

　　仪表选型。建议采用进口设备，下列产品经市场检验，为优质产品，如瑞士 ZüLLIG公司生产的溶解氧分析仪；美国哈希公司生产的在线COD分析仪表；日本TOMOE公司生产的电动调节阀门；德国恩德斯豪斯公司生产的浓度分析仪表；德国莱比信公司生产的空气流量计等。

3.控制系统设计的细节说明

　　第一，设置超声波液位差计，在粗、细格栅前后均进行设置，链接到现场和中央控制室电脑显示器。通过控制数据，确定合理的工艺值，一旦前后液位差值出现异常，自动启动相关程序，实现对粗、细格栅的连锁启停。

　　第二，在旋流沉砂池里面设置PH 计，实时监测瞬时进水PH 值。根据设计要求，我们根据测算，确定科学合理的PH值为4.0～9.0，当PH值出现异常时，中控室电脑就会发出声光报警信号。

　　第三，在进水管里面安装电磁流量计，实时监测进水流量。如果液位值出现异常，我们设计的自动化系统，会发出报警信号，自动启动相关程序，实现对五台进水提升泵的启停。

　　第四，在缺氧池里面设置溶解氧（DO）在线测定仪1台，在好氧池中也设置1台。然后确定合理的监测溶解氧数值（缺氧池1.0mg/L左右；好氧池2.0～2.5mg/L左右），当DO值出现异常时，中控室电脑就会发出报警信号。此时，操作人员根据需要，打开所需的曝气机，使溶解氧恢复到正常范围内。

　　第五，在好氧池中设置两台污泥浓度计，实时监测污泥浓度，根据监测值，在中央控制室内，远程控制，增加排泥或者是增加污泥回流量。

　　第六，在出水池中设置多台辅助测试仪器，包COD 在线测定仪括、PH 计、污泥浓度计等，利用这些检测仪器，对现场和中控室进行实时监测，确定污水处理后的中水是否达标。正常数值范围内，可以保证出水要求达到国家二级标准。

　　4. 设计系统应用的总体评价和存在的问题

　　根据某污水处理厂实际，我们设计了这套系统。选用了一流的硬件，设计了良好的软件，并进行了运行实验，总体评价是实现了最初的设计要求。

　　A.该系统主要特色

　　第一，高可靠与高稳定性，环形冗余以太网方案可以保证系统有更高的可靠性，单一点的链路中断不会影响整个网络通讯瘫痪；专用控制器网络，FINS通讯服务，可以保证自控系统在通讯方面更高的稳定性。整个系统采用的PLC模块、成熟定型产品，PLC控制柜内的抗干扰和防雷等技术措施，具有供电冗余功能的中控室、现场控制站设备等，都可以保证系统的长期稳定和可靠运行。

　　第二，高扩展性和开放性。向下兼容性是工业以太网的重要特性。目前使用的是双绞线或光纤介质，如果进行系统升级，如把传输速度提升10倍，一般来说，不需要改变现有的布线，只更新网络设备就能轻松实现；如果升级主干网，也无须重新铺设光缆，只更新网络传输设备就能轻松实现。另外，本系统所有硬件接口和软件协议都按照开放性的标准设计、编制，可以轻松实现设备的增减、系统的调整等变化。

　　第三，实用性突出。组态软件和编程软件采用的全部为中文界面，图画功能丰富，用户可以在终端清晰地了解污水处理厂各工段的运行情况，一旦出现故障报警等问题，第一时间里，操作人员就可以通过鼠标发布各种指令或换画面。这一系统的实用性还体现在用户可经由上位机的网络，监测网络内任一节点的数据。系统设计的梯形监控工具也可以监控这个个网络，不需要现场操作，就可以控制器网络内各站PLC梯形图程序，实现无缝连接。

B.该系统主要弊端

　　污水处理的自动控制系统中采用了一些自动化检测设备，这些设备，包括仪表、阀门等，由于各方面的原因，其功能的实现和产品的精度还很不完善，在现实运行的过程中，存在较大误差。所以，也不能一味相信这些设备，还是充分发挥人的主观积极性。

　　污水水质的监测与控制系统方面，也存在一些问题。系统反应、机械传动等都有可能导致控制滞后，有时候，在节能控制方面的效果不太明显。

　　另外，由于大量采用国内外先进设备和技术，维护、维修的成本相对较大。各种进口的污泥浓度计、pH 计、泥位计等仪器，需要定期做严格的维护和修理，包括定期清洗等。这些设备价格昂贵，配件进口也相对较少，从某种程度上说，可能加剧污水处理厂的投资费用。

　　5.结语

　　总之，在我国污水处理厂应用自动化控制系统，对污水处理企业的管理和工艺都大有益处。建议在污水处理厂大力实施自动化控制系统，这既是大势所趋，也是污水处理行业发展的必然走向。我们不能因为存在前期投入成本较大，就延误技术升级的脚步，自主研发设计制造自动化控制系统、采用国产高精度设备的实践中，将会有效地降低成本。