污水處理自動化控制系統(tǒng)設(shè)計及研究

1、<p>　　污水處理自動化控制系統(tǒng)設(shè)計及研究</p><p>　　摘要：隨著人們生活水平的提高和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需要，污水處理越來越受到社會的重視。它既能夠起到環(huán)境保護的作用，又可以進行處理水的回收和利用，從而節(jié)約水資源。為了提高污水處理的質(zhì)量和效率，同時節(jié)省大量的人力物力資源，設(shè)計一套先進實用的污水處理自動控制系統(tǒng)，是十分必要的。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：污水處理；自動控

2、制系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　中圖分類號：U664.9+2 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號： </p><p>　　一、污水處理的意義及現(xiàn)狀 </p><p>　　隨著現(xiàn)代工業(yè)和城市建設(shè)的發(fā)展, 我國水污染問題日趨嚴(yán)重; 同時我國是一個水資源極其匾乏的國家, 水污染嚴(yán)重和水資源的短缺已經(jīng)成為嚴(yán)重制約我國社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展、影響人民生活和身體健康的突出問題。國家和各級政府

3、對環(huán)境保護重視程度的不斷提高，中國污水處理行業(yè)正在快速增長，污水處理總量逐年增加，城鎮(zhèn)污水處理率不斷提高。降低運營成本，提高污水處理率，一直是污水處理行業(yè)面臨的最現(xiàn)實的問題。因此建設(shè)污水處理自動控制系統(tǒng)對改善環(huán)境、建立可持續(xù)發(fā)展社會、繁榮經(jīng)濟都具有重要意義。 </p><p>　　二、研究的目的和意義： </p><p>　　本文研究的目的就是充分利用各種最新的工業(yè)計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、中控制計

4、算機管理軟件硬件技術(shù)、PLC集散控制技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、在線監(jiān)測的儀器儀表設(shè)備、防雷系統(tǒng)、圖像監(jiān)控系統(tǒng)等設(shè)計并應(yīng)用于藁城市水處理中心，形成一套穩(wěn)定的自動控制系統(tǒng)，從而保障全廠生產(chǎn)設(shè)備安全穩(wěn)定的運行，保障全廠排水的各項指標(biāo)合格. 采用計算機技術(shù)、跟蹤經(jīng)常變化的水處理情況，檢測不同時間的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，在計算機上動態(tài)現(xiàn)實，對這些數(shù)據(jù)進行分析處理，并記錄下來，以備在需要的時候查閱。通過分析數(shù)據(jù)趨勢走向，隨時調(diào)整個設(shè)備及工藝過程參數(shù)，使其達到優(yōu)化

5、控制狀態(tài)，經(jīng)濟運行，節(jié)省能耗。采用計算機代替人工操作，減少事故，保證安全，降低勞動強度，節(jié)約人力，甚至可以完成許多人工難以完成的任務(wù)，提高運行的可靠性。隨著污水處理工藝的不斷改進，工程的復(fù)雜程度也越來越大，傳統(tǒng)的依靠人員操作工藝運行的方式也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足污水處理的要求，因此，應(yīng)用和開發(fā)先進的自動控制系統(tǒng)，不僅可以提高污水處理和監(jiān)控的自動化程度、減輕監(jiān)測人員于現(xiàn)場人員的勞動強度，也提高了對排污企業(yè)的監(jiān)測的連續(xù)性，其意義是十分明顯的。 <

6、;/p><p>　　三、污水處理工藝過程 ： </p><p>　　污水處理是將污水中的污染物質(zhì)分離去除，使有害的物質(zhì)轉(zhuǎn)化為無害的物質(zhì)、有用的物質(zhì)，水得到凈化，并使資源得到充分利用。城市生活污水處理工藝按流程和處理程序劃分可分為預(yù)處理工藝、一級處理工藝、二級處理工藝、深度處理工藝和污泥處理工藝，以及最終的污泥處置。 </p><p>　　預(yù)處理工藝：主要是物理處理，通過

7、格柵、沉砂池等將污水中大塊污物攔截出來，保證后續(xù)單元的正常運行。預(yù)處理過程就去除污染物質(zhì)而言，可能不起關(guān)鍵作用，但是至關(guān)重要。預(yù)處理不好，對一級處理影響水質(zhì)均勻及管道暢通、潛水泵的運轉(zhuǎn)；對二級處理，沙粒進入曝氣池，在池底沉積，減少有效容積，增大曝氣阻力；對污泥處理，極易從格柵流走的一些破布條、塑料袋等雜物，進入濃縮池后將在濃縮機柵條上纏繞，影響排泥均勻。一些破布片、毛發(fā)有時會塞滿污泥泵螺桿泵定子與轉(zhuǎn)子之間的空間，使設(shè)備過載。污泥處理，主

