【文章內(nèi)容簡介】 水處理控制系統(tǒng)對(duì)我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 本 論文的主要工作 本課題應(yīng)用先進(jìn)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、可編程控制器、工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)技術(shù)、電力電子控制技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，結(jié)合污水處理廠的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)能夠自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制、具有自動(dòng)故障應(yīng)急處理能力并且具有網(wǎng)絡(luò)通信能力的高性能、高可靠性的污水處理廠自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。本文的研究內(nèi)容包括如下幾個(gè)部分： l)了解污水處理工藝，分析 各設(shè)備在污水 處理 廠的 功能 及控制 要求， 確定總體的控制方案。 2)自動(dòng)控制系統(tǒng)控制柜的設(shè)計(jì)及各工藝 控制 流程圖和 程序的開發(fā) 。 3)上位機(jī)監(jiān)控軟件的開發(fā) 。上位機(jī)的人機(jī)界面采用北京亞控公司的組態(tài)王 開發(fā)，通過不同協(xié)議分別與西門子 PLC、歐姆龍 PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，完成數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)督及控制功能。 本 章小結(jié) 本章主要介紹了城市污水處理國外的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了本課題研究的意義，以及介紹了本論文該做的主要工作。 第二章 城市污水處理的工藝流程 污水處理指標(biāo) 城市污水的主要來源：①生活污水：日常生活中用過并被生活廢料所污染的水， 包括：衛(wèi)生間、廚房、洗衣房，其他還包括公共場所、機(jī)關(guān)、學(xué)校、醫(yī)院、餐飲業(yè)以及工廠中的各種生活用水②工業(yè)廢水：工業(yè)生產(chǎn)過程中排放的水，主要夾帶了生產(chǎn)過程中所用的原料，反應(yīng)的中間體，產(chǎn)物等。③降水 。 為了檢測污水處理系統(tǒng)的處理效果，國家規(guī)定了許多水質(zhì)指標(biāo)。水質(zhì)指標(biāo)主要包括：溫度、色度、渾濁度、溶解性固體和懸浮性固體（ SS）、生化需氧量（ BOD）、化學(xué)需氧量（ COD）、總需氧量（ TOD）、總氮（ TN）、總磷（ TP）、氨氮、有毒有害有機(jī)污染物、細(xì) 菌總數(shù)、總大腸桿菌數(shù)、 pH 值等。下面主要介紹幾個(gè)常用指標(biāo) [2]。 (BOD) 生化需氧量 (BOD)，是表示水中有機(jī)物等需氧污染物質(zhì)含量的一個(gè)綜合指標(biāo)，是目前城市污水和大多數(shù)有機(jī)廢水廣泛采用的污染指標(biāo)。它說明水中有機(jī)物因微生物的生化作用進(jìn)行氧化分解，使之無機(jī)化或氣體化時(shí)所消耗水中溶解氧的總數(shù)量，單位為mg/L。其值越高，說明水中有機(jī)污染物質(zhì)越多，污染也就越嚴(yán)重。污水耗氧速度一般在開始時(shí)最快， 5 天內(nèi)能降低 BOD68%左右，因此目前實(shí)際應(yīng)用中常規(guī)定，將污水在20℃溫度下培養(yǎng) 5天，作為 BOD 檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)，在此條件下測得的結(jié)果稱作 5 日生化需氧量，記作 。一般要求經(jīng)過污水處理后的廢水，其 BOD 必須小于或等于 40mg/L。 (COD) 化學(xué)需氧量 (COD)，是指在酸性條件下，用強(qiáng)氧化劑將有機(jī)物氧化為 二氧化碳 和水 所消耗的氧量，單位為 m留 L。與 BOD 相比， COD 能在較短時(shí)間內(nèi)，較精確地測出廢水中耗氧物質(zhì)的含量，而不受水質(zhì)的限制，但它不能像 BOD 那樣表示出微生物氧化的有機(jī)物量。在城市污水處理分析中，常用 BOD/COD 的比值來分析污水的可生化性。可生化性好的污水 BOD/COD≥ 。 (SS) 懸浮固體是水中未溶解的非膠態(tài)的固體物質(zhì)，在條件適宜時(shí)可以沉淀。懸浮 固體可分為有機(jī)性和無機(jī)性兩大類，反映污水匯入水體后將發(fā)生的淤積情況，其 含量的單位為 mg/L。 