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[摘 要]近年来，随着政府对基础建设与环境保护的重视，城镇污水处理工程得到了极大的发展。如何提高污水处理设施的功能、效率与管理水平成为工程技术人员、运行管理人员及政府决策部门关注的重要问题。因此，设计一套适合污水控制工程的自动控制系统，使污水处理能按照最佳设计方案实施，是十分必要的。笔者结合自身工作经验，对污水处理工程自动控制系统的设计与实现进行了探讨，希望能对相关人员有所帮助。
[关键词]污水处理工程 自动控制系统 设计与实现
中图分类号：R123.3 文献标识码：R 文章编号：1009―914X（2013）34―0417―01
污水处理是指将污水中的污染物质分离并去除，使有害物质转化为稳定的无害物质，从而使水得到净化，使资源得以更加充分的被利用。随着我国城市建设与现代工业的发展，水污染与水短缺越来越严重，而传统的人工控制污水处理常常导致泵机组磨损严重，甚至污水外溢，严重影响正常生产与生态环境。对污水处理过程进行智能化控制，使机组始终处于最佳状态，保证正常生产，保护生态环境成为污水处理的迫切需求。
一、污水处理工序流程
以某污水处理厂为例。该污水处理厂工程设计污水处理量为30万吨/天，总变化系数1.3。工业废水约占55%，生活污水可占45%，采用A2/O工艺，工序流程如下图所示：
二、污水处理过程自动控制系统
采用PLC+PC监控方式，将仪表测控系统、电气控制系统、PLC系统相结合，三电合一。有一个中央控制室与4个PLC现场控制站，多个I/O分站，采用光纤、以太网交换机、Profibus-DP总线等连接，形成工业以太网系统。
该系统分为管理层、控制层与执行层，实现污水处理的数据采集、显示，过程控制、报警，历史记录，数据查询等功能。操作方式有就地控制、自动控制与集中手动三种。
1.中央控制室
中央控制室配置两台计算机操作员站与1台打印机，连接以太网系统。两台计算机操作员站組成双机热备，一台正常监控，一台备用。操作员站有以下功能：
1）显示系统设备的运行状态，存储并显示工序流程的相关参数及其运行趋势，以及历史记录与历史数据。
2）打印处理工艺流程控制的日报表、月报表、参数报表及报警记录。
3）实现控制室集中操作——屏幕上设有设备的选择、启动、停止等操作选项。
4）设有报警优先级管理，任何异常情况均在屏幕上显示。
5）进行编程、组态与修改，装有功能丰富的组态软件，可直观进行组态、编程、设定和管理网络系统。
两台计算机均可提供数据采集与处理，流程控制与报警及打印报表等功能。图形界面包括主画面与各工艺流程、报表、参数、报警等分画面。主画面包括所有厂房、设备与管道流向，以不同颜色、形状表示。分画面显示各工艺流程的具体参数及测量值。在线过程参数（SS、DO、MLSS、ORP、PH等）实时监测，COD、TN、TP、NH4-N等分析仪每2小时检测一次数据。
2.PLC控制站
近年来，国家对污水处理监控的要求更加严格，从监控进出口指标提高到全面监控，污水处理也不再是以开关量为主，而是增加了大量模拟量和数据通讯控制。PLC系统对这些模拟量和通讯数据进行实时采集分析，再传输到中控室管理系统。不仅实现了污水处理系统运行情况的实时监控，也为设备自动化运行提供重要条件。
在本工程的设计中，有4个PLC现场控制站，5个I/O分站，PLC现场控制站与I/O分站通过总线相连接。按照如下方式对现场控制站进行划分：
①.PLC1——进水泵房
在进水泵房自动控制过程当中，需要通过监控的方式完成对以下操作单元的自动控制工作：（1）进水井（包括进水泵房在内）；（2）细格栅、以及旋流沉淀池反应装置；（3）预曝气池以及水解酸化池反应单元；（4）进水仪表间。在该现场控制站当中配有3个I/O分站，1-1*I/O分站设于沉砂池，控制沉砂池上的设备（含仪表），1-2*I/O分站设于预曝气池，控制预曝气池与初沉池，1-3*I/O分站设水解酸化池，控制进水、进气阀门。
②.PLC2——鼓风机房配电间
在鼓风机房配电间的自动控制过程当中，需要通过监控的方式完成对以下操作单元的自动控制工作：（1）生化反应池；（2）鼓风机房；（3）污泥泵房；（4）二次沉淀池。该现场控制站设有PLC操作员终端，可监视并控制PLC运行与显示状态，并设有报警功能。PLC工作方式采用循环法，每个周期扫描一次输入端口，读取输入模拟量与数字量，存储到指定的存储单元。
③.PLC3——排海泵房
在排海泵房的自动控制过程当中，需要通过监控的方式完成对以下操作单元的自动控制工作：（1）排海泵房；（2）雨水泵房。
④.PLC4——脱水机房
