工业废水及回用水处理自动化

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1、工业废水处理系统的自控设计一 工业回用水处理系统自控现状n 污水处理厂回用水分厂采用的污水处理工艺 有生物陶粒接触氧化法，针对市政二级净化水进 行深度处理，达到工业用冷却水的标准，用于工 业生产中，以便污水资源化,实现对水资源的保 护和利用。该工艺原有控制系统完全是手动操作 ，工艺运行极不稳定，事故率极高，维修工作量 很大，不能保证用户的稳定用水。 自控系统设计的基本思路n回用水工艺完成的是对污水的调控。由于被控象水质、 水量的多变性和不确定性，给实现工艺的自动化控制带 来了一定的难度。n考虑到回用工艺具有一定的统一性，但各个单元又有其 相对的独立性，更适合分散控制，以及工艺实现要求对 现场设

2、备进行大量的顺序逻辑控制，而对反馈调节的要 求相对较少等情况，控制设备采用Profibus总线技术组 建了具有分布式结构的计算机自动控制系统，建立了二 层式控制网络。自动控制的系统构成n第一层：生产过程控制层。n 主要由现场PLC、远程I/O链、在线检测及分析仪 表、电控设备和调节设备等组成，分为4个PLC控制站 ，其主要功能是完成工艺控制，对数据进行采集处理 并传递信息。n 自控系统第一层结构n 智能化在线检测及分析仪表：电磁流量计 、气体流量计、温度计、超声波液位计、pH分 析仪、余氯分析仪和COD分析仪。n 这些仪表均是以4 mA20 mA DC的标准信 号送入现场PLC控制站进行数据的

3、分析处理、 报警和信息传递,同时现场PLC控制站发出同样 的标准信号来控制某些连续动作的装置,如调 节阀等。自控系统第一层结构n 现场PLC控制站也可以控制继电器或中间继 电器,从辅助触点上取得开关量输入信号,以获 得设备的运行状态和操作状态,如泵的运行/停 止、阀门的开/闭等信息。现场PLC还可以发出 开关量输出信号,用来触发执行机构,从而实现 工艺调控,对设备运行进行连续控制。自动控制的系统构成n第二层：集中监控层,又称中心控制室n 主要由工业控制计算机、网络服务器和输 入/输出设备组成。两台工控机互为备用,通过 操作权限的设置,分别承担操作站及工程师站 的职能。自控系统第二层结构n 作为

4、整个自动化控制系统中人机信息交换 的中心，工控机等设备长期在线运行，定时检 测各现场PLC控制站采集的数据，对各工艺参数 、动力设备的工作状态进行实时显示、记录、 存储、打印和事故报警等。系统操作人员在操 作站可以通过输入、输出设备调整生产设备的 工作状态。自控系统的第二层结构n 系统工程师在工程师站可方便地进行系统组 态，绘制显示图表，建立有关数据站，可以实 时地监控工艺过程、显示工艺参数及掌控设备 运行状况。n 另外，中心控制室还具有上呈下达的功能 ，可以实时地将各类信息及时下传至各PLC控 制站，上传至生产调度管理层。自控系统的控制原则n 控制系统综合了安装调试、单体运行、联 动运行及维

5、护检修等因素,依据分级控制的原则 ,设定了现场控制、远程集中控制功能。其中现 场控制拥有最优权;集中控制可根据工艺要求及 设备条件,实现手动操作和自动操作。处理工艺中主要控制流程的实现n1 流量的控制n在污水回用工艺中，污水必须维持在一个恒定 的流量，这就要求提升泵在保证工艺流程压力 的前提下，输出一个恒定的流量。由此，提升 泵设置为2台，一开一备，采用变频调整系统， 以此调节提升泵电机的工作频率f，形成对流量 的闭环反馈控制从而达到对污水流量的控制。流量的控制过程n 设定工艺流程所需的污水流量Q=N(常数)，在工频 状态下起动提升泵，当出水压力为0.45 MPa时，打开 出水电动蝶阀M，M的

