城市污水处理自动控制和智能控制技术的分析

随着我国城市化进程的推进，城市建设步伐加快，城市人口增加，城市生活污水和工业废水对河流水质的影响日趋明显。城市污水量的与日俱增，使得污水处理的运行费用也在不断增加，为了珍惜利用地球有限的能源，保护环境，造福社会，如果通过有效的控制能将城市污水处理厂的运行费用节省1%，也是个不小的数字。因此，在这样的行业背景下，污水处理智能化建设作为与城市日常运行息息相关的行业，也越来越受到社会的高度重视。

一、城市污水处理现状分析

近年来，国内外均有学者对污水处理自动控制工艺进行研究，以寻求更精确、更可靠的方法实施自动控制和智能控制。

例如，在同步硝化/反硝化的生物滤池中引入了实时曝气控制，建立了基于DO在线监测的反馈控制和基于氨氮和DO在线监测的串联控制。与传统硝化-反硝化生物曝气滤(BAF)相比，采用实时曝气控制的生物滤池在达到相同处理效果(出水TN<20mg/L)时，曝气量低于传统方法的50%。

又比如，在国外已有的时间和流量程序控制的基础上，我国科研人员提出一种SBR 法有机物浓度控制，使控制过程更定量化和精密化。工业废水的水质变化很大，当进水有机物浓度高时，为使出水水质达标，应适当增加反应时间使运行更可靠;而当进水有机物浓度低时可以减少反应时间以节省运行费用。

通过以上对污水处理研究成果的分析，我们可以看出：合理数学模型的建立严重制约着传统污水处理技术的发展。并且建模必须遵循一些比较苛刻的线性化假设，然而实际污水处理系统由于存在复杂性、非线性、时变性、不确定性和不完全性等，因此采用传统控制理论建立的污水处理自动控制系统在实际工程应用上存在出水水质波动较大等问题。

二、自动化系统设计

设计包括以下几个方面的内容：

⑴ 在线检测仪器仪表设计;

⑵ 计算机测控管理系统设计;

⑶ 仪表及计算机测控管理系统电缆敷设设计

在此，重点介绍前两个方面的内容

1.在线检测仪器仪表设计

仪器仪表的选型主要考虑其工作环境的适应性，特别是传感器直接与污水、污泥接触，极易腐蚀结垢。一旦传感器失灵，再好的自动控制系统也无济于事，故传感器尽量选用非接触式、无阻塞隔膜式、电磁式和可自动清洗式。

根据工艺流程和现代化管理的需要，在工艺流程的各个部分分设电磁流量计、超声波液位计、PH/温度计、浊度、固体悬浮物浓度、氧化还原电位、污泥浓度、污泥界面仪、溶解氧等检测仪表和各类电量变送仪表。这些仪表均选用工业级在线式仪表，并根据安装环境的要求具有相应的防护等级。

仪表设置基于两方面考虑，一方面要满足工艺流程控制的需要，另一方面要满足污水厂管理的需要并按经济实用的原则。

2.计算机测控管理系统设计

这部分设计又包括两个方面的内容，即监控系统设计和现场测控层设计。

监控系统设计遵循以下原则：

⑴ 可靠性：选用稳定可靠的工业控制系统产品，硬件上采用备用冗余技术，简化系统结构，减少出错环节。所有关键设备均选用进口名牌性能价格比高的工业控制产品。

⑵ 先进性：控制系统应技术先进、性能价格比高。

⑶ 灵活性：系统组态灵活，扩展方便，可用性、可维护性好。

⑷ 实时性：控制系统对工况变化适应能力强，控制滞后时间短。

测控系统分为三层，即现场测控层、生产管理层和办公自动化层。其中，现场测控层与生产管理层之间通过10M/100M工业光纤环网进行数据通信和信息交换，生产管理层与办公自动化层之间通过10/100M以太网进行数据通信和信息交换。

1.现场测控层

现场测控层直接面向生产过程，是计算机测控管理系统的基础，它主要由可编程序控制器(PLC)、液晶显示操作员终端和在线检测仪表等组成。

现场测控层包括2个PLC分站和1套配电系统电力监控装置，分别位于配电中心控制室和脱水车间控制室。PLC1分站包括：粗格栅间及进水泵房、细格栅间及沉砂池、紫外线消毒池、二沉池及污泥泵房、改良型氧化沟、变配电系统;PLC2分站包括：脱水车间;配电系统电力监控装置：配电中心的高压配电系统、低压配电系统和直流屏。

现场PLC分站分别接受各自在线检测仪表传输来的模拟量信号，以及电动闸门、水泵电机等设备运行状态的开关量信号，对各类信号进行处理和运算，实现程序控制和自动调节，并把主要信息向生产管理层主机传输，或接受生产管理层主机的指令。配电系统监控装置负责高压配电系统的继电保护、数据采集、传输、报警等功能。

现场测控终端主要有以下几个方面的功能：

数字采集功能：具有模拟量、数字量、脉冲量、状态量的实时数据采集功能;

