自動(dòng)控制系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用

摘要：目前，自動(dòng)控制系統(tǒng)在我國(guó)污水處理中得到廣泛應(yīng)用，同時(shí)也逐漸暴露出了一些問(wèn)題。文章首先就自動(dòng)控制系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，其次分析了存在的問(wèn)題，最后提出了改進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的建議，以期可以提供一些借鑒。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制系統(tǒng)；污水處理；過(guò)程控制；在線監(jiān)視；故障診斷；報(bào)警處理 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：X703 文章編號(hào)：1009-2374（2016）01-0089-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.045

自從我國(guó)工業(yè)化進(jìn)程加快以來(lái)，污水的排放及其處理已經(jīng)成為越來(lái)越受國(guó)家關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)。水資源的利用直接關(guān)系到人類生存，關(guān)系到人類可持續(xù)發(fā)展。早期工業(yè)廢水、城市生活廢水全部直接排放進(jìn)自然中，直接利用自然的自我凈化調(diào)節(jié)功能來(lái)分解廢水。但是隨著我國(guó)工業(yè)化程度的不斷加深，僅僅通過(guò)自然自凈能力已經(jīng)很難將龐大的廢水量處理完，這時(shí)建設(shè)城市污水處理廠的必要性就突顯出來(lái)。

早期的城市污水處理廠一般都是由工作人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察以及調(diào)研，但是污水處理廠的構(gòu)成復(fù)雜、建筑物繁多，在測(cè)量多種項(xiàng)目指標(biāo)時(shí)，常常給現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)調(diào)研帶來(lái)極大困難。隨著科技革命帶來(lái)各種新技術(shù)，污水處理廠漸漸開(kāi)始引用自動(dòng)控制技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用是因?yàn)樽詣?dòng)控制技術(shù)操作起來(lái)非常方便，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并且非常節(jié)省人力。在20世紀(jì)70年代的美國(guó)，部分污水處理廠可以實(shí)現(xiàn)對(duì)加藥過(guò)程進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制，如污水處理廠通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)加釩過(guò)程進(jìn)行掌控，很好地降低了釩的使用量，與之同時(shí)發(fā)生的是管理效率的顯著提高和水質(zhì)的大為改善。除此之外，像德國(guó)、日本等國(guó)家的一些污水處理廠也較早實(shí)現(xiàn)了用計(jì)算機(jī)來(lái)控制污水處理過(guò)程。污水處理系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)取得很大進(jìn)步，其自動(dòng)化程度跟以前相比也更高。

1 污水處理系統(tǒng)中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

所謂自動(dòng)控制系統(tǒng)就是把控制設(shè)備、執(zhí)行器件、檢測(cè)元件和主計(jì)算機(jī)之間利用通信網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，這樣主計(jì)算機(jī)可以對(duì)它們進(jìn)行集中控制，進(jìn)而達(dá)到集中監(jiān)控、集中調(diào)度、集中分析和集中數(shù)據(jù)處理的目的。經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)外引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的消化和吸收，我國(guó)的污水控制系統(tǒng)也有所進(jìn)展。工業(yè)Ethernet配合著FCS，再與PLC控制站結(jié)合起來(lái)，這種自動(dòng)控制系統(tǒng)是我國(guó)最新一代的控制系統(tǒng)。

現(xiàn)在自動(dòng)控制系統(tǒng)在污水處理中的應(yīng)用有了新的進(jìn)展，如FCS、PLC、DCS等。其中FCS是現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System），近年來(lái)它發(fā)展迅速，可以算得上是最新型的自動(dòng)控制技術(shù)，它旨在用網(wǎng)絡(luò)傳輸代替比較傳統(tǒng)的硬件傳輸，這是FCS通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)將眾多控制器、傳感器和執(zhí)行器連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)的。PLC是可編程控制系統(tǒng)（Programmable Logic Control System），它使用計(jì)算機(jī)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，其最大的優(yōu)勢(shì)就是具有超高的可靠性和抗干擾能力，這種優(yōu)勢(shì)使它在污水處理中占有很重要的地位。DCS是集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System），它是一種新型的4C控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)物理量的監(jiān)視與調(diào)節(jié)，與PCL相結(jié)合的DCS控制系統(tǒng)在污水處理廠中的應(yīng)用可以說(shuō)已經(jīng)相當(dāng)成熟了。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)在污水處理過(guò)程中的特點(diǎn)以及主要表現(xiàn)

