1、污水处理厂自动控制系统的设计污水处理厂自动控制系统的设计摘要：随着社会进步,经济稳步发展,生活水平不断提高,环境问题已经成为了一个严重的问题，其中污水处理的问题已经迫在眉睫，急需要去解决。然而大部分污水处理厂的控制通常是传统的仪表控制,主要是人工控制,很少一部分是半自动、半手动控制方法，数据也不能及时的得到并处理。这样使得大部分污水处理厂的运行成本高,经济收益比较低,而且控制系统落后等一系列问题。因此，实现污水处理厂的自动控制系统已经成为污水处理厂安全、稳定、长周期和优化运行的重要保证，而研究污水处理过程自动控制系统的功能、架构与实施方法具有重要的实用意义。本文运用PLC控制技术就污水处理厂从
2、污水进入到净化完成的工艺流程及自动控制系统进行了设计。关键字：污水处理；自动控制系统；PLC； 设计；Design of automatic control system for sewage treatment plantAbstract: With the social progress, the steady development of the economy, the continuous improvement of living standards, environmental problems have become a serious problem, in which th
3、e problem of sewage treatment is imminent, urgent need to solve. However, most of the sewage treatment plant control is usually the traditional instrument control, mainly manual control, a small part of the semi-automatic, semi-manual control method, the data can not be timely and processed. This ma
4、kes most of the sewage treatment plant operating costs are high, the economic benefits are relatively low, and the control system behind a series of problems. Therefore, the realization of the automatic control system of the sewage treatment plant has become an important guarantee for the safety, st
5、ability, long cycle and optimization of the sewage treatment plant. The function, structure and implementation of the automatic control system of sewage treatment process have important practical significance. In this paper, the use of PLC control technology on the sewage treatment plant from the se
6、wage into the purification process and the completion of the automatic control system was designed.Keywords: Sewage treatment; Automatic control system; PLC; design；1.绪 论1.1引言由于改革的深入，社会进程的加快，人们对生活质量的要求也越来越高。人们对于自己所生活的环境也提出了更高的要求，伴随着社会的发展环境污染问题也越来越严重，尤其是水资源的污染给人们的身体带来了危害，所以污水的处理工作就变成了社会的重大工作。然而污水处理的技
7、术还处于比较低的程度，污水处理厂的手动控制和半自动化控制严重影响了污水的处理效率，所以人们希望设计一种可以实现自动化控制的系统。自控系统的设计可以实现污水厂的全自动控制，便于对水质质量的时刻检测，对污水厂污水处理的效率有了很大的提升，而且节约能源、降低投资，顺应世界污水厂的发展趋势。1.2目的和意义淡水匮乏是世界上多数国家面临的问题，其中我国面临的问题更加严峻，所以解决水资源短缺问题刻不容缓。然而工业的发展已经对水造成了严重的污染，污水带给了人们严重的危害所以解决污水问题就尤为重要。污水的处理不仅可以解决水资源的短缺问题还可以净化环境。然而国内的污水处理厂都采用半自动半手动的处理方式这就使得污