酸度和堿度是污水的重要污染指標(biāo)，用 pH 值來表示。一般生活污水呈中性或弱堿性，工業(yè)污水多呈強(qiáng)酸或強(qiáng)堿性。一般污水的 pH 值均在 ，當(dāng) pH6 或者 pH9都會(huì)影響生物處理，并對(duì)混凝上和金屬有腐蝕作用，這時(shí)需要進(jìn)行污水預(yù)處理并對(duì)處理設(shè)備進(jìn)行防腐蝕處理。 廢水溫度過高而引起的危害叫做熱污染，廢水溫度過高，使水體溶解氧濃度降低，相應(yīng)含氧量隨之減少，另一方面，水溫升高會(huì)導(dǎo)致生物耗氧速度加快，促使水中溶解氧更快耗盡，水質(zhì)惡化。因此必須控制廢水溫度，一般廢水溫度控制在 35℃以內(nèi)。 污水處理的基本工藝方法 現(xiàn)代污水處理技術(shù)，按原理可分為物理處理法、化學(xué)處理法和生物化學(xué)處理法三類 [3]。如下圖 21 所示。 一級(jí)處理，又稱物理處理。主要去除污水中呈懸浮狀態(tài)的固體污染物質(zhì)，物理處理法大部分只能完成一級(jí)處理的要求。經(jīng)過一級(jí)處理的污水，可去除 50%的懸浮物，BOD 一般可去除 30%左右，達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。 二級(jí)處理，又稱生化處理。主要去除污水中呈膠體和溶解狀態(tài)的有機(jī)污染物質(zhì)( 物質(zhì) )，去除率可達(dá) 90%以上，污水中 BOD 值可降至 2030mg/L，使有機(jī)污染物達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。 三級(jí)處理，又稱深度處理。進(jìn)一步處理難降解的有機(jī)物，氮和磷等能夠?qū)е滤w富營養(yǎng)化的可溶性無機(jī)物等。主要方法有生物脫氮除磷法、混凝沉淀法、砂率法、活性炭吸附法、離子交換法和電滲分析法等。 格 柵 + 沉 砂 池 雨 水 處 理一 級(jí) 處 理二 級(jí) 處 理三 級(jí) 處 理消 毒高 級(jí) 處 理未 處 理 污 水 及 雨 水處 理 后 雨 水 排 入 水 體出 水 適 合 排 入 敏 感 性 較 差 的 水 體出 水 適 合 排 入 通 用 水 體出 水 設(shè) 和 排 入 敏 感 性 水 體 及 農(nóng) 用出 水 適 合 排 入 游 泳 水 體 （ 稀 釋 / 自 然 死 亡 能 達(dá)到 細(xì) 菌 標(biāo) 準(zhǔn) ）出 水 適 合 于 質(zhì) 量 要 求 高 的 再 利 用柵 渣 與 沉 沙 衛(wèi) 生 填 埋污 泥 處 理工 藝 流 程 線到 受 納 水 體到 污 泥 處 置污 泥 處 置 或 再 利 用上 層 清 液 圖 21 污水的三級(jí)處理 本系統(tǒng)采用的 工藝介紹 本文設(shè)計(jì)的污水處理系統(tǒng)采用 OA/2 (厭氧 缺氧 好氧 ) 工藝， OA/2 工藝是 20世紀(jì) 70 年代由美國專家在厭氧 好氧除磷工藝（ A/O）的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的 [4]，它具有同步脫氮除磷功能。由于將脫氮除磷統(tǒng)一在一個(gè)系統(tǒng)中，所以簡化了污水處理的操作，又增加了處理工藝的功能。該工藝為污水回用和資源化開辟了新的途徑，具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。它是生物脫氮除磷工藝中應(yīng)用較多的一種方法。 其總體工藝流程圖如圖 22所示。 污水處理流程：污水進(jìn)入廠區(qū) ,先通過進(jìn)水井（讓廠能處理的污水進(jìn)入廠區(qū)進(jìn)行處理）進(jìn)入粗格柵（打撈較大的渣滓）到進(jìn)水泵房（提升污水的高度）到細(xì)格柵（打撈較小的渣滓）到曝氣沉沙池（在旋流的離心力作用下，這些密度較大的砂粒被甩向外部沉入集砂槽，而密度較小的有機(jī)物隨水流向前流動(dòng)被帶到下一處理單元。另外，在水中曝氣可脫臭，除泡以及加速污水中油類和浮渣的分離，改善水質(zhì)，有利于后續(xù)處理，還可起到預(yù)曝氣作用）到生化池（采用 OA/2 法去除污水里的 BOD SS和以各種形式的氮或磷）進(jìn)入終沉池（排除剩余污泥和回流污泥）進(jìn)入 D型濾池（進(jìn)一步減少 SS，使出水達(dá)到國家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)入紫外線消毒（殺滅水中的大腸桿菌）然后出水。生化池、終沉池出的污泥一部分作為生化池的回流污泥，剩下的送入污泥脫水間脫水外運(yùn)。 進(jìn)水井粗格柵進(jìn)水泵房細(xì)格柵曝氣沉砂池厭氧缺氧好氧二沉池紫外線消毒污 泥 回 流 泵 房脫水機(jī)房污泥貯池鼓 風(fēng) 機(jī) 房污 水 出 水泥 餅 外 運(yùn)衛(wèi) 生 填 埋A 178。 / O 生 化 反 應(yīng) 池 圖 22 城市污水處理工藝流程圖 本章小結(jié) 本章 首 先介紹了 污水處理的主要指標(biāo)，然后介紹了污水處理的基本工藝方法，最后對(duì)本系統(tǒng)采用工藝進(jìn)行了介紹，闡述了整個(gè)工藝流程。 第三章 城市 污水處理控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)原則 污水處理控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要結(jié)合我國國情，設(shè)計(jì)時(shí)按照以下原則進(jìn)行： (1) 嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)境保護(hù)的各項(xiàng)規(guī)定，確保經(jīng)處理后的污水的排放水質(zhì)達(dá)到有關(guān)排 放標(biāo)準(zhǔn) ； (2) 采用的系統(tǒng)應(yīng)技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行可靠、操作維護(hù)管理簡單 ； (3) 在保證處理效果的前提下盡量降低工程投資和運(yùn)行成本 ； (4) 采用的系統(tǒng)必須是開放的，可擴(kuò)展的。 設(shè)計(jì)思想 根據(jù)污水處理的工藝要求及現(xiàn)場環(huán)境，本系統(tǒng)主要采用了工業(yè)控制計(jì)算機(jī) (IPC)+可編程控制器 (PLC)+現(xiàn)場檢測儀表的監(jiān)控模式。本控制系統(tǒng)通過現(xiàn)場檢測儀表采集工藝參數(shù)， PLC 作為主要現(xiàn)場控制單元，根據(jù)污水處理工藝流程讀取現(xiàn)場儀表信號(hào)及各被控設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)將控制信號(hào)傳至各控制設(shè)備。利用 IPC 作為上位機(jī)，進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。通過工業(yè)以太網(wǎng)將各控制站、中央控制室的工程師站相連，形成一個(gè)完整的通訊網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集、處理、監(jiān)視及對(duì)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制的功能。 系統(tǒng)構(gòu)成 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 整個(gè)系統(tǒng)由中央控制室、各分布 PLC 控制站和現(xiàn)場儀表及電控柜構(gòu)成三級(jí) 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31所示。 工 業(yè) 控 制 計(jì) 算 機(jī)以 太 網(wǎng) 交 換 機(jī)P L C 1P L C 2P L C 3溫 度 計(jì)傳 感 器風(fēng) 機(jī)閥 門離 心 泵 圖 31 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 各單元功能描述 一、中央控制級(jí) 中央控制級(jí)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成，既能完成系統(tǒng)組態(tài)、調(diào)試及控制參數(shù)的在線修改和設(shè)置等，又能完成對(duì)整個(gè)污水處理廠的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控，報(bào)表及打印等功能 。 二、分布式控制站 監(jiān)控系統(tǒng)共設(shè) PLC1PLC3 三個(gè)分布控制站，現(xiàn)場 PLC 完成對(duì)各點(diǎn)信號(hào)的采集及控制。現(xiàn)場 PLC 站通過工業(yè)以太網(wǎng)與中央控制室的 工控機(jī) 連接。當(dāng)控制模式選擇置于“遠(yuǎn)程”位置時(shí)，操作人員將不能利用電氣控制柜或電控箱上的啟 /停按鈕對(duì)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行 /停止操作，此時(shí)設(shè)備的控制權(quán)交給 工業(yè)控制 計(jì)算機(jī)控制， PLC 將根據(jù)操作員站的控制指令，由 PLC 控制程序“自動(dòng)”或“手動(dòng)”控制設(shè)備的運(yùn)行。 三、現(xiàn)場控制柜及儀表系統(tǒng) 各現(xiàn)場控制柜具有兩部分功能，一是進(jìn)行現(xiàn)場的手動(dòng)操作，二是與各個(gè) PLC 站連接，將各設(shè)備狀態(tài)信號(hào)傳送到 PLC 的相關(guān)采集模塊。