污水处理计算机控制系统的设计与实现

污水处理计算机控制系统的设计与实现
陈荣;王海瑞
【摘要】This paper introduces in detail the process flow of wastewater disposal. . And designs the distributive control system in wastewater disposal plant based on 3-tiered architecture (Ethernet, Controller Link, Devicenet) of OMRON PLC. According to control objective of each part and the features of actuator, this paper designs PLC program of each part of wastewater disposal process and emphasizes on studying PID control algorithm of dissolved oxygen in SBR craft. Upon the completion of the PLC control task) we design the monitor pictures based on citect6. 0 which is software development platform. Through the monitor pictures we could monitor realtime parameter and get the realtime information. Monitor pictures includes general flow picture, control pictures of each part, trend pictures, alarm pictures and PID control picture. The whole DCS have been running for one year after production. It has a capacity to treat wastewater up to 12000 m3/ d, and ultimately realized the win-win situation of environmental protection and economic benefits.%对化工厂污水处理的工艺流程给予了详细的介绍,并据此提出了应用OMRON PLC典型的三层网络架构(管理层的以太网(Ethernet)、控制层的控制器网(Controller Link)和设备层的Devieenet网)来构建污水处理厂集散控制系统；根据污水处理过程各个部分的控制目标和执行机构的特点,给出了污水处理各个部分的下位机PLC控制程序流程,进而对下位机控制程序进行了详细的设计；在下位机的设计中,重点研究了污水处理过程中SBR工艺中溶解氧浓度的PID控制算法；设计并开发了基于Citect 6.0组
态软件的上位机监控界面,实现了对现场设备运行参数的在线监控和故障报警信息
的实时显示；上位机监控界面主要包括系统工艺流程界面,各个部分的控制界面,报
警界面,趋势界面和PID控制界面等;整个污水处理计算机控制系统投入持续运行一年,日处理污水达到了12000m3/d,最终实现了环保和经济效益的双赢局面.
【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2012(020)004
【总页数】3页(P976-978)
【关键词】污水处理;计算机控制系统;DCS;PID;远程监控
【作者】陈荣;王海瑞
【作者单位】四川机电职业技术学院信息工程系,四川攀枝花617000;昆明理工大
学信息工程与自动化学院,云南昆明650093
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
0 引言
污水是环境污染的重要因素之一，已是世界关注的重点，治理水污染的课题已列入世界环保组织的工作日程。

在序批式活性污泥法SBR （Sequential Batch Reactive mud method）中，溶解氧的控制直接影响污水排放的进程和系统能耗。

当溶解氧浓度过低，达不到污染环境的排放指标，而过高，则浪费能源。

目前对溶解氧的控制，多数使用PID控制器或者模糊控制器。

由于溶解氧的控制过程受原
污水水质、温度和p H值变化等因素的影响，且具有高度非线性、强耦合性时变、
大滞后和不确定性等特点，显然常规PID控制策略很难取得理想的效果。

模糊控制器是近年来发展很快的新型控制器，它能够方便地将专家的经验和推理融合到实际控制策略中，控制时可以像人一样思考并解决问题，从而达到控制的目的。

但模糊控制是一种有差控制，无法消除最终残差，所以在污水处理溶解氧控制中单独采用不太适宜。

因此，本文提出基于模糊PID.Smith的污水处理组合控制器，以提高污水处理控制的稳态精度及鲁棒性，并解决了大滞后问题，优化控制污水处理系统。

1 SBR污水处理
序批式活性污泥法（SBR）是以活性污泥为主体的污水生物处理法。

活性污泥的吸附和氧化分解有机物的能力很强，它在混合液中自由流动，和废水中污物接触的机会较多，所以活性污泥法是目前工作效率最高的人工生物处理法。

SBR是序列间歇式活性污泥法（Sequencing Batch Reactor Activated Sludge Process）的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。

与传统污水处理工艺不同，SBR技术采用时间分割的操作方式替代空间分割的操作方式，非稳定生化反应替代稳态生化反应，静置理想沉淀替代传统的动态沉淀。

它的主要特征是在运行上的有序和间歇操作，SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池，无污泥回流系统。

SBR的污水处理运行周期由充水时间（t1）、反应时间（t2）、沉淀时间（t3）、排水排泥时间（t4）和闲置时间（t5）来确定。

充水时间应根据具体的水质及运行过程中所采用的曝气方式来确定，当采用限量曝气方式及进水中污染物的浓度较高时，充水时间适当取长一些；当采用非限量曝气方式及进水中污染物的浓度较低时，充水时间可适当取短一些；充水时间一般取1～4 h。

