污水处理自动化控制系统设计及研究.doc

1、污水处理自动化控制系统设计及研究摘要：随着人们生活水平的提高和可持续发展战略的需要，污水处理越来越受到社会的重视。它既能够起到环境保护的作用，又可以进行处理水的回收和利用，从而节约水资源。为了提高污水处理的质量和效率，同时节省大量的人力物力资源，设计一套先进实用的污水处理自动控制系统，是十分必要的。 关键词：污水处理；自动控制系统设计 中图分类号：U664.9+2 文献标识码：A 文章编号： 一、污水处理的意义及现状 随着现代工业和城市建设的发展, 我国水污染问题日趋严重; 同时我国是一个水资源极其匾乏的国家, 水污染严重和水资源的短缺已经成为严重制约我国社会经济持续发展、影响人民生活和身体健

2、康的突出问题。国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，中国污水处理行业正在快速增长，污水处理总量逐年增加，城镇污水处理率不断提高。降低运营成本，提高污水处理率，一直是污水处理行业面临的最现实的问题。因此建设污水处理自动控制系统对改善环境、建立可持续发展社会、繁荣经济都具有重要意义。 二、研究的目的和意义： 本文研究的目的就是充分利用各种最新的工业计算机网络技术、中控制计算机管理软件硬件技术、PLC 集散控制技术、现场总线技术、在线监测的仪器仪表设备、防雷系统、图像监控系统等设计并应用于藁城市水处理中心，形成一套稳定的自动控制系统，从而保障全厂生产设备安全稳定的运行，保障全厂排水的各项指标合

3、格. 采用计算机技术、跟踪经常变化的水处理情况，检测不同时间的水质指标数据，在计算机上动态现实，对这些数据进行分析处理，并记录下来，以备在需要的时候查阅。通过分析数据趋势走向，随时调整个设备及工艺过程参数，使其达到优化控制状态，经济运行，节省能耗。采用计算机代替人工操作，减少事故，保证安全，降低劳动强度，节约人力，甚至可以完成许多人工难以完成的任务，提高运行的可靠性。随着污水处理工艺的不断改进，工程的复杂程度也越来越大，传统的依靠人员操作工艺运行的方式也远远不能满足污水处理的要求，因此，应用和开发先进的自动控制系统，不仅可以提高污水处理和监控的自动化程度、减轻监测人员于现场人员的劳动强度，也提

4、高了对排污企业的监测的连续性，其意义是十分明显的。 三、污水处理工艺过程 ： 污水处理是将污水中的污染物质分离去除，使有害的物质转化为无害的物质、有用的物质，水得到净化，并使资源得到充分利用。城市生活污水处理工艺按流程和处理程序划分可分为预处理工艺、一级处理工艺、二级处理工艺、深度处理工艺和污泥处理工艺，以及最终的污泥处置。 预处理工艺：主要是物理处理，通过格栅、沉砂池等将污水中大块污物拦截出来，保证后续单元的正常运行。预处理过程就去除污染物质而言，可能不起关键作用，但是至关重要。预处理不好，对一级处理影响水质均匀及管道畅通、潜水泵的运转；对二级处理，沙粒进入曝气池，在池底沉积，减少有效容积，

5、增大曝气阻力；对污泥处理，极易从格栅流走的一些破布条、塑料袋等杂物，进入浓缩池后将在浓缩机栅条上缠绕，影响排泥均匀。一些破布片、毛发有时会塞满污泥泵螺杆泵定子与转子之间的空间，使设备过载。污泥处理，主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或者农用填埋等。 四、污水处理自动控制过程 近年来随着计算机技术的飞速发展 工业控制也逐步由传统的单机控制走向网络化，工业控制中多采用 PLC 来实现自动控制。 我国城市污水处理厂一般都采用活性污泥法。其自动控制系统一般由污水提升泵房控制站、鼓风机控制站、一级污水处理控制站、污泥回流泵房控制站、污泥脱水间控制站、等几个 PLC 控制站组成，其自动控制过程描述如下： 污水