8、水处理工作效率低，净化不完全严重制约着社会的发展。所以实现污水厂的自动控制系统就变的尤为重要。污水厂自动控制系统设计不仅能实现全自动化，提高处理厂的工作效率，还可以时刻检测水质质量，根据相应的情况作出对应的操作。1.3国内外的研究现状国外的西方资本主义国家由于经济比较发达，科技水平比较高，所以在环境保护方面比其他国家做得早而且得到了很好的效果。尤其在污水处理方面他们已经实现了污水处理厂的自动控制系统，大大的解放了劳动生产力而且效率得到了大幅提升。近些年来，在国家环保政策的影响下，污水处理厂在我国污水处理工作取得了一定进展，但在实际工作中存在不同层次的问题。尤其在污水处理的自动化控制水平上,信息
9、自动化还没有完全实现。在污水处理工作中,也采用人工与自动控制相结合,还需要引进一些污水处理设备。同时,对于一些较小的污水处理厂,由于污水处理工作的有关管理人员不重视,在这方面缺乏资金,导致污水处理技术跟不上，相关设施不完善，并被不同时节影响，导致污水处理不能及时进行，由于使用国内的离线仪表导致污水处理的结果也不是很好，对于污水的自动控制系统还没有很深刻的了解。2.污水处理工艺流程2.1 污水的处理污水厂要根据进水的成分使用相应的净化方式，良好的污水净化方式可以降低投资成本，也可方便运行及管理污水厂。所以我们要清楚水质成分和各种污染物的去除方法和净化程度。2.1.1污水进水水质的分析通过对污水成
10、分的检测，污水成分中BOD5与CODcr的比值大约在0.5左右，用生化处理。因为污水成分中BOD5与TN的比值在3.5左右，因此可以使用生物脱氮工艺。因为BOD5与TP的比值在43.3左右，所以可以使用生物除磷工艺。综上所述，此污水适用于二级生化处理工艺，但是由于对NH4-N，TP和TN有更高要求的去除率，所以必须选择有脱氮除磷功能的二级处理工艺。2.1.2污染物去除基理 在去除氮、磷工艺中，每种污染物都需要不一样的方法去除。(1).SS的去除：污水中的SS主要通过过滤去除。(2).BOD5的去除：用微生物的吸附和代谢去除。(3).COD的去除：COD与BOD5去除原理是一样的。(4).N的去
11、除：氨、氮去除率要求高，因此设计使用脱氮过程。(5).P的去除：用生物、化学除磷法。2.1.3污水处理工艺 污水去除氮、磷有生物和物理化学两种处理法。生物脱氮除磷工艺 (1).基本原理 a.生物脱氮通过氨化反应将有机氮在氨化菌作用下转化为氨态氮。通过硝化反应将NH4+在有氧环境下转化成NO2-再氧化到NO3-。缺氧环境下亚硝酸盐氮和硝态氮还原成气态氮。根据分析可知，要设计缺氧池-好氧池，即A/O系统。b.生物除磷生物除磷是根据聚磷菌在厌氧条件下，产生能量降解有机物并将转化成的PHB储存起来。当在好氧条件时聚磷菌消耗PHB用于细胞的合成和吸收磷，散在污泥中随污泥排出系统。所以可在A/O系统前加一
12、个厌氧池，得到A2/O系统。(2).生物脱氮除磷工艺第一种为连续流活性污泥法，第二种为间歇式活性污泥法。连续流活性污泥法有A2/O法和氧化沟法，间歇式活性污泥法有SBR法等。a.A2/O法A2/O法：即厌氧-缺氧-好氧活性污泥法。其流程简图见图2.1。图2.1 A2/O法运作流程图b.氧化沟法在Carrousel氧化沟前加一个厌氧池，在沟体内加一个缺氧区，得到改良型氧化沟。流程图见图2.2。图2.2 改良型氧化沟运作流程图c.SBR法 在一个完全相同的反应池中,活性污泥废水处理方法分为进水、曝气、沉淀、排水和备用五个步骤。目前使用除氮、磷的方法有：改良A/O法、A2/O法、改良A2/O法，改良
13、氧化沟法，SBR法等。每个方法都有利弊，改良氧化沟和改良A2/O，被广泛应用到污水处理中。2.2 污泥的处理污水处理将产生很多污泥，污泥中含有很高的有机物，容易发生各种反应，需要进一步解决。污泥的处理如图2.3。 图2.3污泥的处理流程图2.2.1污泥稳定工艺现在建成的污水厂都使用生物脱氮除磷工艺，余下的污泥直接脱水不经过任何的消化，这样处理不仅方便快捷，而且处理后的污泥基本符合排放标准，因此直接对污泥进行浓缩脱水处理。2.2.2污泥浓缩脱水工艺机械浓缩脱水机有带式和离心式污泥浓缩脱水一体化机两种，此两种设备目前国内外均有使用，运行效果较好。经过综合考虑此设计污泥脱水工艺使用离心式浓缩脱水一体
14、机。2.2.3污泥最终处置污水处理产生污泥废弃物。根据污水质量的不同，所以产生的污泥可能富含有机物等营养元素，也可能产生的污泥含有重金属等大量有毒物质，因此有些污泥就需要经过处理。污泥填埋有利于保护环境，是一个降低成本，操作简单的方法。所以污泥填埋为国内最长用的方法。2.3 出水的消毒氯消毒、ClO2、紫外线、臭氧消毒等用于出水消毒工艺。目前，我国污水厂仍以液氯消毒为主。2.3.1加氯法 加氯法就是加液氯或氯化合物的消毒方式。2.4 污水厂设计标准与工艺流程 根据当地环保组织的规定和污水厂的处理工艺，将污染物标准值分为一级标准、二级标准、三级标准。污水处理前后水质见表2.2。表2.2 污水处理
