城市污水處理控制系統的優化設計

摘 要：在城市污水處理的過程中，控制系統具有非常重要的作用，為了高效、經濟的處理污水，文章對傳統的控制系統進行分析，發現其在整體控制系統和曝氣控制系統方面存在明顯的缺陷，進而對其優化設計，為實際應用提供有意義的參考價值。

關鍵詞：污水；處理；工藝；控制系統；優化

引言

隨著科技水平的進步，城市工業迅速發展，人們生活水平不斷提高，使得生活用水和工業廢水逐漸增加，這就需要加快城市污水處理工程的建設，減少對環境的污染。然而，整體來說，我國目前的處理技術與國際水平相比還較落后，水質也得不到有效提高，不能充分利用。所以，急需優化設計出一套先進的控制系統，提高污水處理效率，節約能源。

1 城市污水處理傳統控制系統概述

污水處理過程中，控制系統起著舉足輕重的作用，其具有環路多、系統龐大、鏈接復雜的特點。一個污水處理廠控制系統要設計數百個開關量、模擬量，而且這些被控變量常常要根據一定的時間順序和邏輯關系運行，許多參數需要精確調節，所以選擇污水處理自控系統要充分考慮到系統的復雜性、控制變量的多樣性等，要盡可能實現閉環控制[1]。

1.1 城市污水處理工藝流程

城市污水首先進入格柵以除去大塊污物和一些生活垃圾，然后進入泵房到沉砂池以降低含沙量，再到初沉池除去可沉物和漂浮物，接著到反應池，這也是整個工藝中關鍵的部分，再到二次沉淀池進行泥水分離，再到污泥濃縮池進行污泥濃縮，最后到污泥消化池，利用各種微生物分解處理污泥。污水經過一級、二級以及深度處理后即可排出。

1.2 城市污水處理傳統控制系統分析

隨著自動化控制系統在污水處理中的廣泛應用，其缺點也日益突顯。如當在正常狀態下工作時，設備運行良好，一旦受到周圍環境人為的或自然的干擾時就偏離正常軌道，雖然監控室里監測到異常，但由于系統反應存在時間滯后，就會不能及時調整儀表而導致結果出現偏差，這些問題，傳統的控制無法解決。因此，為了能排出干凈的水，有必要對現有的控制系統進行優化設計。

1.2.1 DCS控制系統分析

目前污水處理廠普遍使用集散（DCS）控制系統[2]，這種控制體系結構分為三級：分散過程控制級，集中操作監控級和綜合信息管理級，各級之間由通信網絡連接。通信網絡是DCS的神經中樞，它將物理上分散配置的多臺電腦有機連接起來，實現相互協調、資源共享的集中管理。其中分散控制級是直接面向生產過程的，控制單元與現場各種裝置如測量儀與變送器、執行器、記錄儀表等直接相連，完成數據的采集與控制、設備運行狀況的監測與故障診斷等。集中操作監控級以監視為主要任務，兼有部分管理功能，它是面向操作員與控制系統工程師的，所以這級需要配備先進技術、功能強大的計算機系統及各類外部裝置，當然還需要軟件支持，確保工作人員的監視與操作。綜合信息管理級是實現整個工廠的綜合信息的管理，主要執行污水處理量、成本核算等信息匯總、綜合、協調等管理功能，為實際處理過程提供決策指導，以保工廠的最佳經營狀態。整個操作過程理論上貌似很完善，但實際中存在很多問題，如隨著企業規模的擴大，現場的控制單元由原來處理幾個設備，現在可能要增加到幾十個，控制儀表的功能和精度可能還完不成這么多任務，而且一個設備出現故障就會導致現場多處設施不能正常運行甚至停轉，這就嚴重影響污水處理的效率。因此，需要對現有的控制系統進行優化設計，以解決其運行過程中存在的問題。

1.2.2 曝氣控制系統分析

在不同的時期內，進入污水廠的水質和水量是不一樣的，則在處理過程中所消耗的氧氣量當然也不一樣，然而，只有保證供氧量和耗氧量相等，才能保證污水處理過程穩定運行，才能使得水質達標，這在廢水的二級處理也就是生物處理階段是十分重要的。在該階段主要是通過對曝氣機的控制來控制供氧量的[2]。

城市污水傳統處理流程中對曝氣系統的控制采用單回路控制， 這是最簡單也是最基本的一種控制過程。該控制系統共有四個環節，依次是調節器、執行器、被控過程和測量元件與變送器，每個環節既要接受上一個環節的作用，同時還要為下個環節提供輸入信號。當系統受到外界干擾時，控制系統的被控變量即溶氧量發生變化，經過溶氧儀的測量和變送器的傳輸，與設定值進行比較，得出偏差值，然后輸入到調節器，調節器根據偏差的大小，經過內部自行運算后，輸出一個控制信號，來指示執行器調節閥門大小，最后達到控制溶解量的目的。但是在這個控制系統中，沒有鼓風機，簡言之，如果鼓風機帶入干擾影響到最終的測量值，這個系統是無法自動調節的，這當然讓就會影響到正常的污水處理過程；另外該系統的調節速度和準確度也不高，還會磨損設備。

2 城市污水處理控制系統的優化設計

2.1 DCS系統的改進

用FCS（即現場總線控制系統）代替DCS控制系統，將控制站化整為零，分散分布到各臺現場總線儀表中，現場總線上構成分散的控制回路，實現了徹底的分散控制。相比較DCS控制系統，FCS優點體現在以下幾方面：（1）用一對通信線連接多臺數字儀表；（2）用多變量、雙向、數字式的傳輸方式；（3）現在儀表用多功能的；（4）虛擬控制站用分散式；（5）改變了傳統的信號標準、通信標準和系統標準；（6）從自動化系統體系結構、設計方法和調試安裝方法方面進行了改革[3]。這樣就使得，生產現場，當一臺設備出現故障，并無影響其他設備的正常運行，解決了同一級相互影響的缺點。

2.2 曝氣控制系統的優化設計

把曝氣控制系統由原來的單回路控制改為串級回路控制，也就是再增加一套副控制回路，即增加對鼓風機的自動控制，進而控制曝氣量，加快控制速度，經濟而高效。

串級控制回路中，把曝氣池內溶氧量DO作為主調參數，把鼓風機的壓力作為副調參數，以便快速穩定DO。在正常情況下，曝氣池內的需氧量恒定，曝氣量保持不變，DO與設定值相等。事實上，在操作過程中，不可避免地要受到各種干擾，大致可以分為三種情況：（1）干擾進入副回路；（2）干擾進入主回路；（3）干擾同時進入主、副回路；但不管干擾進入哪個回路，通過副回路的粗調和主回路的細調，都能使DO快速恢復到設定值，調節速度明顯要快于單回路的控制。

3 結束語

對于廢水處理各國都投資了大量的人力、財力、物力，只有不斷的去尋找問題，發現問題，解決問題，這樣才能使廢水處理技術不斷的完善成熟起來。而且隨著社會的發展，高科技應用得到蓬勃發展，未來城市的廢水處理技術一定會更高效更經濟。

參考文獻

[1]佟玉衡.廢水處理[M].化學工業出版社，2004，10.

[2]梅從明.大型污水處理處理處理廠自動控制系統設計與應用[J].2009，12.

[3]王毅，張早.過程裝備與控制技術及應用[M].2012，7.

作者簡介：王瑞（1981-），女，陜西府谷人，碩士，延安大學講師；研究方向：過程裝備與控制工程。