国内外水处理自动控制技术发展综述

摘要：环境问题与资源、人口问题已经被国际社会公认是影响可持续发展的三大关键问题。我国经济高速度连续增长，但污水处理技术却远远低于经济的发展。本文介绍了自动控制技术的发展现状，以及自动控制技术在国内外水处理中应用的发展。

关键词：自动控制、水处理、PLC、DCS

中图分类号：TK223.5 文献标识码：A

一、前言

随着人口的增加，经济的发展以及工业步伐的加快，我国城市污水的排放量也同趋增长，导致水体污染严重。然而，污水处理是一门涉及化学、物理、生物等多门科学的综合性技术，其工艺机理复杂，操作要求十分严格，实现起来难度较高。如果只凭现场人员手动操作，往往操作繁琐，劳动强度大，处理效果差。加之我国水污染控制水平较低，尤其是工业废水的污染控制，投入不足，给环境带来了严重的威胁。因此为了改变我困污水处理控制技术的这种落后现状，进行污水处理自动控制系统的研究与开发，具有非常现实的意义。

二、自动控制技术发展介绍

自动控制技术，在人类控制自然界提高劳动生产率的过程中起了重要作用。在现代工业生产中，自动控制技术是保证工业生产高质、高效、安全、连续运行的重要手段。随着现代科学技术的迅猛发展，自动控制技术也日新月异。自动控制理论和应用技术在工业生产中的应用大致经历了三个发展阶段。

第一阶段是40年代到50年代，采用传递函数进行数学描述，以根轨迹法和频率法作为分析和综合系统的基本方法，很大程度上依靠人工和经验进行系统分析和综合，设计过程中，一般将复杂的过程人为分解为若干简单过程，最终实现单回路控制，如就地式液位控制器等，自动控制水平处于较低级阶段。

第二阶段是60年代，是第二阶段现代控制理论产生，并在某些尖端领域取得成功。现代控制理论以状态空间分析方法为基础，包括以最小二乘法为基础的系统辨识、以极大值原理和动态规划为主要方法的最优控制和以卡尔曼滤波理论为核心的最佳估计三部分内容，现代控制理论对控制系统进行综合和分析时，深入提示系统内在规律性，从局部简单控制进入一定意义下的全局最优控制。

第三个阶段是70年代，计算机控制系统出现，自动控制理论及其应用技术的发展进入新时期。出现了集计算机技术、控制技术、通讯技术和图形显示技术于一体的集散控制系统(DCS)。应用集散控制系统代替常规仪表控制实现生产过程中运行参数的在线检侧，实施诊断与报普，显示设备在运行中存在的故障，分析参数的变化趋势，及时发现和预报异常运行情况，并记录运行的状态和过程，使操作人员直观、方便地管理生产的全过程。DCS系统一般由控制管理计算机(上位机)、过程控制计算机(下位机)和上下位机之间的数据通讯系统组成。

(1)上位机完成与操作人员进行信息交互，以屏幕窗口或文件表格的形式提供人与工程的界面以及人与系统的界面。根据用户的需要，可以按生产过程分段设置若干个基本操作站。

(2)下位机是控制系统的核心、系统中的控制和全部数据采集、处理等均在控制器承担。现多采用各种智能数字调节器或可编程控制器(PLC)。

(3)DCS系统中，一般采用局部网络通信，大多属于按各制造厂自身的通信协议工作。

现场总线控制系统(FCS)运用数字通信、计算机、自动控制、网络、智能仪表等先进技术，突破传统“点对点"模拟信号控制的局限性，具有全分散、开放性、全数字化、智能、双向、互联、多变量、多接点、多分支等特点。

