基于PLC的化工污水處理自動化控制系統(tǒng)設計研究

李剛

【摘? 要】 文章詳細闡述了化工污水處理工藝及其自動化控制系統(tǒng)的設計、應用與性能評估。首先，介紹了化工污水處理的基本工藝流程，包括預處理、生物處理、深度處理和污泥處理等環(huán)節(jié)。其次，重點描述了基于PLC的自動化控制系統(tǒng)的設計方案，包括總體架構(gòu)、硬件與軟件設計、系統(tǒng)集成與調(diào)試等方面。最后，通過實際應用案例分析了系統(tǒng)的運行效果，并提出了性能評估指標與方法，同時與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進行了對比分析。結(jié)果表明，基于PLC的自動化控制系統(tǒng)在化工污水處理中具有顯著的優(yōu)勢和良好的應用前景。

【關(guān)鍵詞】 化工污水處理；PLC；自動化控制系統(tǒng)；化工業(yè)

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，化工行業(yè)產(chǎn)生的污水量不斷增加，其成分復雜、處理難度大的特點使化工污水處理成為環(huán)境保護領(lǐng)域的重要問題?；の鬯挠行幚聿粌H關(guān)系到企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，還直接影響周邊生態(tài)環(huán)境和居民的生活質(zhì)量。因此，研究高效、穩(wěn)定的化工污水處理技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。

化工污水通常含有有毒有害物質(zhì)，如果未經(jīng)處理直接排放，將對環(huán)境造成嚴重污染，破壞生態(tài)平衡。此外，隨著水資源的日益緊缺，污水資源化利用也成為化工行業(yè)的重要發(fā)展方向。通過有效的污水處理技術(shù)，可以實現(xiàn)污水的再生利用，節(jié)約水資源，同時減少污染物排放，達到環(huán)保和經(jīng)濟效益的雙重目標。

傳統(tǒng)的化工污水處理方式往往存在處理效率低、能耗高、操作復雜等問題。隨著自動化控制技術(shù)的發(fā)展，越來越多的化工企業(yè)開始將自動化控制系統(tǒng)應用于污水處理過程中。自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對污水處理過程的精確控制，提高處理效率，降低能耗，減少人工操作成本，同時提高污水處理的穩(wěn)定性和可靠性。

PLC（Programmable Logic Controller）作為一種可編程邏輯控制器，在自動化控制系統(tǒng)中發(fā)揮著核心作用。它具有編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點，特別適用于工業(yè)環(huán)境下的自動化控制。在化工污水處理過程中，PLC能夠?qū)崿F(xiàn)對各個處理單元的精確控制，根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整處理參數(shù)，確保污水處理過程的穩(wěn)定運行。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

（一）國內(nèi)外化工污水處理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外在化工污水處理技術(shù)方面已經(jīng)取得了顯著進展。傳統(tǒng)的物理、化學和生物處理方法不斷完善，同時新型處理技術(shù)如膜分離技術(shù)、高級氧化技術(shù)等也不斷涌現(xiàn)。這些新技術(shù)的應用為化工污水處理提供了更多的選擇。然而，由于化工污水的復雜性，仍存在一些難以處理的問題，如高鹽度、高濃度有機廢水等。

（二）自動化控制系統(tǒng)在化工污水處理中的應用現(xiàn)狀

自動化控制系統(tǒng)在化工污水處理中的應用已經(jīng)越來越普遍。通過引入自動化控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對污水處理過程的實時監(jiān)控和調(diào)整，提高處理效率和質(zhì)量。然而，目前自動化控制系統(tǒng)在化工污水處理中的應用仍存在一些問題，如系統(tǒng)穩(wěn)定性不足、控制精度不高等，需要進一步改進和優(yōu)化。

