污水處理自動化控制系統設計及研究

    人類對水資源的需求以驚人的速度擴大和日益嚴重的水污染蠶食大量可供消費的水資源。目前城市生活污水處理已經受到各地政府和許多研究人員的關注。為了提高污水處理的效果和管理，實現污水處理自動化控制是關鍵。當前我國污水處理自動化控制還比較初步，有待於迸一步的提高和完善。

    關鍵詞：污水處理；自動控制系統設計

    一、污水處理的意義及現狀

    中國水資源人均占有量少，空間分布不平衡。隨著中國城市化、工業化的加速，同時近年來江南水鄉出現嚴重乾旱，水資源的需求缺口也日益增大。在這樣的背景下，污水處理行業成為新興產業，目前與自來水生產、供水、排水、中水回用行業處於同等重要地位。雖然由於國家和各級政府對環境保護重視程度的不斷提高，中國污水處理行業正在快速增長，污水處理總量逐年增加，城鎮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面臨的最現實的問題。

    採用計算機技術、跟蹤經常變化的水處理情況，檢測不同時間的水質指標數據，在計算機上動態現實，對這些數據進行分析處理，並記錄下來，以備在需要的時候查閱。通過分析數據趨勢走向，隨時調整個設備及工藝過程參數，使其達到優化控制狀態，經濟運行，節省能耗。採用計算機代替人工操作，減少事故，保證安全，降低勞動強度，節約人力，甚至可以完成許多人工難以完成的任務，提高運行的可靠性。

    二、污水處理工藝過程

    污水處理是將污水中的污染物質分離去除，使有害的物質轉化為無害的物質、有用的物質，水得到淨化，並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。預處理工藝：主要是物理處理，通過格柵、沉砂池等將污水中大塊污物攔截出來，保證後續單元的正常運行。預處理過程就去除污染物質而言，可能不起關鍵作用，但是至關重要。預處理不好，對一級處理影響水質均勻及管道暢通、潛水泵的運轉；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，有時還會堵塞微孔擴散器；對污泥處理，極易從格柵流走的一些破布條、塑膠袋等雜物，進入濃縮池後將在濃縮機柵條上纏繞，影響排泥均勻，還將堵塞排泥管或排泥泵，如進入離心式脫水機，會使轉鼓失去平衡，從而產生震動或嚴重的噪音，一些破布片、毛髮有時會塞滿轉鼓與渦殼之間的空間，是設備過載。污泥處理，主要包括濃縮、消化、脫水、堆肥或者農用填埋等。

    三、污水處理自動控制系統設計

    系統控制設計採用近控/遠控方式，方式選擇通過提升泵控制箱中的二次迴路、接觸器、中間繼電器、選擇開關等的切換實現。正常情況下，選擇開關置於遠控位置，當遠程控制系統出現問題時，需到現場切換為近控方式。遠控包含兩種控制方式：中控軟手動（點動）和自動，切換方式在中控監控畫面中點擊點動/自動按鈕。每台設備的控制方式都可以單獨選擇。

    1.格柵單元控制。

    格柵單元，作用是用來去除水中粗大的懸浮物和雜物，以保護後續處理設施能正常運行的一種預處理方法。一般根據水源情況分別設有出格柵和細格柵兩個步序，粗格柵去除的是那些可能堵塞水泵機組及管閥門的較粗大的懸浮物，而細格柵用以去除粗格柵難以去除的呈懸浮物狀的細小纖維。本項目中水源由泵站供應，泵站出水時已經經過了粗格柵的篩濾，所以只有兩台細格柵和一台負責運輸的螺旋輸送機。控制前提及要求說明：（1）水源不是很穩定，有時會出現斷源；（2）水中大塊雜質含量隨季節性及白晝交替而變化；（3）啟動格柵之前，先啟動螺旋輸送機；停止時反順序；（4）儘量提高格柵的利用效能，力求有水流動時才啟動該單元系統。

    2.進水泵房單元控制。

    進水泵房潛水泵屬於整個污水處理廠用電大戶之一，合理的控制效果能起到節能作用。很好的控制效果應該能實現以下要求：1.避免泵啟停頻繁；2.儘量保持泵在高液位運行：3.保證所有的泵均衡使用。

    傳統的控制由人工根據液位及經驗人為手動啟動泵的台數，所以現場自動控制很常用的就是根據液位分段運行，在不同的階段啟動的台數不一樣，交替使用，通常低中液位階段液位差設置比較寬，高液位階段液位差設置比較窄。目的是為了避免低液位階段泵啟停頻繁，而是為了儘量保證泵在高液位運行提高泵的運行效率。當然也有恆液位變頻控制，只是大多數用在設備為一用一備的場合，一台變頻器拖兩台泵，通常只有在小型污水處理廠或者工業污水預處理場合

