污水处理厂自动控制系统综述

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污水处理厂自动控制系统综述

朱󰀁武󰀁崔村燕󰀁陈长琦󰀁王先路󰀁干蜀毅󰀁谢󰀁源

(合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽230009)

摘要󰀁针对我国污水处理厂自动控制系统的现状,简述了污水处理控制系统的控制原理、特点、构成和功能分析了系统的故障原因、干扰因素、智能性及提高系统智能性的方法,介绍了模糊控制等新方法在污水处理控制系统中的应用以及系统的功能扩展,为建立我国自己完善的污水处理厂集散控制系统提供了一些思路。关键词󰀁污水处理󰀁集散控制系统󰀁模糊控制󰀁智能性󰀁网络

1󰀁引言

我国污水处理设备尤其是自动检测系统及相关软件大多依靠进口,在引进设备的同时,不但要考虑有计划引进和消化吸收先进的设备管理、维修技术、运行管理及人员培训,而且在选型时还要注意中外国情差别,考虑设备长期的运行维护和备品备件来源。进口设备要消耗巨大的外汇,可见,设计出符合我国国情的污水处理控制系统迫在眉睫。为此,对污水处理厂自动控制系统若干典型技术加以综述。2󰀁我国污水处理厂控制系统的现状

我国污水处理厂自控系统的现状是手动与自动皆备,自制和引进并举。

对于小型的污水处理厂(如啤酒厂、饮料厂、味精厂等自身的污水处理厂)由于资金不足,技术力量薄弱以及生产的季节性等原因,所采用的检测仪表大部

表4󰀁系统运行结果

进水

月

CODCr

11121234567

212623582884265326572468253927392521

BOD5NH3-N895942112510871057963108812081098

258315265259289321276269197

SS423465358397532548483468421

CODCr464868625866545760

BOD5NH3-N151816131718161920

121513849141013

SS252932212630282630

出水

分是国产的离线仪表,监测手段也是靠取样后测量,然后根据测量结果去调整设备运行状态。由于仪表的准确性差并且非连续性监测,设备运行状态调整滞后,常常导致出水水质的不稳定。

一些大型的污水处理厂为了实现自动化控制、保证出水水质达标,或借鉴国内外先进的技术和经验自行开发,或利用政府投资和国外的优惠低息贷款,成套引进德国、丹麦、奥大利亚等国的污水处理工艺、设备、监测仪器仪表、自控系统及相应的软件。由于设备配套性好、技术先进、自动化程度高,系统都能连续稳定运行,所以能保证出水水质达标。3󰀁现代化污水处理控制系统分析3󰀁1󰀁污水处理控制系统的整体构想

污水处理控制系统的整体构想包括两步:首先根据特性曲线、数学模型、有关规定、测定值等对各处理95%,出水NH3-N为10~15mg󰀁L,系统运行结果见表4;剩余污泥量小,为处理水量的0󰀁5%~1󰀁0%;占地面积小,为传统活性污泥法的1󰀁4~1󰀁3。7󰀁结论

加压曝气生物反应器及其处理工艺处理高浓度有机废水,工艺流程简单,容积负荷率高,运行管理方便,处理效率高等优点,为中高浓度的有机废水处理探索了一条新的处理途径。

参考文献

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mg󰀁L

󰀁󰀁注:表中指标均为当月的平均值。

6󰀁2󰀁工艺特点

加压生物氧化系统工艺特点是:进水CODCr高(2000~3000mg󰀁L),出水达标(CODCr󰀁80mg󰀁L,一般为40~65mg󰀁L),设备容积负荷率高(5󰀁4~8󰀁0kg󰀁m󰀁d);对于NH3-N的去除率高达90%~

3

第一作者󰀁陈立波,男,1965年12月生。吉林化工学院环境工程系,硕士,副教授,从事水处理教学科研工作。

2001-10-21收稿

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环󰀁境󰀁工󰀁程

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单元的工艺控制过程和参数进行系统分析和表达,对工艺控制过程及系统中的各单元进行分解得到工艺过程控制整体构想;其次是根据主要干扰的频率和振幅确定相应工艺过程控制任务(工艺过程的优化、工艺过程的稳定、工艺过程的保护),协调工艺各单元之间的关系,确立整体工艺控制过程,实现中央控制系统的控制。