2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要特征

相比于其他的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在污水處理中應(yīng)用到的自動(dòng)化控制系統(tǒng)比較繁瑣復(fù)雜。因?yàn)槠渲猩婕暗降奈锢砹糠浅６?，而且其中不僅有模擬量，還有數(shù)字量。與此同時(shí)，控制方式也有開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制、順序控制和時(shí)間控制等多種控制方式。而要使處理后的水質(zhì)達(dá)標(biāo)，就要使處理過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)都要合格。這就需要對(duì)處理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、進(jìn)排泥量和排水量等進(jìn)行綜合控制，這無(wú)疑會(huì)加大自動(dòng)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性。現(xiàn)在的自動(dòng)控制系統(tǒng)已經(jīng)具有良好的開(kāi)放性、適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性等，這和自動(dòng)控制系統(tǒng)有簡(jiǎn)單的邏輯控制階段發(fā)展成為分散控制階段是密切相關(guān)的。

2.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)在污水處理過(guò)程中的主要表現(xiàn)

2.2.1 過(guò)程控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)污水處理整個(gè)過(guò)程中的工藝參數(shù)以及流程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集分析數(shù)據(jù)，然后根據(jù)分析結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行控制，這就是我們所說(shuō)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的過(guò)程控制。其中可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)、調(diào)度和管理。整個(gè)運(yùn)行過(guò)程的系統(tǒng)是中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)工藝的運(yùn)行和停止以及一些緊急事件進(jìn)行直接控制。

2.2.2 在線監(jiān)視功能。在線監(jiān)視功能使動(dòng)態(tài)的工藝流程圖顯示在中央控制室的計(jì)算機(jī)屏幕上，同時(shí)可以顯示在子站界面上的是現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和一些非常重要的工藝參數(shù)的變化情況。必要的情況下，我們可以利用鼠標(biāo)和鍵盤對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行干預(yù)。

2.2.3 故障診斷及報(bào)警處理。當(dāng)設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生一些可以或者不可以避免的故障的情況時(shí)，故障診斷功能可以將其監(jiān)測(cè)出來(lái)，并隨后進(jìn)行查找和報(bào)警。此外，故障診斷系統(tǒng)還可以分析和調(diào)整一些簡(jiǎn)單的事故，從而使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定。報(bào)警時(shí)系統(tǒng)可以顯示報(bào)警的畫面，這樣可以讓操作人員在對(duì)故障進(jìn)行處理時(shí)得到提示。

3 自動(dòng)控制系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題及今后的改進(jìn)方向

3.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)存在的問(wèn)題

雖然上述過(guò)程中我們的確展示了自動(dòng)控制系統(tǒng)的眾多優(yōu)勢(shì)，但是自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展畢竟還是不夠完善，從各個(gè)污水處理廠的調(diào)研中我們總結(jié)了自動(dòng)控制系統(tǒng)現(xiàn)今存在的一些問(wèn)題：

3.1.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的在線穩(wěn)定性不夠。隨著PLC、DCS以及FCS技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性已經(jīng)得到了一定的提高。但是由于污水處理實(shí)在是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，系統(tǒng)中的設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)涉及很多參數(shù)，而且每個(gè)參數(shù)還在不斷的變化中，這就給自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)污水處理過(guò)程進(jìn)行有力的監(jiān)督控制造成了障礙。所以，一般污水處理廠除了自動(dòng)控制系統(tǒng)外，還需要現(xiàn)場(chǎng)的工作人員來(lái)操控運(yùn)行過(guò)程，并對(duì)有些分析結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，以期保持整個(gè)處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.1.2 已建的污水廠存在儀器、工作人員方面的限制性因素。目前大部分已建的污水處理廠的自控技術(shù)水平落后，污水處理效能與自控關(guān)系不明確，與之配套的自控設(shè)備和儀器匱乏，同時(shí)現(xiàn)今的排放標(biāo)準(zhǔn)也普遍提高，再加上污水處理過(guò)程中與自動(dòng)控制設(shè)備相關(guān)的自動(dòng)化方面的知識(shí)比較復(fù)雜，引進(jìn)的大部分設(shè)備都是外文說(shuō)明書，廠區(qū)的工作人員缺乏必要的自動(dòng)控制方面的知識(shí)，這些劣勢(shì)只靠對(duì)廠內(nèi)工作人員的培訓(xùn)是無(wú)法輕易轉(zhuǎn)化的。

