許鐵強(qiáng)　胡曉峰　馮梁峰　許云海/紹興柯橋排水有限公司

城市污水處理自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用探討

許鐵強(qiáng)胡曉峰馮梁峰許云海/紹興柯橋排水有限公司

目前，我國(guó)城市污水處理的最大矛盾是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民日益增長(zhǎng)的生活水平同落后的污水處理水平。隨著計(jì)算機(jī)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，以監(jiān)控、自動(dòng)控制和大數(shù)據(jù)技術(shù)為代表的污水處理技術(shù)必將成為發(fā)展方向，進(jìn)一步提升污水處理智能化水平，降低運(yùn)行成本，提高污水處理效率，保證水質(zhì)穩(wěn)定。

城市；污水處理；監(jiān)控系統(tǒng)；自動(dòng)控制；大數(shù)據(jù)技術(shù)；成本；效率

前言

近年來(lái)，我國(guó)的工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程急劇加快，在資源與環(huán)境問(wèn)題上必然要以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略作為我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)的主題。居民生活水平不斷提高，生活區(qū)的生活污水也逐漸增多。生活污水與工業(yè)廢水存在極大的差別，在我國(guó)水資源緊張的不利形勢(shì)下，為了減少污水對(duì)生活環(huán)境的影響，污水處理自動(dòng)化技術(shù)具有較大發(fā)展空間。

我國(guó)大多數(shù)污水處理廠存在自動(dòng)化水平不高、安全性能低和管理不當(dāng)?shù)膯?wèn)題，導(dǎo)致處理效率普遍低于國(guó)際先進(jìn)水平。隨著電腦及自動(dòng)控制技術(shù)的快速進(jìn)步，污水處理廠也開(kāi)始逐漸采用先進(jìn)技術(shù)來(lái)治理污水。污水處理系統(tǒng)中的設(shè)備啟停設(shè)備、數(shù)據(jù)通信和監(jiān)控管理是當(dāng)務(wù)之急。中國(guó)污水處理自動(dòng)化技術(shù)相對(duì)落后，污水處理成本也居高不下，經(jīng)處理后排放的污水的水質(zhì)也不太穩(wěn)定，研究如何建立有效和自動(dòng)化系統(tǒng)，優(yōu)化運(yùn)行效果，降低運(yùn)行費(fèi)用，提升運(yùn)行效率具有重要意義。

1.污水處理發(fā)展

在20世紀(jì)70年代第三次科技革命興趣的時(shí)候，美國(guó)很多污水處理工程將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于加藥環(huán)節(jié)。這種自動(dòng)化操作模式流程簡(jiǎn)單，釩用量可以得到精確控制，在廣大污水處理廠中很快得到推廣應(yīng)用。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，污水處理自動(dòng)化水平得到了逐步地提高，自動(dòng)化程度也有了大幅度提升。

污水處理的自動(dòng)化主要由監(jiān)控系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)組成，其中，自動(dòng)控制是污水處理自動(dòng)化的執(zhí)行部分。自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理是借助網(wǎng)絡(luò)通信，利用主計(jì)算機(jī)對(duì)控制設(shè)備、執(zhí)行元件和檢測(cè)元件進(jìn)行整體管控，以實(shí)現(xiàn)污水處理的集中調(diào)控、集成分析和數(shù)據(jù)集中處理。經(jīng)過(guò)初期技術(shù)引進(jìn)和中期消化吸收，我國(guó)的污水自動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。工業(yè)Ethernet結(jié)合FCS（現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）DCS（集散控制系統(tǒng)）和PLC（可編程控制系統(tǒng)）構(gòu)成了我國(guó)最新一代的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)；中央監(jiān)控系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)和模擬顯示系統(tǒng)構(gòu)成了硬件部分；系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)軟件和應(yīng)用軟件組成了軟件部分。通過(guò)將遠(yuǎn)程監(jiān)控、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控和手動(dòng)監(jiān)控三者結(jié)合,使得信息獲取簡(jiǎn)單、監(jiān)督管理方便和操作簡(jiǎn)易。