3󰀁2󰀁污水处理控制系统的特点

污水处理自动控制系统既有其他控制系统所具有的共性特征(有模拟量又有数字量,有顺序控制又有实时控制,有开环控制又有闭环控制);也有不同于一般控制系统的个性特征(最终控制对象是CODCr、BOD5、SS和pH值),而为使这些参数达标,必须对众多设备的运行状态、各池的进水量和出水量、进泥量和排泥量、加药量、各段处理时间等进行综合调整与控制,这些共同决定了污水处理控制系统的复杂性。一个污水处理厂控制系统涉及数百路开关量、数十路模拟量是很自然的,而且这些被控量常常要根据一定的时间顺序和逻辑关系定时开停,许多参量的模拟调节量较小,需要维持一定的值,因此需进行闭环控制定值调节。

3󰀁3󰀁污水处理控制系统的结构

污水处理控制系统规模庞大,控制规律复杂,其设计、运行和维护必须按系统工程来对待。而且先进的仪表和设备的大量应用对其控制系统的稳定性和可靠性提出了越来越高的要求,传统的人工手动操作已远远不能获得很好的控制品质。可编程控制器(PLC)因其高可靠性和较高的性价比在工业控制中得到广泛的应用。污水厂中每个工艺段的设备及检测仪表相对集中,控制相对独立,而PLC特别适用于这样的系统特性,因此能够完成污水处理过程中工业控制与状态监测。所以,现代污水处理控制系统结构一般都采用以计算机和PLC为基础的二级监控集散模式。

中心监控层主要实现集中监测的运行管理的功能,中控室计算机所具有的友好人机界面(控制系统的显示监视系统)通过对PLC的管理实现对全厂整个工艺过程中所有设备的监测和控制。界面具有开放性、灵活性、高可靠性和易于操作性:模块和接口界面设计都采用国际标准,应用软件由标准和专用的软件模块和功能模块组成。

现场监控层是指现场各工段设有多个PLC控制子站,根据自身的优化程序,实现本工段内的设备调节和优化控制功能。污水厂中心控制室PLC可通过现场PLC站直接控制有关设备。如果中心控制室PLC或局域网络发生故障,不会影响厂内其它PLC站的控制功能,如果PLC网络中某个PLC站发生故障,值班操作员可通过就地控制开关对设备进行控制。基本控制思想是:功能和危险分散,监督和管理集中。3󰀁4󰀁污水处理控制系统的故障与报警

污水处理SCADA(SupervisoryControlandDataAcquisition)系统出于安全生产的考虑,一般采用三级控制层:就地手动、现场监控和远程监控。就地手动是指通过设备旁的转换开关手动控制设备的开启和关闭;现场监控是指由现场PLC站执行控制设备的任务;远程监控是指由污水厂中心控制室通过SCADA系统网络对远端的设备进行监控。但在大规模计算机自动控制系统中,由于需要控制的设备和元件很多,逻辑关系复杂,各种设备和单元都有可能发生故障或出现误动作,这都会造成一定的损失。对各种故障进行及时、准确的检测、显示和报警,使损失降到最低,也是设计控制系统时必须解决好的关键问题。

污水处理控制系统的故障主要包括现场各受控对象故障、自动检测仪表故障、PLC和计算机系统故障。现场受控对象和仪表故障最常见的是沉砂池砂泵、二沉池浮渣泵堵塞引起跳闸及滤池误反冲、余氯、浊度超标报警。PLC与计算机系统故障一般是因为受到打雷、闪电或大功率设备频繁开、停机产生的冲击电流或安装时没有按照要求正确接地而引起。3󰀁5󰀁污水处理控制系统的智能性

自控系统的实用性实际上要求系统有较高智能度或容错能力,但是开发大型的专家系统是比较困难的。所以,将平常的运行经验加入控制程序中,并选择最优控制方法和手段可明显提高系统的智能性和容错能力。

3󰀁5󰀁1󰀁过程控制中的控制方法

污水厂过程控制最常用的控制方法是PID控制(即比例积分微分控制)。其数学表达式为

1de

󰀁P=Kpe+te󰀁dt+tDdt

I

󰀁󰀁󰀁式中󰀁󰀁P󰀁󰀁󰀁调节器的输出变化量;