6、提升泵房控制站 PLC 要对进水井 、粗格栅间 、污水提升泵房内的设备 进行监测和控制。粗格栅间是根据设定的栅前栅后液位差如H=10cm 或定时 如 T=5min 开停机泵房内水泵的开启台数以及变速泵的转速都是由 PLC 根据集水池液位自动控制。另外还可以利用 PLC 的计时计数功能，记录每台泵的工作时间，然后自动切换运行泵和备用泵 使各泵运行时间基本一致，延长泵的使用寿命 在一级污水处理阶段 PLC 主要控制设备有初沉池的刮泥机、 排泥泵、排泥阀、 沉砂池的刮砂机、洗砂设备、细格栅间的细格栅以及输送带当沉砂池采用曝气沉砂池时， 还应控制鼓风机、初沉池排泥泵根据污泥井中液位计来控制。排泥阀定时

7、开启，排渣阀根据连续运行的刮泥机周期定期开启。一般应在刮泥机行进至排渣阀前一段距离时开启 然后延时一段时间关闭。格栅的运行仍根据栅前 、栅后的水位差或时间间隔来控制。输送带与栅格联动，格栅不停输送带就不停， 沉砂池的刮砂机需要定时启动。 鼓风机房控制站 PLC 主要用于风机和风量的控制与调节，一般根据曝气池中溶解氧的浓度来自动调节风机的转速或风机出口挡板的角度进而改变供风量。 另外通往每个池子的空气干管上应设置电动控制阀门 以保证送往各个池子 中的空气量平衡对于 A/O 工艺 AB 工艺等非均匀供氧曝气池 应通过溶解氧 量的测定开闭带电动执行机构的电动调节阀 实现对曝气池不同部位进气量进行 控

8、制的目的 污泥泵房控制站 PLC 主要用来控制二沉池的刮吸泥机，剩余污泥泵和回流泵等，刮吸泥机按贮泥时间确定连续运行速度，排泥泵一般为连续排泥。剩余污泥泵依时间程序定时开机， 每次抽送设定体积的污泥， 备用泵根据累计工作时间自动切换回流污泥泵。一般连续运行 ，一些特殊工艺也可以间歇运行 ，由污泥井中的液位计控制，同时也受进水流量大小变化控制。 污泥处理系统控制站 PLC 控制的主要设备有 ：污泥浓缩池刮机及排泥阀 ，污泥脱水机、脱水车间自动加药系统、污泥投配泵等。 污泥脱水机每台自带一小型 PLC 控制器，用来控制脱水机、污泥投配泵 、反冲洗泵 污泥传送带等 并与污泥处理系统。 PLC 子站相

9、互交换信息，脱水机和投配泵均根据流量采用变频，调速控制，浓缩池刮泥机按设定的速度连续运行。排泥阀根据污泥贮存池的液位来进行控制。加药系统中的加药泵根据流量和设定的加药比控制，溶药搅拌设备的运行根据时间控制。 四、污水处理自动控制系统设计要求 系统控制设计采用近控/远控方式，方式选择通过提升泵控制箱中的二次回路、接触器、中间继电器、选择开关等的切换实现。正常情况下，选择开关置于远控位置，当远程控制系统出现问题时，需到现场切换为近控方式。远控包含两种控制方式：中控软手动（点动）和自动，切换方式在中控监控画面中点击点动/自动按钮。每台设备的控制方式都可以单独选择。 根据污水处理厂实际的控制情况及要求

10、，自动控制方案参考模型见图 3-1 整个污水处理自动控制系统从下到上可划分为三个控制管理层次：控制层 监控层 管理层 图 3-1 污水处理自动控制系统层次图 1 控制层 控制层是污水处理控制的最低层 是污水处理各生产单元实际控制执行部分由若干 PLC 控制站组成负责对处理设备及相关监测点进行控制监测采集信号 控制生产设备控制层主要按照污水处理工艺要求 实现开关量模拟量控制，完成数据采集计算和逻辑运算执行闭环控制对多样化的污水处 理工艺设备泵站系统和排泥设备能够根据实时处理情况和要求控制设备的启停和工作强度达到设备的最优化调度节约药剂的投加量保证污水处理效果。 2 监控层 监控层就是指各生产单元