盡管我國(guó)污水處理自動(dòng)化技術(shù)取得了不少成績(jī)，但不可否認(rèn)，在具體操作中依然存在著一些問(wèn)題：自動(dòng)控制系統(tǒng)線性穩(wěn)定性差、自動(dòng)控制系統(tǒng)受制于多種因素、自動(dòng)控制系統(tǒng)控制力缺失和自動(dòng)控制系統(tǒng)本身存在缺陷。

除了要保障自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性、重視工作人員技能素養(yǎng)構(gòu)建和不斷拓展智能控制在污水領(lǐng)域的管理深度，本文重點(diǎn)從監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)三方面對(duì)城市污水處理的自動(dòng)化技術(shù)加以探討。

2.監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中國(guó)的發(fā)展必須走環(huán)境和經(jīng)濟(jì)共同協(xié)調(diào)發(fā)展之路，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，改善居民生活環(huán)境。實(shí)施污水處理工程，將有效解決工業(yè)發(fā)展和人口增加帶來(lái)的工業(yè)廢水、生活污水和降雨徑流處理問(wèn)題，更好地保護(hù)水環(huán)境，提升居民生活質(zhì)量。為提高污水處理廠的管理水平和自動(dòng)化程度，監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)用十分必要。

2.1設(shè)計(jì)原則

污水處理的監(jiān)控系統(tǒng)要根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程及工藝流程要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括污水處理全過(guò)程控制系統(tǒng)和儀表自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。在進(jìn)行設(shè)備選型時(shí)要以技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠和經(jīng)濟(jì)合理為原則；在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要以分散控制、集中管理和信息共享為原則；在選用自動(dòng)化儀表時(shí)要以可靠實(shí)用和便于維護(hù)為原則。若污水處理工程考慮分期作業(yè)，對(duì)于其硬件可以不考慮遠(yuǎn)期工程，但要預(yù)留好擴(kuò)展柜位，以便后期項(xiàng)目實(shí)施。

2.2系統(tǒng)組成

通常，污水處理工程控制系統(tǒng)由中央控制室和PLC控制站組成。水泵、風(fēng)機(jī)和攪拌機(jī)等要求現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程兩地控制，正常運(yùn)行時(shí)按工藝程序自動(dòng)控制，因此監(jiān)控系統(tǒng)多采用二級(jí)分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

中央控制室組成

一般而言，中央控制室設(shè)在RO（反滲透裝置）機(jī)房?jī)?nèi)，由交換機(jī)、工程師站和操作員站組成，包含工控機(jī)（主機(jī)、彩色液晶顯示器、功能操作鍵盤、鼠標(biāo)及系統(tǒng)軟件和接口等）。監(jiān)控計(jì)算機(jī)把現(xiàn)場(chǎng)PLC實(shí)時(shí)采集到的信息建立信息庫(kù)，并繪制出各類工藝參數(shù)值的趨勢(shì)曲線。該曲線不但可供管理人員分析比較，以便找出最佳運(yùn)行規(guī)律，還可分析事故原因，優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行，保證出水品質(zhì)，提高經(jīng)濟(jì)效益。

中央控制室系統(tǒng)要求

管理人員在中央控制室操作站集中監(jiān)控和管理由現(xiàn)場(chǎng)PLC采集經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)以太網(wǎng)傳送的各種數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，中央控制室主機(jī)的指令也可以通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)傳送到現(xiàn)場(chǎng)PLC終端，以使PLC就地獨(dú)立運(yùn)行，并受中央控制室遠(yuǎn)程控制。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)了全部處理過(guò)程的計(jì)算機(jī)監(jiān)控。為了提高傳輸效率，增強(qiáng)系統(tǒng)搞干擾能力，用光纖環(huán)網(wǎng)將中央控制室和現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)的各單體PLC控制系統(tǒng)連接。系統(tǒng)需具備自診斷功能，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，可以及時(shí)、準(zhǔn)確地確定故障狀態(tài)、故障時(shí)間和故障地點(diǎn)等一系列信息。