6、开度在调试过程中进行确定， 其数值要确保管网的压力同时保证工艺上所需的流量 。系统检测Q=N，若检测到QN，操作站发出降低电 机n运行频率f的指令；若QN，操作站发出提高电机运 行频率f的指令;直至检测到Q=N时,维持电机运行频率 f，完成对流量的控制，系统处于恒定运行状态。二 其他工艺的自控实现过程n 工艺流程作为一个整体，由相对独立的各 个单元组成，每个单元都有泵、阀门等污水净 化专用设备，这些设备均是根据工艺参数、固 定的周期按一定的逻辑关系进行开/停或开/闭 控制，所以每个单元的控制方式为顺序逻辑控 制，如对前滤池的工艺控制。另外，对工艺过 程中具体参数温度、压力、流量和液位 的控制则

7、由反馈控制来实现。自控系统的抗干扰措施n减少、消除干扰源，从电源、接地、软件设置及施工 等方面采取相应的措施:n电源采用15 kVA的UPS，以确保供电质量；n设置独立的接地网，加装直流隔离变压器，有效地将 系统地与动力接地网分离；n系统软件中设置有监控、报警等功能，对重要设备的 运行设有各类保护，如对提升泵设置了高低压保护、 过负荷保护等等；n在施工中尽可能地选用屏蔽线、双绞线，做好接地措 施，尽可能避免平行走线。自控系统的抗干扰措施n 控制系统稳定运行的保证之一是抗干扰措 施设置合理、科学。由于电网的波动、现场变 频设备的使用等等，使置于所射频场内的控制 、检测组件受到严重的电磁辐射干扰。

8、另外， 大量的电源线、信号线使得干扰源侵入计算机 系统，造成传导干扰。总结n 总之，污水回用工艺自动化控制的实现， 不仅降低了劳动强度，提高了工艺运行的稳定 性和可操作性，而且提升了企业的生产管理水 平，更重要的是为大规模的污水处理工艺中采 用中大型自控系统提供了实践经验。三 工业废水处理设备的智能监 控系统工业废水处理设备包括泵类、搅拌机、 电 机、 阀门、 液位计、 在线检测仪以及控制泵 、 阀门运行停止的电气线路和自动控制系统。 对上述设备进行智能化的控制， 必须经过检测 、 状态收集、 判断、 计算以及输出等一系列 步骤（ 如图 1 所示）。智能化的核心由计算 机或单片机完成， 而从工

9、业运行设备到计算机 则必须经过一系列的转换，如：1. 泵、 阀门等均为强电设备，而计算机、 单片机等数字化设备则为弱电设备， 因此工业设备到计算机设备之间必须经过强电 - 弱电隔 离与转换； 2. 计算机只能接受并处理数字信号， 因此采集 到的工业现场数据必须经过模拟 - 数字转换方 可进入计算机； 3. 由于通讯和计算机判断与运算的要求， 采集 到的数据必须按照一定的格式、通讯协议进行 传输，以保证数据的正确性和有效性。 4. 由计算机输出到执行机构，信号必须经过数字 - 模拟转换。1、废水处理设备运行状态的监测运行设备， 主要是指电机、 泵、搅拌机、 压滤机、 液位计、 接触器、继电器等强

10、电设 备。对上述强电设备， 其状态一般可以分为工 作、 停止两种。除直流继电器外， 其输入、 输出通常为交流信号， 且电压一般较高。在进 入计算机之前，必须经过隔离装置，以最大可 能地降低对弱电设备造成的影响。2、在线检测仪的数据收集在线检测仪是指诸如流量计、pH 计、 COD 浓度仪、 BOD 浓度仪、以及测量某些离子浓 度的仪器， 如铬、 镉、 汞等重金属离子及氰 化物等。之所以称之为在线仪， 是因为这些仪 器在工业废水的处理过程中实时地提供诸如流 量、 浓度等数据， 作为废水处理的指标，以 及施加何种控制的依据。通常，上述仪器的结 构由传感器测量头、 二次仪表组成，传感器安装在被测液体中

11、， 经过导线将信号输入至二 次仪表进行放大处理。如图 2 所示。二次仪表 输出某种形式的信号， 以便使用。输出一般有 以下几种方式：1、拟电流环输出，一般为 420mA 或 020mA 输 出（ 可选）， 对应 0 最大量程；2、数字串行输出，如采用RS232 通讯端口以一定的通讯协议输出数据； 3、直接显示， 采用 LED （ 发光二极管）或 LCD （ 液晶显示器）等。3、 运行设备的集中控制根据在线测量仪的输出、 废水处理工艺流 程、 以及运行设备当前的状态等数据， 设计 合适的逻辑判断或决策功能， 对电机、 泵、 搅拌机、 接触器、 继电器等进行集中控制。 控制原则是以弱电信号控制强电

