污水处理自动控制系统设计

摘 要：活性污泥法污水处理过程是一个相当复杂的物理和化学过程，有许多干扰因素。目前国内污水处理过程控制水平不高，曝气能源消耗大，难以保证出水水质的稳定，很容易造成二次污染。本文以鞍山市污水处理厂活性污泥污水处理自动控制系统开发项目为背景，研究了溶解氧气浓度的自适应遗传PID控制算法和出水COD的RBF神经网络预测模型。

关键词：自动控制；以太网；组态软件

水是生命之源，是现代工业的血液，是国家经济可持续发展的核心要素，保护水资源是当务之急。由于我国各种水资源都遭到了极大的污染，而且我国还是水资源严重短缺的国家，所以全力发展我国的污水处理技术是势在必行。在很多污水处理技术中，活性污泥法既是一种比较有效的污水处理方法，也是一种先进的污水处理工艺，非常适合我国目前的情况。什么是活性污泥法？它就是利用污泥中微生物的生命活动来清除污水中的各种污染杂质。由于进水水质、水量、设备、工艺等多种因素的影响，导致污水处理过程复杂。针对污水水质变化的非确定性、随机性、非线性等特征，这些因素提升了污水自动化处理的难度。为了提高自动化污水处理过程，在保证系统运行良好的情况下，提高出水质量，开发和研究一种新型的污水自动化控制方法，是污水控制领域的重要课题之一。

1 污水处理控制系统总体设计方案

多层次的系统控制网络是光纤以太环网与现场总线相结合的。10/100M全双工光纤工业以太环网作为主控制层。系统网络采用的PLC（这里采用西门子300PLC）、IPC机和光交换机均遵循TCP/IP协议。采用双层管理模式：监测管理层、现场测试层。安装在总控室的工业计算机作为上位机，它主要监管污水处理站运行状况，实时观察和监测各种信号及设备状态信息。两种显示模式：动画和文本，对各种故障现象进行报警的同时建立并统计数据、制作和打印报表等。上位机通控制过交换机和光纤收发器，用光纤以太网连接现场的PLC，完成各种数据信息的传递。下位机收集各种状态数据，运用PLC监控污水处理站中各设备的运行状态，同时，终端模块对现场的控制单元诊断出的信息将通过Ehternet传输到上位机工控机，以便实现数据共享。

系统中心控制室配备了两台电脑监控和管理：一个作为工程师站，一个作为操作员站。工程师站主要完成系统配置、调试和控制参数的在线修改和设置等。现场控制和过程控制中，操作员站起举足轻重的作用，通过工业以太网，将监控层和现场控制层的信息进行互换，具备监测、控制、数据处理、数据管理、故障报警和数据打印等多种功能。因此，操作员站在系统中是很重要的。在系统的一些硬件配置中，必须选择性能稳定的，同时采取UPS电源供电。作为上位机的工控机，不仅要与现场控制层进行各类数据互换，还要采用冗余配置。工控机通过以太网卡及一台光交换模块连接到工业以太网与各个PLC现场控制站，以实现信息联系。

2 控制系统组成

2.1 电源系统

为了保证系统在断电的情况下，依然能正常运行2个小时以上，PLC和两台工控机靠中央控制室中的UPS电源供电。

2.2 网络通讯

配备2芯的多模光纤电缆，同时使用100M以太网作为传输介质的通信网络。使用l00M工业以太网光纤环网控制层，它具有强大的通讯功能，是一个开放的工业实时网络。为了系统数据在骨干网上高速传送，实现数据共享的目的，该网络通讯需将中央控室的工程师站、操作员站和现场监测操作站三者有机的结合起来。

2.3 中央控制室

2.3.1 控制室结构

两套监控管理计算机安装在污水处理综合楼内的中央控制室，采用大屏幕彩色显示屏，一台UPS不间断电源的配置，两台打印机。全厂污水处理的各种工作情况信息，各个工段仪表的检测数据、设备的运转情况等，都显示在大型彩色光带模拟屏上。为了不影响中央控制室内设备的正常工作，有效防止雷击窜入电源系统，在控制室信号线和电源线上安装信号浪涌保护器和电源避雷器。

2.3.2 监控管理功能介绍

污水处理厂设备运行和操作状态、设备的工艺参数、报警都需要通过100MBPS高速工业以太网控制中央控制室，建立设备与设备之间信息数据库的连接和资源共享。中央控制室可以完成以下的功能：

