自動控制系統在污水處理中的應用

摘要：目前，自動控制系統在我國污水處理中得到廣泛應用，同時也逐漸暴露出了一些問題。文章首先就自動控制系統在國內污水處理系統中的應用現狀進行了闡述，其次分析了存在的問題，最后提出了改進自動控制系統的建議，以期可以提供一些借鑒。

關鍵詞：自動控制系統；污水處理；過程控制；在線監視；故障診斷；報警處理 文獻標識碼：A

中圖分類號：X703 文章編號：1009-2374（2016）01-0089-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.045

自從我國工業化進程加快以來，污水的排放及其處理已經成為越來越受國家關注的一個重點。水資源的利用直接關系到人類生存，關系到人類可持續發展。早期工業廢水、城市生活廢水全部直接排放進自然中，直接利用自然的自我凈化調節功能來分解廢水。但是隨著我國工業化程度的不斷加深，僅僅通過自然自凈能力已經很難將龐大的廢水量處理完，這時建設城市污水處理廠的必要性就突顯出來。

早期的城市污水處理廠一般都是由工作人員到現場進行勘察以及調研，但是污水處理廠的構成復雜、建筑物繁多，在測量多種項目指標時，常常給現場勘測調研帶來極大困難。隨著科技革命帶來各種新技術，污水處理廠漸漸開始引用自動控制技術，這項技術得到廣泛應用是因為自動控制技術操作起來非常方便，可以進行實時監測，并且非常節省人力。在20世紀70年代的美國，部分污水處理廠可以實現對加藥過程進行計算機控制，如污水處理廠通過計算機對加釩過程進行掌控，很好地降低了釩的使用量，與之同時發生的是管理效率的顯著提高和水質的大為改善。除此之外，像德國、日本等國家的一些污水處理廠也較早實現了用計算機來控制污水處理過程。污水處理系統發展到現在已經取得很大進步，其自動化程度跟以前相比也更高。

1 污水處理系統中自動化技術的應用現狀

所謂自動控制系統就是把控制設備、執行器件、檢測元件和主計算機之間利用通信網絡連接起來，這樣主計算機可以對它們進行集中控制，進而達到集中監控、集中調度、集中分析和集中數據處理的目的。經過對國外引進技術和設備的消化和吸收，我國的污水控制系統也有所進展。工業Ethernet配合著FCS，再與PLC控制站結合起來，這種自動控制系統是我國最新一代的控制系統。

現在自動控制系統在污水處理中的應用有了新的進展，如FCS、PLC、DCS等。其中FCS是現場總線控制系統（Fieldbus Control System），近年來它發展迅速，可以算得上是最新型的自動控制技術，它旨在用網絡傳輸代替比較傳統的硬件傳輸，這是FCS通過現場控制網絡將眾多控制器、傳感器和執行器連接起來實現的。PLC是可編程控制系統（Programmable Logic Control System），它使用計算機技術以實現開關量的邏輯控制，其最大的優勢就是具有超高的可靠性和抗干擾能力，這種優勢使它在污水處理中占有很重要的地位。DCS是集散控制系統（Distributed Control System），它是一種新型的4C控制技術，實現了連續物理量的監視與調節，與PCL相結合的DCS控制系統在污水處理廠中的應用可以說已經相當成熟了。

2 自動控制系統在污水處理過程中的特點以及主要表現

2.1 自動控制系統的主要特征

相比于其他的自動控制系統，在污水處理中應用到的自動化控制系統比較繁瑣復雜。因為其中涉及到的物理量非常多，而且其中不僅有模擬量，還有數字量。與此同時，控制方式也有開環控制和閉環控制、順序控制和時間控制等多種控制方式。而要使處理后的水質達標，就要使處理過程中的各項參數都要合格。這就需要對處理設備的運行狀態、進排泥量和排水量等進行綜合控制，這無疑會加大自動控制系統的復雜性。現在的自動控制系統已經具有良好的開放性、適應性和經濟性等，這和自動控制系統有簡單的邏輯控制階段發展成為分散控制階段是密切相關的。

2.2 自動控制系統在污水處理過程中的主要表現

2.2.1 過程控制。自動控制系統對污水處理整個過程中的工藝參數以及流程進行實時監控和采集分析數據，然后根據分析結果對現場的設備的運行進行控制，這就是我們所說的自動控制系統的過程控制。其中可以實現運行數據的采集和存儲、調度和管理。整個運行過程的系統是中央控制系統，中央控制系統可以對整個工藝的運行和停止以及一些緊急事件進行直接控制。

2.2.2 在線監視功能。在線監視功能使動態的工藝流程圖顯示在中央控制室的計算機屏幕上，同時可以顯示在子站界面上的是現場設備的運行狀態和一些非常重要的工藝參數的變化情況。必要的情況下，我們可以利用鼠標和鍵盤對系統的運行狀態進行干預。