数据处理功能：具有数字滤波、数据暂存、冗余备份、事故追忆等功能;

数据显示功能：能在液晶显示操作员终端上显示文字、表格、图形、曲线及报警，所有显示全部汉化;

控制输出功能：具有开关量、模拟量输出功能;

接收中控室主机的调度命令，并进行相应的操作。

在工程设计中，动力设备除电气设计中的手动控制方式外，在自动化系统设计中还有三种控制方式，即现场控制、集中控制和自动控制。现场控制是在PLC的操作面板上对设备进行独立键控;集中控制是由中央控制室主机完成对全厂所有工艺电气设备的控制;自动控制是自动化系统根据各种工艺参数检测值和状态，按照预定控制程序自动完成特定功能的控制。三种控制方式可在PLC操作员面板和中控室主机上进行转换，以满足实际工作中调试、检修和自动运行的需要。

2.生产管理层

生产管理层设置于厂区内中心控制室，以操作监控为主要内容，兼有部分管理功能。这一层是面向系统操作员和控制系统工程师的，因此需要配备功能强、手段全的计算机系统，确保系统操作员和系统工程师能对系统进行组态、监视和有效的干预，实现优化控制、自适应控制和模糊控制等功能，保证生产过程正常的运行。

· 工程师站

负责对系统进行离线的配置、组态工作和在线的系统监督、控制、维护。具有硬件配置组态、数据库组态、控制回路组态、图形文件组态、趋势文件组态、显示方式组态、报表生成组态、操作安全组态以及组态的在线修改等功能，该站必须对网络系统本身的运行状态进行监督，一旦发现异常，系统工程师能及时采取应对措施。

· 操作员站

负责为系统的运行操作人员提供良好的人机界面，使操作员可以通过操作站及时了解现场运行情况、各种运行参数的当前值、是否有异常发生等，并通过键盘、鼠标等输入设备对工艺过程进行控制和调节，以保证生产过程的安全、可靠、有效、高质。具体功能如下：监控和管理各区域车间级现场站，实时接收现场站采集的全厂工艺流程参数、配电系统电气参数和设备运行状态信号。具有定时巡测、随机点测、分组召测等功能。同时通过以“自动”或“人一机”对话方式，向各控制分站发送控制指令，对有关设备进行远程遥控。设定工艺参数越限事故的上下限值、各现场PLC的控制参数。并可检测、判断工艺流程中模拟量越限及动力设备出现的故障等事故，若有事故发生时在显示器上显示相应的事故状态，在磁盘上存储发生事故的时间及部位并在打印机上打印出事故通知单。系统对进水流量，SS，PH，BOD5、COD，生物池溶解氧，出水SS，余氯、COD等重要的参数均设置越限报警功能，一旦发生报警能实时地在中心控制室特定区域发出声光报警。建立各类实时信息数据库，该临时数据库通过定时转换程序，送入网络数据服务器数据库中。动态显示全厂工艺流程和各种工艺设备及变配电系统运行参数图表。同时具有历史数据处理功能，能绘制各种参数运行曲线，作出趋势分析，供技术人员分析比较，以便确定最佳运行方案。记录各种事故报警信号以及发生事故前后系统重要参数的实时波形，并分析事故原因，以便改进控制管理方法，保证出水达标，并提高经济效益。操作站接有多媒体投影仪，可将监控画面实时直观显示。两台操作员站互为备用，备用站兼顾后台打印机各种生产报表、趋势图等各种办公事务处理和用于科学计算和计算机辅助设计等工作。

3.办公自动化层

办公自动化层由污水处理厂综合楼内的行政管理和有关职能部门的计算机组成，承担有关的生产管理、技术管理、质量管理、成本控制、行政管理和办公自动化等方面的工作。

4.与管网污水泵站的通讯

利用城市公共电话通讯网络，实现污水厂与污水泵站的数据通讯。

5.闭路监控系统

闭路监控系统采用计算机多媒体技术，方便管理人员及时掌握现场情况，实现科学、安全、高效的生产调度及管理。系统由监控中心(位于中心控制室)和前端现场设备(包括摄像机)组成。

监控中心由矩阵主机、数码录像机(带环出)、彩色监视器、多媒体控制管理机、主控键盘等组成。

四、结束语

城市生活污水是城市发展过程中的产物,因此我们应提高对城市生活污水的处理力度,以改善不断恶化的水环境污染趋势。目前，我国城市污水处理厂的吨水耗电量是发达国家的近两倍，而运行管理人员数又是其若干倍，因此加强我国污水处理智能控制系统的创新与研究，在现有条件下，在污水处理厂的规划、设计与建设初期就尽可能的引入智能控制的理念，以保证我国环境保护事业的可持续发展。

参考文献：

[1]牛学义.济宁污水处理厂控制系统的特点[J].给水排水， 2000，26(6).

[2]孙增忻.智能控制理论与技术[M].北京：清华大学出版社，1997.