反应时间是确定SBR反应器容积的一个非常主要的工艺设计参数，其数值的确定同样取决于运行过程中污水的性质、反应器中污泥的浓度及曝气方式等因素。

对于生活污水类
易处理废水，反应时间可以取短一些，对含有难降解物质或有毒物质的废水，反应时间可适当取长一些，一般在2～8h。

沉淀排水时间（ts＋t d）一般按2～4h设计。

闲置时间一般按2h设计。

2 控制系统组成及功能设计
现代化的污水处理系统需要实现管理与控制一体化、实现办公自动化。

控制系统不仅与下层控制设备有良好的接口，而且具有与上层管理系统集成的接口，同时具有可扩展性。

所以现代化污水处理系统要求在底层采用现场总线或者工业以太网等技术，上层则选用优秀的监控组态软件。

为了加强系统的可靠性，使整个系统长时间无故障地运行，需要采用冗余和容错技术。

根据全集成自动化（Totally Integrated Automation）的思想，将污水厂控制系统分为管理级、控制级、现场级。

DCS系统依据综合协调、分而自治的设计原则，采用层次化的结构，整个系统从下至上依次分别为现场设备层、过程控制层、监控层和管理层。

整个系统主要由一台工程师站计算机、二台操作员站计算机、二台PLC控制器、现场I/O模块和现场执行单元构成。

工程师站配置一台研华工控机IPC－610，用于工程师安装调试及后续的维护和改造工作。

操作员站配置两台研华工控机IPC－610，用于对整个系统的检测和控制。

操作员站的两台计算机互为备份，一台作为主监控机，一台作为从监控机。

当主监控机出现问题时，立刻切换到从监控机。

当主监控机修好后又从从监控机切换到主监控机，这样可以提高系统的可靠性。

PLC 控制器采用ONRON公司的C200HG系列的PLC。

整个控制系统由两台PLC控制器分别控制。

污水调节和吹脱部分由PLC1控制，SBR反应池和污泥处理部分由PLC2控制。

工程师站计算机、操作员站计算机以及各种管理层的计算机之间是通过以太网实现数据的传送和交换。

两台PLC之间是分别配置相应的Controller link单元通过
Controller link网络实现数据的交换。

而现场各种仪表和执行器通过设备网接入
I/O模块。

上位机通过RS－232电缆和PLC进行连接，采用sysmac way协议进行数据传输。

通过PLC编程软件Cx－programmer设置PLC中的链接表实现两台PLC之间的数据通信。

PLC和I/O模块之间是通过I/O连接电缆实现了I/O模块的扩展。

系
统PLC选用的是OMRON可编程序控制器，它具有模拟量、开关量的采集处理和计算功能以及逻辑控制、计时比较等顺序控制功能，并且具有集成的批处理功能和高速数据通信网，以满足连锁控制的快速响应的要求。

（1）管理级是系统的核心部分，完成对污水处理过程各部分的管理和控制，并实现厂级的办公自动化。

管理级提供人机接口，是整个控制系统与控制部分信息交换的界面。

管理级的各台计算机具有相互通信功能，实现数据交换和共享。

考虑到管理层功能结构的层次性和可分割性，采用客户/服务器的体系结构。

服务器选用大
型的网络关系数据库，满足开放、分布式数据库管理方法的要求。

由服务器、管理部门计算机等站点的计算机组成计算机办公局域网。

中央监控计算机及车间级现场控制站组成厂区工业控制网，完成对各车间范围内的生产过程、仪表、设备的监控与控制；系统采用研华公司生产的两台工业计算机（操作员站及工程师站）互为
备用，它们之间的通信协议是TCP/IP。

（2）控制级是实现系统功能的关键，也是管理级与现场级之间的枢纽层，其主要功能是接收管理层的参数或命令，对污水处理生产过程进行控制，同时将现场状态送到管理层。

控制器是整个系统的核心，选用OMRON hg200作为控制器，该控制器配置一个TCP/IP通信模块接口，并通过I/O模块连接与现场设备和传感器通信。

（3）现场级是实现系统功能的基础。

现场级主要由一次仪表、控制设备组成。

其功能主要是完成其范围内的生产过程、仪表、设备的监视与监测并把监测到的数据
上传；接收控制级的指令对执行机构进行控制。

3 软件设计
上位机主要是通过在上位机上运行的监控软件对整个系统进行监控，并通过与下位机的通信和数据的传递实现对现场设备的控制。

制作上位机监控画面程序的方法有很多种，可以用VB、VC等可视化编程工具制作控制界面，也可以直接利用工业组态软件制作上位机程序。

软件设计界面参见图1。

图1 污水处理工艺流程图
3.1 上位机监控软件基本功能设计
玉溪银河化工厂污水处理上位机监控系统主要完成以下几方面的任务：（1）设备控制：在中控操作室内的计算机监控软件要能实现现场对各种设备的控制，如启动和停止每台提升泵、风机、搅拌机和电磁阀等，并提供手动启/停的方式或者是按照程序要求自动启/停方式。

