摘要：人類對水資源的需求以驚人的速度擴(kuò)大和日益嚴(yán)重的水污染蠶食大量可供消費(fèi)的水資源。目前城市生活污水處理已經(jīng)受到各地政府和許多研究人員的關(guān)注。為了提高污水處理的效果和管理，實(shí)現(xiàn)污水處理自動化控制是關(guān)鍵。當(dāng)前我國污水處理自動化控制還比較初步，有待于迸一步的提高和完善。

關(guān)鍵詞：污水處理；自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、污水處理的意義及現(xiàn)狀

中國水資源人均占有量少，空間分布不平衡。隨著中國城市化、工業(yè)化的加速，同時近年來江南水鄉(xiāng)出現(xiàn)嚴(yán)重干旱，水資源的需求缺口也日益增大。在這樣的背景下，污水處理行業(yè)成為新興產(chǎn)業(yè)，目前與自來水生產(chǎn)、供水、排水、中水回用行業(yè)處于同等重要地位。雖然由于國家和各級政府對環(huán)境保護(hù)重視程度的不 斷提高，中國污水處理行業(yè)正在快速增長，污水處理總量逐年增加，城鎮(zhèn)污水處理率不斷提高。降低運(yùn)營成本，提高污水處理率，一直是污水處理行業(yè)面臨的最現(xiàn)實(shí)的問題。

采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、跟蹤經(jīng)常變化的水處理情況，檢測不同時 間的水質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，在計(jì)算機(jī)上動態(tài)現(xiàn)實(shí)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并記錄下來，以備在需要的時候查閱。通過分析數(shù)據(jù)趨勢走向，隨時調(diào)整個設(shè)備及工藝過程參數(shù)，使其達(dá)到優(yōu)化控制狀態(tài)，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，節(jié)省能耗。采用計(jì)算機(jī)代替人工操作，減少事故，保證安全，降低勞動強(qiáng)度，節(jié)約人力，甚至可以完成許多人工難以完成的任務(wù)，提高運(yùn)行的可靠性。

二、污水處理工藝過程

污水處理是將污水中的污染物質(zhì)分離去除，使有害的物質(zhì)轉(zhuǎn) 化為無害的物質(zhì)、有用的物質(zhì)，水得到凈化，并使資源得到充分 利用。城市生活污水處理工藝按流程和處理程序劃分可分為預(yù)處 理工藝、一級處理工藝、二級處理工藝、深度處理工藝和污泥處 理工藝，以及最終的污泥處置。預(yù)處理工藝：主要是物理處理， 通過格柵、沉砂池等將污水中大塊污物攔截出來，保證后續(xù)單 元的正常運(yùn)行。預(yù)處理過程就去除污染物質(zhì)而言，可能不起關(guān)鍵作用，但是至關(guān)重要。預(yù)處理不好，對一級處理影響水質(zhì)均勻及管道暢通、潛水泵的運(yùn)轉(zhuǎn)；對二級處理，沙粒進(jìn)入曝氣池，在池底沉積，減少有效容積，增大曝氣阻力，有時還會堵塞微孔擴(kuò)散器；對污泥處理，極易從格柵流走的一些破布條、塑料袋等 雜物，進(jìn)入濃縮池后將在濃縮機(jī)柵條上纏繞，影響排泥均勻，還將堵塞排泥管或排泥泵，如進(jìn)入離心式脫水機(jī)，會使轉(zhuǎn)鼓失去平衡，從而產(chǎn)生震動或嚴(yán)重的噪音，一些破布片、毛發(fā)有時會塞滿 轉(zhuǎn)鼓與渦殼之間的空間，是設(shè)備過載。污泥處理，主要包括濃縮、消化、脫水、堆肥或者農(nóng)用填埋等。