    對要求恆液位變頻控制本文提供兩種方案：（1）變頻器一拖多，共兩套。為每台泵配置一台變頻器既不實惠也增加了自控的干擾源。控制原理是：液位達到控制目標液位時，變頻器啟動（泵所在的那套系統的變頻器），拖動停止時間最長的那台泵，同時對該台泵進行運行時間累計，並清除停止時間，進行改進型PID控制，當頻率大於等於50HZ時，工頻啟動剩下的泵中停止時間最長的，依次類推。（2）一台變頻控制，剩下的泵全部為工頻控制。本項目中採用的就是該控制方案，現場一台變頻控制泵，2台工頻控制泵，遠期將再擴展兩台工頻泵；該控制方案設計簡單，缺點是如果要實現恆液位控制，變頻控制的泵將長期運行，為了解決這問題，我們在程序上做了點工作，選擇一個擇中的辦法，使其達到很好的運行效果。

    3.改良SBR池單元控制。

    改良SBR池閥門及設備繁多，時段控制要求高，操作複雜，應採用全自動控制，儘量減少人為手動操作或者人為中控點動操作。改良SBR池設有4組SBR池。SBR池系統按一定的循環過程進行。每一循環可劃分下列階段：（1）進水/曝氣；（2）沉澱；（3）潷水。每組循環操作由PLC自動控制。整個過程中各階段安排是預先編制的，但需要時，可在PLC系統中適當調整。程序控制說明如下：（1）現場進水不穩定也沒有規律，進水流量大時，如果滿周期運行，SBR池可能會溢出，進水閥還應受液位限制，當達到高液位（液位值可在上位機組態操作界面中設置）時，進水閥門應該關閉而不是等到周期結束才關閉。（2）由於SBR池工藝中，同時進行著硝化/反硝化過程，因此曝氣量的調節十分重要。要求進水同時曝氣時間可靈活設置，曝氣量控制在0.5mg/1以下，通過調節電動閥門的開度來控制，具體又現場調試之後確定；曝氣階段的曝氣量閥門全開，曝氣量達到2mg/1，通過控制鼓風機頻率來控制。此處進水時曝氣要求控制開度，另一個主要原因是進水的池子剛潷水完畢液位相對低，所以反而會導致主曝氣池子得不到曝氣。此外也可以添加小管道的小旁路氣路來解決該問題，旁路開度可以根據現場事先設定好。由於主閥門的本身不是智能控制型的，本項目最終選擇採用增添旁路控制。（3）鼓風機作為最重要設備，在系統運行的過程中通常常開的，過程中不允許有氣路堵塞。所以始終要保持有一個進氣閥是開到位狀態，現場進氣閥是碟閥結構，開啟和關閉時間都很短（約十秒左右），當需要關閉一個進氣閥時應先在需要開啟的進氣閥開到位之後才能開始關閉。（4）當沉澱時間到達之後，潷水器開始下降（潷水器為閘門式潷水器），下降至有效液位（該液位值高於潷水器下降到位時的位置，可在上位機組態操作界面中設置）時自動上升，直到上升到位，等待下一個周期工作。（5）排泥閥採用兩種控制方式可供選擇（可在上位機組態操作界面中選擇），其一就是和進水閥門一起動作，即進水閥門打開時排泥閥也打開，亦即進水的池子同時排泥；其二就是和潷水器一起動作，潷水器下降時排泥閥也打開，亦即潷水的池子同時排泥。（6）剩餘污泥泵根據污泥濃度點動控制決定是否開啟，啟動時排泥閥屬於潷水時排泥。選擇池中的液位達到高浮球液位時，強行停進水泵，此處浮球的設定也同時減少了進水泵的頻啟停次數，只要選擇池液位沒有達到高浮球液位，即使進水閥門全部關到位，進水泵只需要調低變頻泵的頻率就行了，而不需要關閉。（7）當其中一個池子出現故障時，剩餘的SBR池依然照設定的周期運行，出現故障的池子改人為手動控制或者中控點動，當只有部分閥門處於故障時，其他的閥門依然可以照著固定的周期自動運作，操作工只需要操作出現故障的閥門就行了，主要目的是減少人工參與，減少人工參與發生誤操作的幾率。依據上述分析，閥門的控制要求非常靈活，牽連因素也比較多，根據其要求做一個很明了的控制系統將會造成編程困難和調試困難，所以我們經過多次修改，採用了隱含性的控制方法，即只針對閥門不針對系統來設計的整體到局部思想，池子之間在總周期控制下各自獨立成為系統，相互之間不影響。

