污水處理中自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

馮鋒

[摘 要] 在目前的污水處理中，自動化控制系統(tǒng)正發(fā)揮著越來越重要的作用，提升凈水質(zhì)量、加強(qiáng)節(jié)約能耗、完善資源優(yōu)化等優(yōu)點使污水處理自動控制系統(tǒng)正得到越來越廣泛的應(yīng)用。盡管目前我國的污水處理中的自動控制系統(tǒng)配備使用率已達(dá)到相當(dāng)水平，但其帶來的問題也十分顯著。本文立足于目前的污水處理系統(tǒng)的運(yùn)用現(xiàn)狀，以污水處理的系統(tǒng)構(gòu)成即控制方式為切入點，分析污水處理自動控制系統(tǒng)的組成控制方式和存在的問題，并針對存在的問題提出改進(jìn)建議，以期為相關(guān)研究工作提供有益借鑒。

[關(guān)鍵詞] 自動控制系統(tǒng)；污水處理；故障

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2016. 05. 028

[中圖分類號] TP29 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2016）05- 0052- 03

0 引 言

隨著近年來我國的工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程不斷推進(jìn)，實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略以應(yīng)對資源與環(huán)境問題成為我國現(xiàn)代化建設(shè)的主題。在這樣的背景下，面對我國水資源緊張的不利形勢，如何做好污水處理控制引起了國家和有關(guān)單位的高度重視。另外，計算技術(shù)和自動化的管理控制系統(tǒng)逐步發(fā)展，污水處理自動控制系統(tǒng)正被越來越多的污水處理廠開發(fā)使用，這一自動控制系統(tǒng)具有節(jié)約能耗、降低成本、提高水質(zhì)等優(yōu)點，可以說，這種污水處理自動控制系統(tǒng)對于我國目前的污水處理行業(yè)來說有著十分重要的意義。

1 自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷史和應(yīng)用現(xiàn)狀

污水處理的自動控制思想最早可以追溯到20世紀(jì)70年代的美國，伴隨第三次科技革命的興起，美國不少污水處理工程將計算機(jī)控制模式引入到加藥環(huán)節(jié)，這種自動化的操作模式流程簡易、釩用量控制精確等優(yōu)點使其獲得了良好的應(yīng)用效果。因而自動控制系統(tǒng)在污水處理中得到了推廣使用，德國、日本等國也先后開展相關(guān)研究并最先實現(xiàn)計算機(jī)控制。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，今天的污水處理自動控制系統(tǒng)已經(jīng)逐步發(fā)展完善，自動化程度也有了大幅度提升。

污水處理中的自動控制系統(tǒng)，其工作原理是利用網(wǎng)絡(luò)通信依靠主計算機(jī)對控制設(shè)備、執(zhí)行器件、檢測元件實行整體管控，實現(xiàn)污水處理的集中調(diào)控、集成分析和數(shù)據(jù)集中處理。目前我國的污水控制系統(tǒng)在經(jīng)過初期的引進(jìn)和中期的消化吸收環(huán)節(jié)后，已經(jīng)取得了長遠(yuǎn)發(fā)展，工業(yè)Ethernet配合FCS、PLC控制構(gòu)成了我國最新一代的污水處理自動控制系統(tǒng)。

在我國目前的污水處理自動控制系統(tǒng)中，主要應(yīng)用FCS、PLC、DCS等控制系統(tǒng)進(jìn)行綜合管理。其中FCS又稱現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System），其最大特點莫過于以先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)傳輸取代傳統(tǒng)硬件傳輸，F(xiàn)CS利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了處理現(xiàn)場控制器、傳感器和執(zhí)行器的關(guān)聯(lián)。PLC則被稱為可編程控制系統(tǒng)（Programmable Logic Control System），通過計算機(jī)數(shù)據(jù)處理以加強(qiáng)控制執(zhí)行中的可靠性和抗干擾性，實現(xiàn)開關(guān)量的邏輯控制。DCS，又稱集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System），作為最新的4C控制技術(shù)，DCS能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)性的物理量監(jiān)控調(diào)節(jié)，并能與PLC技術(shù)實現(xiàn)相互協(xié)調(diào)處理。

