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040023污水处理厂自动化监控系统设计

污水处理厂自动化监控系统设计

摘要

随着人民生活水平的提高和可持续发展战略的需要，污水处理越来越受到社会的重视。

污水处理既可以起到环保作用，又可以实现水的重复利用，节约水资源。

为了提高污水处理的质量和效率，同时节省人力、物力，设计一套自动化监控系统是十分必要的。

本文介绍了中小型污水处理厂自动化监控系统的整体设计方案。

本污水处理厂设计采用倒置A²/O处理工艺，设计处理污水规模为4万吨/天。

整个监控系统分为三部分：

一是现场数据采集部分，完成数据采集功能；二是现场控制单元，分现场控制柜和PLC站，现场控制柜主要完成手动控制，PLC站主要完成数据处理、自动控制及通讯功能；三是上位机监控部分，主要监视现场各工艺流程运行状况并实施远程控制功能。

本文以工艺流程为线索，介绍了系统的总体设计方案、各PLC站的设计、重要参数的监测、通信网络和上位机监控界面的开发。

关键字：

可编程逻辑控制器,自动化控制,组态软件

Abstract

Withtheimprovementoflivingstandardsandtheneedsofsustainabledevelopment,sewagetreatmenthasarousedmuchattentionofthesociety.Itcanplayaroleinenvironmentalprotection,andCandealwithwaterreusetoconservewaterresources.Inordertoimprovethequalityandefficiencyofsewagetreatment，andsavemanpowerandrawmaterials,designinganautomaticmonitoringsystemisverynecessary.ThisthesisintroducingtheoveralldesignplanofmiddleandsmallscaleSewagetreatmentplants’automaticmonitoringsystems.

SewagetreatmentplantusesinvertA²/Oprocessingtechniqueandconductssewagetreatment40,000tonsperday.Thewholesupervisorysystemconsistsofthreeparts.Thefirstpartisfielddatacollection,whichcompletesthedataacquisitionfunction.Thesecondpartisscenecontrolunit.Itisdividedintotwoparts-scenecontrolcubicleandthePLCstation.Scenecontrolcubiclemainlycompletesthetaskofhandcontrol;PLCstandsmainlycompetesthetasksofdataprocessing,automaticcontrolandcommunication.Thethirdpartissuperiormonitoring.Themainfunctionofitistomonitortheoperationofvarioustechnicalprocessesandimplementremotecontrol.

Thisthesisintroducedtheoverallprojectdesign,thedesignofeachPLCstation,themonitorofkeyparameter,thesequenceoftechnicalprocess,communicationnetworkandPCmonitoringsoftware.

Keywords:

ProgrammableLogicalController,AutomaticsControl,SoftPanel.

1.绪论

随着经济的高速增长，水需求在不断增加，而地球上的水资源却在萎缩。

可利用水源特别是城市周围水源污染等因素使得水资源缺乏和水体污染己经成为各国面临的严峻问题。

水污染造成了巨大的经济损失，水资源的短缺制约了经济的可持续性发展。

水资源的缺乏将是21世纪人类面临的最大挑战之一，如何更好地减少水污染以及污水的回收利用，已经成为科学家们研究的课题。

1.1污水处理国内外发展现状

美国、日本、西欧等一些发达国家，较早的实现了工业现代化，环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的显现出来。

19世纪以来，经济发达国家相继出现了环境污染和社会公害问题。

这些国家政府高度重视，投入了大量的人力、物力、财力进行污水处理的研究，建设了大量污水处理厂【1】。

美国是目前世界上污水处理厂最多的国家，平均5000人就有1座，其中78%为二级生物处理厂；英国共有处理厂约8000座，平均7000人l座，几乎全部是二级生物处理厂；日本城市废水处理厂约630座，平均20万人l座，但其中二级处理厂及高级处理厂占98.6%；瑞典是目前污水处理设施最普及的国家，下水道普及率99%以上，平均5000人1座污水处理厂，其中91%为二级生物处理厂。