三、污水處理自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)采用近控/遠(yuǎn)控方式，方式選擇通過提升泵控制箱中的二次回路、接觸器、中間繼電器、選擇開關(guān)等的切換實(shí)現(xiàn)。正常情況下，選擇開關(guān)置于遠(yuǎn)控位置，當(dāng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)出現(xiàn) 問題時，需到現(xiàn)場切換為近控方式。遠(yuǎn)控包含兩種控制方式：中控軟手動（點(diǎn)動）和自動，切換方式在中控監(jiān)控畫面中點(diǎn)擊點(diǎn)動 /自動按鈕。每臺設(shè)備的控制方式都可以單獨(dú)選擇。

1.格柵單元控制。

格柵單元，作用是用來去除水中粗大的懸 浮物和雜物，以保護(hù)后續(xù)處理設(shè)施能正常運(yùn)行的一種預(yù)處理方法。一般根據(jù)水源情況分別設(shè)有出格柵和細(xì)格柵兩個步序，粗格 柵去除的是那些可能堵塞水泵機(jī)組及管閥門的較粗大的懸浮物， 而細(xì)格柵用以去除粗格柵難以去除的呈懸浮物狀的細(xì)小纖維。 本項(xiàng)目中水源由泵站供應(yīng)，泵站出水時已經(jīng)經(jīng)過了粗格柵的 篩濾，所以只有兩臺細(xì)格柵和一臺負(fù)責(zé)運(yùn)輸?shù)穆菪�輸送機(jī)。 控制前提及要求說明：（1）水源不是很穩(wěn)定，有時會出現(xiàn) 斷源；（2）水中大塊雜質(zhì)含量隨季節(jié)性及白晝交替而變化； （3）啟動格柵之前，先啟動螺旋輸送機(jī)；停止時反順序；（4） 盡量提高格柵的利用效能，力求有水流動時才啟動該單元系統(tǒng)。

2.進(jìn)水泵房單元控制。

進(jìn)水泵房潛水泵屬于整個污水處理廠 用電大戶之一，合理的控制效果能起到節(jié)能作用。很好的控制效 果應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)以下要求：1.避免泵啟停頻繁；2.盡量保持泵在高液位運(yùn)行：3.保證所有的泵均衡使用。

傳統(tǒng)的控制由人工根據(jù)液位及經(jīng)驗(yàn)人為手動啟動泵的臺數(shù)， 所以現(xiàn)場自動控制很常用的就是根據(jù)液位分段運(yùn)行，在不同的階 段啟動的臺數(shù)不一樣，交替使用，通常低中液位階段液位差設(shè)置比較寬，高液位階段液位差設(shè)置比較窄。目的是為了避免低液位 階段泵啟停頻繁，而是為了盡量保證泵在高液位運(yùn)行提高泵的運(yùn)行效率。當(dāng)然也有恒液位變頻控制，只是大多數(shù)用在設(shè)備為一用一備的場合，一臺變頻器拖兩臺泵，通常只有在小型污水處理廠或者工業(yè)污水預(yù)處理場合

對要求恒液位變頻控制本文提供兩種方案：（1）變頻器一 拖多，共兩套。為每臺泵配置一臺變頻器既不實(shí)惠也增加了自控 的干擾源�？刂圃�理是：液位達(dá)到控制目標(biāo)液位時，變頻器啟動 （泵所在的那套系統(tǒng)的變頻器），拖動停止時間最長的那臺泵， 同時對該臺泵進(jìn)行運(yùn)行時間累計(jì)，并清除停止時間，進(jìn)行改進(jìn)型 PID控制，當(dāng)頻率大于等于50HZ時，工頻啟動剩下的泵中停止時 間最長的，依次類推。（2）一臺變頻控制，剩下的泵全部為工 頻控制。本項(xiàng)目中采用的就是該控制方案，現(xiàn)場一臺變頻控制 泵，2臺工頻控制泵，遠(yuǎn)期將再擴(kuò)展兩臺工頻泵；該控制方案設(shè) 計(jì)簡單，缺點(diǎn)是如果要實(shí)現(xiàn)恒液位控制，變頻控制的泵將長期運(yùn) 行，為了解決這問題，我們在程序上做了點(diǎn)工作，選擇一個擇中的辦法，使其達(dá)到很好的運(yùn)行效果。

