现代通信和控制技术在城市污水处理中的应用

摘 要：经济的飞速发展和世界人口的持续增加带动了水需要量的增大，但地球上的水资源却在减少，可利用的水源污染严重，进一步加剧了城市水资源短缺的现状，因此有必要对城市污水进行处理。为了实现污水处理技术，将现代通信和控制技术应用于污水处理中，可以提高污水处理的自动化水平。本文以某个具体的污水处理厂为例，根据城市污水处理厂工艺流程及其特点对自控系统的要求，介绍现场总线技术、工业Ethernet通信技术和PLC控制系统等现代通信和控制技术在污水处理厂自控系统的应用。

关键词：现代通信；现代控制；城市污水处理

引言

某城市污水处理厂服务范围广，接纳废水多，生活污水和工业污水各占一半，废水含量较高污水处理过程中产生的剩余污泥进行机械浓缩、机械脱水、经干化后焚烧处置。该厂采用一体化活性污泥法污水处理工艺，剩余污泥经浓缩脱水后，再进行污泥干化焚烧处理工序。各工艺处理段衔接紧密。各种机械设备和分析检测仪表配置集中，对控制和管理的要求很高，污水处理的效率也较高，具有很强的研究价值。。

一、关于现场总线的介绍

现场总线技术自上世纪70年代诞生，1999年底产生了IEC 61158现场总线国际标准，它由8种类型现场总线组合而成，即IEC 61158技术规范、Control Net现场总线、Profibus现场总线、P-Net现场总线、FF HSE、Swift Net现场总线、Wor1dFIP现场总线和Interbus现场总线八种。几乎每一种现场总线都有支持的现场仪表产品和相应的控制系统及其应用领域。每种现场总线各有千秋，作为一种发展中的技术，目前还没有定论哪种现场总线技术最完美。控制系统设备制造商在原有控制系统结构中加入了支持如Profibus，Wor1dFIP及Interbus等现场总线协议的用于连接现场总线仪表的现场总线控制器（即通信模块），不同的现场总线仪表，可插入不同的总线通信适配器模块进行通信转换连接。

现场总线仪表技术也在高速发展，网络技术快速发展带动了Ethernet从最初lOMbps以太网，过渡到100Mbps快速以太网和交换式以太网，直至发展到今天的千兆以太网和光纤以太网。Ethernet开始广泛应用于过程控制领域的局域网通信，为现场总线技术的发展提供了基础。现场总线以信息处理的现场化为目标，但随着连接站点增加（负荷增加）和电缆长度增长而使通信速率急剧下降，控制响应时间确定性问题不能很好解决。此外，现场总线多为线状结构，可以节省安装费用，但总线电缆一旦断开，总线上的所有控制也将彻底瘫痪，这在一定程度上降低了现场总线的可靠性。

二、污水处理的检测

（一）污水处理检测的控制要素

在污水处理控制系统中，在线检测的参数分成过程仪表参数和分析仪表参数，主要有溶解氧DO、，氧化还原电势ORP、PH值、混合液浓度MLSS/浊度、化学耗氧量COD、NH4氨氮值、PO4-P磷酸盐等水质分析参数，超声/电磁流量计、超声液位/液位差计、差压/压力/温度变送器以及电力系统电气运行参数等过程检测参数。控制对象主要有闸门/堰门、潜水泵、粗/细格栅、带式输送机、螺旋压榨机、水力旋流泵、砂水分离器、浑水泵、剩余污泥泵、鼓风机、水下搅拌机、电动蝶阀、电磁阀、污泥脱水机等电气机械设备。

（二）污水处理检测的控制特点

城市污水处理采取的是简单的单个回路控制方式，不需要很强的实时性，但纵观整个污水处理工艺流程，污水处理检测的控制存在一定的特点：进水流量和水质在时间上的不固定性，季节、温度和天气的因素对生化反应的影响，此外，污水处理系统参数维数高，并且属于高度非线性结构；处理工艺中时滞较大，系统短时间内无法达到平衡，输入量为随机变量，难以建立污水处理系统的精确数学模型等。这就导致整个污水处理系统需要逐步采取模糊控制或人工智能专家控制等手段以达到预期处理目标和保证出水水质。模糊控制基于定性的先验信息和文字上规定的性能指标，构造一个模糊控制单元，把定性描述的条件语句利用模糊集理论将其定量化，从而达到接受人的经验，模仿人操作的控制目的。

三、控制系统的构成

（一）控制网络

控制网络分为监控通信层网络和现场控制层网络。基于以太网交换机的成功应用实例，中央控制中心与六个现场PLC控制站监控通信网络采用100Mbps工业以太网（LEEE 802. 3及SEE 802. 3U），环网结构和光纤通信介质，确保信息采集和控制高速传输。光纤通信传输损耗较小，最大传输距离大，信号衰减极低，不受电信号的干扰，不必加装网络防雷设备，可以保证高速通信。现场PLC控制站与现场设备及仪表之间的现场控制层采用现场总线方式。要综合考虑现场机械设备所带总线接口种类、各种检测和分析仪表总线接口的支持度等因素来选择现场总线的类型。污水处理厂的大部分机械设备自带配置了小型PLC的控制箱，根据控制点数和回路的规模，方便扩展Profibus-DP总线接口。

（二）现场控制总线配置

现场控制层根据控制设备的数量进行总线配置，控制方式为现场总线采集控制为主、IO信号采集控制为辅。厂区有六个现场PLC控制站，一体化生物反应池PLC02控制站对工艺处理最关键，所控设备最多，可以对鼓风机组、浑水泵、400V变电继保装置等进行监控。每一分站采用总线通信控制方式，通过4条Profibus - DP现场总线与各仪器相连，涉及单体设备多、数据传输量大，为保证控制有效性，还配置电磁流量计等现场仪表30台、就地成组控制箱20台，提高数据传输的可靠性、稳定性及高效性，保证了恒定的通信速率。

（三）控制系统主要设备配置

为达到监控通信网络的通信指标和速率等要求，应选择合适的工业以太网交换机。本系统使用的交换机出自德国赫斯曼公司。其拥有专利技术的工业以太网交换机，环网切换时间小于5OOms，数据速率为100MMbs且全双工，不仅完全支持以太网标准，而且可以保证在很短时间内完成系统的重新组态，完全满足工业控制要求。PLC控制系统采用施耐德公司的高可靠性Modicon-TSx Quantum系列可编程控制器作为现场PLC控制站。Profibus-DP/PA耦合器、连接器、中继器等现场总线相关设备则采用了Siemens公司的产品。

总结

本文结合污水处理工艺，对PLC、模糊控制及现场总线等现代通信和控制技术在污水处理中的应用进行了初略研究。本文对污水处理厂各处理工艺段都做了相关概述，对其他污水厂的污水处理过程具有指导作用。由于整个污水处理过程较为复杂，其控制系统更是一个复杂庞大的系统，因此本文的介绍只能作参考，有待深入研究。

参考文献

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[2]柳春平. 城市污水处理自动控制系统的研究[D].西安建筑科技大学，2004.

[3]王国光. 污水处理厂控制系统和控制算法研究[D].江苏大学，2009.

[4]王瑟澜，周一军. 现代通信和控制技术在城市污水处理中的应用[J]. 自动化仪表，2004，05：20-24.

作者简介：

王宇智，男，1983，汉族，籍贯：天津，学历：硕士，职称：助理工程师，主要研究方向：电子信息工程。

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