仪表控制技术在环境工程中的应用及发展.docx

1、仪表控制技术在环境工程中的应用及发展仪表控制技术在环境工程中的应用及发展摘要：在污水处理中，自动化技术起着越来越重要的作用。在西方发达国家已出现无人值班的全自动化污水处理厂，节约了大量的人力。随着自动控制技术与污水处理系统技术的不断进步，污水处理系统的自动化水平必将不断提高，它将推动水工业技术现代化的进程，并带来更多的社会效益与经济利益。仪表控制技术在污水处理中的应用使污水处理过程准确高效的运行，通过对相关参数的在线监测从而执行相应的操作，提高的污水处理的自动化程度。本文通过对污水处理过程中常用的测量仪表的介绍简要阐明仪表控制技术在环境工程中的应用。并补充ICA技术的应用现状及发展的相关知识。

2、关键词：测量仪表，仪表、控制和自动化技术 Abstract: in wastewater treatment, automation technology plays an increasingly important role. In the Western developed countries have appeared unattended automatic sewage treatment plant, saving a lot of effort. With the technology of automatic control technology and sewage tre

3、atment systems continued progress, sewage treatment system will constantly improve levels of automation, it will promote the modernization of water industry technology, and to bring more social and economic interests. Instrument control technology and its application in wastewater treatment the wast

4、ewater treatment process efficient, accurate operation, through online monitoring of the relevant parameters to perform the appropriate action to improve wastewater treatment automation. This articles introduction to the measuring instruments used in wastewater treatment process briefly articulate i

5、nstrument control technology and its application in environmental engineering. Keywords: measurement instrumentation, automation of instrumentation, control and automation technology for sewage treatment, sewage treatment plant sewage sludge processing, media, or short for pharmaceutical production

6、processes such as automated.随着科学技术的飞速发展，检测仪表与控制设备在污水处理厂的运行管理中发挥越来越大的作用。为了有效利用仪表设备，除应当结合处理厂的规模、处理方法之外，还应当根据选址条件、污水流入条件和操作人员的技术水平等因素来设计和安装仪表设备。近几十年来，污水处理厂的自动控制技术发展很快，开始是在某些个别设施中检测、监视与简单控制；后来采用将监视控制用的仪表集中在控制室进行监视控制方式；进而采用集中见识、分散控制方式的自动化控制；最近，又朝向自适应控制、最优控制或过程控制的方向发展。测量仪表在现今高度自动化的污水处理过程中起着重要的作用。可以说仪表是自控系

7、统的“眼睛”，涉及污水处理的各个环节，与生产过程有着紧密的联系。仪表应用的合理与否，同自动化控制结合的好坏视屏建一个污水处理厂技术先进程度的标志。只有保证仪表的稳定、可靠和精确，才能使污水处理过程正常运行。仪表设备具有多方面的良好功能，可以说，检测设备相当于人的“眼睛”，控制设备相当于人的脑和手，它们都对设施的运行管理具有至关重要的作用。因此，安装仪表设备的目的是通过检测与控制的准确性，来提高处理系统的稳定性、可靠性和处理效率，节省人力与改善操作环境，进而达到在保证处理水质量的前提下，尽可能节省运行费用。在安装仪表时，除了充分掌握处理工艺过程及其规模、操作内容、各处理设施的特点及相互关系之外，

8、还要对它们之间的协调工作进行必要的探讨，以期达到各检测设备与控制设备之间的协调工作，实现整体的处理系统的稳定与可靠运行。因此，在仪表设备的设计与安装时应注意以下几个方面的问题。1. 技术经济分析在污水处理厂中可以安装各种各样的仪表设备，大量地安装仪表固然可以提高操作的真确性，减少故障的发生，提高处理效率，但是，过多的仪表设备不仅增加了建设费用，而且也是维护管理费用提高。因此，应当根据处理设施的各种具体情况，可以实现的自动控制水平，与安装仪表设备的目的，通过技术经济分析之后，再进行设计与安装仪表设备的工作。2. 仪表设备的可靠性与稳定性在选择仪表设备时，必须考虑到处理设施的多种特殊条件，如被动性

