工业废水处理自动化控制

5.1 一套自动控制系统必须要有可靠性高
通过下列技术与工程措施，确保系统能长期稳定可靠运行： ◆选用符合工业级标准的成熟定型产品； ◆具有自诊断（检错）与容错功能； ◆具有计算机系统辅助诊断及修复功能； ◆具有完善的抗干扰及防雷等技术措施； ◆具有设备、线路冗余等功能；
监控系统可以降级使用，即在上位机发生故障或通信中断时，现场控制站可以独立完成 基本局部控制；
诊断系统中，数据采集，数据检查和故障诊断之间的控制信息和在线数据的交互是通过 相关部件和数据库的查询技术实现的。
7．智能的无模型自适应控制技术
随着环保技术的发展，国家和企业对环保技术的日益重视，一种智能智能的无模型自适 应自动控制技术在环保自控领域异军突起。无模型自适应自动控制技术简称 MFA 控制技术 （Model­Free Adaptive 控制技术）。
3． PLC 逻辑联动控制级
世界各大电气厂商如西门子、Modicon、AB、ABB、GE、欧姆龙、LG、三星等均提供 有极高可靠性和兼容性的 PLC 设备。
根据各污水处理厂工艺、控制要求分成不同的 PLC 子站，各 PLC 子站直接与现场控制 柜、测量仪表连接，完成所有模拟量的数据采集。同时根据上位机的指令和控制要求实现对 现场设备的自动控制及连锁保护等功能。当上位机或网络处于故障情况下，PLC 子站仍可 以实现对各工艺段仪表及现场设备的控制。
上位机监控界面一般采用当前流行的 Intouch、iFix、Wincc 等监控软件编制，也有采用 国产的 MCGS 和组态王，它们功能强大，界面友好，操作设置方便灵活。软件支持 DDE、 OPC、ODBC、SQL，并且提供丰富的 API 编程接口。软件提供了完善的驱动程序库，可以 轻松实现世界各大厂商如 SIEMENS、Modicon、AB、GE、OMRON 等常见设备的接入。
对于大型的污水处理系统，一般采用三层控制级来实现自动控制，即生产管理监控级、 PLC 逻辑联动控制级、机旁就地控制级三层结构。见图 1
操作站
交换机 西门子PLC
操作站 交换机
交换机 西门子PLC
工业以太网 交换机
西门子PLC
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现场仪表 Profibus DP网
现场仪表
传动柜
现场仪表 Profibus DP网
本文论述了工业废水处理自动化控制的通常方案，总结了建立一套自控系统所要遵循的 原则，介绍了故障诊断专家系统和智能的无模型自适应控制技术。随着科学技术的发展和社 会对环保的重视，必将有更多的新技术广泛地应用到污水处理行业，使污水处理行业有更大 的发展。
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MFA 控制是自动控制领域中一种全新的理论和技术，它为解决工业过程中的复杂回路 控制问题提出了新颖而有效的理念和方法。MFA 控制技术是与 PID 和自整定 PID、模糊控 制、神经网络、专家系统控制等流行方式是完全不同的。
MFA 技术的关键可以归纳为：⑴所有过程的信息都已包含在输入输出的信号中，只是 以往采用传统的控制方法缺乏有效提取这些信息并加以利用的手段；⑵通过无事先训练的快 速强制学习等方式，使 MFA 控制器能够准确把握过程对象当前的特征，产生更合理的对策， 从而获得理想的调节控制结果。
基于 MFA 控制技术在 pH 过程控制中的应用，已经在许多地方得到推广，如抚顺乙烯 化工有限公司乙烯装置废碱氧化系统排放的废水要求控制 pH 值为：6～9，采用 MFA 控制 系统后污水实现全部达标排放，在正常工况的波动中，系统实现了连续排放，排放水的 pH 值控制精度为：设定值±0.15。
还有美国 Chiron 制药厂废水的 pH 可在 2 到 11 之间大幅度的变化，在废水净化过程中 安装好 MFA 控制系统后，将设定值定为 7.5，则 pH 值被稳定在 7.4 到 7.6。
4．机旁就地控制级
机旁就地控制级和机旁控制箱，可实现设备的就地控制。在这里操作人员可以作出“自 动”和“手动”选择，当选择“自动”时，即为远程 PLC 逻辑控制；当选择“手动”时， 一般是操作人员作维修或调试时或者是遇紧急情况需要马上操作时。如果选择“手动”，一 般的逻辑连锁就已经解除。