15、前后水质表根据上述工艺分析可知，对于污水处理工艺、污泥处理工艺、污泥处置、出水消毒工艺选择的处理方法都切实可行。原水先流入粗格栅间除去漂浮在表面的块状污染物质，接着经过进水泵房送入细格栅间，进一步除去漂浮在水表面的块状污染物质；紧接着进入改良型氧化沟，将水中有机污染物经微生物的代谢转化为无毒物。经过集泥井流进二次沉淀池，二次沉淀池上清液流入消毒池进行消毒处理；二次沉淀池下面的污泥通过集泥井进入脱水工艺脱水，一些剩余污泥回流到生物池再利用。污水厂控制流程如下图。 3 污水厂自控系统的硬件设计3.1系统的结构方式 污水厂自动控制系统有两种方式：一是数据监控采集方式，二是全厂自动控制方式，该方式数据
16、采集及控制功能均可实现，组态灵活，是现阶段污水厂自动控制系统常用的方式。3.1.1现代自动控制系统简介 现代控制系统主要有可编程逻辑控制器 PLC、DCS、现场总线控制系统 FCS等类型。本系统主要以PLC作为控制系统。PLC是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用设计，它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出，控制各种类型的机械或生产过程。3.1.2自动控制系统组成图3.1所示为自动控制系统组成，控制层、信息管理层组成自动化系统结构。 图3.1 自动控制系统结构框图从图3.1可知，一个
17、中央控制室和四个PLC工作站组成该自控系统。中控室由系统监控管理计算机和信息监控管理计算机组成。由进水泵房、污泥泵房、变电站和脱水车间组成四个PLC工作站。3.2 自动控制系统实现污水厂中的远端设备、各分系统都要由中心统一控制，进行对全部远端设备的监控和控制，从而实现系统有效、有序、可靠地发挥作用。将模块化结构方式应用进分系统到总系统，使系统更加稳定、有序的发挥作用。系统设计采用自动控制模式，就是计算机网络系统结合组态软件和PLC模块。3.2.1 自动控制的监控系统 中控室两台上位监控计算机使用研华工控机，同时设置一台与监控计算机连接的大屏幕投影仪，这样可以让工作人员更加清楚地观察污水厂的状况
18、，使他们更好的管理污水处理厂。然后在各个处理工艺上安装现场操作显示终端，用于对机器的检测和工作过程信息的收集，及时显示出现故障时的位置并做报警处理。3.2.2 自控系统的通信网络 通信网络是把上位机监控和下位机PLC控制相结合发挥作用的桥梁，可以使它们更好的工作。Ethernet/IP工业以太网作为此设计自动控制系统控制网络，Ether Net/IP有I/O控制和消息传递功能。标准 TCP/IP 以太网对工业实时控制，可获得工业自动化和信息化的整体解决方案。图3.2所示为Ethernet/IP的协议结构。 图3.2 Ethernet的协议结构图采用不一样结构的协议，达到了对设计的的优化。各个设
19、备经以太网进行信息的传输。上层计算机系统利用以太网获取污水厂的信息，便于污水厂控制系统的信息接收和处理。以太网地址是生产商固定的，不可随意更改。当地址需要更改时，一定不要让地址重复。3.2.3 PLC工作子站 PLC为了更好和更稳定的工作，软、硬件方面都做了一些调整，使其具有更高的可靠性、稳定性。现在产品的优点： （1）处理速度显著提高。（2）CPU的资源裕量显著增加。（3）CPU 通信性能显著增强。（4）硬件冗余CPU同步速率更快。（5）兼容性强。PLC工作站的功能如下： （1）进水泵房PLC工作站 查看格栅变化的水面高度及机器的工作状况。手动/自动控制设备的运行，依据泵的运行时间，自动开启
20、水泵机组。（2）污泥泵房PLC工作站 查看污泥泵房各机器的工作状况，按照规定标准值智能运行设备机组。（3）脱水车间PLC工作站 查看脱水车间各机器的状况、污泥池液面高度和参数。（4）变电站PLC工作站 对变电站中输入线路和各配电线路状况的查看。4污水厂自控系统的软件设计自控系统软件设计分为自动控制和下位机PLC程序设计两部分。4.1 自动控制方式 自动控制方式有：现场手动控制、工作站PLC控制和中央控制室控制。4.2 PLC 程序设计PLC程序设计有隔栅间控制、进水泵房控制、沉砂池A/O池控制、二沉池消毒池控制及脱水车间控制。4.2.1 格栅间控制 格栅间对粗、细格栅机组进行控制，在计算机上规