11、的中控室。 监控层的主要功能为根据自身的优化程序， 实现本工艺单元的设备调节和优化控制功能，实现工艺及电气模拟图动态显示，及检测量实时显示。采集输送本工艺单元的各种信号接收管理层的指令， 完成局部生产过程的控制。监控层通过工业组态软件实时监控 PLC 子站间接， 实现对工艺单元的生产设备运行状态的控制。 监控层的硬件以工业级的微型计算机和工作站为主由安装在计算机上的工业组态软件通过通信网络实时对控制层的 PLC 子站直接监测控制以实现对工艺单元的生产设备运行状态的实时监控 监控层设计的关键在于组态软件的使用现场数据的采集以及不同控制设备的集成 OPC 应用） 3 管理层 管理层的作用主要是监视

12、或控制远方各个现场污水处理厂的生产运行。 同时将各向企业领导和各职能部门发布生产和工艺数据 ，为企业的决策提供依据并接受企业的指令等。 五、污水处理自动控制系统设计 本系统采用目前国内外污水处理厂广泛应用并取得良好效果的基于可编程逻辑控制器(PLC)的集散型控制系统，以及监控和数据采集(SCADA)系统。集散型控制系统的特点是将管理层和监控层分开。管理层主要是对全厂的生产过程进行监视、数据存储和分析; 监控层主要是通过现场 PLC 或计算机完成各自辖域内工艺过程和工艺设备的自动控制，同时在传统控制的基础上，提供了智能控制的可能性。SCADA 系统通过现场检测仪表和网络设备完成对主要工艺参数的数

13、据采集并对生产流程进行监控。通信网络采用 100Mbps 工业以太环网。系统除具备对生产过程的监视和控制功能外，数据处理和网络通信功能也很强大，对运行阶段的生产管理、调度以及科学分析都具有十分重要的意义。本系统考虑到远期污水厂扩大规模或进行改造，自控设备、通信网络及上位机管理系统都有可扩展的特点，为了保证正常生产，系统要具备极高的稳定性和可靠性。 控制系统的软件开发包括下位机 PLC 程序设计和上位机监控界面的开发。PLC 程序设计与开发是在编程软件 STEP7 环境下实现的, 主要完成系统工艺的控制要求。 1. PLC 控制程序的开发 1.1 PLC 的工作原理 PLC 的工作过程可分为建立

14、 I/0 映像区、循环扫描。 I/O 映像区的大小由用户程序确定, 对于系统的每一个输入或输出点总有输入或输出映像区的某一位与之对应, PLC 在执行用户程序时所需要的外部信息取自于 I/O 映像区, 而不直接与外部设备发生关系。I/O 映像区的建立, 使 PLC 工作时只和有关地址单元内所存信息状态发生关系, 系统输出也是只给内存某一地址单元设定一个状态。 PLC 上电后在系统程序的监控下, 周而复始地按规定的顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行, 用户程序执行、输入/输出信息处理。 1.2 PLC 控制程序开发 下位机是整个控制系统的核心部分, 负责完成所有的控制功能和现场数据采集

15、功能。控制器控制程序编制的好坏, 直接影响到控制速度和控制效果, 也同时将影响到以后的维护工作。按照污水处理的工艺流程, 将程序分成若干个子程序模块和公用子程序模块, 各个工艺段之间的控制程序互相不影响, 独立运行, 各模块相互独立, 分别控制着某一操作单元, 各操作单元有自动与手动两种运行方式, 当某一操作单元选用手动时, 相应的程序模块不予运行 , 这样, 当某一单元操作出现故障时, 可及时从整个系统中脱离,增加了系统的可靠性。PLC 控制程序的算法如下: (1)首先, 判断粗格栅是否自动控制, 若为自动控制, 则执行粗格栅自动控制程序, 否则, 则执行手动控制; (2)判断沉砂池是否自动

