污水处理自动控制系统设计及研究
摘要：人类对水资源的需求以惊人的速度扩大和日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。目前城市生活污水处理已经受到各地政府和许多研究人员的关注。为了提高污水处理的效果和管理，实现污水处理自动化控制是关键。当前我国污水处理自动化控制还比较初步，有待于迸一步的提高和完善。
关键词：污水处理；自动控制系统设计
一、污水处理的意义及现状
中国水资源人均占有量少，空间分布不平衡。随着中国城市化、工业化的加速，同时近年来江南水乡出现严重干旱，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、中水回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，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。
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。
二、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，增大曝气阻力，有时还会堵塞微孔扩散器；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，还将堵塞排泥管或排泥泵，如进入离心式脱水机，会使转鼓失去平衡，从而产生震动或严重的噪音，一些破布片、毛发有时会塞满 转鼓与涡壳之间的空间，是设备过载。污泥处理，主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或者农用填埋等。
三、污水处理自动控制系统设计
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。
1.格栅单元控制。
格栅单元，作用是用来去除水中粗大的悬 浮物和杂物，以保护后续处理设施能正常运行的一种预处理方法。一般根据水源情况分别设有出格栅和细格栅两个步序，粗格 栅去除的是那些可能堵塞水泵机组及管阀门的较粗大的悬浮物， 而细格栅用以去除粗格栅难以去除的呈悬浮物状的细小纤维。 本项目中水源由泵站供应，泵站出水时已经经过了粗格栅的 筛滤，所以只有两台细格栅和一台负责运输的螺旋输送机。 控制前提及要求说明：（1）水源不是很稳定，有时会出现 断源；（2）水中大块杂质含量随季节性及白昼交替而变化； （3）启动格栅之前，先启动螺旋输送机；停止时反顺序；（4） 尽量提高格栅的利用效能，力求有水流动时才启动该单元系统。
2.进水泵房单元控制。
进水泵房潜水泵属于整个污水处理厂 用电大户之一，合理的控制效果能起到节能作用。很好的控制效 果应该能实现以下要求：1.避免泵启停频繁；2.尽量保持泵在高液位运行：3.保证所有的泵均衡使用。
传统的控制由人工根据液位及经验人为手动启动泵的台数， 所以现场自动控制很常用的就是根据液位分段运行，在不同的阶 段启动的台数不一样，交替使用，通常低中液位阶段液位差设置比较宽，高液位阶段液位差设置比较窄。目的是为了避免低液位 阶段泵启停频繁，而是为了尽量保证泵在高液位运行提高泵的运行效率。当然也有恒液位变频控制，只是大多数用在设备为一用一备的场合，一台变频器拖两台泵，通常只有在小型污水处理厂或者工业污水预处理场合
对要求恒液位变频控制本文提供两种方案：（1）变频器一 拖多，共两套。为每台泵配置一台变频器既不实惠也增加了自控 的干扰源。控制原理是：液位达到控制目标液位时，变频器启动 （泵所在的那套系统的变频器），拖动停止时间最长的那台泵， 同时对该台泵进行运行时间累计，并清除停止时间，进行改进型 PID控制，当频率大于等于50HZ时，工频启动剩下的泵中停止时 间最长的，依次类推。（2）一台变频控制，剩下的泵全部为工 频控制。本项目中采用的就是该控制方案，现场一台变频控制 泵，2台工频控制泵，远期将再扩展两台工频泵；该控制方案设 计简单，缺点是如果要实现恒液位控制，变频控制的泵将长期运 行，为了解决这问题，我们在程序上做了点工作，选择一个择中的办法，使其达到很好的运行效果。
3.改良SBR池单元控制。
改良SBR池阀门及设备繁多，时 段控制要求高，操作复杂，应采用全自动控制，尽量减少人为 手动操作或者人为中控点动操作。改良SBR池设有4组SBR池。 SBR池系统按一定的循环过程进行。每一循环可划分下列阶段： （1）进水/曝气；（2）沉淀；（3）滗水。每组循环操作由PLC 自动控制。整个过程中各阶段安排是预先编制的，但需要时，可 在PLC系统中适当调整。程序控制说明如下：（1）现场进水不 稳定也没有规律，进水流量大时，如果满周期运行，SBR池可能 会溢出，进水阀还应受液位限制，当达到高液位（液位值可在上位机组态操作界面中设置）时，进水阀门应该关闭而不是等到周 期结束才关闭。（2）由于SBR池工艺中，同时进行着硝化/反 硝化过程，因此曝气量的调节十分重要。要求进水同时曝气时间 可灵活设置，曝气量控制在0.5mg/1以下，通过调节电动阀门的 开度来控制，具体又现场调试之后确定；曝气阶段的曝气量阀门 全开，曝气量达到2mg/1，通过控制鼓风机频率来控制。此处进 水时曝气要求控制开度，另一个主要原因是进水的池子刚滗水完 毕液位相对低，所以反而会导致主曝气池子得不到曝气。此外也 可以添加小管道的小旁路气路来解决该问题，旁路开度可以根据 现场事先设定好。由于主阀门的本身不是智能控制型的，本项目 最终选择采用增添旁路控制。