3.改良SBR池單元控制。

改良SBR池閥門及設(shè)備繁多，時 段控制要求高，操作復(fù)雜，應(yīng)采用全自動控制，盡量減少人為 手動操作或者人為中控點(diǎn)動操作。改良SBR池設(shè)有4組SBR池。 SBR池系統(tǒng)按一定的循環(huán)過程進(jìn)行。每一循環(huán)可劃分下列階段： （1）進(jìn)水/曝氣；（2）沉淀；（3）潷水。每組循環(huán)操作由PLC 自動控制。整個過程中各階段安排是預(yù)先編制的，但需要時，可 在PLC系統(tǒng)中適當(dāng)調(diào)整。程序控制說明如下：（1）現(xiàn)場進(jìn)水不 穩(wěn)定也沒有規(guī)律，進(jìn)水流量大時，如果滿周期運(yùn)行，SBR池可能 會溢出，進(jìn)水閥還應(yīng)受液位限制，當(dāng)達(dá)到高液位（液位值可在上位機(jī)組態(tài)操作界面中設(shè)置）時，進(jìn)水閥門應(yīng)該關(guān)閉而不是等到周 期結(jié)束才關(guān)閉。（2）由于SBR池工藝中，同時進(jìn)行著硝化/反 硝化過程，因此曝氣量的調(diào)節(jié)十分重要。要求進(jìn)水同時曝氣時間 可靈活設(shè)置，曝氣量控制在0.5mg/1以下，通過調(diào)節(jié)電動閥門的 開度來控制，具體又現(xiàn)場調(diào)試之后確定；曝氣階段的曝氣量閥門 全開，曝氣量達(dá)到2mg/1，通過控制鼓風(fēng)機(jī)頻率來控制。此處進(jìn) 水時曝氣要求控制開度，另一個主要原因是進(jìn)水的池子剛潷水完 畢液位相對低，所以反而會導(dǎo)致主曝氣池子得不到曝氣。此外也 可以添加小管道的小旁路氣路來解決該問題，旁路開度可以根據(jù) 現(xiàn)場事先設(shè)定好。由于主閥門的本身不是智能控制型的，本項(xiàng)目 最終選擇采用增添旁路控制。（3）鼓風(fēng)機(jī)作為最重要設(shè)備，在 系統(tǒng)運(yùn)行的過程中通常常開的，過程中不允許有氣路堵塞。所以 始終要保持有一個進(jìn)氣閥是開到位狀態(tài)，現(xiàn)場進(jìn)氣閥是碟閥結(jié) 構(gòu)，開啟和關(guān)閉時間都很短（約十秒左右），當(dāng)需要關(guān)閉一個 進(jìn)氣閥時應(yīng)先在需要開啟的進(jìn)氣閥開到位之后才能開始關(guān)閉。 （4）當(dāng)沉淀時間到達(dá)之后，潷水器開始下降（潷水器為閘門式 潷水器），下降至有效液位（該液位值高于潷水器下降到位時的 位置，可在上位機(jī)組態(tài)操作界面中設(shè)置）時自動上升，直到上升 到位，等待下一個周期工作。（5）排泥閥采用兩種控制方式可 供選擇（可在上位機(jī)組態(tài)操作界面中選擇），其一就是和進(jìn)水閥 門一起動作，即進(jìn)水閥門打開時排泥閥也打開，亦即進(jìn)水的池子 同時排泥；其二就是和潷水器一起動作，潷水器下降時排泥閥也 打開，亦即潷水的池子同時排泥。（6）剩余污泥泵根據(jù)污泥濃 度點(diǎn)動控制決定是否開啟，啟動時排泥閥屬于潷水時排泥。選擇 池中的液位達(dá)到高浮球液位時，強(qiáng)行停進(jìn)水泵，此處浮球的設(shè)定 也同時減少了進(jìn)水泵的頻啟停次數(shù)，只要選擇池液位沒有達(dá)到高 浮球液位，即使進(jìn)水閥門全部關(guān)到位，進(jìn)水泵只需要調(diào)低變頻泵 的頻率就行了，而不需要關(guān)閉。（7）當(dāng)其中一個池子出現(xiàn)故障 時，剩余的SBR池依然照設(shè)定的周期運(yùn)行，出現(xiàn)故障的池子改人 為手動控制或者中控點(diǎn)動，當(dāng)只有部分閥門處于故障時，其他的 閥門依然可以照著固定的周期自動運(yùn)作，操作工只需要操作出現(xiàn) 故障的閥門就行了，主要目的是減少人工參與，減少人工參與發(fā) 生誤操作的幾率。依據(jù)上述分析，閥門的控制要求非常靈活，牽 連因素也比較多，根據(jù)其要求做一個很明了的控制系統(tǒng)將會造成 編程困難和調(diào)試?yán)щy，所以我們經(jīng)過多次修改，采用了隱含性的 控制方法，即只針對閥門不針對系統(tǒng)來設(shè)計(jì)的整體到局部思想， 池子之間在總周期控制下各自獨(dú)立成為系統(tǒng)，相互之間不影響。

