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基于PLC的污水处理系统设计市场调研报告
严晓峰
（江苏大学京江学院 电气工程及其自动化 江苏.镇江）
摘要：本文介绍了近年来全国污水排放情况、国内外污水处理方面的相关技术及其发展，重点关注了采用西门子S7-300的污水处理控制系统。针对我国目前污水处理自动化控制系统自动化程度较低的现状，本文对基于西门子S7-300PLC 的污水自动处理控制系统进行了设计研究，简要给出了自动控制系统的体系结构，对于进一步提高污水处理自动化程度具有很好的借鉴意义。
关键字：污水处理 PLC控制 自动控制系统
0 引言
水是生命之源、生产之要、生态之基。新中国成立以来特别是改革开放以来，水资源开发、利用、配置、节约、保护和管理工作取得显著成绩，为经济社会发展、人民安居乐业作出了突出贡献。但必须清醒地看到，人多水少、水资源时空分布不均是我国的基本国情和水情，水资源短缺、水污染严重、水生态恶化等问题十分突出，已成为制约经济社会可持续发展的主要瓶颈。地球上的水
地球上水的总储量为13.86亿立方公里，我们通常说的水资源主要是陆地上的淡水资源，淡水只占0。9%；而其中人类比较容易利用的淡水资源约占全球淡水总储量的0。3%（全球总储水量的7/100000）,其中大部分以冰雪的形态在南、北极储存。而对人类生活最密切的湖泊，河流和浅层地下的淡水仅占淡水总储量的0。02%。污水排放情况
2008年全国废水排放量约为572亿吨，排放达标率约为72%，其中工业废水排放达标率为92%，城镇生活污水排放达标率约为57%。
2009环境统计公报，共589.2亿吨，其中工业234.4亿吨。
2010年，全国废水排放总量617.3亿吨，比上年增加4.7%。工业废水排放量237.5亿吨，比上年增加1.3%；工业废水排放量占废水排放总量的38.5%，比上年有所降低。生活污水排放量379.8亿吨，比上年增加7.0%；生活污水排放量占废水排放总量的61.5%，高于上年。
自2001年以来，废水排放总量呈持续上升趋势。其中，生活污水排放量始终呈增长趋势，而工业废水排放量近年来总体上稳中有降。
表1全国废水及其主要污染物排放量年际对比
项目 废水排放量（亿吨）化学需氧量排放量（万吨）氨氮排放量（万吨）
年度 合计 工业 生活 合计 工业 生活 合计 工业 生活 2001 433.0 202.7 230.3 1404.8 607.5 797.3 125.2 41.3 83.9 2002 439.5 207.2 232.3 1366.9 584.0 782.9 128.8 42.1 86.7 2003 460.0 212.4 247.6 1333.6 511.9 821.7 129.7 40.4 89.3 2004 482.4 221.1 261.3 1339.2 509.7 829.5 133.0 42.2 90.8 2005 524.5 243.1 281.4 1414.2 554.7 859.4 149.8 52.5 97.3 2006 536.8 240.2 296.6 1428.2 542.3 885.9 141.3 42.5 98.8 2007 556.8 246.6 310.2 1381.8 511.0 870.8 132.4 34.1 98.3 2008 571.7 241.7 330.0 1320.7 457.6 863.1 127.0 29.7 97.3 2009 589.7 234.5 355.2 1277.5 439.7 837.8 122.6 27.3 95.32010 617.3 237.5 379.8 1238.1 434.8 803.3 120.3 27.3 93.0 增长率（%）
4.7 1.3 6.9-3.1-1.1-4.1-1.9 0-2.43 污水处理技术
现代污水处理技术，按处理程度划分，可分为一级、二级和三级处理。
一级处理，主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水，BOD一般可去除30%左右，达不到排放标准。一级处理属于二级处理的预处理。
二级处理，主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质(BOD，COD物质)，去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准。
三级处理，进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂率法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗分析法等。