5．建立一套自动控制系统所要遵循的原则：
图2
在一般的应用场合建立 MFA(PH)模块控制器后，利用其默认值就可以得到比较稳定的 投运效果。
简单的 PH 模块可以抵抗τ/T<2 的滞后过程。当τ/T>2 时可将 MFA 的 Time­Varying 模 块设为 Enable，然后估计出最大和最小的滞后时间，填入模块参数表就可以得到满意的控制 效果。
MFA 控制技术具有稳定性证明，对于开环稳定的线性与非线性过程对象的适用性在理 论上得到确认。
MFA 控制技术主要的应用范围：非线形（包括 PH）、大滞后、强耦合和时变采用传统 控制手段难以控制的过程。
MFA 控制技术对于 PH＋大滞后过程有其独特的技术特点：
―仅需大致估计滴定曲线的折点和滞后时间，MFA 就可以有效地控制（如图 2） －有效控制流入速率和 PH 的变化，滴定曲线移动，及其他不确定性 －自适应并补偿大的增益改变
最近，在湖州久立特钢厂污水处理系统中试用了采用 MFA 技术的 pH 控制器，排放水 的 pH 值设定为 7，精度设定为±0.2，控制器均能稳定控制 pH 全过程，排放检测均合格。
MFA 技术在环保、冶金、楼宇控制、石油化工、食品加工、电力、航空航天、半导体、 造纸、生物制药、原材料及其它领域得到广泛应用，对于多变量、非线形（包括 PH）、大滞 后、强耦合和时变采用传统控制手段难以控制的过程能够得到稳定的控制，对于生产过程和 产品质量的稳定有着重大的意义。另外，由于 MFA 技术能够在复杂的控制问题面前做到精 确的控制，使得相对于传统控制方式的原材料损耗得以避免，因而经济效益显著。 8．结束语
2.2 主要应实现的功能是：
◆ 模拟量、开关量的数据采集及在线监测； ◆ 回路控制和顺序控制等的远程控制方式； ◆ 实时数据及历史数据的有效管理； ◆ 各类图文报表的制作与管理； ◆ 设备故障的报警提示； ◆ 自控系统的安全管理； ◆ 如果需要可以实现计算机远程监控
上位机控制界面能对整个污水处理系统的过程进行实时监控，具备实时数据和历史数据 的分析及处理能力，对主要工艺流程进行动态模拟、趋势分析、报表打印、绘制曲线，并对 主要数据永久性保存，能显示整个工艺流程或局部环节的直观动态彩色画面，还能够通过通 过大屏幕动态显示工艺流程各主要部件的运行状态。并且还能够通过电信线路或宽带通信等 实现远程监视和数据采集，便于远程管理、快速解决问题排除故障。
5.3 一套自动控制系统还要实用性功能强
◆控制系统操作方便、简单易学、界面清楚、功能实用； ◆全功能的汉字处理和汉字显示； ◆生动的在线汉字提示； ◆全图形人机接口，使用户清晰的了解污水处理厂各工段的运行情况，故障报警点的分支细 节，使操作员通过热键或鼠标来发布各种指令或换画面；
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3.1 主要应实现的功能是：
◆ 模拟量、开关量的读写； ◆ 将模拟量输入量和用户自定义值进行比较计算，调整过程变量接近设定值；
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◆ 根据各路模拟量值和操作员输入值，输出相应的开关量； ◆ 执行逻辑控制，检测事件。
PLC 逻辑联动控制级是实现污水处理厂各单元过程所有过程参数、设备运行状态及电 气参数的数据采集单元过程及设备的控制，并通过工业以太网向监控层传送数据和接受监控 层控制指令。
根据污水处理工艺的故障诊断特点，提出了一个检测诊断和决策支持的系统。
故障诊断系统的数据采集是通过现场总线和网络来实现的，其体系结构分为工厂级、车 间级、现场级。通过现场级与车间级自动化监控集成系统主要完成底层设备联机控制，通讯 联网，在线设备状态监测及现场设备运行和生产数据的采集，存储统计等功能。在现场级网 络，通过控制器与现场设备之间的 I/O 连线或现场总线的数字化通信网络将传送到控制器的 在线数据再通过预订的协议传送到上位机，并存储在数据库，这部分的功能是通过数据通讯 部分实现的。
在方案设计、设备选型、图纸设计、软件设计、设备安装、系统调试等过程中，都严格 按照国家相关质量体系执行。这给计算机监控系统的安全生产运行，日常维护管理、更新换 代升级等均提供了质量保证。