这些国家的经验表明，大力兴建二级污水处理厂对改善水体卫生情况起了很大的作用。

这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究，先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。

一些发达国家经过几十年的努力，污水处理率已经达到了80%，成功的解决了来自于城市和工业的水污染问题。

同时一些国家开始重视污水的回用，如以色列的污水回用率达到了90%。

水资源短缺是我国的基本国情之一，我国人均水资源占有量只有世界人均水平的四分之一，解决水资源短缺问题就必须对污水进行处理和再利用。

我国目前城市污水处理率还相当低。

据统计，目前全国年排污量约为350亿立方米，全国超过80%的城市污水未经任何有效的收集处理就直接排放到附近的水体。

全国90%以上的城市水域受到不同程度地污染，近50%的重点城镇集中饮用水源不符合取水标准。

近年来，各地不断发生水体污染影响生产、生活的事故。

近年来国家和地方政府对污水处理事业也越来越重视，先后启动了治理“三河三湖”工程，取得了明显的效果。

2000年统计，全国城镇的污水处理率为25%，根据建设部“到2010年中国城镇污水处理率要达到60%”的规划目标，到“十一五”末，中国将需新建1000座污水处理厂，全国城镇污水集中处理能力将达到10000万立方米/日左右。

然而，同发达国家相比，我国城市污水处理事业无论数量、规模、普及率还是机械化、自动化程度，都存在着较大的差距。

1.2课题的意义及背景

我国的污水处理事业起步较晚，目前还处于发展阶段，对水处理的研究，特别是自动化控制设备方面的研究远远落后于发达国家。

前几年国家环境保护总局曾对我国55个城市的5000多套工业废水处理设施进行了大规模的调查。

结果表明，运行效果好和比较好的只占24%，而建成后没能运行或处理能力达不到设计能力一半的设施竞占63.8%。

可见我国的污水处理技术仍处于较低的水平。

另外，我国经济发展水平还比较低，资金匮乏，投资力度不足等诸多因素，导致目前发达国家大批水处理企业大举进军我国水处理市场。

国内某些城市污水处理厂全套引进了国外的设备和技术，虽然取得一定效果，但全部引进国外技术存在以下问题：

1.引进费用昂贵；2.维护费用昂贵，维护不方便；3.没有结合我国的国情；4.不利于培养我国的相关专业的工程技术人员。

为了改变我国污水处理技术现状，中央政府、有关决策职能部门和研究机构都倾注了较大的注意力，非常重视开展这方面的研究。

2001年国家自然科学基金列出专项，支持开展污水处理厂自动控制系统的研究。

因此，对于我国这样一个污染严重、水资源短缺的国家，研制出一批能满足排放要求、处理效果好、运行费用低、国产化程度高且自动化水平较高的污水处理控制系统对我国经济的发展具有重大的现实意义。

为更好的落实国家环境保护的基本国策和可持续发展战略，改善城市环境，促进经济发展，投资兴建污水处理厂十分必要。

本文以此对污水处理厂自控系统进行了研究。

1.3课题的研究内容

本课设计应用先进的工业控制计算机、可编程控制器、工业自动化组态技术、电力电子控制技术以及网络通信技术等，结合污水处理厂的特点，设计出运行状态和参数能够自动检测和自动控制、具有自动故障应急处理能力并且具有网络通信能力的高性能、高可靠性的污水处理厂自动化监控系统。