8、要包括濃縮、消化、脫水、堆肥或者農(nóng)用填埋等。 </p><p>　　四、污水處理自動控制過程 </p><p>　　近年來隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展 工業(yè)控制也逐步由傳統(tǒng)的單機控制走向網(wǎng)絡(luò)化，工業(yè)控制中多采用 PLC來實現(xiàn)自動控制。 </p><p>　　我國城市污水處理廠一般都采用活性污泥法。其自動控制系統(tǒng)一般由污水提升泵房控制站、鼓風(fēng)機控制站、一級污水處理控制站、

9、污泥回流泵房控制站、污泥脫水間控制站、等幾個 PLC控制站組成，其自動控制過程描述如下： </p><p>　　污水提升泵房控制站 PLC 要對進水井 、粗格柵間 、污水提升泵房內(nèi)的設(shè)備 進行監(jiān)測和控制。粗格柵間是根據(jù)設(shè)定的柵前柵后液位差如H=10cm或定時 如T=5min 開停機泵房內(nèi)水泵的開啟臺數(shù)以及變速泵的轉(zhuǎn)速都是由 PLC 根據(jù)集水池液位自動控制。另外還可以利用 PLC的計時計數(shù)功能，記錄每臺泵的工作時間

10、，然后自動切換運行泵和備用泵 使各泵運行時間基本一致，延長泵的使用壽命 </p><p>　　在一級污水處理階段 PLC 主要控制設(shè)備有初沉池的刮泥機、 排泥泵、排泥閥、 沉砂池的刮砂機、洗砂設(shè)備、細(xì)格柵間的細(xì)格柵以及輸送帶當(dāng)沉砂池采用曝氣沉砂池時， </p><p>　　還應(yīng)控制鼓風(fēng)機、初沉池排泥泵根據(jù)污泥井中液位計來控制。排泥閥定時開啟，排渣閥根據(jù)連續(xù)運行的刮泥機周期定期開啟。一般應(yīng)在

11、刮泥機行進至排渣閥前一段距離時開啟 然后延時一段時間關(guān)閉。格柵的運行仍根據(jù)柵前 、柵后的水位差或時間間隔來控制。輸送帶與柵格聯(lián)動，格柵不停輸送帶就不停， 沉砂池的刮砂機需要定時啟動。 </p><p>　　鼓風(fēng)機房控制站 PLC 主要用于風(fēng)機和風(fēng)量的控制與調(diào)節(jié)，一般根據(jù)曝氣池中溶解氧的濃度來自動調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速或風(fēng)機出口擋板的角度進而改變供風(fēng)量。 另外通往每個池子的空氣干管上應(yīng)設(shè)置電動控制閥門 以保證送往各個池子

12、中的空氣量平衡對于 A/O 工藝AB 工藝等非均勻供氧曝氣池 應(yīng)通過溶解氧 量的測定開閉帶電動執(zhí)行機構(gòu)的電動調(diào)節(jié)閥 實現(xiàn)對曝氣池不同部位進氣量進行 控制的目的 </p><p>　　污泥泵房控制站 PLC 主要用來控制二沉池的刮吸泥機，剩余污泥泵和回流泵等，刮吸泥機按貯泥時間確定連續(xù)運行速度，排泥泵一般為連續(xù)排泥。剩余污泥泵依時間程序定時開機， 每次抽送設(shè)定體積的污泥， 備用泵根據(jù)累計工作時間自動切換回流污泥泵。

13、一般連續(xù)運行 ，一些特殊工藝也可以間歇運行 ，由污泥井中的液位計控制，同時也受進水流量大小變化控制。 </p><p>　　污泥處理系統(tǒng)控制站 PLC 控制的主要設(shè)備有 ：污泥濃縮池刮機及排泥閥 ，污泥脫水機、脫水車間自動加藥系統(tǒng)、污泥投配泵等。 污泥脫水機每臺自帶一小型 PLC控制器，用來控制脫水機、污泥投配泵 、反沖洗泵 污泥傳送帶等 并與污泥處理系統(tǒng)。 PLC子站相互交換信息，脫水機和投配泵均根據(jù)流量采用變