6．故障诊断专家系统
根据环保领域目前发展的需要和趋势，污水处理过程故障诊断专家系统应运而生。该系 统针对污水处理工艺过程的物理和生化变化为主的诊断对象，故障发生的特点，提出了面向 工艺故障诊断的总体方案。
必要时可以以双机系统作为现场控制站，通过冗余的光线环网连接各控制子站，完成现 场数据采集、控制和管理，各控制分站通过冗余的光线环网与监控计算机相连接。
5.2 一套自动控制系统还必须要开放性好
系统对用户是开放的。设备的增减、控制方案的选取、系统的扩缩与维护等，用户都可 以在广泛的设备环境下便利地自己完成。所有硬件接口，软件协议全部按开放性的标准设计、 编制。
一个完整的污水处理厂自控系统，是通过通过使用自动化技术、计算机技术、网络技术、 数据库技术、图形显示技术构建成的综合自动化系统。在确保达到规定的技术要求及污水处 理过程优质可靠运行、排放达标的目标前提下，将污水处理厂运营决策、管理、调度、过程 优化、故障诊断、现场控制等功能集成在网络环境下，通过信息多层“无缝”链接，为实现 污水处理过程的管控一体化及综合信息处理构建了信息平台。
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1． 概述
工业废水处理自动化控制
随着国民经济的高速发展，无论政府还是企业对环境保护都越来越重视，不断地将先进 的工艺技术和设备投入环保领域。在提高工艺设备技术水平的同时，控制系统和管理水平也 有了很大的提高。
近来政府不断地将一些重污染行业企业集中起来，建成工业园区，配套建立大型污水处 理厂，集中处理工业污水，并且严格控制排放水的水质和水量。这对自动化控制系统和管理 水平有了更高的要求，也为大规模自动化控制设备进入环保领域创造了条件。同时，随着新 的环保法规颁布，对企业排放水和气的质和量提出了越来越严格的要求，企业迫切需要一批 高可靠性高稳定性，同时又低运行成本的自动化设备和自动控制技术。因此，一些环保业的 公司相继推出了全套的自动化解决方案，他们的共同特点是：基于目前成熟的 DCS 技术和 PLC 控制技术，融合现代可靠的现场总线技术，智能控制技术，故障诊断功能，可模块化 开发和可无限扩展性。
◆通用的计算机及通讯软件； ◆能准备反映各工况的真实情况； ◆能按要求对数据进行统一管理，如记录、归档、统计、查询、打印等； ◆能迅速将控制指令可靠的发给执行机构，既能独立、又能监控，当控制室的上位机出现故 障时，各分控制室的 PLC 均能与系统脱开，实行现场独立工作。
5.4 一套自动控制系统还要规范化
由于污水处理是一个较为缓慢的物理和生化变化为主的工艺控制过程，产生的故障绝大 部分是参数性故障，而且污水处理工艺运行过程属于少品种大量连续生产类型，生产过程是 连续的，物流和能量流持续不断进行，工序先后次序紧凑严格，工艺流程基本不变，缓冲余 地小生产均衡平稳，并伴随着一系列物理生化变化，整个过程又存在着突变性和不确定性因 素，对管理，控制的协调性，实时性和可靠性要求较高，设备运行的环境比较复杂，故障停 车损失大，往往故障的发生是以连锁的形式出现的，这样故障停车造成的损失巨大，因此故 障诊断是确保安全运行的必要手段。
现场仪表
传动柜
现场仪表 现场仪表 传动柜
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2． 生产管理监控级：
生产管理监控用于监控全厂的整个生产过程，采用双机热备冗余系统，主要完成对污水 处理厂各工艺流程段的集中管理，可进行系统功能组态、监视报警、连锁控制、参数修改设 置、报表生成、曲线查询等功能。
2.1 生产管理监控级一般通过上位机监控画面来实现：
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宝钢线材厂线材高速轧机的辊环是由浊环水冷却的，冷却用的浊环水 pH 值控制要求很 高，与产品质量密切相关，而且系统滞后时间长达 30 分钟，应用了Anti­delay MFA 技术的 pH 控制系统均能稳定控制 pH 全过程，MFA 控制器 pH 设定值为 8.3, 误差小于±0.2。