（三）PLC技術(shù)的發(fā)展趨勢及其在污水處理領(lǐng)域的應用前景

隨著科技的不斷發(fā)展，PLC技術(shù)也在不斷進步和完善。未來PLC技術(shù)將朝著更高性能、更低成本、更易集成的方向發(fā)展。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新技術(shù)的發(fā)展，PLC將與這些技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)更智能化、遠程化的控制。在污水處理領(lǐng)域，PLC技術(shù)的應用前景廣闊。引入PLC技術(shù)，可以實現(xiàn)對污水處理過程的更精確控制，提高處理效率和質(zhì)量，降低能耗和成本。同時，PLC技術(shù)還可以與其他技術(shù)相結(jié)合，形成更完善的自動化控制系統(tǒng)，為化工污水處理領(lǐng)域的發(fā)展注入新的活力。

二、化工污水處理工藝及自動化控制需求分析

（一）化工污水處理工藝及流程

化工污水處理是一個復雜的過程，通常包括預處理、生物處理、深度處理和污泥處理與處置等多個階段。每個階段都有其特定的目的和處理方法，共同構(gòu)成了一個完整的污水處理工藝流程。

預處理工藝是化工污水處理的第一道工序，其主要目的是去除污水中的大顆粒物質(zhì)、懸浮物、油脂等，以減輕后續(xù)處理單元的負擔。常見的預處理工藝包括格柵除渣、沉砂池除砂、調(diào)節(jié)池均質(zhì)均量等。這些工藝可以有效地提高污水的可處理性，為后續(xù)的生物處理和深度處理創(chuàng)造有利條件。

生物處理工藝是化工污水處理的核心環(huán)節(jié)，其主要利用微生物的代謝作用來去除污水中的有機物。根據(jù)微生物的生長方式和供氧方式的不同，生物處理工藝可分為好氧處理和厭氧處理。好氧處理工藝如活性污泥法、生物膜法等，厭氧處理工藝如厭氧消化、厭氧濾池等。這些工藝的選擇應根據(jù)污水的性質(zhì)和處理要求來確定。

（二）自動化控制需求分析

在化工污水處理過程中，自動化控制系統(tǒng)的應用可以有效地提高處理效率、降低能耗、減少人工操作成本等。因此，對自動化控制系統(tǒng)的需求也日益增長。

化工污水處理過程中需要控制的參數(shù)眾多，如進出水流量、水質(zhì)指標（如COD、BOD、NH3-N等）、溶解氧、污泥濃度等。這些參數(shù)的控制直接影響到污水處理的效果和穩(wěn)定性。因此，自動化控制系統(tǒng)需要實時監(jiān)測這些參數(shù)，并根據(jù)設定的控制目標進行調(diào)整和優(yōu)化。

為了滿足化工污水處理的需求，自動化控制系統(tǒng)需要具備以下功能：數(shù)據(jù)采集與傳輸、設備控制與調(diào)整、故障診斷與報警、歷史數(shù)據(jù)存儲與查詢等。這些功能可以實現(xiàn)對污水處理過程的全面監(jiān)控和管理，提高系統(tǒng)的智能化水平。

三、基于PLC的自動化控制系統(tǒng)設計

（一）總體設計方案

自動化控制系統(tǒng)是化工污水處理中的關(guān)鍵部分，基于PLC的系統(tǒng)以其高穩(wěn)定性、可編程性和易擴展性被廣泛采用。以下為系統(tǒng)設計的總體方案：

控制系統(tǒng)架構(gòu)設計?？刂葡到y(tǒng)采用分層架構(gòu)設計，包括現(xiàn)場設備層、控制層和監(jiān)控管理層?，F(xiàn)場設備層包括各類傳感器、執(zhí)行器等，負責數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行控制命令；控制層以PLC為核心，負責處理現(xiàn)場數(shù)據(jù)、執(zhí)行控制邏輯；監(jiān)控管理層則通過人機界面實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控和管理。

