淺析污水處理控制系統(tǒng)

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摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各大廠房也隨之崛起，污水處理是必不可少的。本文主要介紹了我國污水處理的現(xiàn)狀和污水處理的常用自控系統(tǒng)， 及其發(fā)展的方向。對系統(tǒng)的組成以及功能的實現(xiàn)作了初步的探討， 重點就現(xiàn)階段的控制系統(tǒng)存在的一些問題提出解決方法。 

關(guān)鍵詞：污水處理自控系統(tǒng)測量校準(zhǔn)  中圖分類號： tu992 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： a 文章編號：  0 引言  我國污水處理自動化控制起步較晚， 進(jìn)入90 年代以后污水處理廠才開始引入自動控制系統(tǒng)， 而國產(chǎn)自動控制系統(tǒng)在污水處理方面應(yīng)用的很少。由此可見對于我國這樣一個污染嚴(yán)重、資源短缺的國家， 研制出一批能滿足排放要求、處理效果好、運(yùn)行費(fèi)用低和國產(chǎn)化程度高、且具有先進(jìn)自動控制系統(tǒng)的污水處理設(shè)備迫在眉睫。  1 現(xiàn)階的段污水處理控制系統(tǒng)  目前我國污水處理廠控制系統(tǒng)分為可編程序控制系統(tǒng)(plc)、集散控制系統(tǒng)(dcs)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(fcs) 和scdada系統(tǒng)。  plc 是一種數(shù)字運(yùn)算操作的新型工業(yè)控制裝置， 它采用可編程序的存儲器， 用于其內(nèi)部存儲程序， 執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)操作等面向用戶的指令， 并通過數(shù)字量或模擬量輸入輸出， 控制設(shè)備或生產(chǎn)過程。plc 的特點是： 可靠性高; 控制能力強(qiáng); 編程方便， 使用方便； 抗干擾能力強(qiáng)； 具備各種接口， 與外部設(shè)備連接方便;采用積木式或模塊式結(jié)構(gòu)， 具有較大的靈活性和可擴(kuò)展性; 維修方便， 可在線修改程序等。  dcs 采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和系列化設(shè)計， 由過程控制級、控制管理級和生產(chǎn)管理級所組成的一個以通信網(wǎng)絡(luò)為紐帶的集中顯示操作管理， 控制相對分散， 具有靈活配置、組態(tài)方便的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。dcs 的特點是： 自主性， 控制獨立分散； 協(xié)調(diào)性， 通過通信網(wǎng)絡(luò)共享信息， 協(xié)調(diào)各工作站； 友好性， 系統(tǒng)軟件面向工業(yè)控制、工藝、生產(chǎn)操作技術(shù)人員設(shè)計； 適用性、靈活性、可擴(kuò)展性； 在線性； 可靠性等。  fcs 是現(xiàn)場智能儀表、智能設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)的集成。fcs 的特點是: 現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場設(shè)備互聯(lián)， 互操作性， 分散功能塊， 通信線供電， 開放式總線協(xié)議。  scdada 是由1 個主控站和若干個遠(yuǎn)程終控站組成， 之間用物理鏈路層聯(lián)系。由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端(rtu) +工控機(jī)(ipc) 組成。主要特點在于數(shù)據(jù)采集， 對生產(chǎn)過程的參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)視。  以上控制策略因不同污水處理工藝和不同處理要求會有所不同， 在線儀表的種類、數(shù)量、布置位置也不盡一樣， 實際應(yīng)用中必須根據(jù)具體情況具體分析。  2 系統(tǒng)原理  目前， 污水生物處理方法主要有活性污泥法、生物膜法、厭氧生物處理法、生物塘法等。活性污泥法以其突出的優(yōu)點, 廣泛應(yīng)用于城市污水處理中。  該法由曝氣池、二沉池、曝氣系統(tǒng)以及回流系統(tǒng)組成。曝氣池與二沉池是活性污泥處理系統(tǒng)的基本構(gòu)筑物， 由初沉池流出的廢水與二沉池底部回流的活性污泥同時進(jìn)入曝氣池， 其混合物稱為混合液。在曝氣的作用下， 混合液得到足夠的溶解氧， 并使活性污泥與廢水充分接觸， 廢水中的可溶性有機(jī)污染物， 也被存活在活性污泥中的微生物所分解， 使廢水得到凈化， 部分剩余污泥從系統(tǒng)中排除。  3 自動控制在污水處理中的發(fā)展方向  自動控制的發(fā)展方向是智能控制。智能控制是除了數(shù)學(xué)式以外的方法， 把人的思維過程模型化，并利用計算機(jī)模仿人的智能的科學(xué)。智能控制主要解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問題。模糊控制、精神控制、專家控制是智能控制的幾個主要分支。  3 自動化控制在實際應(yīng)用中的存在的問題及思考  （1） 新的算法模型需建立。我國污水處理廠起步時， 自動化系統(tǒng)大多引進(jìn)國外產(chǎn)品和技術(shù)， 以后雖然硬件系統(tǒng)在國內(nèi)采購， 但控制技術(shù)并沒有被系統(tǒng)地吸收。