中央控制室系統(tǒng)軟件

工作人員通過(guò)上位機(jī)對(duì)污水處理站進(jìn)行操作控制，把用戶所需要顯示和控制的點(diǎn)連接到畫(huà)面上，以便操作者了解生產(chǎn)情況并監(jiān)視控制設(shè)備的運(yùn)行。各個(gè)單體畫(huà)面（調(diào)節(jié)池進(jìn)水、生化池處理、MBR系統(tǒng)、膠水機(jī)系統(tǒng)和RO系統(tǒng)）、參數(shù)設(shè)置畫(huà)面、歷史曲線畫(huà)面和報(bào)表畫(huà)面等組成了上位機(jī)畫(huà)面.

PLC控制站構(gòu)成

PLC網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)要根據(jù)污水處理流程及設(shè)備平面布置形式加以確定。以5個(gè)PLC站為例，2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC和3個(gè)成套設(shè)備配套的現(xiàn)場(chǎng)PLC。其中，2個(gè)現(xiàn)場(chǎng)PLC包含配電間PLC和集水井泵PLC站； 3個(gè)成套設(shè)備配套的現(xiàn)場(chǎng)PLC包含MBR系統(tǒng)PLC站、RO系統(tǒng)PLC站和污泥脫水系統(tǒng)PLC站。5個(gè)PLC站分別控制不同部件的工作，由PLC根據(jù)編制程序控制設(shè)備的自動(dòng)運(yùn)行、手動(dòng)控制，并檢測(cè)各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)。系統(tǒng)根據(jù)污水池的進(jìn)水量調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量和位于加藥間加藥泵的加藥量，以達(dá)到最佳配合模式。

檢測(cè)儀表的選擇

在城市污水處理過(guò)程中，需要采用多種檢測(cè)PH、溫度、溶解氧濃度液位差、流量和污泥等參數(shù)的方法，以減少污染。若采用人工方式采集這些參數(shù)，不僅增加工作量，還會(huì)延長(zhǎng)檢測(cè)時(shí)間，有時(shí)采集到的數(shù)據(jù)還不精確。

為便于與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接和方便維修管理，檢測(cè)儀表全部選用智能型測(cè)量?jī)x表。考慮到水質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，為防止探頭結(jié)垢，應(yīng)盡量采用非接觸式、無(wú)阻塞隔膜式和自清洗式的傳感器。另外，戶外安裝的儀表變送器防護(hù)等級(jí)應(yīng)達(dá)到IP65，浸沒(méi)在水下的傳感器防護(hù)等級(jí)則應(yīng)達(dá)到IP68。同時(shí)，為保證儀表信號(hào)輸出的可靠性，儀表帶有溫度補(bǔ)償且采用4～20mA的輸出信號(hào)。

PLC軟件開(kāi)發(fā)

PLC軟件開(kāi)發(fā)要根據(jù)工藝和控制要求，進(jìn)行相應(yīng)控制邏輯的編制。通常，編程采用直觀的梯形圖語(yǔ)言。利用以太網(wǎng)，可以直接在中控室進(jìn)行程序的修改和完善。PLC不僅可以完成各種各樣的控制功能，還可與其他計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。

注意事項(xiàng)

在進(jìn)行PLC控制站設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模確定用PLC網(wǎng)絡(luò)還是PLC單機(jī)，且成套設(shè)備中自帶的PLC接口及網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議要求與工程中所選用的一致；根據(jù)工藝設(shè)備情況確定PLC輸出端的負(fù)載交直流性質(zhì)及電流大??；一般運(yùn)行速度較快、容量存儲(chǔ)越大的PLC價(jià)格越高，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)大小合理選擇PLC產(chǎn)品；PLC對(duì)輸入電源的要求相對(duì)不高，通常較易滿足要求。但當(dāng)供電線路存在干擾或電網(wǎng)波動(dòng)劇烈時(shí)，為了保證PLC可以正常工作，應(yīng)考慮在電源輸入回路加隔離變壓器、浪涌吸收器或采取穩(wěn)壓措施。

