基于PLC的化工污水處理自動化控制系統設計研究

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節。其次，重點描述了基于PLC的自動化控制系統的設計方案，包括總體架構、硬件與軟件設計、系統集成與調試等方面。最后，通過實際應用案例分析了系統的運行效果，并提出了性能評估指標與方法，同時與傳統控制系統進行了對比分析。結果表明，基于PLC的自動化控制系統在化工污水處理中具有顯著的優勢和良好的應用前景。

【關鍵詞】 化工污水處理；PLC；自動化控制系統；化工業

隨著工業化的快速發展，化工行業產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境保護領域的重要問題。化工污水的有效處理不僅關系到企業的可持續發展，還直接影響周邊生態環境和居民的生活質量。因此，研究高效、穩定的化工污水處理技術具有重要的現實意義。

化工污水通常含有有毒有害物質，如果未經處理直接排放，將對環境造成嚴重污染，破壞生態平衡。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的重要發展方向。通過有效的污水處理技術，可以實現污水的再生利用，節約水資源，同時減少污染物排放，達到環保和經濟效益的雙重目標。

傳統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的發展，越來越多的化工企業開始將自動化控制系統應用于污水處理過程中。自動化控制系統能夠實現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，在自動化控制系統中發揮著核心作用。它具有編程靈活、可靠性高、抗干擾能力強等優點，特別適用于工業環境下的自動化控制。在化工污水處理過程中，PLC能夠實現對各個處理單元的精確控制，根據實時監測數據調整處理參數，確保污水處理過程的穩定運行。

一、國內外研究現狀及發展趨勢

（一）國內外化工污水處理技術發展現狀

目前，國內外在化工污水處理技術方面已經取得了顯著進展。傳統的物理、化學和生物處理方法不斷完善，同時新型處理技術如膜分離技術、高級氧化技術等也不斷涌現。這些新技術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）自動化控制系統在化工污水處理中的應用現狀

自動化控制系統在化工污水處理中的應用已經越來越普遍。通過引入自動化控制系統，可以實現對污水處理過程的實時監控和調整，提高處理效率和質量。然而，目前自動化控制系統在化工污水處理中的應用仍存在一些問題，如系統穩定性不足、控制精度不高等，需要進一步改進和優化。

（三）PLC技術的發展趨勢及其在污水處理領域的應用前景

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

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、懸浮物、油脂等，以減輕后續處理單元的負擔。常見的預處理工藝包括格柵除渣、沉砂池除砂、調節池均質均量等。這些工藝可以有效地提高污水的可處理性，為后續的生物處理和深度處理創造有利條件。

生物處理工藝是化工污水處理的核心環節，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污水的性質和處理要求來確定。

（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，對自動化控制系統的需求也日益增長。

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

為了滿足化工污水處理的需求，自動化控制系統需要具備以下功能：數據采集與傳輸、設備控制與調整、故障診斷與報警、歷史數據存儲與查詢等。這些功能可以實現對污水處理過程的全面監控和管理，提高系統的智能化水平。

三、基于PLC的自動化控制系統設計

（一）總體設計方案

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

控制系統架構設計。控制系統采用分層架構設計，包括現場設備層、控制層和監控管理層。現場設備層包括各類傳感器、執行器等，負責數據的采集和執行控制命令；控制層以PLC為核心，負責處理現場數據、執行控制邏輯；監控管理層則通過人機界面實現對整個系統的監控和管理。

PLC選型及配置。根據化工污水處理的控制需求，選擇具有高性能、高可靠性的PLC。考慮處理速度、I/O點數、通信接口、擴展能力等因素進行PLC型號選擇。同時，根據系統規模和擴展需求，合理配置PLC的CPU、內存、電源等模塊。

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

（二）硬件設計

PLC模塊及擴展模塊設計。根據控制需求，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，可能需要使用多個PLC或擴展模塊來實現。設計時需考慮模塊的冗余配置，以提高系統的可靠性。

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控制系統的動力來源，設計時需考慮電源的容量、電壓、頻率等參數，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的安全和穩定，需根據現場環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據、設備狀態、報警信息等，并能提供操作按鈕、曲線圖、報表等交互元素。

（四）系統集成與調試

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，可能需要采用分步集成的方法，逐步驗證系統的功能和性能。

系統調試與參數整定。系統集成完成后，需進行現場調試和參數設定。調試過程中需對系統的各項功能進行逐一驗證，確保系統能夠按照設計要求正常運行。參數整定則是根據實際運行效果對控制參數進行調整和優化，以提高系統的控制精度和穩定性。

故障診斷與排除。在系統運行過程中，可能會出現各種故障。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驗來判斷故障原因并采取相應的排除措施。同時，系統應具備完善的報警和記錄功能，以便及時發現和處理故障。

四、基于PLC的自動化控制系統應用與性能評估

（一）系統應用案例分析

實際應用場景介紹。在某化工企業的污水處理過程中，引入了基于PLC的自動化控制系統。該系統負責監控和調節污水處理流程中的關鍵參數，如流量、pH值、化學需氧量（COD）等，以確保出水水質符合環保標準。

系統安裝與調試過程。系統的安裝包括PLC控制柜的現場安裝、傳感器與執行器的安裝與接線等。在安裝過程中，遵循相關的電氣安全規范和現場環境要求。調試過程則包括硬件與軟件的聯合調試、控制參數的初步整定等。在調試過程中，充分利用了PLC的故障診斷功能，及時發現了并解決了一些潛在問題。

運行效果及問題分析。系統投入運行后，實現了對污水處理過程的自動化控制。實時調整處理參數，有效提高了出水水質和處理效率。然而，在運行過程中也發現了一些問題，如某些傳感器的測量精度不夠高、執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、優化執行器的控制算法等。

（二）性能評估指標與方法

控制精度評估。控制精度是評估自動化控制系統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）等統計指標來評估控制精度。

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

能耗與效率評估。能耗和效率是評估自動化控制系統經濟性的重要指標。通過對比系統在運行過程中的能耗和處理效率，可以評估其經濟性。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）與傳統控制系統的對比分析

控制效果對比。與傳統控制系統相比，基于PLC的自動化控制系統在控制精度、穩定性和響應速度等方面均表現出顯著優勢。通過對比分析實際運行數據，可以發現基于PLC的系統能夠更好地適應污水處理過程中的各種變化，實現更精確的控制。

成本與維護對比。基于PLC的系統，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系統的可靠性和穩定性較高，也減少了因故障停機帶來的損失。

技術優勢與局限性分析。基于PLC的自動化控制系統具有編程靈活、擴展性強、通信方便等技術優勢。然而，也存在一些局限性，如對現場環境的適應性要求較高、對操作人員的技能要求較高等。在未來的發展中，需要針對這些局限性進行改進和優化，以進一步提高系統的性能和適應性。

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控制系統改造研究［J］. 內蒙古煤炭經濟，2021（22）：23-25.

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