1、1污水处理厂自动化控制技术的应用浅谈摘要：随着我国工业化进程的迅速发展，自动控制技术越来越多的应用于污水处理行业，并且取得了相当好的效果，既节省了人力资源又节约了能源，有着广阔的发展前景。近年来，全国各地相继建设了一批城市污水处理厂，将先进的工艺及设备引进国内，在提高工艺设备技术水平的同时，控制系统和管理水平也有了很大的提高。文章介绍了污水处理自动化控制技术的发展概况，总结了自动化控制技术在污水处理厂中的应用现状，阐述了自控系统在污水处理厂中实现的主要功能，分析了目前实际应用中存在的主要问题及解决对策。 关键词：污水处理；自动化控制技术；可编程控制器；问题；对策 中图分类号：U664.9+2
2、文献标识码：A 文章编号： 随着科技水平的飞速发展和人类生活水平的巨大提升，对于洁净优质的水源的需求也不断急剧释放。为此，城市污水处理工程的建设迫在眉睫，不容忽视。可是放眼看目前我国的行业形势，污水处理运行的成本非常之高，这直接导致了现行的污水处理厂的效益普遍呈差强人意之态。自动控制是相对人工控制概念而言的，指在没人参与的情况下，利用控制装置使被控对象或过程自动地按预定规律运行。 采用先进可行的自动化系统控制技术，一方面既可以优化设备，节约能耗，增强企业的竞争能力；另一方面又能够保证安全的操作，节约人力，改善人们的工2作环境，提高人们的生活质量。因此，在污水处理行业中引进自动化系统控制技术，从
3、各方面考察，都不失为有效改善污水处理厂惨淡的运营现状的可行之策。 1 污水处理行业的基本概述 1.1 污水处理行业的基本流程 按照产业链划分，污水处理市场的参与者主要有工程承包商、产品提供商和设施运营商。城市污水处理的流程如图 1 所示。 图 1 城市污水处理流程 1.2 现行的主流污水处理方法 目前污水生物处理的主流方法有活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理法、生物塘法等，其中使用最为广泛的是活性污泥法。该法利用曝气的作用，使废水与活性污泥混合并充分接触而形成的混合狡，得到充足的溶解氧，再经由其中微生物的分解过程，使得废水得以净化。 1.3 我国污水处理行业发展的现状 随着我国城市化、工业化的
4、加速，水资源的需求缺口也日益增大。在这样的背景下，污水处理行业成为新兴产业，目前与自来水生产、供水、排水、废水回收利用行业处于同等重要地位。 虽然由于国家和各级政府对环境保护重视程度的不断提高，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。但目前我国污水处理行业仍处于发展的初级阶段。一方面，目前的3污水处理能力尚跟不上用水规模的迅速扩张，管网、污泥处理等配套设施建设严重滞后。另一方面，我国污水处理率与发达国家相比，还存在着明显的差距，且处理设施的负荷率低。因此我国应完善污水处理的政策法规，建立监管体制，创建合理的污水处理收费体系，扶植国内环保产业发展，推进污水处理行业
5、的产业化和市场化。污水处理行业是一个朝阳产业，发展前景十分广阔。 2 污水处理厂自控技术概况 我国污水处理厂直到 90 年代以后才开始引进自动控制系统，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统的应用还比较少。先后设置 PID 调节、比值、前馈、后馈、FCS，DCS 和最初的以太网技术，经历了几次重大的变革，自动化水平有了较大的提高。目前我国污水处理厂最为先进的自动化控制系统是用工业以太网配合 FCS 作为系统网络，也是世界上最先进的自动化系统，该系统配以高性能、高可靠的 PLC 控制站，并具有服务器的最新一代的控制系统。 3 污水处理厂自控技术应用 3.1 PLC PLC 即可编程控制
6、器（Programmable logicController） ，是以计算机技术为基础的新型工业控制装置。PLC 是针对传统的继电器控制系统而发展起来的，主要功能是实现开关量的逻辑控制。PLC 作为一种面向现场的控制装置，它的特点是高可靠性和抗扰能力，可适应恶劣的现场环境。PLC 作为一种局部的控制器，随着应用规模的扩大以及工业以太网的出现，多台 PLC 互连起来能够形成较大控制系统。 4对污水厂来说，污水处理工艺不同，自控系统应用 PLC 的要求应有所不同。一般来讲，整个污水处理厂都有总控室和多个现场控制站，站与站之间通过控制器层网络或信息层网络相连，然后全部连接到总控室，总控室的多台计算机