將監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)用于污水處理工程，有利于工作人員在中央控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的監(jiān)控，并可進(jìn)行遙控操作，大大減少了管理人員的配置，降低了人力成本，提高了污水處理自動(dòng)化程度。監(jiān)控系統(tǒng)還可將污水處理運(yùn)行情況生成數(shù)據(jù)報(bào)表后存儲(chǔ)留檔，一定程度上提高了污水處理廠的管理水平。

3.自動(dòng)控制系統(tǒng)

城市污水在處理過(guò)程中在逐步應(yīng)用科學(xué)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污水處理情況，使得污水處理自動(dòng)控制得以實(shí)現(xiàn)。污水處理系統(tǒng)化運(yùn)行，不僅使污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行成本得以降低，還可以獲得在線監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，為環(huán)保部門管理提供便利。

污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)在工藝上主要是污水泵控制和鼓風(fēng)機(jī)控制：

3.1污水泵控制

試驗(yàn)于2014年3月～10月在甘肅省天?？h哈溪鎮(zhèn)友愛(ài)科技示范園區(qū)進(jìn)行。該試驗(yàn)地位于祁連山東段北麓綠洲區(qū)，海拔1450m，土壤為山地栗鈣土，屬冷溫帶干旱區(qū)。年均氣溫7.7℃，≥10℃的積溫3300℃，年均日照2945.3h，極端最高氣溫40.0℃，最低氣溫-29.5℃，無(wú)霜期180d，年均降水量358.4mm。

開(kāi)泵時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照先開(kāi)泵后開(kāi)閥的標(biāo)準(zhǔn)程序進(jìn)行。若開(kāi)泵后5s內(nèi)控制系統(tǒng)未檢測(cè)到污水泵運(yùn)行的信號(hào)，便會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)并關(guān)閉污水泵。若開(kāi)泵后5s內(nèi)系統(tǒng)接收到運(yùn)行信號(hào)并發(fā)出開(kāi)閥指令，有10s時(shí)間延遲檢測(cè)閥門是否已經(jīng)打開(kāi)。若閥門沒(méi)有完全打開(kāi)則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，在發(fā)出報(bào)警信號(hào)時(shí)閥門依舊未安全打開(kāi)時(shí)，則關(guān)閉污水泵。

同樣，停泵時(shí)，則應(yīng)先關(guān)閥門后關(guān)泵。準(zhǔn)備停泵時(shí)，先發(fā)出與所停泵指令相關(guān)聯(lián)閥門的關(guān)閉指令。若指令發(fā)出5s內(nèi)閥門未開(kāi)始關(guān)閉則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，在3min內(nèi)未正常關(guān)閉，也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

在進(jìn)行水位控制時(shí)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)精準(zhǔn)控制水位對(duì)于外圍管網(wǎng)也十分重要。在實(shí)際進(jìn)行開(kāi)關(guān)泵時(shí)，每臺(tái)泵都必須嚴(yán)格按照相關(guān)信號(hào)條件進(jìn)行操作； 設(shè)定水位時(shí)，可根據(jù)污水泵的詳細(xì)運(yùn)行情況，在主控室計(jì)算機(jī)上進(jìn)行開(kāi)泵和停泵的具體水位值設(shè)置。

3.2鼓風(fēng)機(jī)控制

控制溶解氧DO的數(shù)值是控制鼓風(fēng)機(jī)的關(guān)鍵，為使曝氣池內(nèi)的微生物能夠充分地產(chǎn)生生化反應(yīng)，必須向曝氣池提供充足氧氣。在池內(nèi)安裝溶解氧測(cè)定儀時(shí)，根據(jù)池內(nèi)需氧量變化進(jìn)行鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)導(dǎo)葉片或運(yùn)行臺(tái)數(shù)的調(diào)節(jié)，有效減少曝氣充氧過(guò)程中電能的不必要消耗。在鼓風(fēng)機(jī)使用過(guò)程中，通過(guò)主控制盤對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)工作設(shè)定或調(diào)節(jié)，避免一臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)反復(fù)啟動(dòng)。