在脱水机房的自动控制过程当中，需要通过监控的方式完成对以下操作单元的自动控制工作：（1）储泥池；（2）污泥浓缩池反应装置；（3）脱水机房。该现场控制站当中配有两个I/O分站，3-1*I/O分站设于污泥浓缩池，控制排泥系统，3-2*I/O分站设于脱水机房，控制离心机、加药系统等运行。
3.现场测量仪表
主要测量与分析仪表包括电磁流量计、超声波液位计、pH计、超声波液位差计、污泥浓度计、悬浮物浓度计、超声波泥位计、溶解氧分析仪、压力变送器、TOC分析仪、总磷分析仪、总氮分析仪、氨氮分析仪等。
所有信号均就近输入PLC控制站或分站，并及时传输至中控室计算机操作员站，由系统软件处理后显示到界面，参与系统控制。
4.传输网络
由于污水处理厂因传输距离受限及故障检修不便等因素，没有采用投资比较大的光纤环网系统，也未使用单纯Profibus-DP总线连接的网络系统，而是将两种方式相结合，在中央控制室与PLC控制站配备1台工业以太网交换机，交换机之间通过光纤连接成线性主干网，中央控制室工控机与PLC控制站通过RJ45口连接至以太网交换机，PLC控制站与分站通过Profibus-DP总线连接，共同组成工业以太网系统。该系统的特点主要包括：
1）以光纤为主干，能避免传输中的信号干扰，且光纤与工业交换机成本较低，因而既能满足数据传输需要，又能节省投资。
2）通过网络系统实现数据共享，不局限于根据工艺系统设置PLC，而是通过PLC控制站与I/O分站，测控点就近连接网络。极大的减少了管线的数量，只在局部采用电缆桥架与电缆沟，能显著减少施工量。
3）系统扩展性与开放性较高。通过交换机与总线能方面连接设备配套控制系统，更加适合中小型污水处理厂需求。可通过中控室连接外网进行远程控制。此外，网络权限设定也实现了系统的分级控制。
结语：
总而言之，在我国当前水资源矛盾加剧的情况下，采用自动控制系统提高污水处理效率与质量是迫切需求。本文所探讨的污水处理工程自动控制系统具有投资少、设计简单、控制效果好、易于维护的优点，尤其适合在中小型污水处理厂中推广使用。
参考文献
[1] 张英.自动控制系统在某高浓度污水处理项目中的应用分析[J].电子制作，2013（02）
[2] 吴兴波，李金凯.污水处理计算机监控系统设计与开发[J].设备管理与维修，2008（08）
[3] 罗向阳.基于PLC及WinCC的控制系统在化工污水处理中的应用[J].机械与电子，2010（S1）
[4] 蔡锦达，赵国初，宋韫峥，高真.污水处理控制系统的设计与研制[J].工业控制计算机，2011（04）
[5] 李岩，任平杰，王宏伟.PLC在核电厂BOP污水处理系统中的应用[J].自动化技术与应用，2012（02）
[关键词]污水处理工程 自动控制系统 设计与实现
中图分类号：R123.3 文献标识码：R 文章编号：1009―914X（2013）34―0417―01
污水处理是指将污水中的污染物质分离并去除，使有害物质转化为稳定的无害物质，从而使水得到净化，使资源得以更加充分的被利用。随着我国城市建设与现代工业的发展，水污染与水短缺越来越严重，而传统的人工控制污水处理常常导致泵机组磨损严重，甚至污水外溢，严重影响正常生产与生态环境。对污水处理过程进行智能化控制，使机组始终处于最佳状态，保证正常生产，保护生态环境成为污水处理的迫切需求。
一、污水处理工序流程
以某污水处理厂为例。该污水处理厂工程设计污水处理量为30万吨/天，总变化系数1.3。工业废水约占55%，生活污水可占45%，采用A2/O工艺，工序流程如下图所示：
二、污水处理过程自动控制系统
采用PLC+PC监控方式，将仪表测控系统、电气控制系统、PLC系统相结合，三电合一。有一个中央控制室与4个PLC现场控制站，多个I/O分站，采用光纤、以太网交换机、Profibus-DP总线等连接，形成工业以太网系统。
该系统分为管理层、控制层与执行层，实现污水处理的数据采集、显示，过程控制、报警，历史记录，数据查询等功能。操作方式有就地控制、自动控制与集中手动三种。
1.中央控制室
中央控制室配置两台计算机操作员站与1台打印机，连接以太网系统。两台计算机操作员站組成双机热备，一台正常监控，一台备用。操作员站有以下功能：
1）显示系统设备的运行状态，存储并显示工序流程的相关参数及其运行趋势，以及历史记录与历史数据。
2）打印处理工艺流程控制的日报表、月报表、参数报表及报警记录。
3）实现控制室集中操作——屏幕上设有设备的选择、启动、停止等操作选项。
4）设有报警优先级管理，任何异常情况均在屏幕上显示。
5）进行编程、组态与修改，装有功能丰富的组态软件，可直观进行组态、编程、设定和管理网络系统。