3.1.3 目前我國(guó)眾多的污水處理廠雖然監(jiān)視良好、但是控制能力卻明顯不足。對(duì)于監(jiān)視過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)，工作人員并不能很好地進(jìn)行分析和利用，這樣就使自動(dòng)控制系統(tǒng)失去了一開(kāi)始我們想要它能提供給的便捷。并且自動(dòng)控制系統(tǒng)在污水處理廠的運(yùn)行過(guò)程中帶來(lái)的由于節(jié)能降耗引起的直接經(jīng)濟(jì)效益并沒(méi)有被充分認(rèn)識(shí)到，這從另一個(gè)方面阻礙了風(fēng)險(xiǎn)投資者在投資污水處理廠時(shí)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的投資欲望。與此同時(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)引入污水處理廠后可以保障污水的排放達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，提高環(huán)境效益和社會(huì)效益，在這點(diǎn)上污水處理廠監(jiān)管部門的認(rèn)識(shí)也不到位，他們?nèi)鄙倥c風(fēng)險(xiǎn)投資者的協(xié)調(diào)，以上種種都是限制自動(dòng)控制系統(tǒng)在污水處理廠推廣的重要原因。

3.1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)本身還有待完善。例如與自控技術(shù)相關(guān)的軟件、儀器行業(yè)并不規(guī)范，先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)大都從國(guó)外引進(jìn)等。更詳細(xì)一點(diǎn)舉例，像污水處理過(guò)程中使用的探頭很多，它們用于數(shù)據(jù)的采集，且都是被淹沒(méi)在污水中的。但是如我們所知污水中的成分相當(dāng)雜亂，這些探頭很容易被纏結(jié)進(jìn)而影響采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，更有甚者會(huì)損害探頭。

3.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)今后的改進(jìn)方向

一是在自動(dòng)化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性還沒(méi)有得到確保時(shí)，污水處理系統(tǒng)中應(yīng)該配備必要的工作人員，以彌補(bǔ)自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠帶來(lái)的分析結(jié)果的誤差。二是接下來(lái)一段時(shí)間內(nèi)應(yīng)該在污水處理廠中配備相應(yīng)自動(dòng)控制方面的專業(yè)人員，這樣既可以對(duì)其他廠區(qū)的工作人員有一定的培訓(xùn)和指導(dǎo)，也可以避免因工作人員專業(yè)素養(yǎng)不夠引起的操作失誤甚至事故。這對(duì)廠區(qū)的正常運(yùn)行有很大的影響。三是依然要不斷開(kāi)發(fā)智能控制在污水領(lǐng)域的應(yīng)用深度，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制等技術(shù)，這些技術(shù)仍然需要理論上的進(jìn)一步發(fā)展。通過(guò)數(shù)學(xué)建模和仿真，結(jié)合污水處理新技術(shù)的市場(chǎng)需求，將這些智能控制方法相結(jié)合，爭(zhēng)取提出更加行之有效的新控制策略。四是爭(zhēng)取將污水處理廠的自動(dòng)控制系統(tǒng)與高速數(shù)字技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合，通過(guò)遙感遙測(cè)遙控技術(shù)實(shí)現(xiàn)污水處理廠的自動(dòng)控制，以解放所有的現(xiàn)場(chǎng)操作人員。

4 結(jié)語(yǔ)

如上所述，自動(dòng)控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)的污水處理領(lǐng)域已經(jīng)取得了眾多成果，可以極大地提高污水處理的效率，提高出水質(zhì)量，大大減少了有害物質(zhì)的排放，其產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益是值得肯定的。

但是，我國(guó)的污水處理中自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用起步是比較晚的，所以在這方面我們不可避免地落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，這集中體現(xiàn)在我們的控制系統(tǒng)大都從國(guó)外引進(jìn)，缺少自主研發(fā)的系統(tǒng)，同時(shí)相應(yīng)的污水處理設(shè)備、測(cè)量監(jiān)測(cè)儀器的質(zhì)量一直得不到提高。顯然國(guó)家應(yīng)該加大對(duì)這方面的投入，以縮小與世界先進(jìn)水平的差距。我們有理由相信，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，污水處理系統(tǒng)會(huì)有更好的完善，而自動(dòng)控制系統(tǒng)也會(huì)在污水處理領(lǐng)域發(fā)揮其應(yīng)該有的作用。

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作者簡(jiǎn)介：楊博英，男，湖南株洲人，株洲市城市排水有限公司龍泉污水處理廠廠長(zhǎng)，自動(dòng)控制工程師，研究方向：污水處理技術(shù)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）