城市污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)施后，可有效提高污水處理質(zhì)量，降低處理廠運(yùn)行總成本。同時(shí)，要克服技術(shù)設(shè)備缺失和污水處理儀器精度低的問(wèn)題。

4.大數(shù)據(jù)技術(shù)

大多數(shù)的城市污水處理廠都在不同程度上采用了監(jiān)控系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)顯現(xiàn)出了強(qiáng)大的生命力，促使著大數(shù)據(jù)技術(shù)在在污水處理運(yùn)營(yíng)中的運(yùn)用。其不僅促進(jìn)污水處理領(lǐng)域的自動(dòng)化和智能化發(fā)展，而且實(shí)現(xiàn)了污水處理工藝參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和傳輸以及故障報(bào)警等功能，并為企業(yè)提高污水處理質(zhì)量、降低能源損耗和污水處理運(yùn)營(yíng)成本提供強(qiáng)有力的支持。結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)，作為污水處理新的發(fā)展方向，大數(shù)據(jù)技術(shù)在今后應(yīng)用中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下三方面：

4.1處理模型

污水處理具有較高的非線性和時(shí)變性特點(diǎn)，其復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的直覺(jué)閾。雖然數(shù)學(xué)模型在使用時(shí)不具備嚴(yán)格的科學(xué)性，但卻是污水處理過(guò)程中較為有效的方法。應(yīng)用數(shù)據(jù)篩選和模型優(yōu)化校核的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理模型的簡(jiǎn)化和優(yōu)化處理，并針對(duì)污水處理過(guò)程模型進(jìn)行優(yōu)化校核。

4.2仿真系統(tǒng)

通常，建立仿真系統(tǒng)需要通過(guò)Simulink軟件并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模型的轉(zhuǎn)換。利用仿真系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算分析降低項(xiàng)目投資成本和設(shè)備運(yùn)行成本；對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，進(jìn)行工藝優(yōu)化；對(duì)能耗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)的環(huán)境效益；模擬污水處理工藝相關(guān)操作流程，用于人員培訓(xùn)；進(jìn)行污水量的非線性動(dòng)力學(xué)分析和適時(shí)預(yù)測(cè)，污水處理異常征兆模式研究以及活性污泥工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.3管理平臺(tái)

管理平臺(tái)對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并傳輸，經(jīng)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在線傳感器以及工業(yè)無(wú)線傳感器上傳至管理平臺(tái)。經(jīng)模型分析處理后，制定相應(yīng)指標(biāo)限值和超標(biāo)處理方案，保證問(wèn)題處理的時(shí)效性。管理平臺(tái)確保通過(guò)大數(shù)據(jù)計(jì)算分析得到污水處理的最佳工藝運(yùn)行控制參數(shù)，保證系統(tǒng)處理實(shí)時(shí)最優(yōu)工況，以提高污水處理效率。

5.結(jié)論

如果大量城市污水不加治理任意排放，會(huì)導(dǎo)致水體、土壤乃至空氣的嚴(yán)重污染，進(jìn)而會(huì)破壞人們正常的生產(chǎn)和生活。必須對(duì)城市污水進(jìn)行處理控制，改善受污染水體的水質(zhì)，使之能滿足水體功能的要求。監(jiān)控系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的綜合運(yùn)用，對(duì)污水處理運(yùn)行系統(tǒng)的智能化水平有一定程度的提高，并有效降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度和系統(tǒng)運(yùn)行成本，一定會(huì)成為今后污水處理發(fā)展的新方向。通過(guò)合理化的數(shù)學(xué)模型加強(qiáng)對(duì)污水處理機(jī)理的研究，保障污水處理運(yùn)行系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和處理效率。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，許多問(wèn)題會(huì)得到解決，污水處理的明天也會(huì)更加美好。

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