9、的入流条件、各种干扰因素、污水及污泥的性状与腐蚀性等。所以，在设计时应注意选择适合这些条件的仪表设备及安装方式，尽可能提高仪表设备运行的可靠性。由于污水处理厂的进水水质水量通常随时间剧烈变化，采用高精度的仪表往往影响其稳定性，但是对某些测定项目又必须考虑其较高的精度。因此，应根据仪表设备的运行目的、现场条件、要求的精度与响应时间以及控制回路选择的方法，来选择稳定性好的仪表设备。3. 仪表的功能与工作性能再设计仪表设备时，充分利用其具有的功能，使之能替代人的功能与扩大人的功能，能在有危险的恶劣环境条件下，进行连续、大量、迅速适当与准确的工作。根据技术水平、安装管理与维护管理体制等因素，全面考虑仪

10、表设备的功能与工作性质的协调性。应充分注意到，过分的仪表化不仅会给操作人员带来不必要的心理上和技术上的负担，而且还会降低费用效益。4. 充分考虑处理系统自动控制的发展同其他工业过程一样，污水处理系统的自动控制也必然不断超先进方式与更高层方的方向发展。在我国，对于尚不具备自动控制或较高层次自动控制的条件或者资金暂时短缺等情况下，也应当为以后安装仪表设备留有充分的余地。即使在进行处理设施的工艺设计时，也应充分考虑上述问题。应当认识到，仪表设备的设计、选择与安装，也是一项系统工程，它与处理系统的工艺流程与规模、污水水质水量特点、管理体制与操作人员的技术素质、排放标准与费用效益等多方面因素有关。在设计

11、之前应当进行技术经济方面的可行性研究，认真听取专家的意见。一、测量仪表的基本知识1.测量仪表的种类在污水处理过程中，需要测量的参数是多种多样的，例如污水处理厂的进、出水温度，消化池内温度、压力、液位，进入曝气池内空气流量，污水中的pH值、溶解氧、污泥浓度、电导率、浊度等。对于温度、压力、液位、流量这些物理量，我们一般称其为热工量。诸如pH、溶解氧、浊度、污泥浓度、电导率等参数，我们称之为成分量。用于测量热工量的仪表一般称之为热工测量仪表；用于测量称分量的仪表一般称之为成分分析仪表，在污水处理过程中常常称之为水质分析仪表。测量仪表种类很多，结构各异，因而分类方法也很多。例如，若按仪表使用的能源和

12、信号分类，可分为气动仪表、电动仪表和液动仪表；若按安装方式分类，可分为架装仪表和盘装仪表；若按所测量的参数分类，可分为压力测量仪表、液位测量仪表、温度测量仪表、流量测量仪表、成分分析仪表。以下按测量参数分类方法来介绍测量仪表。2. 测量仪表的构成测量仪表种类多、类型复杂、结构各异，但都担负着共同的任务：测量出被测参数的值。所以，它们在构成上就有明显的共性。它们大致都由测量元件（传感器）部分、和显示部分中间传送部分（包括变换成其他信号）构成。个部分之间的关系如下图所示。被测参数 测量部分 中间传送部分 显示部分测量值在实际应用中，有的仪表，如弹簧管压力表把这三部分组装在一起，也有的则把这三部分分

13、别制成各自独立的仪表，如热电阻温度计。在这种情况下，人们有习惯于把传感器部分叫做一次仪表，把显示部分叫做二次仪表。3. 测量误差我们进行测量的目的，是希望正确的反映客观实际，也就是要测量工艺参数的真实值。也就是说，测量值与真实值之间始终存在至一定差值，这一差值就是测量误差。既然在测量过程中存在着测量误差，所以在使用测量仪表对生产过程中的工艺参数进行测量时，不仅需要知道仪表的指示值，而且还应知道测量仪表的指示值的准确程度，即所得到的测量值接近真实值的准确程度。任何测量仪表都不能绝对准确地测量到被测参数的真实值，只能力求使测量值接近真实值。在实际应用中，往往是利用准确度较高的标准仪表指示值来作为被