現(xiàn)場手動(dòng)操作具有比分布控制站和中央控制室更高的優(yōu)先權(quán)，只有將狀態(tài)選擇開關(guān)打到自動(dòng)狀態(tài)，遠(yuǎn)程控制程序才起作用。儀表系統(tǒng)用來連續(xù)測量污水處理廠工藝流程中的主要工藝參數(shù)，并將測量數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)。整個(gè)污水廠的過程檢測儀表分散設(shè)置于各個(gè)工藝處 理構(gòu)筑物內(nèi)及工藝管道上。 本章小結(jié) 本章首先介紹了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則和思想，主要說明了系統(tǒng)的構(gòu)成及各個(gè)單元的功能，將整個(gè)設(shè)計(jì)思路解釋清楚。 第四章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 要構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)，首先應(yīng)根據(jù)控制要求對(duì)硬件進(jìn)行選型配置，然后通過網(wǎng)絡(luò)把各部件連接起來，形成控制系統(tǒng)的框架。再通過軟件編程、組 太 ，從而形成一個(gè)能實(shí)現(xiàn)一定功能要求的系統(tǒng)。本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括儀表的選型、各 PLC 站的具體設(shè)計(jì)、中央監(jiān)控室的設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)的選擇等。 儀表系統(tǒng) 儀表選型原則 儀表選型應(yīng)根據(jù)工藝裝置的規(guī)模、工藝流程特點(diǎn)和操作要求等因素確定的控制方式進(jìn)行，主要有以下幾個(gè)原則 [5]: (1) 選用的儀表必須性能先進(jìn)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠 ； (2) 量程選擇應(yīng)保證儀表長期工作在滿量程的 2/3 左右。在滿足工藝要求的前提下，不必追求過高的測量精度，以節(jié)省投資； (3) 儀表的防護(hù)等級(jí)應(yīng)不低于 IP65，在短時(shí)浸水場合，防護(hù)等級(jí)為 IP67，在長期 浸水場合，防護(hù)等級(jí)為 IP68； (4) 儀表應(yīng)便于安裝、檢修； (5) 在同一工程項(xiàng)目中，儀表品種規(guī)格不宜過多，應(yīng)力求統(tǒng)一。 本系統(tǒng)主要儀表 根據(jù)控制要求，本系統(tǒng)主要選擇以下儀表對(duì)參數(shù)進(jìn)行檢測 : 表 41 主要儀表及分布位置 位置 儀表 進(jìn)出水管道 智能明渠流量計(jì) 格柵 差壓式液位計(jì) 彈簧式液位計(jì) 提升泵房 超聲波液位計(jì)、壓力變送器、 COD 測定儀 鼓風(fēng)機(jī)房 壓力計(jì)、溫度計(jì) 曝氣沉砂池 pH 計(jì)（帶溫度計(jì)） 溶氧儀 生化反應(yīng)池 溶氧儀、污泥濃度計(jì)、氧化還原電位檢測儀 二沉池 污泥濃度計(jì) 污泥回流泵房 流量計(jì)、超聲波液位計(jì)、污泥濃度計(jì) 污泥貯池 超聲波液位計(jì)、污泥濃度計(jì) 出水渠 流量計(jì)（超聲波時(shí)差流量計(jì)）、 COD 測定儀 PLC1 站設(shè)計(jì) PLC 1 站主要負(fù)責(zé)粗格柵、提升泵、細(xì)格柵、曝氣沉砂池等位置儀表的數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制。 粗格柵 在粗格柵間共設(shè)有 2 個(gè)粗格柵，粗格柵的主要作用是除污水中大塊漂浮物。粗格柵能夠根據(jù) PLC 程序或上位機(jī)設(shè)定的時(shí)間實(shí)現(xiàn)輪流自動(dòng)啟停。粗格柵的啟?？捎缮衔粰C(jī)直接遠(yuǎn)程控制機(jī)，也可以通過現(xiàn)場控制柜實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。 與粗格柵關(guān)聯(lián)的設(shè)備螺旋壓榨機(jī)負(fù)責(zé)將粗格柵過濾出的懸浮物脫水、粉碎。在控制時(shí)，為確保設(shè)備安全，應(yīng)使粗格柵與螺旋壓榨機(jī)聯(lián)動(dòng)，以防止螺旋壓榨機(jī)空轉(zhuǎn)。聯(lián)動(dòng)順序?yàn)椋郝菪龎赫C(jī)、粗格柵，關(guān)機(jī)順序相反。螺旋壓榨機(jī)在粗格柵停止之再運(yùn)行3060s。螺旋壓榨機(jī)故障時(shí)，粗格柵停止運(yùn)行。 提升泵房 提升泵房水泵主要用來將 粗格柵間流出的污水提升到細(xì)格柵間。在提升泵房，需要測量和控制