Kp󰀁󰀁󰀁调节器的放大倍数;e󰀁󰀁󰀁调节器的输入,即偏差;环󰀁境󰀁工󰀁程

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tI󰀁󰀁󰀁积分时间;tD󰀁󰀁󰀁微分时间。

污水厂过程控制(如加氯、加矾、恒水位控制等)具有惯性大、纯滞后时间长等特点。理论证明,对于具有Ke󰀁(1+T1)(1+T2S)特性的控制对象,PID是一种最优控制,但当其纯滞后时间t大于数分钟时,采用PID控制的效果不佳。尤其在纯滞后时间延长的情况下,即便采用复合环控制,效果也不太理想,而且,采用复合环PID控制器进行控制,中控室电脑只能对控制系统的参数进行监测而无法参与控制,切换到手动方式时,必须到现场进行操作,2种方式之间的切换问题不好解决。

近年来,模糊控制和预测控制的发展对一些纯滞后、大惯性的工业对象的控制提供了更好的方式。

模糊控制运用模糊逻辑进行直接推理,它不需要对象的精确数学模型,适合于高度非线性、扰动因素大、纯滞后、时变特性等对象的自动控制。根据模糊控制理论,模糊控制需要通过精确量的模糊化、模糊规则的建立、模糊推理及其模糊量的非模糊化等步骤来实现。与传统的DDC和PID调节器相比,模糊控制器(FLC)有更快的响应和更小的超调,对被控系统参数的变化不敏感,能克服非线性的影响。模糊控制技术与专家系统技术相结合的产物󰀁󰀁󰀁模糊专家控制(EFC)系统则提供了一种相当丰富的表达过程控制知识和经验的能力,比常规FLC更增强了处理复杂控制问题的能力。著名的控制理论权威Austrom曾指出:模糊逻辑控制、专家控制与神经网络是3种典型的智能控制,EFC是前2种方法的完美结合,应成为智能控制的一个重要方法。一个基于规则的EFC的结构如附图所示。

-t

活性污泥法本身属于复杂的动态工程系统,无法找到精确的模型来描述,目前研究较多的是对出水悬浮物进行预测和控制的动态活性污泥法模糊控制:在高纯氧活性污泥法中采取模糊控制既能防止浪费,又能避免DO不足。对硝酸态氮污染水脱氮处理的新方法󰀁󰀁󰀁生物电极法采用模糊控制,有利于避免过量地投加有机物,节省运行费用。以DO值作为SBR法的模糊控制参数能够在保证出水水质的前提下尽可能多地节省运行费用,并能避免曝气量的不足或反应时间过长而引起的污泥膨胀。

预测控制是具有对模型要求低、控制综合质量好、在线计算方便等特点的优化控制新算法。针对一些纯滞后、大惯性环节,设计的动态矩阵预测控制器,通过对阶跃响应系统的处理,有效地将动态矩阵控制算法应用于纯滞后、大惯性的工业对象。现场运行结果表明:预测控制系统控制精度高、稳定性及抗干扰能力强,有效地保证了被控值的精度,在污水处理中具有较高的实用价值。

另外,对于一些非线性、大惯性过程,采用非线性控制系统比采用线性反馈控制系统成本低、可靠性高、现场调试简单且具有显著的节电效果。3󰀁5󰀁2󰀁总结和运用经验

善于借鉴和总结经验是科技发展的必要因素。提高系统的智能性并非一定要依靠专家系统,将运行人员的经验化为智能控制的方法是传统继电控制或单回路调节仪表所无法比拟的。将平常的运行经验加入控制程序中,即加入若干个智能点,PLC通过分析有限的信号量就可以发现被控设备的故障。譬如,通过计算液控蝶阀前后补油的时间间隙来判断其是否漏油、通过出口压力信号或电机电流判断反冲洗水是否出水(因离心水泵空转时的电流比正常运转时的电流小得多)、当程控打开某滤池的排水阀时,其全开行程开关未动作,但此时滤池水位突然下降,由此判断排水阀已打开而不必终止程序执行等。这些智能点的加入可使系统的适应能力大大提高。