14、頻，調(diào)速控制，濃縮池刮泥機按設(shè)定的速度連續(xù)運行。排泥閥根據(jù)污泥貯存池的液位來進行控制。加藥系統(tǒng)中的加藥泵根據(jù)流量和設(shè)定的加藥比控制，溶藥攪拌設(shè)備的運行根據(jù)時間控制。 </p><p>　　四、污水處理自動控制系統(tǒng)設(shè)計要求 </p><p>　　系統(tǒng)控制設(shè)計采用近控/遠(yuǎn)控方式，方式選擇通過提升泵控制箱中的二次回路、接觸器、中間繼電器、選擇開關(guān)等的切換實現(xiàn)。正常情況下，選擇開關(guān)置于遠(yuǎn)控位置，當(dāng)

15、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，需到現(xiàn)場切換為近控方式。遠(yuǎn)控包含兩種控制方式：中控軟手動（點動）和自動，切換方式在中控監(jiān)控畫面中點擊點動/自動按鈕。每臺設(shè)備的控制方式都可以單獨選擇。 </p><p>　　根據(jù)污水處理廠實際的控制情況及要求，自動控制方案參考模型見圖 3-1 整個污水處理自動控制系統(tǒng)從下到上可劃分為三個控制管理層次： 控制層 監(jiān)控層 管理層 </p><p>　　圖 3-1 污水處

16、理自動控制系統(tǒng)層次圖 </p><p><b>　　1 控制層 </b></p><p>　　控制層是污水處理控制的最低層 是污水處理各生產(chǎn)單元實際控制執(zhí)行部分由若干 PLC 控制站組成負(fù)責(zé)對處理設(shè)備及相關(guān)監(jiān)測點進行控制監(jiān)測采集信號 控制生產(chǎn)設(shè)備控制層主要按照污水處理工藝要求 實現(xiàn)開關(guān)量模擬量控制，完成數(shù)據(jù)采集計算和邏輯運算執(zhí)行閉環(huán)控制對多樣化的污水處 理工藝設(shè)備泵站

17、系統(tǒng)和排泥設(shè)備能夠根據(jù)實時處理情況和要求控制設(shè)備的啟停和工作強度達到設(shè)備的最優(yōu)化調(diào)度節(jié)約藥劑的投加量保證污水處理效果。 </p><p><b>　　2 監(jiān)控層 </b></p><p>　　監(jiān)控層就是指各生產(chǎn)單元的中控室。 監(jiān)控層的主要功能為根據(jù)自身的優(yōu)化程序， 實現(xiàn)本工藝單元的設(shè)備調(diào)節(jié)和優(yōu)化控制功能，實現(xiàn)工藝及電氣模擬圖動態(tài)顯示，及檢測量實時顯示。采集輸送本工藝單

18、元的各種信號接收管理層的指令， 完成局部生產(chǎn)過程的控制。監(jiān)控層通過工業(yè)組態(tài)軟件實時監(jiān)控 PLC子站間接， 實現(xiàn)對工藝單元的生產(chǎn)設(shè)備運行狀態(tài)的控制。 </p><p>　　監(jiān)控層的硬件以工業(yè)級的微型計算機和工作站為主由安裝在計算機上的工業(yè)組態(tài)軟件通過通信網(wǎng)絡(luò)實時對控制層的 PLC子站直接監(jiān)測控制以實現(xiàn)對工藝單元的生產(chǎn)設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控 監(jiān)控層設(shè)計的關(guān)鍵在于組態(tài)軟件的使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及不同控制設(shè)備的集成OPC

19、 應(yīng)用） </p><p><b>　　3 管理層 </b></p><p>　　管理層的作用主要是監(jiān)視或控制遠(yuǎn)方各個現(xiàn)場污水處理廠的生產(chǎn)運行。 同時將各向企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和各職能部門發(fā)布生產(chǎn)和工藝數(shù)據(jù) ，為企業(yè)的決策提供依據(jù)并接受企業(yè)的指令等。 </p><p>　　五、污水處理自動控制系統(tǒng)設(shè)計 </p><p>　　本系統(tǒng)采

20、用目前國內(nèi)外污水處理廠廣泛應(yīng)用并取得良好效果的基于可編程邏輯控制器(PLC)的集散型控制系統(tǒng)，以及監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)。集散型控制系統(tǒng)的特點是將管理層和監(jiān)控層分開。管理層主要是對全廠的生產(chǎn)過程進行監(jiān)視、數(shù)據(jù)存儲和分析; 監(jiān)控層主要是通過現(xiàn)場PLC或計算機完成各自轄域內(nèi)工藝過程和工藝設(shè)備的自動控制，同時在傳統(tǒng)控制的基礎(chǔ)上，提供了智能控制的可能性。SCADA系統(tǒng)通過現(xiàn)場檢測儀表和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完成對主要工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)采集并對生產(chǎn)流程進

