某污水处理自动控制系统总体设计

2022-06-12冯慧渊

现代工业经济和信息化 2022年4期

冯慧渊

（忻州市神达洁源环境科技集团五寨水净化有限公司，山西五寨 036200）

引言

污水处理是对人类生产生活污水进行净化的过程，是现阶段实现污水“零排放、内循环”的重要途径。然而，污水处理是复杂的生化反应过程，涉及的仪器仪表种类繁多，如污水电磁流量计、流量控制器、液位控制器和液位计等。传统的人工控制污水处理厂技术在安全、稳定、长周期和优化运行等方面存在较大的缺陷，在废水量激增时，处理成本超出预计，处理效果令人堪忧，人工控制方式已远远不能满足现代社会经济发展的需求。

自动化控制是机电一体自动化集成控制技术，主要包括过程自动化、管理自动化和机械制造自动化[1]。自动化控制系统是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件，通过自动化控制对机器、设备和仪表进行自动调节、检测，以达到增产提质、降低成本和劳动强度、保障安全等目标。因此，有必要采用包含控制器与控制对象的自动化控制方式，构建可视化的污水处理系统，提高污水处理的质量和效率，保障污水处理厂正常高效运行，节省人力、物力，最终实现满足排放要求。

1 某污水处理厂工艺流程

本文以某企业煤三期项目为背景，遵循污水处理行业的发展趋势，对污水处理的控制系统进行改进研究设计，实现了设备运行状况的可视化及污水处理系统的自动控制，达到了企业的预期目标。

1.1 基本工艺

传统污水处理的三个步骤为一级处理、二级处理和三级处理[2]。

1）一级处理。通过格栅去除污水中较大的固体污染物及颗粒较小的杂质，这里所说的格栅包括粗格栅和细格栅，污染物和杂质包括有机物质及无机物质，一级处理主要是物理处理，并没有达到国家规定的污水排放标准，还需要通过化学方法对其进一步处理。

2）二级处理。经过一级处理后的污水，加入生化药物进行二次净化，通过具有活性污泥的曝气池及沉淀池的处理，进一步降低污水中的杂质含量。二级处理后污水基本已经达到国家规定的污水排放标准，对保护环境起到了一定作用。

3）三级处理。为了进一步降低二级处理后水中的磷、氮和有机物、矿物质、病原体等，通过离心力进行深度处理，形成水与污泥的最终分离。三级处理是污水处理三个级别中的最后一级，可以较好地除去污水中的部分病毒以及细菌。

三级处理后的污水可以进入水道，实现污水资源化，可在一定程度上解决水资源短缺问题。但是，三级处理后的水仍不能作为生活用水使用。

1.2 煤三期污水处理工艺流程

本次煤三期污水处理工艺流程遵循污水处理的三级处理工艺。首先进行污水一级处理，通过格栅进行基本清理，初步降低水中的污染物及杂质含量。再进行污水二级处理，通过在反应池中加入药剂的方式，对其进行生化药物处理，使其变成无害的物质。对污水进行三级处理，将净化后的污水注入沉淀池，在沉淀池中加入混凝剂和絮凝剂，最后污水通过脱水机进行分离。本项目的污水处理厂工艺流程如图1所示。

污水处理中最重要的是二级处理，对污水中有害物质去除率最高。在本次优化设计的污水处理系统中，为了能够实现自动化和可视化控制，系统在进水泵房的潜水泵上装有液位传感器，粗、细格栅两端安装有超声波液位差计，氧化池中安装有感应器的溶解氧仪及超声波液位差计，它们皆可将检测的信息传送到PLC上，分别控制潜水泵、清污机和曝气机的运行、停止。

2 污水处理厂系统功能分析

2.1 污水处理系统主要功能

PLC（可编程逻辑控制器）是一种专用于工业控制的计算机，通过数字或模拟方式控制各类机械或生产过程。本次设计的污水处理系统需实现以下功能：

1）控制操作。在中央控制室中可以实现对设备实时控制，即在线远程控制设备启动、停止等。

2）数据处理。获得相关有用的经验参数，为参数调整提供数据支撑。

3）设备信息的直观描述。实现设备相关参数以及运行状况的实时观察。

4）报警功能。出现运行异常时，污水处理系统会自动发出报警信息，实现设备平稳快速地运行。

5）打印功能。实现数据的文本化归档。

2.2 控制系统性能要求

要实现污水处理的自动化控制，最终经过处理的污水达到国家规定的排放标准，需要满足“稳”、“快”、“准”三个硬性标准。

1）“稳”，即当控制系统受到外界干扰后，可保持系统变化在一定误差范围内。

2）“快”，即当控制系统受到外界干扰后，自动控制系统能快速自动调节参数达到预设值。

3）“准”，即控制系统性能优异，给定系统的输入值与系统相对应的输出值之间差值较小。

3 控制系统总体设计方案

3.1 控制系统结构

被控对象及自动化装置对实现污水处理的自动控制极为重要，其中自动化装置一般通过可编程程序控制器来实现[3]。本次选定的被控对象主要有阀门、离心机、水泵及搅拌器等，自动化装置主要有仪器仪表的测量部分、相应的参数调节装置及发生故障的报警装置等。本次设计的自动控制系统采用多层控制系统，以达到既定的控制目标及较好的控制效果，同时控制系统主要通过PLC、计算机监测及测量仪器仪表实现。控制系统基本结构如图2所示。

控制层主要是实现污水处理系统的控制功能，一般采用PLC作为控制系统的主要控制器件。控制层的主要研究对象是系统的生产过程，将各个独立的设备通过传感器连接在一起，对生产过程中的设备运行状况进行数据采集，通过综合分析判断，达到对控制系统的优化控制。

监控层主要是对运行中的设备状态进行监控。监控层主要面对操作人员，可以通过显示屏等输出设备观察设备的运行状况及其参数，并对观察到的信息进行判断处理，以进一步改进控制系统的状态，实现控制系统的优化升级。控制层主要由工控机、存储信息的服务器及相应的设备组成，并利用成熟的组态软件对控制系统进行软硬件连接。

管理层一般是信息的管理与存储。管理层可以实现信息的分类存储，便于随时调用信息，还可以实现历史数据库与实时数据库的综合评估，及时发现问题并处理，为参数的调整提供数据支撑，最终实现生产过程、质量管理及成本控制的综合处理。

3.2 三大控制子系统

该系统主要由格栅机、泵房潜水泵和曝气沉砂池控制子系统组成。其中，格栅机的启停一般是根据注入池中的污水液位差来决定，故需要在格栅前、后安装超声波液位计等检测液位的仪器，且启停周期可以视水中杂质情况进行人工修改或者自动调整，更好地过滤掉污水中的杂质[4]。本次污水处理系统共有4台潜水泵，三台主泵机与一台备用泵机为轮流启动方式，采用液位分区的方式实现水泵的启动。曝气沉砂池主要实现污水中杂质的分离，在正常运行过程中，沉砂池中的污水通过搅拌机飞速旋转，改变曝气的强度就可改变污水旋流的速度，通过PLC程序设计实现吸砂机以及砂水分离器的启停。