附图󰀁EFC一般功能结构

4󰀁污水处理控制系统的功能及其扩展

污水处理控制系统的功能包括:消除工艺过程的不稳定干扰因素、对工艺过程的有关控制参数进行优化,控制系统具有冗余的近󰀁远距离控制软件和硬件,可进行近距离和远距离控制(中央控制功能和显示功能),并实现中央控制系统、污水处理单元参数现场控制和供电系统控制一体化。正常运行的控制包括监对活性污泥系统中曝气机转速采用模糊专家控制(EFC)进行仿真研究的结果表明,EFC具有比PID调节优越得多的调节品质和对系统参数变化的鲁棒性,且方案实施简单,性价比高,具有一定的推广价值。不仅如此,模糊控制在污水处理的许多领域,尤其在活性污泥法污水处理系统中已得到成功的应用。30

环󰀁境󰀁工󰀁程

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视、测量、反馈、优化、解调、控制流程图显示、根据设定值调节参数、网络调整、工艺过程和生产过程的分析等;抗干扰控制包括关闭、断开、记录、干扰预防等。此外,采用传递速率很高的通讯总线将整个系统连接在一起,使系统的功能容易扩展;能够配合污水厂的自动化管理系统,提高企业的管理水平和劳动生产率,降低操作工人的劳动强度。

对污水厂而言,如果只是本地扩展,采用PLC网络就能提供足够的范围和容量,但涉及远程监控时,需要综合考虑各种因素,选择一个较好的方案。通讯技术与设备是构建SCADA系统最丰富多彩的部分,如何构建良好的SCADA系统,通讯技术的选择举足轻重。

实现与局域网交换数据的一个简单、低成本的方法,是通过挂在局域网的电脑实现和远方PLC点对点的通讯。PLC预先收集控制网络的所有信息,通讯采用无线频道,在线采集的数据存放在指定格式的数据库里。与采用现成的基于Internet的方案(一般的大型工程控制软件都有类似的软件包)相比较,上述方案成本低,软件开发的工作量小,数据刷新的速度快。

如果采用TCS(TailoredControlSystem)系统可取消厂内各不相连的PLC、RTU等,统一用TCS的IOS、FCS和前端智能单元建立一个统一网络,避免了不同厂家设备的互连和多家控制设备的维护工作,系统容易扩展,可满足不断增加的需要。而且TFIX组态软件可以组合出直观和实用的工艺图形,中控室可直接对低层的电机、泵、阀门等进行操作,并可看到各类分析仪器的数据。污水厂可根据自身的实际情况,选择最优的功能扩展和联网方案。5󰀁结语

前几年有关部门曾对我国55个城市5000多套工业废水处理设施进行了大规模的调查,结果表明,运行效果好和比较好的只占24%,而建成后没能运行或处理能力达不到设计能力一半的设施占63󰀁8%。造成这种状况的原因是多方面的,但是其中最主要的原因之一是运行管理和自动化水平低。目前还没有国产污水处理自动化的组态软件问世,而通用组态软件的购置价格较高。组织生产规范化、标准化、价格适中,适用于污水处理的SCADA组态软件有着广泛的前景,也是建设中国污水处理自动化系统的重要环节。12

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Directions

in

Intelligent

Control.

IFAC

International

Symposium.ITAC91.

第一作者󰀁朱武,男,1952年生。1982年毕业于合肥工业大学计算机应用专业,后获硕士学位,副教授。现从事流体监测与控制、计算机应用等方面的教学与科研工作。

2001-09-26收稿ENVIRONMENTALENGINEERING

Vol󰀁20,No󰀁3,June,2002

3

Keywords󰀁wastewaterfromgarbagetransportstation,re-usetreatmentandMBR

TREATMENTOFHIGHCONCENTRATIONWASTEWATERCONTAININGNITROBENZENEBYPROCESSOFMICROELECTROLYSIS-UASB-PACT󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁LiNinglinetal(23)

Abstract󰀁Thispaperintroducesthedesignanddebuggingofaprojectfortreatinghighconcentrationwastewatercontainingnotrobenzenebytheprocessofmicroelectrolysis-UASB-PACT,anditsexperienceinsuccessfuloperation.WhentheinfluentwithaCODCrof5620~7090mg󰀁Listreatedbythisprocess,theindexesoftheeffluentcanmeetthefirs-torderofGB8978-1996,andtheaverageremovalrateofCODCrisover98%.