目前國內(nèi)污水處理行業(yè)的自動化專業(yè)力量較弱， 很多污水處理工程的自動化系統(tǒng)是由非本領(lǐng)域工程師設(shè)計， 未結(jié)合具體工藝進(jìn)行控制策略設(shè)計， 一般套用其他行業(yè)已有技術(shù)， 進(jìn)行簡單的pid (比例、積分和微分) 調(diào)節(jié)和參數(shù)設(shè)定， 因此造成控制系統(tǒng)運(yùn)行效果不理想。  特別是污水生物處理工藝中的核心———do 控制需要， do 是隨時間變化很快的變量， 其動力學(xué)特性是非線性和時變的， 傳統(tǒng)控制方式無法及時準(zhǔn)確地應(yīng)對各種干擾， 要達(dá)到精確控制必須建立可靠的動力學(xué)模型。模型設(shè)計過程通過對特定污水處理廠的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)或在線運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理， 確定該污水處理廠生物處理過程的一些特征參數(shù)和補(bǔ)償參數(shù)， 再通過仿真檢驗這些特征參數(shù)的有效性。通過這個過程， 基本可以獲得污水處理廠的水平衡(包含污水負(fù)荷)、泥(底物) 平衡、氣(曝氣) 平衡過程的穩(wěn)態(tài)值及其擾動特征。同時，這個過程中需考慮一些額外的環(huán)境因素:溫度、p h、ml ss 組分等。其關(guān)鍵是———軟件算法的專門研究缺乏； 包括算法模型的收斂性、使用邊界條件、與實際工程問題的符合程度等等。解決方式是開展各種人工智能的算法模型研究， 并研制標(biāo)準(zhǔn)化軟件儀器模塊。  （2） 如何減少誤差。測試儀器的測量準(zhǔn)確度是按一定的因子變化的， 測量儀器內(nèi)部所使用的電子元器件的老化， 儀器的使用時間， 環(huán)境變化， 以及誤用都會影響測量結(jié)果準(zhǔn)確度。比如在污水處理廠運(yùn)行的有害氣體硫化氫濃度含量比較高的車間,如進(jìn)水提升泵房、細(xì)格柵間、曝氣沉砂間、污泥脫水間等， 對現(xiàn)場電氣及自控plc 模塊等元器件會腐蝕比較嚴(yán)重； 經(jīng)常導(dǎo)致電氣元件誤動作而影響生產(chǎn)。控制系統(tǒng)中所采用的一些檢測設(shè)備、儀表、精度， 在實際應(yīng)用中往往達(dá)不到預(yù)期的效果， 又如do 儀、ph 計在北方比較寒冷的室外環(huán)境故障率較多。因此， 如果單純依靠這些檢測設(shè)備來判斷污水處理情況并實施自動控制， 容易造成誤差。另外， 量化誤差的影響不可避免； 由于借助于數(shù)字化技術(shù)， 基于a/d 或d/a 平臺， 量化誤差屬于客觀存在， 將對測量結(jié)果造成影響。其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度也受到限制， 無法達(dá)到很高水平， 導(dǎo)致其在實際應(yīng)用中通常達(dá)不到特別高的測量準(zhǔn)確度。解決的方法是借助于模型化測量方式， 以模型參數(shù)給出測量結(jié)果， 這將降低測量速度， 從而犧牲實時性， 而量化效應(yīng)的影響仍然存在。  測量系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度與所采用的數(shù)據(jù)采集卡（多是系統(tǒng)配套plc） 的準(zhǔn)確度及測試軟件有關(guān)，而測試軟件中的算法等在設(shè)計時已經(jīng)考慮（也有待繼續(xù)研究改進(jìn)）， 因此， 系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度還取決于數(shù)據(jù)采集卡的準(zhǔn)確度。  解決辦法是通過按照一定的時間間隔將測量儀器的測試結(jié)果與溯源到國家基準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較， 將測量不確定度量化， 以確認(rèn)測量儀器是否工作在儀器技術(shù)指標(biāo)內(nèi)， 這就是校準(zhǔn)的目的。此外， 內(nèi)部自校準(zhǔn)用以補(bǔ)償由于儀器工作壞境變化、內(nèi)部校準(zhǔn)溫度的變化和可能影響測量的其它因素對虛擬儀器的影響， 以提高虛擬儀器的測量準(zhǔn)確度。內(nèi)部校準(zhǔn)是調(diào)用內(nèi)部校準(zhǔn)測量電路的軟件，與儀器內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)值比較。  （3） 我國污水處理廠多是采用國外進(jìn)口設(shè)備與控制系統(tǒng)， 價格高， 維護(hù)困難。并且目前我國國產(chǎn)的在線分析測定儀器設(shè)備還不能達(dá)到精度要求。例如ph 計、do 儀等儀表均有嚴(yán)格的使用維護(hù)要求， 包括接觸探頭的定期清洗、標(biāo)定， 設(shè)備損耗維修等； 由于污水處理廠大都采用是進(jìn)口設(shè)備儀器， 價格昂貴， 而終端儀表數(shù)量龐大， 故障率較高， 這就增加了污水處理廠的投資和維護(hù)費(fèi)用。  4 結(jié)語  隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 基于計算機(jī)的測量控制系統(tǒng)也會設(shè)置更加靈活， 數(shù)據(jù)處理功能更加完善，應(yīng)用范圍幾乎覆蓋了測試的各個領(lǐng)域： 從數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、聲音和振動測量、視覺、運(yùn)動、儀器控制、信號發(fā)生、信號測量、分布式i/o 到can接口等工業(yè)通訊領(lǐng)域， 并且隨著計算機(jī)性能的不斷提高和虛擬儀器卡的類型不斷增加， 運(yùn)用范圍不斷擴(kuò)大。對于我國的污水處理領(lǐng)域?qū)l(fā)生深遠(yuǎn)影響。對于測控的核心算法軟件部分， 還基本處于國外壟斷階段， 許多問題還有待于更深層次的研究、改進(jìn)和創(chuàng)新。