本文的研究内容包括如下几个部分：

1）了解污水处理工艺，分析各设备在污水厂的地理位置分布及控制特性，确定总体的控制方案。

2）自动控制系统控制柜的设计及各工艺段控制程序的开发；

3）上位机监控软件的开发；上位机的人机界面采用北京亚控公司的组态王6.52开发，与西门子PLC、进行数据通讯，完成数据采集、处理、监督及控制功能。

1.4章节安排

1.绪论，介绍了污水处理的国内外发展现状，课题的意义、背景及研究内容等；

2.介绍了污水处理的工艺流程；

3.介绍了控制系统的总体设计；

4.介绍了控制系统的硬件设计；

5.介绍了控制系统的软件设计；

6.对全文进行了总结并对课题未来的研究前景进行了展望。

2.工艺流程介绍

2.1污水处理指标

为了表征废水水质，衡量污水处理系统的效果，国家规定了许多水质指标。

水质指标主要包括温度（T）、悬浮固体浓度（SS）、氧化还原（ORP）、化学需氧量（COD）、硫化氢浓度（H2S）、溶解氧（DO）、混合液悬浮固体浓度（MLSS）、酸碱度（PH）、有毒有害有机污染物、细菌总数、总大肠杆菌数等。

下面将主要介绍悬浮固体浓度（SS）、氧化还原（ORP）、化学需氧量（COD）、溶解氧（DO）、酸碱度（PH）等几个常用指标【2】。

了解这些指标有利于全面掌握污水在物理学、化学和生物学方面的特性，并掌握污水处理流程和其最终方法。

1．悬浮固体（SS）

悬浮固体是水中未溶解的非胶态的固体物质，在条件适宜时可以沉淀。

悬浮固体可分为有机性和无机性两大类，反映污水汇入水体后将发生的淤积情况，其含量的单位为mg/L。

2．氧化还原（ORP）

ORP是英文Oxidation-ReductionPotential的缩写,它表示溶液的氧化还原电位。

ORP值是水溶液氧化还原能力的测量指标,其单位是mv。

它由ORP复合电极和mv计组成。

ORP电极是一种可以在其敏感层表面进行电子吸收或释放的电极,该敏感层是一种惰性金属,通常是用铂和金来制作。

参比电极是和PH电极一样的银/氯化银电极。

3．化学需氧量（COD）

化学需氧量（COD，chemicaloxygendemand），是指在酸性条件下，用强氧化剂将有机物氧化为CO2和H2O所消耗的氧量，单位为mg/L。

当以重铬酸钾为氧化剂时，化学需氧量表示为CODCr；当以高锰酸钾为氧化剂时，化学需氧量表示为CODMn。

与BOD【3】相比，COD能在较短时间内，较精确地测出废水中耗氧物质的含量，而不受水质的限制，但它不能像BOD那样表示出微生物氧化的有机物量。

在城市污水处理分析中，常用BOD5/COD的比值来分析污水的可生化性。

可生化性好的污水BOD5/COD≥0.3。

4．溶解氧（DO）

溶解氧是指溶解在水里氧的量，通常记作DO，用每升水里氧气的毫克数表示。

水中溶解氧的多少是衡量水体自净能力的一个指标。

它跟空气里氧的分压、大气压、水温和水质有密切的关系。

在20℃、100kPa下，纯水里大约溶解氧9mg/L。

有些有机化合物在喜氧菌作用下发生生物降解，要消耗水里的溶解氧。

如果有机物以碳来计算，根据C+O2=CO2可知，每12g碳要消耗32g氧气。

当水中的溶解氧值降到5mg/L时，一些鱼类的呼吸就发生困难。

水里的溶解氧由于空气里氧气的溶入及绿色水生植物的光合作用会不断得到补充。

但当水体受到有机物污染，耗氧严重，溶解氧得不到及时补充，水体中的厌氧菌就会很快繁殖，有机物因腐败而使水体变黑、发臭。

5．酸碱度（PH）

酸度和碱度是污水的重要污染指标，用PH值来表示。

一般生活污水呈中性或弱碱性，工业污水多呈强酸或强碱性。

一般污水的PH值均在6.5～9，当PH<6或者PH>9都会影响生物处理，并对混凝土和金属有腐蚀作用，这时需要进行污水预处理并对处理设备进行防腐蚀处理。

5．温度（T）

废水温度过高而引起的危害叫做热污染，废水温度过高，使水体溶解氧浓度降低，相应含氧量随之减少，另一方面，水温升高会导致生物耗氧速度加快，促使水体中溶解氧更快耗尽，水质迅速恶化。