Keywords󰀁microelectrolysis,UASB,PACT,nitrobenzeneanddebugging

PRESSLLRIZEDAERATIONBIO-REACTORANDITSPROCESSDESIGN

thereactor,technologicalprocess,operatingparameterandthecharacteristicoftheprocessdesign.

󰀁󰀁

ChenLiboetal(25)

Abstract󰀁Itisintroducedthatpressurizedaerationbio-reactorandthetechnologicaldesignofthetreatmentsystem,includingtheprincipleofKeywords󰀁pressurizedaerationbio-reactor,acetaldehydewastewater,gourmetpowderwastewaterandtechnologicaldesign

SUMMARIZATIONOFSELF-CONTROLLSYSTEMINWASTEWATERDISPOSALPLANT

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

󰀁󰀁󰀁

ZhuWuetal(27)

Abstract󰀁Aimingattheactualitiesofsel-fcontrolsystemsinwastewatrdisposalplantsofourcontry.wesummarizethecontrolprinciple,thecharacterisitc,theconstitution,thealarmandsoonofacontrolsystem,analyzethecauseofasystem󰀁strouble,thefactorofinterference,thebrainpowerandthewaytoenhanceit󰀁sbrainpowerandalsointroducetheapplicationofsomenewcontrolmethodssuchasfuzzycontrolinwastewaterdisposalcontrolsystemandtheexpansibilityofitsfunctionandnetwork.Wewishthatthisarticlecouldprovideyousomehelpfulideastosetupaperfecttotaldistributedcontrolsystemofourownasquicklyaspossible.

Keywords󰀁wastewaterdisposal,totaldistributedcontrolsystem,fuzzycontrol,brainpowerandnetwork

ELEMENTARYRESEARCHONCOAGULATIONOFBIPOLARCHARGEDDUSTPARTICLES

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

WangLianzeetal(31)

Abstract󰀁Thefollowingstepswereadoptedtodoanelementaryresearchontheeffectsofthevelocityofagasflow,dustconcentration,positiveandnegativedischargeintensitiesetconthecoagulationefficiency,thestepswere:thedus-tbearinggaseswerepassedthroughpositiveandnegativedischargefieldsrespectively,whichthenwerecombinedintoone;inalargerspacethegasesweretransportedbyturbulencewhiletheywerecoagulatedbyabipolarcharginginashortdistance;talcumpwderandboilerflyashwereusedastestdust.Itwasconcludedthatthecollectingefficiencywasraisedby10%throughthebipolarcharging.

Keywords󰀁bipolarcharging,asymmetry,coagulationanddedustingefficiency

TECHNICALREFORMATIONOFDUSTCOLLECTINGSYSTEMOFGRAINSLAGDRIER

󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁

󰀁󰀁

XingYongetal(34)

Abstract󰀁TaiyunaLionHeadCementGroupcompletelyreformedthedustcollectingsystemofagrainslagdrier.Itsemissionconcentrationislowerthan150mg󰀁m3regulatedbythenationalconstructionalandmaterialindustry.ThereformationnotonlycreatshighprofitbutalsogreatlyimprovesthequalityoftheatmosphericenvironmentinwesternregionofTaiyuan.

Keywords󰀁dustprecipitationsystem,emissionconcentrationandenvironmentquality

TREATMENTTECHNOLOGYOFFLUEGASFROMCUPOLAFORJINANNo.2MACHINETOOLGROUP󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁ShaoDongyu(36)

Abstract󰀁Asel-fcontainedtreatmentsystemofcupolafluegasisdevelopedtosolvethetoughproblemsofpurifyingthefluegasfromalarge-sizedcupola.Thefollowingmeasuresareadopted:installatemperatureregulatorinfrontofabagdeduster;adoptaoptimumdesignoftuyere;setupasuitablerealtimecontrolmodeletc.thetechnologyisabreakthroughintreatingthefluegasfromalarge-sizedcupola.

Keywords󰀁cupola,fluegasanddedust