21、行監(jiān)控。通信網(wǎng)絡(luò)采用100Mbps工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)。系統(tǒng)除具備對生產(chǎn)過程的監(jiān)視和控制功能外，數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)通信功能也很強大，對運行階段的生產(chǎn)管理、調(diào)度以及科學(xué)分析都具有十分重要的意義。本系統(tǒng)考慮到遠(yuǎn)期污水廠擴大規(guī)?；蜻M行改造，自控設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)及上位機管理系統(tǒng)都有可擴展的特點，為了保證正常生產(chǎn)，系統(tǒng)要具備極高的穩(wěn)定性和可靠性。 </p><p>　　控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)包括下位機PLC 程序設(shè)計和上位機監(jiān)控界面的開發(fā)。

22、PLC 程序設(shè)計與開發(fā)是在編程軟件STEP7 環(huán)境下實現(xiàn)的, 主要完成系統(tǒng)工藝的控制要求。 </p><p>　　1. PLC 控制程序的開發(fā) </p><p>　　1.1 PLC 的工作原理 </p><p>　　PLC 的工作過程可分為建立I/0 映像區(qū)、循環(huán)掃描。I/O 映像區(qū)的大小由用戶程序確定, 對于系統(tǒng)的每一個輸入或輸出點總有輸入或輸出映像區(qū)的某一位與之

23、對應(yīng), PLC 在執(zhí)行用戶程序時所需要的外部信息取自于I/O 映像區(qū), 而不直接與外部設(shè)備發(fā)生關(guān)系。I/O 映像區(qū)的建立, 使PLC 工作時只和有關(guān)地址單元內(nèi)所存信息狀態(tài)發(fā)生關(guān)系, 系統(tǒng)輸出也是只給內(nèi)存某一地址單元設(shè)定一個狀態(tài)。 </p><p>　　PLC 上電后在系統(tǒng)程序的監(jiān)控下, 周而復(fù)始地按規(guī)定的順序?qū)ο到y(tǒng)內(nèi)部的各種任務(wù)進行查詢、判斷和執(zhí)行, 用戶程序執(zhí)行、輸入/輸出信息處理。 </p>&

24、lt;p>　　1.2 PLC 控制程序開發(fā) </p><p>　　下位機是整個控制系統(tǒng)的核心部分, 負(fù)責(zé)完成所有的控制功能和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集功能?？刂破骺刂瞥绦蚓幹频暮脡? 直接影響到控制速度和控制效果, 也同時將影響到以后的維護工作。按照污水處理的工藝流程, 將程序分成若干個子程序模塊和公用子程序模塊, 各個工藝段之間的控制程序互相不影響, 獨立運行, 各模塊相互獨立, 分別控制著某一操作單元, 各操作單元有

25、自動與手動兩種運行方式, 當(dāng)某一操作單元選用手動時, 相應(yīng)的程序模塊不予運行, 這樣, 當(dāng)某一單元操作出現(xiàn)故障時, 可及時從整個系統(tǒng)中脫離,增加了系統(tǒng)的可靠性。PLC 控制程序的算法如下: </p><p>　　(1)首先, 判斷粗格柵是否自動控制, 若為自動控制, 則執(zhí)行粗格柵自動控制程序, 否則, 則執(zhí)行手動控制; </p><p>　　(2)判斷沉砂池是否自動控制, 若為自動控制,

26、則執(zhí)行沉砂池自動控制程序, 否則, 則執(zhí)行手動控制; </p><p>　　(3)判斷細(xì)格柵是否自動控制, 若為自動控制, 則執(zhí)行細(xì)格柵自動控制程序, 否則, 則執(zhí)行手動控制; </p><p>　　(4)判斷初沉池是否自動控制, 若為自動控制, 則執(zhí)行初沉池自動控制程序, 否則, 則執(zhí)行手動控制; </p><p>　　(5)判斷纖維濾池是否自動控制, 若為自動控

27、制, 則執(zhí)行生物濾池自動控制程序, 否則, 則執(zhí)行手動控制; </p><p>　　(6)判斷提升泵房是否自動控制, 若為自動控制, 則執(zhí)行提升泵房自動控制程序, 否則, 則執(zhí)行手動控制; </p><p>　　(7)判斷曝氣池是否自動控制, 若為自動控制, 則執(zhí)行曝氣池自動控制程序, 否則, 則執(zhí)行手動控制; </p><p>　　(8)判斷二沉池是否自動控制,