（2）参数设置：完成PLC内参数的设置与修改，如调节池内搅拌机开启液位值、关闭液位值、SBR池的曝气、推流和沉淀时间的设置等。

（3）显示功能：实时的显示现场设备的运行状态及运行参数等信息，如PH值、DO浓度值、液位、温度等等。

使操作员对现场设备运行状况一目了然，并及时的对设备运行作出调整。

（4）报警功能：当某一参数异常或设备发生故障时，可根据报警的级别，发出声光报警或者是画面报警。

（5）趋势功能：可以显示某一模拟量的变化趋势图，根据趋势图可以判断设备运行时的异常情况，并作出及时调节。

（6）登录：用户权限和身份的识别。

3.2 控制软件
按照污水处理系统的工艺流程，我们把整个污水处理的程序分为8个程序段，分别为调节池、预反应器、吹脱中和池、SBR生化A池、SBR生化B池、缓冲池和污泥处理。

本文重点对调节池、预反应器、SBR生化A池、溶解氧DO的PID控制这4个部分进行了介绍。

3.2.1 调节池控制程序
调节池的设备包括四台搅拌机、两台提升泵和一个用来测量调节池污水水位的液位传感器。

搅拌机和提升泵的控制方式有本地和远程两种控制方式，其中远程控制即DCS控制包括单机（手动）和联机（自动）两种。

单机模式下，我们可以直接在上位机画面上对每台搅拌机和泵实现单独的启动和停止；联机模式下，泵和搅拌机的启动和停止则是由PLC程序控制的，把液位传感器测得的实际液位和上位机设
置的搅拌机和泵的启动与停止液位相比较，当满足比较的条件后自动的启动或停止搅拌机和提升泵。

调节池是在单机模式下工作，还是在联机模式下工作，以及单机模式下每台搅拌机、提升泵的启动和停止控制命令都在上位机画面上发出的。

搅拌机的控制方式参见图2。

图2 搅拌机控制方式流程图
3.2.2 预反应器控制程序
预反应器程序模块主要控制的是向预反应器中加碱的A、B两台液碱泵。

预反应器在单机模式下可以分别单独地启动每台液碱泵；联机模式下两台液碱泵之间是主备的关系，把A设置为主泵、B为备泵。

当需要向预反应器加碱时，首先启动A泵，如果A泵发生了故障，则启动B泵。

泵启动的连锁条件是由调节池提升泵的运行
信号提供的。

3.2.3 SBR生化池控制程序
SBR生化池是污水处理过程中的中心环节，在该厂的污水处理工艺中，设置了A、B两个集水池和A、B两组SBR反应池，这两组的功能是等效的，之所以建造了
两组反应池，是为了增加污水的日处理量。

在这里就一组反应池进行介绍。

一组SBR生化池包括的主要设备有：集水池A池中的两台搅拌机A组SBR池中的四台搅拌机、污水回流泵一台及向SBR池中吹入空气的一台风机。

那么对SBR工艺的控制要求主要就是如何对上述设备进行顺序和逻辑控制，即控制这些设备何时启/
停以及先后顺序。

控制流程参见图3。

3.2.4 溶解氧DO的PID控制的设计与实现
对SBR生化池中溶解氧（DO）浓度的控制是污水处理过程中一个至关重要的控制环节，溶解氧是水中分子状态的氧，是水中的微生物生存必不可少的条件。

污水中的溶解氧除了被一些还原性物质消耗外，也被污水中微生物的呼吸以及好氧微生物氧化分解污水中的有机物所消耗。

如果生化阶段污水中的氧气量过低，则会降低微生物分解的效果，致使生物处理效果差；过高则会发生活性污泥过氧化，降低污泥的活性。

所以在SBR生化池的曝气阶段要实时的调节风机的曝气量，维持一个稳定的溶解氧浓度值，才能保证污水中的有机物被微生物最大限度地消耗，达到良好的污水净化效果。

因此根据生化池中污水的设定值和测量值，利用PID调节算法通过变频器控制风机电机的转速从而控制风量的大小，使得生化池中的溶解氧浓度达到预定值。

控制方式参见图4。

图3 提升泵控制流程图
图4 溶解氧DO的PID控制框图
4 结束语
该污水处理控制系统具有以下特点：（1）采用的SBR污水处理工艺流程简单，构筑物及机械设备少，控制系统所选用的西门子PLC可靠性高，运行管理方便，为设备安全稳定地运行提供了良好的保障。

（2）该控制系统在设计上考虑到控制网络和可扩展性，选用的PLC控制器为完全模块化，配置灵活，扩展方便，易于升级。

该控制系统已成功应用于云南峨山化肥厂污水处理厂，整个污水处理计算机控制系统投入持续运行一年，日处理污水达到了12000 m 3/d，最终实现了环保和经济效益的双赢局面。

【相关文献】
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