因此必须控制废水的温度，一般废水温度控制在35℃以内。

2.2污水处理的基本工艺方法

污水处理就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、回收利用，或将其转化为无害物质，使水得到净化。

现代污水处理技术，按处理程度划分，一般分为三级处理：

一级处理，又称物理处理，主要是去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，经过一级处理后的污水，可去除50%左右的悬浮物，BOD一般只能去除30%左右，达不到排放标准。

二级处理，又称生化处理，它是城市污水处理厂的核心，主要去除水中呈胶体和溶解状态的有机污染物。

经二级处理后，BOD的去除率可达90%以上，污水中BOD值可降至20.30mg/L，有机污染物达到国家规定的排放标准。

三级处理，又称深度处理，目的在于进一步去除二级处理未能去除的污染物质，其中包括微生物未能降解的有机物和氮、磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物质【4】。

生物法具有净化能力强、费用低廉、运行可靠性好等优点，是污水处理的6主要方法，在污水处理领域中占有重要地位。

我国现阶段的城市污水处理以生物法为主，以物理法和化学法为辅。

以生物法为主的处理工艺主要有活性污泥法、A/O法、A²/O法、SBR法、MSBR法、UNITANK法、及DAT-IAT法等。

2.3本系统采用的工艺介绍

我国是世界上最大的发展中国家，经济实力还比较薄弱，因而一些流程长、投资大、管理复杂的污水处理工艺并不适合我国的国情。

所以，设计应用适合我国国情的简捷、高效、实用的污水脱氮除磷工艺即A²/O工艺是城市污水处理厂的首选。

2.3.1倒置A²/O工艺简介

A²/O艺，是目前较为流行的具有一定代表性的污水生物脱氮除磷技术。

该工艺的生化部分由厌氧（A1）、缺氧（A2）、好氧（O）三池组成。

形成所谓A1/A2/O布置形式。

经过多年的系统研究，证实了该工艺不仅在脱氮除磷【5】效果方面优于常规的A²/O工艺，而且工艺流程见（图2.1）更为简捷；

图2.1倒置A²/O工艺流程图

倒置A²/O工艺的特点是：

1）缺氧区位于工艺系统首端，优先满足反硝化反应对碳源的需求，强化了处理系统的脱氮功能，避免了回流污泥携带的硝酸盐对厌氧释磷的不良影响，也使所有的回流污泥全部经历完整的厌氧释磷与好氧吸磷过程。

2）聚磷菌经过厌氧释磷后直接进入生化效率较高的好氧环境，在厌氧状态下形成的吸磷动力可以得到充分利用，提高了处理系统除磷能力。

3）将常规A²/O工艺的污泥回流系统与混合液回流（好氧混合液与缺氧混合液）系统合二为一组成了唯一的污泥回流系统，工艺流程大大简化，不仅便于运行管理，也使投资与运行成本大大下降【6】。

2.3.2本系统工艺流程

本工艺设计采用倒置A²/O工艺，其总工艺流程见（图2.2）

图2.2污水处理厂总工艺流程图

本污水处理厂包括污水处理和污泥处理两个系统。

污水处理系统包括进粗格栅、提升泵房、细格栅、沉砂池、鼓风机房、氧化沟（缺氧池/厌氧池/好氧池）、二沉池、消毒出水池等，污泥处理系统包括污泥泵房、脱水机房等几部分。

本污水处理厂的污水处理流程是：

污水经污水排放管网进入粗格栅，滤除大块固体悬浮物后，再由提升泵将污水提升到细格栅，滤除细小的漂浮物和浮渣，然后流入沉砂池，进行砂水分离，去除水中密度较大的无机颗粒，以保护后续处理设施的证常运行。