14、测参数的真实值，而测量仪表的指示值与标准仪表的指示值之差就是测量误差。该误差越小，说明测量仪表的可靠性越高在污水处理厂的实际应用中，对某种仪表的准确度要求应根据工艺操作的实际情况和该参数对整个工艺过程的影响程度、误差允许范围来确定，这样才能保证处理过程的经济性和合理性。二、 热工测量仪表1. 压力测量仪表压力，是污水处理工艺过程中常要测量的参数之一，例如水泵的出口、鼓风机出口压力测量，消化池、沼气柜等容器内压力测量等。几种在污水处理厂常用的压力测量仪表：1) 弹簧管式压力表弹簧管式压力表也是工业上应用最广泛的压力测量仪表，以单圈弹簧管式应用最多。单圈单簧管是弯成圆弧型的空心管子。它的截面呈扁圆

15、形或椭圆形，罐子封闭的一端为自由端，即位移输出端。管子的另一端则是固定的，作为被测压力的输入端。其结构如下图所示。2) 压力变送器生产过程中，常常要求将压力信号传送到另外的地方进行显示或作为控制信号使用。在这种情况下，弹簧压力表就不能满足信号传送的要求。压力变送器就是这种可以将信号远传压力测量仪表。1. 流量测量仪表在污水处理工艺中，流量测量仪表应该说是应用最广、最多的测量仪表。污水处理厂的进出水水量、回流污泥量、曝气量以及消化池产气量等都是工艺生产所必需测量的流量参数。常用的几种流量计： 1) 差压式流量计差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体流经节流装置产生的压力差来实现流量测量。

16、它是目前在生产中测量流量较成熟、应用较广的测量仪表。它通常由能将被测流体的流量转化成差压信号的节流装置和能将此差压转化成对应的流量值显示出来的差压变送器或差压计所组成。其结构如下图所示。 2)电磁流量计电磁流量计是利用电磁感应原理制成的流量测量仪表，能测量含有纤维质或固体颗粒悬浮物等具有导电性的介质。由于这种仪表的测量部分没有深入管道内部的部件，没有收缩或改变管道的截面，因此具有惰性小、反应迅速、压力损失少、也可以测量脉动流量等特点。并且测量范围宽，在污水处理场中得到了广泛的应用。测量原理如下图。2. 温度测量仪表温度也是污水处理工艺过程中需要测量的参数，如进出水温度，消化池内温度，热交换器温

17、度等。热电阻温度计污水处理工艺中的温度不高，测温范围小。计算机控制系统在污水处理场中的应用，要求工艺参数远传到计算机系统作显示、控制及记录打印。尽管采用的计算机系统可能不同，但是目前所有的计算机控制系统都配有热电阻输入模块，无需热电阻变送器而直接将热电阻信号送入热电阻输入模块，因此热电阻已经作为污水处理厂的主要测温仪表。它是利用导体（或半导体）的电阻随温度变化这一特性来进行温度测量的，一般由热电阻、温度变送器、记录或打印机组成。三、水质分析仪表1 溶解氧分析仪（DO仪）溶解氧的测量对于污水处理厂具有十分重要的意义。溶解氧在线测量仪表是污水处理厂溶解氧自动调节系统的重要组成部分，对于调节系统的正

18、常运行起着关键作用。它主要有传感器（探头）和变送器两部分组成。若从传感器的结构形式上来分，主要有两种：复膜电极和无膜电极。2. 污泥浓度计在污水处理过程中，悬浮物浓度也是经常要检测的工艺参数之一。城市污水处理厂需要测量的污泥浓度的有初沉池排泥管道污泥、回流污泥、浓缩池等污泥的浓度。目前污泥浓度计从工作原理上来分，大致有光学型、辐射型和超声波型三种。其中以光学型较为普遍，也较为成熟。3. 浊度计浊度是污水处理厂出水水质要求的一个重要参数之一。在污水处理厂，一般是在出水部分才需要进行在线浊度测量仪表。目前浊度计的工作原理基本同前面所述污泥浓度计相同，都是利用光学原理。主要差别是由于污泥浓度计要测量

19、的悬浮物浓度较高，一般利用光吸收原理，而浊度计测量的对象是悬浮物浓度较低、固体颗粒较小的介质，一般利用光散射原理。4.COD计COD自动检测仪是将指定的检测的步骤自动化了的仪器，每隔12小时间歇自动检测，根据氧化分解的条件有酸性法检测仪和碱性法检测仪。通过更换试剂，也有酸性法和碱性法两种方法交替使用的仪表。酸性法适用于水样中含微量氯离子或不含氯离子的检测，而碱性法受氯离子影响不大，所以可用于含有大量氯离子水样的检测。四、测量仪表的日常维护与管理自动化检测仪表应用于污水处理领域相比于其他生产领域如石油化工、冶金等要晚的多，从设计、施工、安装到日常维护管理及仪表人员的操作，维修维护水平也有待于进一