2 自動控制系統(tǒng)構(gòu)成及控制方式

2.1 硬件系統(tǒng)

（1）中央監(jiān)控系統(tǒng)。顧名思義，利用中央計算機(jī)對污水處理的每一個環(huán)節(jié)進(jìn)行總體把控。中央監(jiān)控系統(tǒng)不但要分析大量數(shù)據(jù)，還要兼?zhèn)錂z測和調(diào)配工作，所以系統(tǒng)運(yùn)行時要配備相應(yīng)的顯示輸出設(shè)備。中央監(jiān)控系統(tǒng)能夠在第一時間將各項參數(shù)、機(jī)器運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息在顯示屏上展現(xiàn)出來，能夠更合理地處理污水，反映故障信息。

（2）現(xiàn)場控制系統(tǒng)。對于污水處理的自動控制系統(tǒng)而言，現(xiàn)場控制無疑是十分重要的。因此在污水處理廠，PLC更多地被用作現(xiàn)場控制系統(tǒng)的控制器。正如上文所述，PLC是一種新型的可編程控制系統(tǒng)。它將計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到系統(tǒng)控制中，因此不少大型處理控制系統(tǒng)需要多臺PLC進(jìn)行連接工作。PLC的廣泛應(yīng)用離不開它的穩(wěn)定的抗干擾性。在復(fù)雜的污水處理現(xiàn)場，以中央控制為核心，作業(yè)現(xiàn)場一般設(shè)置多個控制站以加強(qiáng)各部分間的控制，并以網(wǎng)絡(luò)作為信息連接的橋梁。PLC可以在復(fù)雜的環(huán)境下實現(xiàn)高效率的環(huán)境監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸，模塊化的管理方式也使其更容易優(yōu)化運(yùn)行。

（3）模擬顯示系統(tǒng)。在自動化的控制系統(tǒng)中，反映數(shù)據(jù)往往要通過計算機(jī)控制下的顯示設(shè)備進(jìn)行輸出顯示，因此，模擬顯示系統(tǒng)也是硬件系統(tǒng)中的重要部分。其主要作用就是輸出動態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)而幫助工作人員依據(jù)污水處理的實際狀況進(jìn)行對應(yīng)的監(jiān)控管理，并對系統(tǒng)異常等問題進(jìn)行及時反應(yīng)，幫助工作人員采取相關(guān)措施。

2.2 軟件系統(tǒng)

污水處理的自動控制系統(tǒng)中主要配備三個種類的軟件，主要為系統(tǒng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件和應(yīng)用軟件。下面就對這三種軟件進(jìn)行詳細(xì)分析：

（1）系統(tǒng)軟件。以Microsoft Windows NT操作系統(tǒng)為主，配有開放性接口，能夠應(yīng)對多用戶、多任務(wù)的處理工作。

（2）數(shù)據(jù)庫軟件。其作用是實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的第一時間監(jiān)控，并生成相關(guān)操作記錄以供數(shù)據(jù)分析，此外，數(shù)據(jù)庫管理軟件還能夠進(jìn)行清晰的數(shù)據(jù)梳理工作。

（3）應(yīng)用軟件。在污水處理的整體控制中，應(yīng)用軟件可起到十分重要的作用，具體包括生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)庫、生產(chǎn)查詢圖形、完善日常設(shè)備管理等。相應(yīng)的管理者可以輕松便捷地實現(xiàn)管理。

2.3 控制方式

污水處理的自動化系統(tǒng)控制方式可以分成三方面：

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)控。即對中央控制室運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對各個分散終端進(jìn)行實時監(jiān)管，遠(yuǎn)程監(jiān)控的廣泛使用讓技術(shù)人員可以便捷地獲取吸刮泥橋、曝氣機(jī)、水泵等設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)信息進(jìn)而開展控制。