然后污水进入氧化沟，进行生化处理。

经生化处理后的污水进入二沉池进行污泥沉淀，经过污泥沉淀后的污水经紫外线消毒后到出水池，最后排放。

二沉池分离的一部分生物活性污泥回流到氧化沟，另一部分剩余污泥流经污泥泵房进入污泥处理系统，剩余污泥进入贮泥池，最后进入脱水机房进行脱水处理，脱水处理后就可进行二次利用。

3.控制系统方案设计

3.1污水处理自控系统的难点

污水处理是个多参数（如液位、水质成分、流量、压力等）、多任务（如污水输送、风量控制、水泵的开停等）、多设备（如格栅机、水泵、鼓风机、阀门等），而且具有随机性、时变性和耦合性的复杂系统【7】，所以污水处理是个复杂的过程。

污水处理自动控制系统控制的难点主要体现在以下几个方面【8】：

1.系统规模大

一般污水处理厂的规模较大，系统工艺复杂，流程长，各工艺过程地理分布相距较远，所以控制系统的规模也较大，是一个多变量、多参数、多回路、大滞后、非线性的复杂系统。

2.连锁控制

污水处理前后工序之问存在互锁关系，而有些参数的在线检测仪存在滞后、较大误差等问题，这样会影响控制的实时性和控制精度，因此需要研究污水控制对象的特性，选择合适的控制参数，保证预期的控制质量。

3.大滞后

污水处理涉及到生化反应过程，如污水的曝气过程，从鼓风机开始鼓入空气，到检测到污水中含氧量变化约3到5分钟，是一个大滞后过程。

在解决这个问题时，有的控制策略过于复杂（如采用神经网络控制），有的过于简单（如单回路定值调节），所以研究人工智能与控制理论结合的控制策略，具有重要的意义。

4.污水处理厂的很多设备都是大功率、大能耗设备，有必要考虑设备的保护和合理配置使用以及节能问题。

鼓风机房是污水处理厂的耗能大户，自控系统的优化控制对节能具有重要意义。

5.污水处理厂的工作环境恶劣，干扰频繁，将会影响控制系统的可靠性和稳定性，必须分析干扰来源，研究对于不同干扰源的行之有效的抑制或消除措施。

6.控制系统中存在网络通信，如何实现较高的通信速率和通信质量，开放的通信接口，建立完整、可靠的综合自动化系统，也是需要考虑的问题。

3.2设计原则

污水处理控制系统的设计要遵循我国国情，设计时按照以下原则进行：

A）严格执行环境保护的各项规定，确保经处理后的污水的排放水质达到有关排放标准；

B）采用的系统应技术先进、运行可靠、操作维护管理简单，将先进性和可靠性有机结合；

C）在保证处理效果的前提下尽量降低工程投资和运行成本；

D）采用的系统必须是开放的，可扩展的。

远期对本期工程能延用且不影响其功能。

3.3设计思想

根据污水处理的工艺要求及现场环境，本系统主要采用了工业控制计算机（IPC）+可编程控制器（PLC）+现场检测仪表的监控模式。

本控制系统通过现场检测仪表采集工艺参数，PLC作为主要现场控制单元，根据污水处理工艺流程读取现场仪表信号及各被控设备状态信号，同时将控制信号传至各控制设备。

利用IPC作为上位机，进行复杂的数据处理。

通过工业以太网将各控制站、中央控制室的工程师站相连，形成一个完整的通讯网络，实现监控。

整个自动化监控系统构成SCADA（SupervisoryControlandDataAcquisition）系统，完成数据采集、处理、监视及对现场设备进行控制的功能。