20、步提高。对于每种具体的仪表，应按照各自的操作、维护手册来进行。这里仅作一般性介绍。1.巡回检查 （1） 查看仪表指示、记录是否正常，现场一次仪表（变送器）指 示和控制室显示仪表、调节仪表指示值是否一致，调节器输出指示和调节阀阀位是否一致。（2） 查看仪表电源（电源电压是否在规定范围内）。（3） 检查仪表本体和连接件损坏和腐蚀情况。（4） 检查仪表完好状况。2.定期润滑需要定期润滑的仪表和部件有：固定环室的双头螺栓、保护箱、恶劣环境下的固定仪表、调节阀等使用的螺栓、丝扣，处露部分等。3.定期排污 定期排污主要有两项工作，其一是排污清洗，其二是定期进行吹洗。这项工作应因地制宜，并不是所有过程检测仪

21、表都需要定期排污。4.保温伴热仪表保温伴热，是日常维护工作的内容之一，它关系到节约能源，防止仪冻坏，保证仪表测量维护不可忽视的一项工作。以上为在污水处理过程中常用的自动检测仪表，它们将实时监测到的数据反馈到PLC和计算机组成的监控系统进行显示、储存、打印、分析等。计算机系统则根据所等到的数据发出信号来控制某些连续动作装置如调节阀等。由此实现仪表的自动控制。四ICA技术污水处理系统的仪表、控制和自动化技术（简称ICA技术）是当前污水处理系统的重要组成部分，应用于污水处理系统已经将近30年，但它仍然不是传统市政工程或环境工程的一部分，但可以认为是污水处理的一个特殊部分。大量事实证明应用ICA技术可

22、以提高营养物去除污水处理厂的处理负荷，大约可以提高10%30%。随着对营养物去除机理以及工艺过程的逐渐了解，实现过程控制已经成为可能。另外应用ICA技术也可以对系统的运行参数和微生物种群、生化反应、系统处理性能之间的复杂相关性加深理解。ICA技术已经在污水处理系统获得广泛应用，如今已是污水处理的一个重要分支。并且已经作为污水处理厂设计的一个重要标准。虽然ICA技术获得广泛的应用和接受，但仍需深入的应用ICA技术，调查表明将近50%的控制环路当前仍然使用手动控制模式。在线传感器已经不是在线过程控制的主要限制因素，而提高污水处理厂的设计灵活性、为未来处理系统实现过程控制留有余地已变为主要因素。IC

23、A技术优先确定的控制目标有：（1）维护污水处理厂连续运行；（2）满足排放标准；（3）降低运行费用；（4）实现污水处理厂的综合运行，通过耦合几个过程来降低污水处理厂的干扰，工艺的综合运行将使得最优化利用更反应器体积和系统总体化成为可能。五ICA技术的发展趋势在控制和自动化领域，实现高级控制工具（模型预测控制、模糊逻辑、神经网络、多变量统计分析、在线模拟）稳定高效是发展的趋势，但很难预测这些技术是否获得广泛的应用。基于软件的检测和探测技术也是未来发展的重要领域。可以说污水处理控制已经向多输入方向发展，另外许多国家的专家普遍认为监控、污水处理系统全面综合控制将是ICA技术在2010年的主要方向。当然需要较好的本地控制（过程单元控制），避免局部最优化。然而，ICA的复杂并不是目的，重要的是运行人员可以理解创新性的控制策略并在会实际中广泛应用。另外ICA的发展需要遥测技术、高速数字技术和网络技术的发展，大量小型的污水处理厂需要安装远距离检测和控制技术，从而不需要运行人员。参考文献:城市污水处理厂运行控制与维护管理 王洪臣 主编 科学出版社城市污水处理厂的建设与管理 卜秋平 陆少鸣 曾科 主编 化学工业出版社城市污水处理系统运行及过程控制 冯勇 彭永臻 主编 科学出版社 仪表控制技术在环境 工程中的应用及发展学院：环境与市政工程学院专业：环境工程学号：200909919姓名：李茹枫