整个过程为通过粗格删的原污水经过污水提升泵提升后，经过格删或者筛率器，之后进入沉砂池，经过砂水分离的污水进入初次沉淀池，以上为一级处理(即物理处理)，初沉池的出水进入生物处理设备，有活性污泥法和生物膜法，(其中活性污泥法的反应器有曝气池，氧化沟等，生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化法和生物流化床)，生物处理设备的出水进入二次沉淀池，二沉池的出水经过消毒排放或者进入三级处理，一级处理结束到此为二级处理，三级处理包括生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂滤法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗析法。二沉池的污泥一部分回流至初次沉淀池或者生物处理设备，一部分进入污泥浓缩池，之后进入污泥消化池，经过脱水和干燥设备后，污泥被最后利用。
目前国内大中型城市污水处理厂经常采用的污水处理工艺有传统活性污泥法、A2/O、SBR、氧化沟等。生物处理（活性污泥法）中采用的处理工艺有:氧化塘法:Carrousel.交替式.Orbal.Phostrip法.Phoredox法.SBR法、AB法、生物
流化床法、ICEAS法、DAT－IAT法、CASS（CAST，CASP）法、UNITANK法、MSBR法、A/O法、A2/O、A3/O、UCT法、VIP法、UASB法、一体化生化法、集成生化加过滤法、增加流动载体法、深井曝气法、生物滤池法、生物转盘法、塔式生物滤池的生物膜法等等的城市污水一级、二级、深度处理法。其余相关污水处理工艺有：循环间歇曝气污水处理工艺、旋转接触氧化污水处理工艺、连续循环曝气系统工艺。
污水处理设备有许多，但最主要的有以下几种： 1.离心机 2.污泥脱水机 3.曝气机 4.微滤机 5.气浮机等。
国外发展情况：
国外一些发达国家，如美国、日本、西欧等国，由于这些国家经济发达，并较早的实现了工业现代化。环境问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，对污水的处理更先进一些，同时也得到了这些国家政府的重视，投入了大量的人力、物力进行油田污水处理的研究。这些国家在研究水处理新理论和工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。先后投资研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。一些发达国家经过几十年的努力，污水处理率已经达到80%~90%，成功地解决了来自于工业的点源污染问题。同时一些国家开始重视污水的回用，如以色列的污水回用率达到了90%。
由于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂很早就实现了网络控制，如DCS、FCS系统。同时国外较早的SCADA技术引入到了给排水工程当中，并取得了良好的经济效益与社会效益。国外同时注重水处理中PLC的开发，相继研制出了一些智能、稳定、小巧的控制单元，如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列、Schneider的TSX Quantum系列。同时国外也很重视在线仪表的研制，如德国E+H公司，美国的哈希公司相继研制了溶解氧DO（Diolved Oxygen）、化学需氧量COD（Chemical Oxygen Demand）分析仪。国外污水处理自控系统主要存在以下特点：
（1）采用集散控制系统DCS和现场控制系统FCS。按照厂区的自身情况和工艺段来划分若干个控制站，站与站之间可以平级关系也可以是上下级关系，站与站之间一般独立运行。设立中控室，中控室友操作员站和工程师站，负责全厂的数据管理与记录、报表等工作。
（2）大量采用在线监测的水质分析仪表对全厂的水质进行实时监测，并有上位机记录下来，提高了测量精度。
（3）生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式。
（4）大量采用遥测、遥控设备，并开始有效地利用社会信息资源，如电话网络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。
国内发展情况：