7、、工作站和图形站都用信息层网络连接，这样和现场控制站就构成了集中管理、分散控制、高速数据交换的工厂级自动化网络。 PLC 自控系统是污水处理厂的控制核心部分，合理的选型和设计，对污水处理厂能否高效、自动化的运行非常重要。 3.2 DCS DCS（Distributed Control System） ，又称为集中分散型控制系统，简称分散控制系统。DCS 是一个融合了自动控制技术（Control） 、计算机技术（Computer） 、通信技术（Communication） 、CRT 显示技术于一体的高科技控制装置，是用于生产管理、数据采集和各种过程控制的处于新技术前沿的新型控制系统，是针对生产过
8、程实施监视、操作、管理和分散控制的 4C 技术的结合。传统的 DCS 是针对流程工业的仪表控制系统发展起来的，主要功能是实现连续物理量的监视与调节，由厂级中央监控工作站和现场分散控制站组成全厂工业控制网。目前，以 PLC 为基础采用工业以太网搭建的 DCS 控制系已经成熟的在污水处理厂中广泛应用。 3.3 FCS FCS 即现场总线控制系统 （Fieldbus ControlSystem） ，是目前世界上最新型的控制系统，自上世纪 90 年代走向实用化以来，以迅猛的势头快速发展起来，成为自动化技术中的一个热点。 FCS 是将构成自动化5系统的各种传感器、执行器及控制器通过现场控制网络联系起来，
9、通过网络上的信息传输完成传统控制系统中需要硬件连接才能传递的信号，并完成各种设备的协调，实现自动化控制。目前国内外自动化控制系统所应用的现场总线，主要有 PROFIBUS，MODBUS，LONWORKS，FF，HART，CAN 等。FCS 可以说是第 5 代过程控制系统， 是由 PLC 或 DCS 发展而来的。FCS 是在传统的仪表控制系统和集散控制系统的基础上利用现场总线技术逐步发展形成的，目前仍然使用着大量的模拟仪表、PLC 和 DCS 系统。 未来的自动化控制将是以 FCS 为控制系统的中心，兼有 DCS、PLC 系统的一种新型标准化、智能化、开放性、网络化和信息化控制系统。FCS 系统
10、在污水处理厂的应用， 给污水处理领域带来又一次革命，开创了污水处理厂自动化系统的新纪元。 3.4 SCADA 系统 SCADA 系统，即监视控制和数据采集系统（Supervision Control and Data Acquisition） ，该系统包含 3 部分，即上位监视层、控制设备层和执行设备层。它可以实时采集数据，对生产现场进行本地或远程的自动控制，对工艺流程进行全面实时的监控，并进一步为管理层提供报表等必要的数据。污水处理 SCADA 系统是通过仪表、控制装置和计算机等设备对污水收集处理工程进行自动检测、控制和管理以保证污水处理系统安全、经济、有效地运行。同时对污水处理工艺进行自动
11、化监测和实时控制，提高污水处理效率、降低处理能耗。 SCADA 利用远程通信构成分级计算机监控系统，实现了污水处理的本地控制和远程控制中心6的集中监控与调度，对信号及时传输，对无人值守的远程站实现在线遥控。 4 污水处理厂自控技术功能介绍 该自动化控制方案采用目前世界上最为先进的以标准的、开放的现场总线基础，以全厂集成自动化为概念的生产过程自动化系统。它是用工业以太网、标准的现场总线 Puofibus 总线为系统网络，配以高性能、高可靠的西门子 S7-400 系列 PLC 控制站，并具有服务器的最新一代的控制系统。其标准的、开放的网络系统既能完美的解决不同制造商的过程控制仪表，也能方便的连接工
12、业过程自动化的电气设备、电动执行机构、现场控制箱等信号。该自动化系统是由传感器执行器级、车间现场级、中央监控管理级组成的三级计算机分散控制系统。 传感器执行器级：采用带有 Puofibus 接口或 RS-485 接口的设备，现场使 Turck BL20 远程分散式 I/O 来连接现场设备，通讯速率1.5Mbps。全厂在线测量仪表 385 块，远程控制阀门 143 台，DI 点数2164 点，DO 点数 748 点，AI134 点。 车间现场级：全厂共设 5 个 PLC 分站，并以 100Mbps 光纤以太网连接。分控站负责通讯、采集、处理现场数据，并根据工艺控制要求对现场的设备进行控制，主要有