（2）現(xiàn)場監(jiān)控。即利用PLC系統(tǒng)完成對現(xiàn)場的設(shè)備管控，將設(shè)備情況通過網(wǎng)絡(luò)傳輸及時有效地提供給PLC總站進(jìn)而實現(xiàn)監(jiān)督管理。

（3）手動監(jiān)控。處理現(xiàn)場的各個設(shè)備在進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換時都需要進(jìn)行人為的手動控制和操作，較之遠(yuǎn)程管理，手動控制更具優(yōu)先性，且在應(yīng)對可編程控制系統(tǒng)的突發(fā)故障時，能夠更易于控制操作，降低風(fēng)險。

3 自動控制系統(tǒng)存在的問題和改進(jìn)建議

盡管近年來自動控制系統(tǒng)在我國的污水處理實踐中得到了廣泛應(yīng)用并取得了長足進(jìn)步，但不可否認(rèn)，相關(guān)發(fā)展還十分不完善，自動化系統(tǒng)控制在具體操作中依然存在著十分明顯的問題。本文接下來就對這些問題予以列舉總結(jié)。

3.1 自動控制系統(tǒng)存在的問題

3.1.1 自動控制系統(tǒng)缺乏線上穩(wěn)定性

在污水處理自動控制系統(tǒng)中，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)、可編程控制系統(tǒng)以及集散控制系統(tǒng)正不斷發(fā)展完善，系統(tǒng)的穩(wěn)定性始終是發(fā)展的重點所在。污水處理實在是一個極為復(fù)雜的過程，系統(tǒng)所要處理的數(shù)據(jù)種類繁多且往往處在不斷變化中，無疑在一定程度上增加了污水處理系統(tǒng)的控制難度。因此多數(shù)污水處理廠在應(yīng)用自動控制系統(tǒng)的同時，同樣需要工作人員在現(xiàn)場進(jìn)行操作管理，并針對分析結(jié)果進(jìn)行對應(yīng)的管理工作進(jìn)而保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定。

3.1.2 自動控制系統(tǒng)受制于多種限制因素

在我國，不少已經(jīng)建成投用的污水處理廠存在著設(shè)備、人員方面的限制性因素。其中，不少污水處理廠自控技術(shù)落后，處理效能與管控權(quán)責(zé)不明，配套設(shè)施匱乏，設(shè)備管理漏洞百出。隨著對應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)提高，污水處理自動控制設(shè)備的知識儲備出現(xiàn)了明顯不足，工作人員無法掌握引進(jìn)設(shè)備的操控技巧，而單一的培訓(xùn)方式也不能從根本上解決內(nèi)部員工的問題。

3.1.3 自動控制系統(tǒng)控制力缺失

我國目前的污水處理廠中普遍設(shè)置了監(jiān)視措施，但實際的管理效力卻往往不能達(dá)到預(yù)期要求。一方面，相關(guān)工作人員數(shù)據(jù)分析能力有限，當(dāng)工作人員不能處理好相關(guān)數(shù)據(jù)時，自動控制系統(tǒng)也就失去了其原有的控制執(zhí)行效率。工作人員的疏忽還體現(xiàn)在污水處理中的節(jié)能減耗問題上，有關(guān)人員往往不能認(rèn)識到能源與經(jīng)濟(jì)效益的關(guān)系，這種不合理的操作也造成了對于污水處理廠的風(fēng)險投資被限制。另一方面，經(jīng)管自動控制系統(tǒng)在處理污水時能夠保障一定的排放標(biāo)準(zhǔn)，但相關(guān)管理部門卻不能產(chǎn)生足夠的重視，與風(fēng)險投資者也缺乏必要的溝通，因而各種各樣的限制因素造成了不利于污水處理自動控制系統(tǒng)的推廣和使用。