21、定液位和定时条件进行控制，使用液位控制是通过检测格栅的水位差来进行格栅机的起停，把水位差与在计算机设置的水位进行比较，当结果是大于上限时计算机给PLC一条启动的指令，则对应的格栅机组运行；当结果低于规定的下限时，PLC控制格栅机组停止运行。使用定时控制时，格栅机组按照规定时间自动启动。图4.1为格栅间程序流程图。图4.1格栅间程序流程图4.2.2 进水泵房控制 进水泵房对6台进水泵进行控制，运行的起、停是按照污水的液位进行控制的，在进水池上装有超声波探头，对液位进行检测。在计算机上将液位设置几个区域，当液位到达每一段的上限时就对应启动几号泵。液位到达每一段下限时就关掉对应的几号泵。如此循环往复
22、的进行，保证6台进水泵都能正常的运行。图4.2为进水泵房程序流程图。图4.2进水泵房程序流程图4.2.3 A/O 池与二沉池控制 A/O 、二沉池控制对象：鼓风量控制、污泥回流量控制。对鼓风量的控制就是对进风调节闸和曝气机的控制。根据A/O池中DO，进行阀门大小的调整和控制曝气机的开停台数，控制水中的含氧量。工艺的运行状态可以通过回流污泥量来控制。计算机将收集到的进水流量和污泥的回流量进行计算，计算机依据规定的回流比处理后输出一个信息给PLC，PLC将信息传给变频器，使回流比接近设定值，从而实现自动控制。图4.3、图4.4为A/O、二沉池流程图。图4.3沉砂、A/O池流程图图4.4二沉、消毒池
23、流程图4.2.4 脱水车间控制 进料系统：当污泥池液位超出预定标准后，污泥泵运行。当污泥池超出预定标准后，污泥泵停止运行。加药系统：每台加药泵都有与一台污泥泵相关联，每当污泥泵的运行/停止，系统会让关联的加药泵自动运行/停止。加药泵提取凝剂溶液供给预脱水机。加药泵依据污泥泵流量的多少，自动分配加药量。预脱水系统：每台预脱水机都有一台污泥泵相关联，每当污泥泵的运行/停止，系统会让关联的预脱水机自动运行/停止。脱水系统：当污泥池液位超出预定标准后，污泥泵运行。当剩余污泥池超出预定标准后，污泥泵停止运行。随着污泥泵的运行/停止，污泥泵系统也会控制离心机和带式传送机自动运行/停止。图4.5为脱水车间流
24、程图。图4.5脱水车间流程图5运行结果 污水处理厂的自动控制系统设计完成以后，就此设计建成工厂以后，我们要对工厂设计的可行性进行检测。检测污水处理厂是否符合地方规定的污水出水水质，发现并解决设备、仪表、程序、工艺等方面的不足之处。该污水处理厂建成运作以后污水处理厂的污水从进水到出水基本实现自动控制，不再需要人工的手动操作，大大提高了污水处理效率，通过对出水水质成分的检测可以说明经过自动化设计的污水厂，污水处理后可以满足当地规定的污水排放标准。6结 论本文通过对污水处理工艺的详细介绍，就污水处理厂自动控制系统的设计进行了详细的说明，接着对自动控制系统的硬件和软件进行了设计说明，并给出自动控制部分
25、的流程图。实践证明，本文所设计的污水处理厂自动控制系统作为污水处理厂的模范，对大多污水处理厂都有指导意义。但是在设计和生产中还有很多不足，本设计在一些其他的方面还没有提及，存在一些问题。自动控制系统理论在污水处理行业的应用是社会的发展趋势，自动控制理论等诸多方面不断完善，让我们可以更加容易的应用这些成果，提高工作效率，降低建设及运行费用。致 谢本设计从选题到完成论文都得到了指导教师张素老师的指导。让我懂得了对所学知识的应变能力，起到了对所学知识的深入了解和巩固。在论文完成之际，向我的指导老师张素老师表示深深的谢意。在大学四年即将结束之时，感谢河北农业大学现代科技学院的所有领导和老师的指导和关照
26、。也要感谢在大学四年里和我一起学习的同学们，从他们身上学到了很多东西，让我受益终身，谢谢你们。参考文献1吴建辉，章兢，侯庆平. 仿人智能模糊控制在污水处理中的应用J. 电脑与信息技术，2000(2)：8-10. 2朱大奇，计算机过程控制技术 M. 南京：南京大学出版社，2001. 3侯志林，过程控制与自动化仪表 M. 北京：机械工业出版社，2002. 177-183. 4甘永梅，现场总线技术及其应用M. 北京：机械工业出版社，2004. 5可编程序控制器硬件和安装手册Z. Schneider Electric. 6周明，现场总线控制系统M. 北京：中国电力出版社，2002. 7苏云青，浅谈供水
27、行业加药、加氯的自动控制J. 中国科技信息，2005.1 8胡包刚，应浩.模糊 PID 控制技术研究发展回顾及其面临的若干重要问题J. 自动化学报，2001，27(4)：567-583. 9王伟，张晶涛，柴天佑. PID参数先进整定方法综述J.自动化学报，2000，26(3)：347355. 10章卫国，杨尚忠，模糊控制理论及应用M.西安：西安工业大学出版社，2000. 11熊红艳等， 模糊控制和 PID控制结合的净水厂投药控制系统 J.自动化技术与 54应用，2005，24(2)55-57 12宋起敏，陆明刚，义泳等. 混凝剂加注量的自动控制新方法J.中国给水排水， 1999，15(4).