12、设备， 根据这 一原则，控制应当施加在上述设备的二次回路 中。由于相对于 PC 机或单片机而言， 二次回 路仍然是强电回路，因此，必须采取强、 弱电 的隔离措施。4、工业废水智能监控系统的实现一套实际的工业废水处理系统， 通常对多 种不同性质废水进行处理，如电路板厂排放的 工业废水，一般可以分为含重金属废水、含油 墨废水、 含剧毒 （ 如氰化物）废水、 含沙粉 废水等， 需要安排不同的工艺进行处理。而完 成每种处理， 都需要大量的运行设备和在线测 量仪。以智能的方式完成对上述工艺的监控， 就必须多通道地、 实时地进行监控。这其中涉及到一个问题，就是如何做到 多通道监测、多通道控制。对于一个通

13、用的系统，其通道数量不应是固定不变 的， 而应当是可扩充的， 以适应不同规 模的污水处理车间的应用。采用模块化 的设计， 可以较好地解决这个问题。在 设计过程中， 必须考虑驱动能力、 各种 信号的兼容等问题， 在硬件和软件两个 方面都必须认真考虑扩充能力。5、 通讯、 数据处理与可视化界面 5.1 通讯协议完成数据的传输必须依据一定的协议， 通常由接 收方和发送方约定。根据所发送数据的内容， 协议可 以比较简单，也可以相当复杂。本小节中介绍一种自 定义的通讯协议。系统采用 9600bps 波特率， 最高层的计算机与第 二层的管理层之间采用单工方式， 管理层和第三层的 基本单元、 基本单元和扩展

14、单元之间的数据传输采用 半双工方式，串行数据采用 11 位数据： 1 个起始位 ， 8 位数据， 1 地址 / 数据位，1 个停止位。5.2 控制模块通讯协议控制模块的通讯协议与监测模块的通讯协 议类似，由 BLOCK组成， 字节数为 3 个， 由 “ 地址字节+ 通道号与控制量字节 + 校验字节 组成”；1、地址字节地址字节的内容实际上就是模块的标识， 由于第一层和第二层之间采用单工方式通讯， 计算机发送的数据只能到达控制管理模块，因 此不会产生数据的混淆。同样可知，控制模块 最大可以扩充到 256个，如果每个模块为 8 个输出通道，最大就可以有 2048 个输出通道， 可以满足一般废水处理

15、系统的要 求。 2、通道号与控制量字节该字节低三位从 0007 表示8 个输出通道号，最 高位即 D7 位表示相应控制量， D7=1 表示二次回路 闭合， D7=0 表示断开。 3、校验字节校验字节为上述三个字节的累加和的低位字节。上述通讯协议较为简单， 但可以基本满足工业废水 处理的要求，并已在实际系统中应用。5.3 数据处理数据处理由处于第一层的 PC机完成， 其 具体内容与工业废水处理的规模、 运行参数、 指标、 具体的工艺等有关。在某系统中， 对 数据与状态处理是这样的：程序中设置一个大 型数据库，用户可以输入在线仪、运行设备、 控制设备的位置、 类型、 对应的模块地址和 通道号， 用

16、户在运行前进行设置；运行过程中， 根据监测模块传输的 数据， 在数据库相应的位置填写其内容 ， 并依据预先约定的逻辑进行处理， 如 显示运行状态、 液位、PH 值、 离子浓 度、 报警、 输出控制等。数据处理的关 键在于对工艺要求的判断、 控制逻辑进 行正确的分析。5.4 可视化界面操作平台的方便和直观， 是应用领域的一 个实际要求。近年涌现的可视化及多媒体编程 技术可以很好地解决这个问题。可视化界面通常采用下拉菜单的方式， 而 泵、 搅拌机、 液位等状态的显示则采用动画 方式， 具有弹出式显示窗口和报警窗口， 在 查看数据出现故障时能够自动报警， 并能够控 制报警声级。在整个系统运行前，必须对每个 设备进行设置，如对应的模块类型、模块地址 、 通道等， 以便和通讯数据一起进行状态的显示 、 数据的计算、 逻辑的判断以及控制输出。 这种可视化界面， 具有直观、 方便的特点， 运行人员仅需进行简单的培训即可掌握。对于大型的