    4.鼓風機房單元控制。

    曝氣系統是一個嚴重滯後的控制系統，所以採用一般PID控制算法在該系統中很難實現，結合實際情況，比如2mg/L的溶解氧要求，是最低限，不要求精確控制到目標值，同時DO檢測儀也有一定的誤差，只能作為近似參考，且鼓風機最低頻率不能太低，否則會很容易造成熱繼故障以及很大的噪聲，現場鼓風機最低頻率不能低於25HZ。

    當已經啟動了一台工頻鼓風機且變頻鼓風機也達到了45HZ以上，如果此時DO值還是低於2m∥L，則提示報警，由人工檢查是否管路有問題，因為廠建之前一期工程鼓風機是一台變頻鼓風機控制，兩台軟啟控制（一用一備），超出這範圍，肯定是現場有其他原因，比如鼓風機管路漏氣等。

    此外鼓風機設備是重要設備，所以保護措施非常重要，一次當如果所有進氣閥出現關到位狀態，則立馬得停止所有鼓風機；且如果現場沒有進氣閥處於開到位狀態，但有半開狀態信號，如果此種情況存在持續5s以上則也得停止鼓風機設備。

    5.加氯間單元控制。

    加氯間設備共有兩台軸流增壓泵（一用一備），兩套二氧化氯發生器。採用順序控制方式，及先啟動軸流增壓泵，約30s左右再啟動二氧化氯發生器，原因是消毒過程採用的是負壓原理，只有在負壓達到一定的程度之後二氧化氯發生器才能其作用將消毒液和水混合達到消毒的目的。停止時反順序，兩增壓泵都發生故障或者兩個二氧化氯發生器都故障時，系統自動緊急停止。

  6.脫水機房單元控制。

    脫水機房設有三台台膿縮脫水一體機（遠期兩用一備）、一台螺旋輸送機、兩台加藥泵（一用一備）、兩台清洗泵（一用一備）、兩台進泥泵（一用一備）、兩台除磷加藥泵、五台攪拌器。

    其中進泥泵負責將濃縮儲泥池的污水運輸到脫水機；清洗泵負責清洗脫水機濾波，並消毒，水源來自加氯間單元的接觸池；加藥泵負責將PAM池中的藥劑運輸到脫水機；除磷加藥泵主要用於改良SBR池在必要的時候進行化學除磷。攪拌器，其中一台負責聚合鋁池（除磷），一台負責儲泥池污泥攪拌，剩餘三台負責PAM池。控制方式：系統整體按照一定的順序啟動，啟動順序為啟動清洗泵和輸送機一>啟動脫水機和PAM池攪拌器一。啟動進泥泵和加藥泵。停止順序相反。儲泥池攪拌器在啟動脫水系統前1個小時及以上人工點動，聚合鋁池的攪拌器和除磷加藥泵不屬於脫水系統由人工點動。系統啟動之後只受控於濃縮儲泥池的液位。脫水機目前是只需投入一台設備，考慮到清洗閥、進泥閥及加藥閥都是手動閥，基於管路無法自動控制，因此脫水機的自控程序由人工選擇啟動設備，只要設備投入自動狀態下，啟動時就會運行，人工選擇設備時組態界面有提示確認管路是否正確。遠期的兩用一備也適合，因為脫水機系統非常開運行的，只是在需要的時候才會進行適當排泥，採用該控制方案經濟效果相對來說不錯。PAM池攪拌器不影響系統的全自動運行，但只要處於自動控制狀態下將和脫水機同時啟動，也可以切入到點動或近控狀態下由人工操作。

    結論：

    水是經濟發展和社會可持續發展的一個重要因素，而城市污水則成為制約許多城市可持續發展的主要原因之一。到目前為止，世界各國已經研究出不同的污水處理方法，我國環保理論和工藝研究與國外的差距不大，差距比較大的是環保單元設備和自動控制系統。本文通過分析污水處理的基本原理及工藝過程，結合所做過的實際工程項目，主要完成的工作和結論如下：1.從工程實際項目出發，針對改良SBR工藝（CAST工藝）特性及要求，構架了完整的控制方案，展現了整個控制方案設計思想過程並進行了詳細的分析，其中包括工藝分析、硬體配置、網絡配置、通信配置、現場總線技術、自控設計、監控系統設計、遠程訪問、現場調試等，對類似的設計有很強實踐指導意義；2.結合PLC技術很好的實現了現場改良SBR工藝自動控制要求，該系統已經成功的投入運行，至今運行良好，可以作為相應工程的參考模板。

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