4.鼓風(fēng)機(jī)房單元控制。

曝氣系統(tǒng)是一個嚴(yán)重滯后的控制系統(tǒng)，所以采用一般PID控制算法在該系統(tǒng)中很難實(shí)現(xiàn)，結(jié)合實(shí)際 情況，比如2mg/L的溶解氧要求，是最低限，不要求精確控制到 目標(biāo)值，同時DO檢測儀也有一定的誤差，只能作為近似參考， 且鼓風(fēng)機(jī)最低頻率不能太低，否則會很容易造成熱繼故障以及很 大的噪聲，現(xiàn)場鼓風(fēng)機(jī)最低頻率不能低于25HZ。

當(dāng)已經(jīng)啟動了一臺工頻鼓風(fēng)機(jī)且變頻鼓風(fēng)機(jī)也達(dá)到了45HZ 以上，如果此時DO值還是低于2m∥L，則提示報警，由人工檢 查是否管路有問題，因?yàn)閺S建之前一期工程鼓風(fēng)機(jī)是一臺變頻鼓 風(fēng)機(jī)控制，兩臺軟啟控制（一用一備），超出這范圍，肯定是現(xiàn) 場有其他原因，比如鼓風(fēng)機(jī)管路漏氣等。

此外鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備是重要設(shè)備，所以保護(hù)措施非常重要，一次當(dāng)如果所有進(jìn)氣閥出現(xiàn)關(guān)到位狀態(tài)，則立馬得停止所有鼓風(fēng)機(jī)； 且如果現(xiàn)場沒有進(jìn)氣閥處于開到位狀態(tài)，但有半開狀態(tài)信號，如果此種情況存在持續(xù)5s以上則也得停止鼓風(fēng)機(jī)設(shè)備。

5.加氯間單元控制。

加氯間設(shè)備共有兩臺軸流增壓泵（一用 一備），兩套二氧化氯發(fā)生器。采用順序控制方式，及先啟動軸 流增壓泵，約30s左右再啟動二氧化氯發(fā)生器，原因是消毒過程 采用的是負(fù)壓原理，只有在負(fù)壓達(dá)到一定的程度之后二氧化氯發(fā) 生器才能其作用將消毒液和水混合達(dá)到消毒的目的。停止時反順 序，兩增壓泵都發(fā)生故障或者兩個二氧化氯發(fā)生器都故障時，系 統(tǒng)自動緊急停止。

6.脫水機(jī)房單元控制。

脫水機(jī)房設(shè)有三臺臺膿縮脫水一體機(jī)（遠(yuǎn)期兩用一備）、一臺螺旋輸送機(jī)、兩臺加藥泵（一用一 備）、兩臺清洗泵（一用一備）、兩臺進(jìn)泥泵（一用一備）、兩臺除磷加藥泵、五臺攪拌器。