28、若為自動控制, 則執(zhí)行二沉池自動控制程序, 否則, 則執(zhí)行手動控制; </p><p>　　2. 上位機監(jiān)控軟件開發(fā) </p><p>　　上位機監(jiān)控界面采用組態(tài)軟件WinCC 進行開發(fā), 完成對系統(tǒng)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集以及控制工藝流程的實時監(jiān)控。西門子視窗控制中心SIEMENS WinCC 是一個集成的人機界面(HMI)系統(tǒng)和監(jiān)控管理系統(tǒng)。WinCC 提供各種PLC 驅(qū)動程序, 因此使PLC

29、與上位機聯(lián)接變得非常容易。 </p><p>　　由于監(jiān)控系統(tǒng)要求覆蓋幾乎整個工藝流程, 因此在結(jié)構(gòu)規(guī)劃時緊緊圍繞合理地安排信息反映形式, 既要實現(xiàn)所有的功能模塊又要保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全可靠運行。根據(jù)污水處理廠的自身工藝和控制系統(tǒng)對上位機軟件的要求, 上位機監(jiān)控軟件主要由登錄管理模塊、預(yù)測模塊、監(jiān)控界面、趨勢、報警、報表、數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)幫助等模塊組成。 </p><p>　　3．該系統(tǒng)具有的功

30、能 </p><p>　　該系統(tǒng)上位機控制系統(tǒng)具有以下功能該系統(tǒng)上位機控制系統(tǒng)具有以下功能該系統(tǒng)上位機控制系統(tǒng)具有以下功能該系統(tǒng)上位機控制系統(tǒng)具有以下功能：1、對整個系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備及運行結(jié)果（泥位、液位、流量）具有控制、監(jiān)視、參數(shù)設(shè)定、故障報警、故障診斷功能。2、根據(jù)污水處理工藝和邏輯的要求，嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)備開啟、停止、故障或緊急停機等控制。3、系統(tǒng)動態(tài)顯示，畫面將各個工藝流程直觀的顯示在屏幕上，可以實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備的

31、工作狀態(tài)和參數(shù)。4、選擇合理的自動運行模式，使整個系統(tǒng)的運行處于安全穩(wěn)定的狀態(tài)，并能達到污水處理的工藝要求。5、當(dāng)設(shè)備或控制參數(shù)接近非正常狀態(tài)時，界面有報警提示，并伴有聲音報警。6、進行報警歷史記錄，將故障分類整理歸檔，且報警記錄不可刪除，用于事故分析和追憶。7、歷史數(shù)據(jù)通過歷史庫進行存儲，操作人員可以方便的生成重要設(shè)備和監(jiān)測指標(biāo)的運行報表和曲線，并具有隨時進行調(diào)用、打印功能。8、系統(tǒng)具有用戶權(quán)限管理功能，對工程各關(guān)鍵操作都設(shè)有不同級別

32、的權(quán)限，以保證系統(tǒng)的安全性。 </p><p>　　結(jié)束語： 水是經(jīng)濟發(fā)展和社會可持續(xù)發(fā)展的一個重要因素，而城市污水則成為制約許多城市可持續(xù)發(fā)展的主要原因之一。到目前為止，世界各國已經(jīng)研究出不同的污水處理方法，我國環(huán)保理論和工藝研究與國外的差距不大，差距比較大的是環(huán)保單元設(shè)備和自動控制系統(tǒng)。污水處理自動控制系統(tǒng)是一項綜合的系統(tǒng)工程，具有長期性和復(fù)雜性，利用自動控制系統(tǒng)處理好污水，在一定程度上可以避免環(huán)境惡化和經(jīng)濟

33、資源的損失。關(guān)于污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)符合國家相關(guān)部門的電氣設(shè)計基本要求，并結(jié)合具體情況綜合考慮，選取設(shè)計成本較低，維護費用較少，可靠性較較強的污水處理自動控制系統(tǒng)設(shè)計，只有這樣，才能保證水資源的持續(xù)再生功能的發(fā)揮，進而改善水環(huán)境污染的現(xiàn)狀。 </p><p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1] 惠鴻忠.污水處理智能監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)研究.天

34、津:天津科技大學(xué).2005 </p><p>　　[2] 錢孟康.歐美城市給水排水處理技術(shù)考察和比較2001.1期:34.26 </p><p>　　[3] 汪吉鵬.工業(yè)控制技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展方向.濰坊學(xué)院學(xué)報.2002.2 </p><p>　　[4] 徐新陽,等.污水處理工程設(shè)計[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003. </p><p>