2.2.3 故障診斷及報警處理。當設備在運行過程中產生一些可以或者不可以避免的故障的情況時，故障診斷功能可以將其監測出來，并隨后進行查找和報警。此外，故障診斷系統還可以分析和調整一些簡單的事故，從而使系統運行更加穩定。報警時系統可以顯示報警的畫面，這樣可以讓操作人員在對故障進行處理時得到提示。

3 自動控制系統在應用時存在的問題及今后的改進方向

3.1 自動控制系統在應用時存在的問題

雖然上述過程中我們的確展示了自動控制系統的眾多優勢，但是自動控制系統的發展畢竟還是不夠完善，從各個污水處理廠的調研中我們總結了自動控制系統現今存在的一些問題：

3.1.1 自動控制系統的在線穩定性不夠。隨著PLC、DCS以及FCS技術的發展，自動控制系統的穩定性已經得到了一定的提高。但是由于污水處理實在是一個很復雜的過程，系統中的設備在運行過程中會涉及很多參數，而且每個參數還在不斷的變化中，這就給自動控制系統對整個污水處理過程進行有力的監督控制造成了障礙。所以，一般污水處理廠除了自動控制系統外，還需要現場的工作人員來操控運行過程，并對有些分析結果進行調整，以期保持整個處理系統的穩定性。

3.1.2 已建的污水廠存在儀器、工作人員方面的限制性因素。目前大部分已建的污水處理廠的自控技術水平落后，污水處理效能與自控關系不明確，與之配套的自控設備和儀器匱乏，同時現今的排放標準也普遍提高，再加上污水處理過程中與自動控制設備相關的自動化方面的知識比較復雜，引進的大部分設備都是外文說明書，廠區的工作人員缺乏必要的自動控制方面的知識，這些劣勢只靠對廠內工作人員的培訓是無法輕易轉化的。

3.1.3 目前我國眾多的污水處理廠雖然監視良好、但是控制能力卻明顯不足。對于監視過程中得到的數據，工作人員并不能很好地進行分析和利用，這樣就使自動控制系統失去了一開始我們想要它能提供給的便捷。并且自動控制系統在污水處理廠的運行過程中帶來的由于節能降耗引起的直接經濟效益并沒有被充分認識到，這從另一個方面阻礙了風險投資者在投資污水處理廠時對自動控制系統的投資欲望。與此同時，自動控制系統引入污水處理廠后可以保障污水的排放達到標準，提高環境效益和社會效益，在這點上污水處理廠監管部門的認識也不到位，他們缺少與風險投資者的協調，以上種種都是限制自動控制系統在污水處理廠推廣的重要原因。

3.1.4 自動控制系統本身還有待完善。例如與自控技術相關的軟件、儀器行業并不規范，先進的自動控制技術大都從國外引進等。更詳細一點舉例，像污水處理過程中使用的探頭很多，它們用于數據的采集，且都是被淹沒在污水中的。但是如我們所知污水中的成分相當雜亂，這些探頭很容易被纏結進而影響采集數據的準確性，更有甚者會損害探頭。

3.2 自動控制系統今后的改進方向

一是在自動化控制系統的穩定性還沒有得到確保時，污水處理系統中應該配備必要的工作人員，以彌補自動控制系統穩定性不夠帶來的分析結果的誤差。二是接下來一段時間內應該在污水處理廠中配備相應自動控制方面的專業人員，這樣既可以對其他廠區的工作人員有一定的培訓和指導，也可以避免因工作人員專業素養不夠引起的操作失誤甚至事故。這對廠區的正常運行有很大的影響。三是依然要不斷開發智能控制在污水領域的應用深度，如模糊控制、神經網絡控制、專家控制等技術，這些技術仍然需要理論上的進一步發展。通過數學建模和仿真，結合污水處理新技術的市場需求，將這些智能控制方法相結合，爭取提出更加行之有效的新控制策略。四是爭取將污水處理廠的自動控制系統與高速數字技術和網絡技術結合，通過遙感遙測遙控技術實現污水處理廠的自動控制，以解放所有的現場操作人員。

4 結語

如上所述，自動控制系統在傳統的污水處理領域已經取得了眾多成果，可以極大地提高污水處理的效率，提高出水質量，大大減少了有害物質的排放，其產生的經濟效益和環境效益是值得肯定的。

但是，我國的污水處理中自動化技術的應用起步是比較晚的，所以在這方面我們不可避免地落后于西方發達國家，這集中體現在我們的控制系統大都從國外引進，缺少自主研發的系統，同時相應的污水處理設備、測量監測儀器的質量一直得不到提高。顯然國家應該加大對這方面的投入，以縮小與世界先進水平的差距。我們有理由相信，隨著我國科學技術的不斷發展，污水處理系統會有更好的完善，而自動控制系統也會在污水處理領域發揮其應該有的作用。

參考文獻

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作者簡介：楊博英，男，湖南株洲人，株洲市城市排水有限公司龍泉污水處理廠廠長，自動控制工程師，研究方向：污水處理技術。

（責任編輯：秦遜玉）