3.1.4 自動控制系統(tǒng)本身的缺陷

盡管近年來污水處理的自動化控制系統(tǒng)進(jìn)步迅速，但許多技術(shù)方面的缺陷不可避免。例如自控技術(shù)及相關(guān)軟件存在缺陷、儀器設(shè)備不規(guī)范等。由于許多關(guān)鍵技術(shù)由國外引進(jìn)，因而工作人員在處理過程中很容易出現(xiàn)操作不當(dāng)?shù)膯栴}。以污水處理的探頭控制為例，相關(guān)數(shù)據(jù)的采集很有可能會因為污水的淹沒而出現(xiàn)問題，且污水中的成分構(gòu)成十分不規(guī)則，導(dǎo)致探頭被纏等情況影響最終的數(shù)據(jù)分析，情況嚴(yán)重時還有可能造成設(shè)備損壞。

3.2 自動控制系統(tǒng)今后的改進(jìn)建議

針對上文所述的污水處理自動控制問題，本文在進(jìn)行分析總結(jié)后提出了相應(yīng)的改善思路以供相關(guān)行業(yè)研究者參考借鑒。

（1）保障自動化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由于污水處理的自動化控制系統(tǒng)依靠總線控制因而尚存在線上的不穩(wěn)定性。因而污水處理廠應(yīng)當(dāng)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性管理足夠重視，加派必要的工作人員參與到污水處理系統(tǒng)的管理中是十分必要的，依此來彌補(bǔ)系統(tǒng)不穩(wěn)定性所造成的數(shù)據(jù)誤差。

（2）重視工作人員的技能素養(yǎng)構(gòu)建，加強(qiáng)專業(yè)人員的培訓(xùn)指導(dǎo)，并通過專業(yè)人員對廠區(qū)的工作人員進(jìn)行必要的技術(shù)引導(dǎo)，進(jìn)而完善設(shè)備的使用，規(guī)避因為工作人員操作不當(dāng)而產(chǎn)生的事故。

（3）要不斷拓展智能控制在污水領(lǐng)域的管理深度，完善配套的管理措施。避免出現(xiàn)模糊操作、理論控制等。同時，利用仿真建模的手段，針對市場化需求改革污水處理技術(shù)，并與其他控制應(yīng)用相結(jié)合，從而提升系統(tǒng)的管理控制效率。

最后是將污水處理與信息技術(shù)相結(jié)合，將數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到自動控制中，應(yīng)用最新的遙感控制技術(shù)，完善機(jī)械化的操作流程，為現(xiàn)場工作人員減輕工作壓力與負(fù)擔(dān)。

4 結(jié) 語

綜上所述，隨著我國的工業(yè)化發(fā)展，自動控制系統(tǒng)正越來越多地被應(yīng)用到污水處理領(lǐng)域，并取得了十分顯著的成績。與傳統(tǒng)的污水處理工藝相比，自動化的控制系統(tǒng)污水處理效率更高，污染物排放更少，資源利用率也得到了大幅度提高，社會效益和環(huán)境效益得到了保證，因而在污水處理中應(yīng)用自動化的控制系統(tǒng)是有積極意義的。但與此同時，我國的污水處理自動控制系統(tǒng)也存在著許多問題。首先是我國的技術(shù)起步晚，核心科技多由國外引進(jìn)，自主研發(fā)能力弱，因而實際操作效率要明顯落后于西方發(fā)達(dá)國家。其次是相關(guān)技術(shù)配備缺失，污水處理儀器精度低，因而國家和相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)投入力度，推動核心技術(shù)的研習(xí)進(jìn)而縮小與世界先進(jìn)水平的差距。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)當(dāng)抓住現(xiàn)代系統(tǒng)的核心技術(shù)，推動科學(xué)與信息的一體化進(jìn)程，使自動管理系統(tǒng)更好地為污水處理系統(tǒng)服務(wù)，這樣我國的污水處理行業(yè)將會取得更大的進(jìn)步。相信經(jīng)過不懈的努力，自動控制系統(tǒng)將會在污水處理中發(fā)揮更加重要的作用。

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