某污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

馮慧淵

（忻州市神達(dá)潔源環(huán)境科技集團(tuán)五寨水凈化有限公司，山西 五寨 036200）

引言

污水處理是對(duì)人類(lèi)生產(chǎn)生活污水進(jìn)行凈化的過(guò)程，是現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)污水“零排放、內(nèi)循環(huán)”的重要途徑。然而，污水處理是復(fù)雜的生化反應(yīng)過(guò)程，涉及儀器儀表種類(lèi)繁多，如污水電磁流量計(jì)、流量控制器、液位控制器、液位計(jì)等，傳統(tǒng)的人工控制污水處理廠技術(shù)在安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期和優(yōu)化運(yùn)行等方面存在較大的缺陷，且在廢水量激增的現(xiàn)代化社會(huì)處理成本超出預(yù)計(jì)，處理效果有所堪憂(yōu)，可以說(shuō)，這種控制方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求[1-2]。

自動(dòng)化控制是一種機(jī)電一體自動(dòng)化集成控制技術(shù)，主要包括過(guò)程自動(dòng)化、管理自動(dòng)化、機(jī)械制造自動(dòng)化[1]。自動(dòng)化控制系統(tǒng)是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要條件，其能自動(dòng)調(diào)節(jié)、檢測(cè)、加工的機(jī)器設(shè)備、儀表，以達(dá)到增產(chǎn)、提質(zhì)，降低成本和勞動(dòng)強(qiáng)度，保障安全等目標(biāo)。因此，采用包含控制器與控制對(duì)象的自動(dòng)化控制方式，構(gòu)建可視化的污水處理系統(tǒng)，以提高污水處理的質(zhì)量和效率，保障污水處理廠正常高效運(yùn)行，同時(shí)節(jié)省人力、物力，最終實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足排放要求且質(zhì)量好、效率高、成本低等目標(biāo)就顯得尤為必要[3]。

1 某污水處理廠工藝流程

本文依托某項(xiàng)目煤三期項(xiàng)目為背景，遵循污水處理行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)污水處理的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)研究設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備運(yùn)行狀況的可視化及污水處理系統(tǒng)的自動(dòng)控制，達(dá)到了企業(yè)的預(yù)期目標(biāo)。

1.1 基本工藝

傳統(tǒng)的污水處理過(guò)程大致分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)處理三步[2]。

首先，通過(guò)格柵去除污水中較大的固體污染物及顆粒較小的雜質(zhì)，這里所說(shuō)的格柵包括粗格柵和細(xì)格柵，污染物和雜質(zhì)包括有機(jī)物質(zhì)及無(wú)機(jī)物質(zhì)，但是一級(jí)處理主要是物理處理，并沒(méi)有達(dá)到國(guó)家規(guī)定的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，還需要通過(guò)化學(xué)方法對(duì)其進(jìn)一步處理。

其次，通過(guò)生化藥物將經(jīng)一級(jí)處理后的水進(jìn)行二次凈化，即經(jīng)過(guò)具有活性污泥的曝氣池及沉淀池的處理，進(jìn)一步降低污水中的雜質(zhì)含量。二級(jí)處理后污水基本已經(jīng)達(dá)到國(guó)家規(guī)定的污水排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)保護(hù)環(huán)境起到了一定作用。

第三，為了進(jìn)一步降低二級(jí)處理后水中的磷、氮和有機(jī)物、礦物質(zhì)、病原體等，通過(guò)離心力進(jìn)行深度處理，形成水與污泥的最終分離。三級(jí)處理是污水處理三個(gè)級(jí)別中的最后一級(jí)，可以較好地除去二級(jí)處理后污水中依然含有的部分病毒以及細(xì)菌。

三級(jí)別處理后的污水可以進(jìn)入水道，即三級(jí)處理后主要用于污水資源化，以在一定程度上解決水資源短缺問(wèn)題，但是三級(jí)處理后的水仍不能作為非飲用水使用[4]。

1.2 煤三期污水處理工藝流程

本次煤三期污水處理工藝流程也遵循污水處理的三級(jí)處理工藝。首先，進(jìn)行污水處理的初級(jí)處理，即通過(guò)格柵進(jìn)行基本清理，初步降低水中的污染物及雜質(zhì)含量；其次，進(jìn)行污水處理的二級(jí)處理，即通過(guò)在反應(yīng)池中加入藥劑的方式，對(duì)其進(jìn)行生化藥物處理，使其變成無(wú)害的物質(zhì)；第三，進(jìn)行污水處理的三級(jí)處理，即將凈化后的污水會(huì)注入沉淀池，在沉淀池中加入混凝劑和絮凝劑，最后污水通過(guò)脫水機(jī)進(jìn)行分離。本項(xiàng)目的污水處理廠工藝流程如圖1所示。

其中，污水處理中最重要的是二級(jí)處理，對(duì)污水中有害物質(zhì)去除率最高。同時(shí)，在本次優(yōu)化設(shè)計(jì)的污水處理系統(tǒng)中，為了能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化和可視化控制，系統(tǒng)在進(jìn)水泵房的潛水泵上裝有液位傳感器，粗、細(xì)格柵兩端安裝有超聲波液位差計(jì)，氧化池中安裝有裝有感應(yīng)器的溶解氧儀及超聲波液位差計(jì)，它們皆可將檢測(cè)的信息傳送到PLC上，分別控制潛水泵、清污機(jī)、曝氣機(jī)的運(yùn)行和停止。

