浅析污水处理控制系统

李枫 邓伟

摘要：随着我国经济的发展，各大厂房也随之崛起，污水处理是必不可少的。本文主要介绍了我国污水处理的现状和污水处理的常用自控系统， 及其发展的方向。对系统的组成以及功能的实现作了初步的探讨， 重点就现阶段的控制系统存在的一些问题提出解决方法。

关键词：污水处理自控系统测量校准

中图分类号： TU992 文献标识码： A 文章编号：

0 引言

我国污水处理自动化控制起步较晚， 进入90 年代以后污水处理厂才开始引入自动控制系统， 而国产自动控制系统在污水处理方面应用的很少。由此可见对于我国这样一个污染严重、资源短缺的国家， 研制出一批能满足排放要求、处理效果好、运行费用低和国产化程度高、且具有先进自动控制系统的污水处理设备迫在眉睫。

1 现阶的段污水处理控制系统

目前我国污水处理厂控制系统分为可编程序控制系统(PLC)、集散控制系统(DCS)、现场总线控制系统(FCS) 和SCDADA系统。

PLC 是一种数字运算操作的新型工业控制装置， 它采用可编程序的存储器， 用于其内部存储程序， 执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令， 并通过数字量或模拟量输入输出， 控制设备或生产过程。PLC 的特点是： 可靠性高; 控制能力强; 编程方便， 使用方便； 抗干扰能力强； 具备各种接口， 与外部设备连接方便;采用积木式或模块式结构， 具有较大的灵活性和可扩展性; 维修方便， 可在线修改程序等。

DCS 采用标准化、模块化和系列化设计， 由过程控制级、控制管理级和生产管理级所组成的一个以通信网络为纽带的集中显示操作管理， 控制相对分散， 具有灵活配置、组态方便的计算机网络控制系统。DCS 的特点是： 自主性， 控制独立分散； 协调性， 通过通信网络共享信息， 协调各工作站； 友好性， 系统软件面向工业控制、工艺、生产操作技术人员设计； 适用性、灵活性、可扩展性； 在线性； 可靠性等。

FCS 是现场智能仪表、智能设备与通信网络、控制系统的集成。FCS 的特点是: 现场通信网络，现场设备互联， 互操作性， 分散功能块， 通信线供电， 开放式总线协议。

SCDADA 是由1 个主控站和若干个远程终控站组成， 之间用物理链路层联系。由远程数据采集终端(RTU) +工控机(IPC) 组成。主要特点在于数据采集， 对生产过程的参数进行实时监视。

以上控制策略因不同污水处理工艺和不同处理要求会有所不同， 在线仪表的种类、数量、布置位置也不尽一样， 实际应用中必须根据具体情况具体分析。

2 系统原理

目前， 污水生物处理方法主要有活性污泥法、生物膜法、厌氧生物处理法、生物塘法等。活性污泥法以其突出的优点, 广泛应用于城市污水处理中。

该法由曝气池、二沉池、曝气系统以及回流系统组成。曝气池与二沉池是活性污泥处理系统的基本构筑物， 由初沉池流出的废水与二沉池底部回流的活性污泥同时进入曝气池， 其混合物称为混合液。在曝气的作用下， 混合液得到足够的溶解氧， 并使活性污泥与废水充分接触， 废水中的可溶性有机污染物， 也被存活在活性污泥中的微生物所分解， 使废水得到净化， 部分剩余污泥从系统中排除。

3 自动控制在污水处理中的发展方向

自动控制的发展方向是智能控制。智能控制是除了数学式以外的方法， 把人的思维过程模型化，并利用计算机模仿人的智能的科学。智能控制主要解决那些用传统方法难以解决的复杂系统的控制问题。模糊控制、精神控制、专家控制是智能控制的几个主要分支。

3 自动化控制在实际应用中的存在的问题及思考

（1） 新的算法模型需建立。我国污水处理厂起步时， 自动化系统大多引进国外产品和技术， 以后虽然硬件系统在国内采购， 但控制技术并没有被系统地吸收。目前国内污水处理行业的自动化专业力量较弱， 很多污水处理工程的自动化系统是由非本领域工程师设计， 未结合具体工艺进行控制策略设计， 一般套用其他行业已有技术， 进行简单的PID (比例、积分和微分) 调节和参数设定， 因此造成控制系统运行效果不理想。