随着工业的发展，各项先进、成熟的污水处理技术逐渐引进、应用于现场生产。主要污水处理设备及配套没备基本实现了国产化，并逐步形成了系列化、规模化，如用于不同条件下的过滤设备、气浮选、压力除油、液—液旋流除油等除油处理设备、药剂投加设备等。水处理的自动化程度有了提高。过滤处理、污泥脱水、气浮装置、加药装置等实现了PLC集成面板自动控制；流量、液位、以及
悬浮周体含量等水质指标也实现了实时在线监测。水处理更加重视工艺和化学的有机结合。水处理剂的品种增多、效能提高。水化学的研究手段增强、水平提高。特别是针对污水达标外排处理的要求。开展了水微生物学的研究，发展应用了生化处理技术，特别是开展生化处理以后，水微生物学的研究从无到有逐步发展，开始建立用于污水、污泥处理的菌种库，适应了达标外排处理的需要。污水自动化处理控制系统总体设计
现代化的污水处理系统需要实现管理与控制一体化、实现办公自动化。控制系统不仅与下层控制设备有良好的接口, 而且具有与上层管理系统集成的接口, 同时具有可扩展性。所以现代化污水处理系统要求在底层采用现场总线或者工业以太网等技术, 上层则选用优秀的监控组态软件。为了加强系统的可靠性, 使整个系统长时间无故障地运行, 需要采用冗余和容错技术。根据全集成自动化(To tally In tegrated Automation)的思想, 将污水厂控制系统分为管理级、控制级、现场级。
4.1 管理级—中央控制室
管理级是系统的核心部分, 完成对污水处理过程各部分的管理和控制, 并实现厂级的办公自动化。管理级提供人机接口, 是整个控制系统与控制部分信息交换的界面。管理级的各台计算机具有相互通信功能, 实现数据交换和共享。考虑到管理层功能结构的层次性和可分割性, 采用客户/服务器的体系结构。服务器选用大型的网络关系数据库,满足开放、分布式数据库管理方法的要求。由服务器、管理部门计算机等站点的计算机组成计算机办公局域网。中央监控计算机及车间级现场控制站组成厂区工业控制网, 完成对各车间范围内的生产过程、仪表、设备的监控与控制;系统采用研华公司生产的两台工业计算机(操作员站及工程师站)互为备用, 它们之间的通信协议是TCP / IP。
4.2 控制级—现场控制站
控制级是实现系统功能的关键, 也是管理级与现场级之间的枢纽层, 其主要功能是接收管理层的参数或命令, 对污水处理生产过程进行控制, 同时将现场状态送到管理层。控制器是整个系统的核心, 选用西门子S7-300作为控制器, 该控制器配置一个TCP / IP通信模块接口, 并通过I/O 模块连接,与现场设备和传感器通信。
共设两个分布控制站，各站实现功能如下：
1）PLC1站
（1）对粗格栅的监控，对细格栅的监控；（2）对提升泵（含变频器）控制，进水井闸阀状态的读取；（3）对污泥泵的监控，污泥流量的监测，积算；（4）对脱水机的监控，压榨机的调节控制。
2）PLC2 站
（1）曝气池内氧含量的读取；（2）鼓风机的起停控制，设置溶解氧定值用于鼓风机的自动调节；（3）鼓风机的温度、压力信号的读取及对鼓风机的过热保护；（4）回风阀及冷凝水电磁阀的状态读取；（5）对刮稀泥机的监控。
4.3 现场级—现场控制箱及仪表
现场级是实现系统功能的基础。现场级主要由一次仪表、控制设备组成。其功能主要是完成其范围内的生产过程、仪表、设备的监视与监测并把监测到的数据上传;接收控制级的指令对执行机构进行控制。基于西门子PLC的污水自动处理控制系统的设计与实现
污水处理厂自动控制方式有三种：就地手动控制、远程手动控制、远程自动控制，其控制级别按此顺序由高到低排列。远程控制又包括手动控制和自动控制。当现场控制站上的状态选择开关打到“远程”档时，远程控制起作用。在上位机的监控画面上设置“远程手动”、“远程自动”按钮。当设备处于“远程手动”时，操作人员可通过中央监控室的监控画面对现场设备进行启停、开关控制。远程手动控制一般用于测试单个设备的工作是否正常、测试通信网络的畅通与否、并辅助“自动控制”在自动控制出现故障时及时调节设备运行。当设备处于“远程自动”时，整个系统无需工作人员的参与，设备的运行完全由各现场控制站的PLC根据污水处理厂的实际工况及生产要求进行控制。我们控制的最终目的就是在保证生产质量即出水水质达标的前提下，实现不需要人为干预的远程自动控制。结语
污水已成为制约经济可持续发展的主要原因之一。污水处理的自动化监控系统的研究可以为污水处理工艺的开发研制和创新提供理论基础，也可以为污水处理厂的技术改造提供科学的方法。
［参考文献］
[1]刘欣凯.国内外城市污水处理现状及展望[J].防灾博览.2005.[2]徐孝斌.广西博世科环保科技股份有限公司.广西南宁530007.[3]姚传峰.山东交通职业学院机械系.山东潍坊 261206.[4]陈忠平.西门子S7—300/400系列PLC自学手册.人民邮电出版社.[5]金兆丰.污水处理组合工艺及工程实例.化学工业出版社.