三、国外水处理自动控制技术发展现状

环境保护己经成为我国的基本国策之一。我国环境保护理论、工艺等研究和应用虽然起步较晚，但技术水平与国外差距并不太大，差距较大的还是环保单元设备和自动控制系统。

国外发达国家由于经济发展较早，水资源不足，污染问题也较早得到重视。现在一些发达国家经过数十年的努力，城市污水处理率达到80％一90％，城市污染大大缓解，水质明显改善，随着城市污水处理厂的大规模兴建，污水处理工艺的不断完善，国外污水处理厂控制水平也迅速提高。特别是计算机和网络技术的飞速发展使得污水处理厂的监控水平也发生了本质变化。在国外，广泛采用DCS或PLC及现场总线等先进自动控制技术，有较高的自动化水平和技术含量。

在欧美国家的一些城市污水处理厂中现代化自动控制系统使用日益普遍甚至实现全自动化无人值守控制模式。如美国爱阿华水厂，在七十年代初开始研究微机自动控制水厂投加药剂，此外苏联莫斯科水厂日本东京朝霞水厂等也先后采用计算机自动控制水厂工艺取得较理想效果。现在许多美国大中型水厂均由一套集散型的自动控制系统进行控制。

四、国外污水处理厂监控系统的特点

目前国外污水处理厂监控系统普遍具有以下特点：

4.1采用分布式计算机监控系统，根据厂区分布情况分设数个分控站，设置中央控制室，操作人员通过控制和通讯网络管理处理，实现处理现场无人值守。

4.2监控系统采用冗余化设计，各分控站有独立工作能力，提高了系统的安全性和可靠性。

4.3处理过程不同程度采用智能化控制，可以根据水源变化自动对工艺过程进行调整。

4.4大量采用先进的在线式水质分析仪表和智能化仪表，可提供高精度的检测和准确的控制数据。

五、国内污水处理厂监控系统的特点

我国污水处理厂自动化、信息化管理水平相对偏低，大都是依靠手工操作，通过复杂的电控柜监测和控制设备运行，工艺的运行状况直观性很差，对运行人员的经验依赖性较大。

但是随着自动化控制技术在国内的飞速发展，许多污水处理厂采用了PLC进行控制，也取得了较好的效果，现场总线也渐渐在这一行业中得到应用。

目前，国内污水处理的控制水平基本分为三大级别。

第一，手动操作：采用常规分散检侧仪对污水处理工程中的液位、流量、温度、浊度、pH值、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)、污泥浓度(MLVSS)等性能指标进行离线或在线采集，根据数据得出控制要求，然后根据测量结果去调整设备状态，如阀门的开闭与开度、电机的启停等。这种控制方式由于投资少，主要在一些小型污水处理厂应用。

第二，半自动控制：通过数据采集器等手段采集局部过程量输入控制室，一般在控制室设有工艺模拟显示屏或上位机，在模拟屏或上位机上显示液位、流量、温度、浊度、p}I值、溶解氧(DO)、生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)，污泥浓度(MLVSS)等性能指标，和电机、阀门的运行状态，对处理过程进行监控。操作员可以通过模拟屏或上位机遥控部分设备的启停，而其余的设备控制就需要现场操作员控制。

第三，全自动控制：采用计算机控制技术与多层次的网络结构对污水处理的全过程工序进行无人值守的全自动控制。处理过程控制中各种信号通过相应的变送器送到下位机，一般下位机采用可靠的PLC作为控制单元，运行先进的控制算法，实现现场设备的实时控制。作为上位机的工控机(IPC)采用TCP／IP协议和标准数据库，挂在以太网上，实现信息的集成管理和远程控制。上、下位机之间通过网络传输采集参数和远程控制参数。这种方式是自控技术的发展方向，国内外的大型污水处理厂都在使用。

六、结束语

污水处理的社会意义巨大，应用计算机控制技术实现污水处理工艺的全自动控制，提高污水处理的技术管理水平，合理使用和配置处理设施设备，具有非常现实的意义。

参考文献：

【1】胡政 现场总线及其网络集成舰船科学技术 第25卷 第5期

【2】孙希君 水污染及污水处理 哈尔滨学院学报 第 8 期

【3】张自杰等编《环境工程手册―水污染防止卷》高等教育出版社 1996 P852，P532