3.4系统构成

3.4.1系统结构图

整个系统由中央控制室、各分布PLC控制站和现场仪表及电控柜构成三级监控网络。

系统结构如图3.1所示。

图3.1系统结构如图

3.4.2各单元功能描述

一、中央控制级

中央控制级分为中央控制室及厂长室远程管理监控计算机。

中央控制室设有工程师站和操作员站。

工程师站既能完成系统组态、调试及控制参数的在线修改和设置等，又能完成对整个污水处理厂的数据采集、监控，报表及打印等功能：

操作员站主要完成对整个污水处理厂的数据采集、监控，报表及打印等功能。

在系统正常工作时，工程师站可兼作操作员站，方便了监视与操作，并提高了系统的可靠性。

背投显示全厂工艺设备的运行状态、工艺参数以及工艺流程，以便直观的了解全厂一的状况并对出现的问题做出快速反应。

厂长室远程管理监控计算机以工业以太网形式与本系统相连，以便于厂长对

整个系统进行管理和监控，并针对实际情况准确发出操作命令。

二、分析式控制站

监控系统共设PLC01—PLC03三个分布控制站。

现场PLC完成对各点信号的采集及控制，提高了系统的可靠性与可维护性。

现场PLC站通过工业以太网与中央控制室的工程师站连接。

当控制模式选择置于“远程”位置时，操作人员将不能利用电气控制柜或电控箱上的启/停按钮对设备进行运行/停止操作，此时设备的控制权交给计算机控制，PLC将根据操作员站的控制指令，由PLC控制程序“自动"或“手动"控制设备的运行。

三、现场控制柜及仪表系统

各现场控制柜具有两部分功能，一是进行现场的手动操作，二是与各个PLC站连接，将各设备状态信号传送到PLC的相关采集模块。

现场手动操作具有比分布控制站和中央控制室更高的优先权，只有将状态选择丌关打到自动状态，远程控制程序才起作用。

所以在进行自动控制调试前，首先要完成对现场各控制柜的调试，在保证现场设备安全的前提下才能进行远程控制。

仪表系统用来连续测量污水处理厂工艺流程中的主要工艺参数，并将测量数据送入计算机数据采集及监控系统。

整个污水厂的过程检测仪表分散设置于各个工艺处理构筑物内及工艺管道上。

4.控制系统硬件设计

要构成一个控制系统，首先应根据控制要求对硬件进行选型配置，然后通过网络把各部件连接起来，形成控制系统的框架。

再通过软件编程、组网，从而形成一个能实现一定功能要求的系统。

本系统的硬件设计包括仪表的选型、各PLC站的具体设计、中央监控室的设计及数据通讯网络的选择等。

4.1仪表系统

依据污水处理厂生产工艺的特点和介质的特征，为了保证工艺操作安全可靠，正常运行，现场仪表必须及时、准确地反应出工艺的动态参数，所以仪表系统的设计尤为重要。

4.1.1仪表选型原则

仪表选型应根据工艺装置的规模、工艺流程特点和操作要求等因素确定的控制方式进行，主要有以下几个原则：

（1）选用的仪表必须性能先进、运行稳定可靠；

（2）在满足工艺要求的前提下，不必追求过高的测量精度，以节省投资。

量程选择应保证仪表长期工作在满量程的2/3左右。

（3）仪表的防护等级应不低于IP65，在短时浸水场合，防护等级为IP67，在长期浸水场合，防护等级为IP68；

（4）仪表应便于安装、检修，部件可换性好；

（5）在同一工程项目中，仪表品种规格不宜过多，应力求统一。

本系统采用的现场传感器和变送器以美国HACH公司的高性能测量仪表为主。

HACH公司为国际著名的仪表生产公司，其产品在国内外有大量的相同工矿情况的应用实例，产品相当可靠，且产品的技术指标如量程、精确度、环境温度、工作压力、电磁干扰、防护等级、防暴等级等经过严格的测试，并已取得相关认证，符合ISO、ISA、IEC标准。

4.1.2本系统主要仪表

根据工艺和控制要求，本系统主要对重要仪表的参数进行检测：

表4.1本污水处理厂所需仪表类型及数量

超声波液位差计

带传感器，支架安装

2个

超声波液位计

带传感器，支架安装

3个

溶解氧测定仪

在线分析，杆式安装支架

2个

污泥浓度计

空气自动清洗，浸入式