其中進(jìn)泥泵負(fù)責(zé)將濃縮儲泥池的污水運(yùn)輸?shù)矫撍畽C(jī)；清洗泵負(fù)責(zé)清洗脫水機(jī)濾波，并消毒，水源來自加氯間單元的接觸池； 加藥泵負(fù)責(zé)將PAM池中的藥劑運(yùn)輸?shù)矫撍畽C(jī)；除磷加藥泵主要用于改良SBR池在必要的時候進(jìn)行化學(xué)除磷。攪拌器，其中一臺負(fù)責(zé)聚合鋁池（除磷），一臺負(fù)責(zé)儲泥池污泥攪拌，剩余三臺負(fù) 責(zé)PAM池。控制方式：系統(tǒng)整體按照一定的順序啟動，啟動順 序?yàn)閱�動清洗泵和輸送機(jī)一>啟動脫水機(jī)和PAM池?cái)嚢杵饕弧?啟動進(jìn)泥泵和加藥泵。停止順序相反。儲泥池?cái)嚢杵髟趩�動�?水系統(tǒng)前1個小時及以上人工點(diǎn)動，聚合鋁池的攪拌器和除磷加 藥泵不屬于脫水系統(tǒng)由人工點(diǎn)動。系統(tǒng)啟動之后只受控于濃縮儲 泥池的液位。脫水機(jī)目前是只需投入一臺設(shè)備，考慮到清洗閥、進(jìn)泥閥及加藥閥都是手動閥，基于管路無法自動控制，因此脫水 機(jī)的自控程序由人工選擇啟動設(shè)備，只要設(shè)備投入自動狀態(tài)下， 啟動時就會運(yùn)行，人工選擇設(shè)備時組態(tài)界面有提示確認(rèn)管路是否正確。遠(yuǎn)期的兩用一備也適合，因?yàn)槊撍畽C(jī)系統(tǒng)非常開運(yùn)行的， 只是在需要的時候才會進(jìn)行適當(dāng)排泥，采用該控制方案經(jīng)濟(jì)效果相對來說不錯。PAM池?cái)嚢杵鞑挥绊懴到y(tǒng)的全自動運(yùn)行，但只要處于自動控制狀態(tài)下將和脫水機(jī)同時啟動，也可以切入到點(diǎn)動 或近控狀態(tài)下由人工操作。

結(jié)論：

水是經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會可持續(xù)發(fā)展的一個重要因素，而城市污水則成為制約許多城市可持續(xù)發(fā)展的主要原因之一。到目前為止，世界各國已經(jīng)研究出不同的污水處理方法，我國環(huán)保理 論和工藝研究與國外的差距不大，差距比較大的是環(huán)保單元設(shè)備和自動控制系統(tǒng)。本文通過分析污水處理的基本原理及工藝過程，結(jié)合所做過的實(shí)際工程項(xiàng)目，主要完成的工作和結(jié)論如下： 1.從工程實(shí)際項(xiàng)目出發(fā)，針對改良SBR工藝（CAST工藝）特性及要求，構(gòu)架了完整的控制方案，展現(xiàn)了整個控制方案設(shè)計(jì)思想過程并進(jìn)行了詳細(xì)的分析，其中包括工藝分析、硬件配置、網(wǎng)絡(luò)配置、通信配置、現(xiàn)場總線技術(shù)、自控設(shè)計(jì)、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程訪問、現(xiàn)場調(diào)試等，對類似的設(shè)計(jì)有很強(qiáng)實(shí)踐指導(dǎo)意義；2.結(jié)合PLC技術(shù)很好的實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場改良SBR工藝自動控制要求，該系統(tǒng)已經(jīng)成功的投入運(yùn)行，至今運(yùn)行良好，可以作為相應(yīng)工程的參考模板。

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