2 污水處理廠實(shí)現(xiàn)功能分析

2.1 污水處理系統(tǒng)主要功能

PLC（可編程邏輯控制器）是一種專(zhuān)用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各類(lèi)機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。本次設(shè)計(jì)的污水處理系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）控制操作。在中央控制室中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，即實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備的在線遠(yuǎn)程控制，如設(shè)備啟動(dòng)、停止等。

2）數(shù)據(jù)處理。獲得相關(guān)有用的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，為參數(shù)的調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐。

3）設(shè)備信息的直觀描述。即實(shí)現(xiàn)設(shè)備相關(guān)參數(shù)以及運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)觀察。

4）報(bào)警功能。出現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)，污水處理系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中能夠保持平穩(wěn)快速運(yùn)行。

5）打印功能。即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的文本化歸檔。

2.2 控制系統(tǒng)性能要求

要實(shí)現(xiàn)污水處理的自動(dòng)化控制，最終經(jīng)過(guò)處理的污水達(dá)到國(guó)家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，需要滿(mǎn)足“穩(wěn)”“快”“準(zhǔn)”三個(gè)硬性標(biāo)準(zhǔn)。

1）“穩(wěn)”。即當(dāng)控制系統(tǒng)受到外界干擾后，可保持系統(tǒng)變化在一定誤差范圍內(nèi)。

2）“快”。即當(dāng)控制系統(tǒng)受到外界干擾后，自動(dòng)控制系統(tǒng)需要快速自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值。

3）“準(zhǔn)”。即控制系統(tǒng)性能優(yōu)異，給定系統(tǒng)的輸入值與系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的輸出值之間差值較小。

3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

被控對(duì)象以及自動(dòng)化裝置對(duì)實(shí)現(xiàn)污水處理的自動(dòng)控制極為重要，其中自動(dòng)化裝置一般通過(guò)可編程程序控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。本次選定的被控對(duì)象主要有閥門(mén)、離心機(jī)、水泵及攪拌器等，自動(dòng)化裝置主要有儀器儀表的測(cè)量部分、相應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié)裝置及發(fā)生故障的報(bào)警裝置等。本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)控制系統(tǒng)采用多層控制系統(tǒng)，以達(dá)到既定的控制目標(biāo)及較好的控制效果，同時(shí)控制系統(tǒng)主要通過(guò)PLC、計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)及測(cè)量?jī)x器儀表實(shí)現(xiàn)。控制系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

其中，控制層主要是實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的控制功能，一般采用PLC作為控制系統(tǒng)的主要控制器件。控制層主要研究對(duì)象是系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程，基于將獨(dú)立的一個(gè)個(gè)設(shè)備通過(guò)傳感器連接在一起的基礎(chǔ)上，主要針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過(guò)綜合的分析判斷，從而達(dá)到對(duì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制。

監(jiān)控層主要是對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控層主要面對(duì)操作人員，其可以通過(guò)顯示屏等輸出設(shè)備觀察設(shè)備的運(yùn)行狀況及其參數(shù)，并對(duì)觀察到的信息進(jìn)行判斷處理，以進(jìn)一步改進(jìn)控制系統(tǒng)的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)?？刂茖又饕晒た貦C(jī)、存儲(chǔ)信息的服務(wù)器及相應(yīng)的設(shè)備組成，并利用成熟的組態(tài)軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行軟硬件連接。

管理層一般是信息的管理與存儲(chǔ)。管理層可以實(shí)現(xiàn)信息的分類(lèi)存儲(chǔ)、方便信息的隨時(shí)調(diào)用，還可以實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的綜合評(píng)估，有問(wèn)題及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)處理，為參數(shù)的調(diào)整提供數(shù)據(jù)支撐，最終實(shí)現(xiàn)相關(guān)生產(chǎn)、質(zhì)量管理及成本控制的綜合處理。

3.2 三大控制子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由格柵機(jī)、泵房潛水、曝氣沉砂池控制子系統(tǒng)組成。其中，格柵機(jī)啟停一般是根據(jù)注入池中的污水液位差來(lái)決定的，故需要在格柵前、后安裝有超聲波液位計(jì)等檢測(cè)液位的儀器，且啟停周期可以視水中雜質(zhì)情況進(jìn)行人工修改或者自動(dòng)調(diào)整，以最終較好地實(shí)現(xiàn)過(guò)濾掉污水中雜質(zhì)的目的[4]。本次污水處理系統(tǒng)進(jìn)水泵房共有4臺(tái)潛水泵，三臺(tái)主泵機(jī)與備用泵機(jī)為輪流啟動(dòng)方式，采用液位分區(qū)的方式實(shí)現(xiàn)水泵的啟動(dòng)。曝氣沉砂池主要實(shí)現(xiàn)污水中雜質(zhì)的分離，在正常運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)攪拌機(jī)將污水在沉砂池中飛速旋轉(zhuǎn)，且一般可以通過(guò)改變曝氣的強(qiáng)度從而改變污水旋流的速度，本次設(shè)計(jì)依靠PLC程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)吸砂機(jī)以砂水分離器的啟停。

4 結(jié)語(yǔ)

以污水處理廠的工藝流程為理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的PLC程序指令對(duì)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行控制，并采用多層控制的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅達(dá)到了對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的目的，提高了污水自動(dòng)控制系統(tǒng)的性能，還實(shí)現(xiàn)了較好的污水處理效果。