13、：粗/细格栅系统控制、进水污水提升泵的自控控制及运行优化的调节、A/O 生物池曝气量的自动调节、电动闸门的控制等。 中央监控管理级：采用光纤电缆将各个现场控制站、服务器环形连接，组成光纤环网。通过集线器将服务器、操作员站、网络打印机等构7成新型拓扑结构。在中控室设置两台服务器计算机，其作用是一用一备，当其中一台出现故障后，另一台能够完全独立地运行，据此可保证控制和数据采集的高可靠性，以满足全厂生产运行的需要。另外系统中每台计算机能随时独立完成图像管理控制、数据保存、系统再生、数据处理等不同任务。 在中控室还建有大型马赛克模拟屏，显示污水处理厂污水及污泥处理工艺流程、工艺参数及主要设备运行工况。
14、 在厂区还设有闭路电视系统，监控生产过程。本系统采用的一体化的彩色摄像机，20 倍变焦镜头，以能够看清设备或装置的细节。工作台上的主监视器和安装在中控室模拟屏上的回路监视器的图像切换、显示模式、以及摄像机的方位和视角控制可以由管理人员在中控室 TV 控制器上完成。 中央控制系统配置组态和管理软件，操作平台基于 Windows-NT，其软件采用西门子 PCS7 系列成熟的开放型应用软件，支持现场总线、Ethernet、TCP/IP 协议，能够中文显示。 5 存在问题及解决对策 自控系统在污水处理系统中的应用，对于减轻操作工人的劳动强度，提高污水处理系统的运行和管理状况起到了极大的作用。但是由于污
15、水处理行业的特殊性、污水环境的复杂性，自控系统在污水处理厂的应用也存在着一些问题： （1）综合部分污水厂现场运行情况，从系统控制的角度来看，当前我国污水处理厂监控存在着只监不控，或监强控弱的现象，各种控制信8息没有得到很好利用。因此，应加强监、控结合，实现信息及时采集、及时反馈。 （2）从自动化系统的结构来看，当前我国普遍采用三级污水处理厂管理和分布式现场总线控制方式，事实上，主从式结构的现场总线如 PROFIBUS，由于系统的可靠性受主控制器的制约，并不适用于全分布式现场总线控制。因此，我们应该根据我国污水处理厂的现场实际情况开发出合适的现场总线控制系统。 （3）水处理生化反应过程是一个较为
16、复杂且时间较长的过程，处理环节的作用参数多，在线稳定性较差，缺乏有效的控制软件，为实现自动控制带来了较大的难度。目前，生化系统的自控技术研发还是一个长期工程，因此现场监控有必要借助大量人力操控，定时观察、分析，及时调整。 （4）在线的仪表探头长期浸没在污水中，污水中的一些缠绕性的杂质极易裹在探头上，造成在线数据的不准确性，严重的可能会造成探头损坏，使在线仪表的定期保养和维护工作难度增大。新型在线仪表探头的研发有望解决该难题，不久的将来会应用到现场。 （5）大部分污水厂引进自控设备后，并不配备专业自控方面的专业人员，通常是污水厂人员经过简单培训就上岗操作，由于自控系统涉及的专业面广，应对电器控制
17、知识、计算机控制知识及在线仪表的检测知识等有所了解，特别是大部分现场检测设备是进口产品，还需要有相应的英语水平，但许多污水厂并不重视这方面人才的培养，因此，会出现盲目操作、误操作等问题。引进自控技术方面人才或加强人员的培训，9并开展现场实战演练等都有望解决该问题。 6 结语 污水自动化处理系统具备管理功能完善、运行效果优良、兼具科学管理和过程控制于一体的特点,可靠性高、控制性强,在污水处理中起着广泛和重要的应用。 参考文献 1 潘智国.污水处理厂中的自动化控制J建厂科技交流，2005，32（3） 2 袁丽英,乔玉晶.污水处理过程中的模糊控制研究J.黑龙江工程学院报:自然科学版,2005,19(2) 3 张建华.中小型污水处理厂自控系统的建设J.山西建筑,2006,32(12) 4 张远，吴国防.基于 PLC 的 DCS 控制系统在污水处理厂中的应用J.重庆电力高等专科学校学报, 2007，12（2） 5 李兴龙.FCS,DCS 及 PLC 的发展J.黑龙江造纸，2006（2） 6 卜俊秋.污水处理厂自动化系统的分析与应用J.国内外机电一体化技术，2007，10（7）