16、控制, 若为自动控制, 则执行沉砂池自动控制程序, 否则, 则执行手动控制; (3)判断细格栅是否自动控制, 若为自动控制, 则执行细格栅自动控制程序, 否则, 则执行手动控制; (4)判断初沉池是否自动控制, 若为自动控制, 则执行初沉池自动控制程序, 否则, 则执行手动控制; (5)判断纤维滤池是否自动控制, 若为自动控制, 则执行生物滤池自动控制程序, 否则, 则执行手动控制; (6)判断提升泵房是否自动控制, 若为自动控制, 则执行提升泵房自动控制程序, 否则, 则执行手动控制; (7)判断曝气池是否自动控制, 若为自动控制, 则执行曝气池自动控制程序, 否则, 则执行手动控制; (8

17、)判断二沉池是否自动控制, 若为自动控制, 则执行二沉池自动控制程序, 否则, 则执行手动控制; 2. 上位机监控软件开发 上位机监控界面采用组态软件 WinCC 进行开发, 完成对系统现场数据的采集以及控制工艺流程的实时监控。西门子视窗控制中心 SIEMENS WinCC 是一个集成的人机界面(HMI)系统和监控管理系统。WinCC 提供各种 PLC 驱动程序, 因此使 PLC 与上位机联接变得非常容易。 由于监控系统要求覆盖几乎整个工艺流程, 因此在结构规划时紧紧围绕合理地安排信息反映形式, 既要实现所有的功能模块又要保证监控系统的安全可靠运行。根据污水处理厂的自身工艺和控制系统对上位机软

18、件的要求, 上位机监控软件主要由登录管理模块、预测模块、监控界面、趋势、报警、报表、数据库、系统帮助等模块组成。 3该系统具有的功能 该系统上位机控制系统具有以下功能该系统上位机控制系统具有以下功能该系统上位机控制系统具有以下功能该系统上位机控制系统具有以下功能：1、对整个系统内的设备及运行结果（泥位、液位、流量）具有控制、监视、参数设定、故障报警、故障诊断功能。2、根据污水处理工艺和逻辑的要求，严格执行设备开启、停止、故障或紧急停机等控制。3、系统动态显示，画面将各个工艺流程直观的显示在屏幕上，可以实时监控系统设备的工作状态和参数。4、选择合理的自动运行模式，使整个系统的运行处于安全稳定的状

19、态，并能达到污水处理的工艺要求。5、当设备或控制参数接近非正常状态时，界面有报警提示，并伴有声音报警。6、进行报警历史记录，将故障分类整理归档，且报警记录不可删除，用于事故分析和追忆。7、历史数据通过历史库进行存储，操作人员可以方便的生成重要设备和监测指标的运行报表和曲线，并具有随时进行调用、打印功能。8、系统具有用户权限管理功能，对工程各关键操作都设有不同级别的权限，以保证系统的安全性。 结束语： 水是经济发展和社会可持续发展的一个重要因素，而城市污水则成为制约许多城市可持续发展的主要原因之一。到目前为止，世界各国已经研究出不同的污水处理方法，我国环保理论和工艺研究与国外的差距不大，差距比较大的是环保单元设备和自动控制系统。污水处理自动控制系统是一项综合的系统工程，具有长期性和复杂性，利用自动控制系统处理好污水，在一定程度上可以避免环境恶化和经济资源的损失。关于污水处理控制系统的设计，应符合国家相关部门的电气设计基本要求，并结合具体情况综合考虑，选取设计成本较低，维护费用较少，可靠性较较强的污水处理自动控制系统设计，只有这样，才能保证水资源的持续再生功能的发挥，进而改善水环境污染的现状。