（3）鼓风机作为最重要设备，在 系统运行的过程中通常常开的，过程中不允许有气路堵塞。所以 始终要保持有一个进气阀是开到位状态，现场进气阀是碟阀结 构，开启和关闭时间都很短（约十秒左右），当需要关闭一个 进气阀时应先在需要开启的进气阀开到位之后才能开始关闭。 （4）当沉淀时间到达之后，滗水器开始下降（滗水器为闸门式 滗水器），下降至有效液位（该液位值高于滗水器下降到位时的 位置，可在上位机组态操作界面中设置）时自动上升，直到上升 到位，等待下一个周期工作。（5）排泥阀采用两种控制方式可 供选择（可在上位机组态操作界面中选择），其一就是和进水阀 门一起动作，即进水阀门打开时排泥阀也打开，亦即进水的池子 同时排泥；其二就是和滗水器一起动作，滗水器下降时排泥阀也 打开，亦即滗水的池子同时排泥。（6）剩余污泥泵根据污泥浓 度点动控制决定是否开启，启动时排泥阀属于滗水时排泥。选择 池中的液位达到高浮球液位时，强行停进水泵，此处浮球的设定 也同时减少了进水泵的频启停次数，只要选择池液位没有达到高 浮球液位，即使进水阀门全部关到位，进水泵只需要调低变频泵 的频率就行了，而不需要关闭。（7）当其中一个池子出现故障 时，剩余的SBR池依然照设定的周期运行，出现故障的池子改人 为手动控制或者中控点动，当只有部分阀门处于故障时，其他的 阀门依然可以照着固定的周期自动运作，操作工只需要操作出现 故障的阀门就行了，主要目的是减少人工参与，减少人工参与发 生误操作的几率。依据上述分析，阀门的控制要求非常灵活，牵 连因素也比较多，根据其要求做一个很明了的控制系统将会造成 编程困难和调试困难，所以我们经过多次修改，采用了隐含性的 控制方法，即只针对阀门不针对系统来设计的整体到局部思想， 池子之间在总周期控制下各自独立成为系统，相互之间不影响。
4.鼓风机房单元控制。
曝气系统是一个严重滞后的控制系统，所以采用一般PID控制算法在该系统中很难实现，结合实际 情况，比如2mg/L的溶解氧要求，是最低限，不要求精确控制到 目标值，同时DO检测仪也有一定的误差，只能作为近似参考， 且鼓风机最低频率不能太低，否则会很容易造成热继故障以及很 大的噪声，现场鼓风机最低频率不能低于25HZ。
当已经启动了一台工频鼓风机且变频鼓风机也达到了45HZ 以上，如果此时DO值还是低于2m∥L，则提示报警，由人工检 查是否管路有问题，因为厂建之前一期工程鼓风机是一台变频鼓 风机控制，两台软启控制（一用一备），超出这范围，肯定是现 场有其他原因，比如鼓风机管路漏气等。
此外鼓风机设备是重要设备，所以保护措施非常重要，一次当如果所有进气阀出现关到位状态，则立马得停止所有鼓风机； 且如果现场没有进气阀处于开到位状态，但有半开状态信号，如果此种情况存在持续5s以上则也得停止鼓风机设备。
5.加氯间单元控制。
加氯间设备共有两台轴流增压泵（一用 一备），两套二氧化氯发生器。采用顺序控制方式，及先启动轴 流增压泵，约30s左右再启动二氧化氯发生器，原因是消毒过程 采用的是负压原理，只有在负压达到一定的程度之后二氧化氯发 生器才能其作用将消毒液和水混合达到消毒的目的。停止时反顺 序，两增压泵都发生故障或者两个二氧化氯发生器都故障时，系 统自动紧急停止。
6.脱水机房单元控制。
脱水机房设有三台台脓缩脱水一体机（远期两用一备）、一台螺旋输送机、两台加药泵（一用一 备）、两台清洗泵（一用一备）、两台进泥泵（一用一备）、两台除磷加药泵、五台搅拌器。
其中进泥泵负责将浓缩储泥池的污水运输到脱水机；清洗泵负责清洗脱水机滤波，并消毒，水源来自加氯间单元的接触池； 加药泵负责将PAM池中的药剂运输到脱水机；除磷加药泵主要用于改良SBR池在必要的时候进行化学除磷。搅拌器，其中一台负责聚合铝池（除磷），一台负责储泥池污泥搅拌，剩余三台负 责PAM池。控制方式：系统整体按照一定的顺序启动，启动顺 序为启动清洗泵和输送机一>启动脱水机和PAM池搅拌器一。 启动进泥泵和加药泵。停止顺序相反。储泥池搅拌器在启动脱 水系统前1个小时及以上人工点动，聚合铝池的搅拌器和除磷加 药泵不属于脱水系统由人工点动。系统启动之后只受控于浓缩储 泥池的液位。脱水机目前是只需投入一台设备，考虑到清洗阀、进泥阀及加药阀都是手动阀，基于管路无法自动控制，因此脱水 机的自控程序由人工选择启动设备，只要设备投入自动状态下， 启动时就会运行，人工选择设备时组态界面有提示确认管路是否正确。远期的两用一备也适合，因为脱水机系统非常开运行的， 只是在需要的时候才会进行适当排泥，采用该控制方案经济效果相对来说不错。PAM池搅拌器不影响系统的全自动运行，但只要处于自动控制状态下将和脱水机同时启动，也可以切入到点动 或近控状态下由人工操作。
结论：
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。本文通过分析污水处理的基本原理及工艺过程，结合所做过的实际工程项目，主要完成的工作和结论如下： 1.从工程实际项目出发，针对改良SBR工艺（CAST工艺）特性及要求，构架了完整的控制方案，展现了整个控制方案设计思想过程并进行了详细的分析，其中包括工艺分析、硬件配置、网络配置、通信配置、现场总线技术、自控设计、监控系统设计、远程访问、现场调试等，对类似的设计有很强实践指导意义；2.结合PLC技术很好的实现了现场改良SBR工艺自动控制要求，该系统已经成功的投入运行，至今运行良好，可以作为相应工程的参考模板。
参考文献：
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