特别是污水生物处理工艺中的核心———DO 控制需要， DO 是随时间变化很快的变量， 其动力学特性是非线性和时变的， 传统控制方式无法及时准确地应对各种干扰， 要达到精确控制必须建立可靠的动力学模型。模型设计过程通过对特定污水处理厂的历史运行数据或在线运行数据进行分析处理， 确定该污水处理厂生物处理过程的一些特征参数和补偿参数， 再通过仿真检验这些特征参数的有效性。通过这个过程， 基本可以获得污水处理厂的水平衡(包含污水负荷)、泥(底物) 平衡、气(曝气) 平衡过程的稳态值及其扰动特征。同时，这个过程中需考虑一些额外的环境因素:温度、p H、ML SS 组分等。其关键是———软件算法的专门研究缺乏； 包括算法模型的收敛性、使用边界条件、与实际工程问题的符合程度等等。解决方式是开展各种人工智能的算法模型研究， 并研制标准化软件仪器模块。

（2） 如何减少误差。测试仪器的测量准确度是按一定的因子变化的， 测量仪器内部所使用的电子元器件的老化， 仪器的使用时间， 环境变化， 以及误用都会影响测量结果准确度。比如在污水处理厂运行的有害气体硫化氢浓度含量比较高的车间,如进水提升泵房、细格栅间、曝气沉砂间、污泥脱水间等， 对现场电气及自控PLC 模块等元器件会腐蚀比较严重； 经常导致电气元件误动作而影响生产。控制系统中所采用的一些检测设备、仪表、精度， 在实际应用中往往达不到预期的效果， 又如DO 仪、pH 计在北方比较寒冷的室外环境故障率较多。因此， 如果单纯依靠这些检测设备来判断污水处理情况并实施自动控制， 容易造成误差。另外， 量化误差的影响不可避免； 由于借助于数字化技术， 基于A/D 或D/A 平台， 量化误差属于客观存在， 将对测量结果造成影响。其稳定性和准确度也受到限制， 无法达到很高水平， 导致其在实际应用中通常达不到特别高的测量准确度。解决的方法是借助于模型化测量方式， 以模型参数给出测量结果， 这将降低测量速度， 从而牺牲实时性， 而量化效应的影响仍然存在。

测量系统的测量准确度与所采用的数据采集卡（多是系统配套PLC） 的准确度及测试软件有关，而测试软件中的算法等在设计时已经考虑（也有待继续研究改进）， 因此， 系统测量准确度还取决于数据采集卡的准确度。

解决办法是通过按照一定的时间间隔将测量仪器的测试结果与溯源到国家基准的标准仪器的标准值进行比较， 将测量不确定度量化， 以确认测量仪器是否工作在仪器技术指标内， 这就是校准的目的。此外， 内部自校准用以补偿由于仪器工作坏境变化、内部校准温度的变化和可能影响测量的其它因素对虚拟仪器的影响， 以提高虚拟仪器的测量准确度。内部校准是调用内部校准测量电路的软件，与仪器内部的标准值比较。

（3） 我国污水处理厂多是采用国外进口设备与控制系统， 价格高， 维护困难。并且目前我国国产的在线分析测定仪器设备还不能达到精度要求。例如pH 计、DO 仪等仪表均有严格的使用维护要求， 包括接触探头的定期清洗、标定， 设备损耗维修等； 由于污水处理厂大都采用是进口设备仪器， 价格昂贵， 而终端仪表数量庞大， 故障率较高， 这就增加了污水处理厂的投资和维护费用。

4 结语

随着科学技术的发展， 基于计算机的测量控制系统也会设置更加灵活， 数据处理功能更加完善，应用范围几乎覆盖了测试的各个领域： 从数据采集、信号调理、声音和振动测量、视觉、运动、仪器控制、信号发生、信号测量、分布式I/O 到CAN接口等工业通讯领域， 并且随着计算机性能的不断提高和虚拟仪器卡的类型不断增加， 运用范围不断扩大。对于我国的污水处理领域将会发生深远影响。对于测控的核心算法软件部分， 还基本处于国外垄断阶段， 许多问题还有待于更深层次的研究、改进和创新。