PLC選型及配置。根據(jù)化工污水處理的控制需求，選擇具有高性能、高可靠性的PLC?？紤]處理速度、I/O點數(shù)、通信接口、擴展能力等因素進行PLC型號選擇。同時，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和擴展需求，合理配置PLC的CPU、內(nèi)存、電源等模塊。

傳感器與執(zhí)行器選擇。傳感器用于實時檢測污水處理過程中的各種參數(shù)，如流量、液位、pH值、濁度等。執(zhí)行器則根據(jù)PLC的控制信號，對閥門、泵、風機等設備進行控制。選擇傳感器和執(zhí)行器時，需考慮其測量精度、響應時間、穩(wěn)定性以及與被測介質(zhì)和環(huán)境的適應性。

（二）硬件設計

PLC模塊及擴展模塊設計。根據(jù)控制需求，設計PLC的I/O模塊、通信模塊、功能模塊等。對復雜的控制系統(tǒng)，可能需要使用多個PLC或擴展模塊來實現(xiàn)。設計時需考慮模塊的冗余配置，以提高系統(tǒng)的可靠性。

輸入輸出電路設計。輸入輸出電路是PLC與外部設備之間的接口。設計時需考慮信號的隔離、放大、濾波等處理，以確保信號的穩(wěn)定性和準確性。同時，還需考慮輸入輸出點的擴展和保護措施。

電源及接地設計。電源是PLC控制系統(tǒng)的動力來源，設計時需考慮電源的容量、電壓、頻率等參數(shù)，以及電源的冗余配置和防雷擊措施。接地設計則是為了確保系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定，需根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和設備要求選擇合適的接地方式。

（三）軟件設計

PLC程序設計語言選擇。根據(jù)編程人員的習慣和項目的需求，選擇合適的PLC程序設計語言，如梯形圖、指令表、順序功能圖等。設計時需考慮語言的可讀性、可維護性和可擴展性。

控制邏輯及算法設計。根據(jù)污水處理工藝和控制需求，設計PLC的控制邏輯和算法。包括順序控制、條件控制、定時控制等。對于復雜的控制過程，可能需要采用模糊控制、PID控制等高級算法。

人機界面設計。人機界面是操作人員與控制系統(tǒng)進行交互的界面。設計時需考慮界面的友好性、直觀性和易操作性。界面應能顯示污水處理過程的實時數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)、報警信息等，并能提供操作按鈕、曲線圖、報表等交互元素。

（四）系統(tǒng)集成與調(diào)試

硬件與軟件的集成。在完成硬件和軟件設計后，需將兩者進行集成。集成過程中需確保硬件與軟件的兼容性和通信暢通。對復雜的控制系統(tǒng)，可能需要采用分步集成的方法，逐步驗證系統(tǒng)的功能和性能。

系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)整定。系統(tǒng)集成完成后，需進行現(xiàn)場調(diào)試和參數(shù)設定。調(diào)試過程中需對系統(tǒng)的各項功能進行逐一驗證，確保系統(tǒng)能夠按照設計要求正常運行。參數(shù)整定則是根據(jù)實際運行效果對控制參數(shù)進行調(diào)整和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性。

故障診斷與排除。在系統(tǒng)運行過程中，可能會出現(xiàn)各種故障。設計時需考慮故障診斷和排除的措施，可以通過PLC的故障診斷功能、傳感器的故障檢測功能以及操作人員的經(jīng)驗來判斷故障原因并采取相應的排除措施。同時，系統(tǒng)應具備完善的報警和記錄功能，以便及時發(fā)現(xiàn)和處理故障。

四、基于PLC的自動化控制系統(tǒng)應用與性能評估

（一）系統(tǒng)應用案例分析

實際應用場景介紹。在某化工企業(yè)的污水處理過程中，引入了基于PLC的自動化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)負責監(jiān)控和調(diào)節(jié)污水處理流程中的關(guān)鍵參數(shù)，如流量、pH值、化學需氧量（COD）等，以確保出水水質(zhì)符合環(huán)保標準。