①要想对泵站的运转情况进行远程监控，最有效的途径就是用无线电通信方式实现和截流干管泵站的数据传输；

②中心操作者可以很方便的在彩色屏幕的剖面图和平面图上，看见设备的运转情况、参数是否在正常范围值内、機泵是否安全工作、有无事故报警等；

③操作员站可以显示历史数据、实时数据，可以为操作者提供运行趋势曲线，以便分析各种事故产生原因。

2.4 现场控制系统介绍

2.4.1 控制功能

污水处理厂和截流干管泵站的操作站是主要的控制系统。为了最大限度地节省电缆，根据污水厂处理的总体布局，设立五个现场操作站，一个现场操作站设置在厂外截流干管泵站内，它们独立工作，分别完成职责内工段的监管控制。为了更好的完成监控，在每个现场都配备操作员和仪表显示装置。这样操作员就可以实时监测到每个站的电气系统运转情况、各种仪表的测量参数以及工艺流程运转情况等。中央控制室的泵站设备运行状况是通过通讯装置以无线方式传输的，中央控制室工程师站可以根据系统运行状态进行远程控制。为了防止雷击窜入电源系统，破坏系统的正常运转，需要在各现场操作站信号线和电源线上安装信号浪涌保护器和电源避雷器。

2.4.2 现场操作站设置

在污水处理厂内设有5个现场控制单元，各个控制单元的主控任务由西门子-300PLC担任，西门子-300PLC通过PROFIBUS总线与现场ET-200控制模块通信，并通过以太网方式接入总制室。现场控制单元分配如下：

#l处理控制单元—变配电所站；

2#处理控制单元—粗格栅间站；

3#处理控制单元—细格栅间站；

4#处理控制单元—鼓风机房站；

5#处理控制单元—污泥脱水间；

3 现场控制单元功能介绍

3.1 粗格栅间控制单元

粗格栅间控制单元主要检测和处理粗格栅间工艺参数，监控生产设备状态。粗格栅机和污水潜水泵是主要控制设备。

格栅机的工作过程为：按动格栅机的启动按钮，把栅渣收集到格栅机后的运渣小车上，怎么验证格栅是否堵塞？就是通过超声波液位差计测量格栅机前后的液位差来实现的。当液位差超过设定的安全值时，启动清污机，开始工作，直到液位差在设定的安全值内；当液位差超过安全值后没有停止，继续增加时，报警器响。

该系统有4台被控潜水泵：潜水泵的启动和停止，由PLC收集水井液位。

这里仅涉及到模拟量的监测和开关量的控制，不涉及闭环控制策略，比较容易实现。

3.2 细格栅间控制单元

细格栅间控制单元主要控制细格栅机和旋流沉沙池。

由于细格栅机的控制方式与粗格栅机的控制方式相同，所以就不再重复介绍。旋流沉砂池的控制设备为1台罗茨风机、2台桨叶分离机，这两种设备都是用开关控制。

3.3 鼓风机房站控制单元

鼓风机房站控制单元处理数据的同时，主要用于监测污泥泵站、曝气池、二次沉淀池和鼓风机房的参数情况和生产设备的运行情况。

鼓风机房控制的效果直接影响到出水COD的值。这是整个污水处理过程控制系统的最重要部分，因为回流污泥量的控制及曝气池溶解氧浓度的控制都在这里同时进行。

3.4 污泥脱水间控制单元

污泥脱水间过程控制单元处理数据的同时，主要用于监测污泥储存池、污泥脱水间的参数情况和生产设备的运行情况。

3.5 变配电所控制单元

变配电所过程控制单元数据处理的同时主要用于检测主受电柜、联络柜、互感器柜、变压器柜和直流屏等电器之间的参数情况和状态。

4 污水处理系统监控画面设计

在本文中，系统监测画面是通过WINCC软件设计。什么是WinCC软件？它是一个开放的SCADA软件，也是一种功能强大的工业控制软件，是德国西门子公司（SIEMENS）推出的。主要广泛用于生产和过程自动化中的图形显示，并通过图形显示完成指定的控制任务。项目管理器包含以下几部分：

①计算机：计算机属性的设置，包括启动属性、图形运行状态系统属性和常规属性。

②变量管理器：主要用于WinCC中内部变量、外部变量和通讯驱动程序的管理。

③变量归类：通过处理测量值，并把测量值永久保存。

④图形编辑器：设计编辑各种图形画面。

⑤报表编辑器：按照事先预约的时间，把各种标准、格式的表格打印。

⑥用户管理器：监管和分配用户对组态和系统运行状态的访问权限。

⑦文本库：负责编辑不同语言的文本信息。

⑧交叉引用表：负责寻找函数变量、OLE对象及AetiveX控件。这些交叉引用表通常在函数、画面、归档和消息中使用。

另外，WinCC还提供很多的选件和附加件，冗余系统、如服务器系统、Web浏览器等，用来满足用户的各种特殊需要。

系統监控画面主要包括系统管理界面、报警和报表管理界面和过程监控画面。图1、图2给出了部分系统监控画面。

作者简介：王威（1982-），女，辽宁鞍山人，讲师。