两台计算机均可提供数据采集与处理，流程控制与报警及打印报表等功能。图形界面包括主画面与各工艺流程、报表、参数、报警等分画面。主画面包括所有厂房、设备与管道流向，以不同颜色、形状表示。分画面显示各工艺流程的具体参数及测量值。在线过程参数（SS、DO、MLSS、ORP、PH等）实时监测，COD、TN、TP、NH4-N等分析仪每2小时检测一次数据。
2.PLC控制站
近年来，国家对污水处理监控的要求更加严格，从监控进出口指标提高到全面监控，污水处理也不再是以开关量为主，而是增加了大量模拟量和数据通讯控制。PLC系统对这些模拟量和通讯数据进行实时采集分析，再传输到中控室管理系统。不仅实现了污水处理系统运行情况的实时监控，也为设备自动化运行提供重要条件。
在本工程的设计中，有4个PLC现场控制站，5个I/O分站，PLC现场控制站与I/O分站通过总线相连接。按照如下方式对现场控制站进行划分：
①.PLC1——进水泵房
在进水泵房自动控制过程当中，需要通过监控的方式完成对以下操作单元的自动控制工作：（1）进水井（包括进水泵房在内）；（2）细格栅、以及旋流沉淀池反应装置；（3）预曝气池以及水解酸化池反应单元；（4）进水仪表间。在该现场控制站当中配有3个I/O分站，1-1*I/O分站设于沉砂池，控制沉砂池上的设备（含仪表），1-2*I/O分站设于预曝气池，控制预曝气池与初沉池，1-3*I/O分站设水解酸化池，控制进水、进气阀门。
②.PLC2——鼓风机房配电间
在鼓风机房配电间的自动控制过程当中，需要通过监控的方式完成对以下操作单元的自动控制工作：（1）生化反应池；（2）鼓风机房；（3）污泥泵房；（4）二次沉淀池。该现场控制站设有PLC操作员终端，可监视并控制PLC运行与显示状态，并设有报警功能。PLC工作方式采用循环法，每个周期扫描一次输入端口，读取输入模拟量与数字量，存储到指定的存储单元。
③.PLC3——排海泵房
在排海泵房的自动控制过程当中，需要通过监控的方式完成对以下操作单元的自动控制工作：（1）排海泵房；（2）雨水泵房。
④.PLC4——脱水机房
在脱水机房的自动控制过程当中，需要通过监控的方式完成对以下操作单元的自动控制工作：（1）储泥池；（2）污泥浓缩池反应装置；（3）脱水机房。该现场控制站当中配有两个I/O分站，3-1*I/O分站设于污泥浓缩池，控制排泥系统，3-2*I/O分站设于脱水机房，控制离心机、加药系统等运行。
3.现场测量仪表
主要测量与分析仪表包括电磁流量计、超声波液位计、pH计、超声波液位差计、污泥浓度计、悬浮物浓度计、超声波泥位计、溶解氧分析仪、压力变送器、TOC分析仪、总磷分析仪、总氮分析仪、氨氮分析仪等。
所有信号均就近输入PLC控制站或分站，并及时传输至中控室计算机操作员站，由系统软件处理后显示到界面，参与系统控制。
4.传输网络
由于污水处理厂因传输距离受限及故障检修不便等因素，没有采用投资比较大的光纤环网系统，也未使用单纯Profibus-DP总线连接的网络系统，而是将两种方式相结合，在中央控制室与PLC控制站配备1台工业以太网交换机，交换机之间通过光纤连接成线性主干网，中央控制室工控机与PLC控制站通过RJ45口连接至以太网交换机，PLC控制站与分站通过Profibus-DP总线连接，共同组成工业以太网系统。该系统的特点主要包括：
1）以光纤为主干，能避免传输中的信号干扰，且光纤与工业交换机成本较低，因而既能满足数据传输需要，又能节省投资。
2）通过网络系统实现数据共享，不局限于根据工艺系统设置PLC，而是通过PLC控制站与I/O分站，测控点就近连接网络。极大的减少了管线的数量，只在局部采用电缆桥架与电缆沟，能显著减少施工量。
3）系统扩展性与开放性较高。通过交换机与总线能方面连接设备配套控制系统，更加适合中小型污水处理厂需求。可通过中控室连接外网进行远程控制。此外，网络权限设定也实现了系统的分级控制。
结语：
总而言之，在我国当前水资源矛盾加剧的情况下，采用自动控制系统提高污水处理效率与质量是迫切需求。本文所探讨的污水处理工程自动控制系统具有投资少、设计简单、控制效果好、易于维护的优点，尤其适合在中小型污水处理厂中推广使用。
参考文献
[1] 张英.自动控制系统在某高浓度污水处理项目中的应用分析[J].电子制作，2013（02）
[2] 吴兴波，李金凯.污水处理计算机监控系统设计与开发[J].设备管理与维修，2008（08）
[3] 罗向阳.基于PLC及WinCC的控制系统在化工污水处理中的应用[J].机械与电子，2010（S1）
[4] 蔡锦达，赵国初，宋韫峥，高真.污水处理控制系统的设计与研制[J].工业控制计算机，2011（04）
[5] 李岩，任平杰，王宏伟.PLC在核电厂BOP污水处理系统中的应用[J].自动化技术与应用，2012（02）