系統(tǒng)安裝與調(diào)試過程。系統(tǒng)的安裝包括PLC控制柜的現(xiàn)場安裝、傳感器與執(zhí)行器的安裝與接線等。在安裝過程中，遵循相關(guān)的電氣安全規(guī)范和現(xiàn)場環(huán)境要求。調(diào)試過程則包括硬件與軟件的聯(lián)合調(diào)試、控制參數(shù)的初步整定等。在調(diào)試過程中，充分利用了PLC的故障診斷功能，及時發(fā)現(xiàn)了并解決了一些潛在問題。

運行效果及問題分析。系統(tǒng)投入運行后，實現(xiàn)了對污水處理過程的自動化控制。實時調(diào)整處理參數(shù)，有效提高了出水水質(zhì)和處理效率。然而，在運行過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，如某些傳感器的測量精度不夠高、執(zhí)行器的響應速度不夠快等。針對這些問題，采取了相應的改進措施，如更換更高精度的傳感器、優(yōu)化執(zhí)行器的控制算法等。

（二）性能評估指標與方法

控制精度評估?？刂凭仁窃u估自動化控制系統(tǒng)性能的重要指標之一。通過對比實際測量值與設定值之間的偏差，可以評估系統(tǒng)的控制精度。在本案例中，采用了均方誤差（MSE）和絕對誤差（AE）等統(tǒng)計指標來評估控制精度。

系統(tǒng)穩(wěn)定性評估。系統(tǒng)穩(wěn)定性是另一個重要的性能指標。通過觀察系統(tǒng)在不同工況下的運行表現(xiàn)，可以評估其穩(wěn)定性。在本案例中，采用了故障率、平均無故障時間（MTBF）等指標來評估系統(tǒng)穩(wěn)定性。

能耗與效率評估。能耗和效率是評估自動化控制系統(tǒng)經(jīng)濟性的重要指標。通過對比系統(tǒng)在運行過程中的能耗和處理效率，可以評估其經(jīng)濟性。在本案例中，采用了單位能耗處理量、處理效率等指標來評估能耗與效率。

（三）與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的對比分析

控制效果對比。與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)相比，基于PLC的自動化控制系統(tǒng)在控制精度、穩(wěn)定性和響應速度等方面均表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。通過對比分析實際運行數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)基于PLC的系統(tǒng)能夠更好地適應污水處理過程中的各種變化，實現(xiàn)更精確的控制。

成本與維護對比。基于PLC的系統(tǒng)，初期投資相對較高，但由于其高度的集成化和模塊化設計，后期的維護和升級成本大幅降低。同時，由于PLC系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性較高，也減少了因故障停機帶來的損失。

技術(shù)優(yōu)勢與局限性分析?；赑LC的自動化控制系統(tǒng)具有編程靈活、擴展性強、通信方便等技術(shù)優(yōu)勢。然而，也存在一些局限性，如對現(xiàn)場環(huán)境的適應性要求較高、對操作人員的技能要求較高等。在未來的發(fā)展中，需要針對這些局限性進行改進和優(yōu)化，以進一步提高系統(tǒng)的性能和適應性。

參考文獻：

［1］ 劉艷紅，項亞南，徐濤. 基于PLC與HMI的煤化工污水處理系統(tǒng)設計與應用［J］. 自動化與儀表，2022，37（09）：64-68+93.

［2］ 白雪寧，寧煜，穆龍濤. PLC的化工污水處理自動化控制系統(tǒng)設計［J］. 粘接，2021，48（12）：146-150.

［3］ 梁妮，黨志勇，王迎軍. 煤炭化工污水處理DCS控制系統(tǒng)改造研究［J］. 內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟，2021（22）：23-25.

［4］ 程晟. 基于PLC的桁架機械手控制系統(tǒng)設計［J］. 機械工程師，2023（10）：34-36+39.