一體式智能電磁流量計(jì)與自動(dòng)控制在污水處理中的應(yīng)用研究

【摘要】針對(duì)污水處理，在簡(jiǎn)述其特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)一體式智能電磁流量計(jì)與自動(dòng)控制技術(shù)具體應(yīng)用進(jìn)行深入分析，以此為后續(xù)的自動(dòng)化改造及運(yùn)營(yíng)奠定良好基礎(chǔ)，提供可靠參考借鑒。
如今，計(jì)算機(jī)與嵌入式芯片越來(lái)越普及，這使自動(dòng)控制正不斷進(jìn)入到工業(yè)領(lǐng)域各個(gè)環(huán)節(jié)。 然而， 因污水處理存在特殊性，所以對(duì)自動(dòng)控制的實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步完善。
1 水處理主要特點(diǎn)
（ 1 ）周期長(zhǎng)。 在污水處理中，處理周期主要由處理工藝決定，通常為三級(jí)處理，其中，一級(jí)處理為機(jī)械處理，二級(jí)處理為生物處理，三級(jí)處理為深度處理。 伴隨特殊環(huán)境不斷變化，污水處理工藝必須進(jìn)行改善和優(yōu)化。
（ 2 ）參數(shù)有較大的離散性。 在水處理過(guò)程中，參數(shù)包括溶解氧、溫度和 pH 值等。 從現(xiàn)場(chǎng)情況講，這些參數(shù)都有很大的離散性，很難與設(shè)備實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況相掛鉤，獲得完全且系統(tǒng)線(xiàn)性關(guān)系。
（ 3 ）難以采用自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。 在當(dāng)前的實(shí)際情況下，污水處理主要由人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行控制，這樣不僅要耗費(fèi)很多資源、消耗大量時(shí)間，導(dǎo)致自動(dòng)控制難以充分發(fā)揮應(yīng)有作用功能。
2 污水處理對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用
2.1 控制基本要求
2.1.1 調(diào)節(jié)池
調(diào)節(jié)池需要設(shè)于滲濾液處理站，共兩座，其主要設(shè)備包括以下幾種： ① 進(jìn)水格柵機(jī)，共 1 臺(tái)； ② 進(jìn)水一體式智能電磁流量計(jì)，共 1 臺(tái)； ③出水一體式智能電磁流量計(jì)，共 1 臺(tái)； ④ 攪拌機(jī)，共 2 臺(tái)； ⑤ 超聲波液位計(jì)，共1 臺(tái)； ⑥ 進(jìn)水電動(dòng)閥門(mén)，共 1 臺(tái)； ⑦ 出水提升泵，共 1 臺(tái)。 其控制要求為：格柵機(jī)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制與遠(yuǎn)程控制，且上位機(jī)可以對(duì)實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行顯示；攪拌機(jī)應(yīng)具備現(xiàn)場(chǎng)控制、遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制的操作按鈕，且上位機(jī)可以對(duì)實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行顯示。 如果液位小于 1.5 m ， 則攪拌機(jī)可自動(dòng)停止， 而液位超過(guò) 2.0 m時(shí)，自動(dòng)開(kāi)始運(yùn)行；上位機(jī)對(duì)液位予以顯示，同時(shí)顯示出實(shí)際液體容積。 如果液位超過(guò) 5.85 m ，則上位機(jī)立即報(bào)警；電動(dòng)閥門(mén)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制、遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)控制，且上位機(jī)要能對(duì)實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行顯示。 如果液位超過(guò) 6 m ，則也為相對(duì)較高的調(diào)節(jié)池，其進(jìn)水閥門(mén)將自動(dòng)關(guān)閉，而液位相對(duì)較低的調(diào)節(jié)池，其進(jìn)水閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟； 出水提升泵應(yīng)能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制與遠(yuǎn)程控制，且上位機(jī)要對(duì)實(shí)際狀態(tài)予以顯示。如果液位低于 0.5 m ，則提升泵自動(dòng)關(guān)閉； 進(jìn)水一體式智能電磁流量計(jì)對(duì)應(yīng)的上位機(jī)可以對(duì)進(jìn)水流量及總的累計(jì)流量予以顯示； 2 臺(tái)出水泵同時(shí)使用 1 臺(tái)一體式智能電磁流量計(jì)，其實(shí)際的出水與累計(jì)總流量都應(yīng)在上位機(jī)上實(shí)時(shí)顯示；對(duì)于各個(gè)模擬量，都要有歷史發(fā)展趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)圖。
2.1.2 反應(yīng)沉淀系統(tǒng)
一級(jí)反應(yīng)沉淀主要由以下幾部分組成： ① 石灰投料池； ②混合攪拌池； ③ 反應(yīng)池； ④ 一級(jí)沉淀池； ⑤ 中間水池。 對(duì)于二次反應(yīng)沉淀，其主要由以下幾部分組成： ① 反應(yīng)池； ② 二級(jí)沉淀池； ③ 預(yù)處理系統(tǒng)。 系統(tǒng)控制要求為：對(duì)于石灰投加機(jī)，其頻率要可以在上位機(jī)進(jìn)行調(diào)整；石灰投加、攪拌機(jī)、渣漿泵、出水泵、半球閥、加壓裝置都要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制與遠(yuǎn)程控制，并且要在上位機(jī)對(duì)實(shí)際狀態(tài)信息進(jìn)行顯示； 如果出水池實(shí)際液位不足 0.5 m ，則出水泵自動(dòng)停機(jī)；所有出水泵使用同一臺(tái)一體式智能電磁流量計(jì)，于上位機(jī)對(duì)出水與累計(jì)的總流量進(jìn)行顯示； 渣漿泵可根據(jù)時(shí)間順序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，待啟動(dòng)一定時(shí)間后自動(dòng)停止；在渣漿泵開(kāi)啟以后， 半球閥可以根據(jù)時(shí)間順序進(jìn)行運(yùn)行， 待啟動(dòng)一定時(shí)間后，自動(dòng)關(guān)閉其中一個(gè)電動(dòng)閥，而開(kāi)啟另外的電動(dòng)閥；出水池的實(shí)際液位要可以在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)顯示出液位容積。如果液位超過(guò) 5.85 m ，則上位機(jī)立即報(bào)警；對(duì)于各個(gè)模擬量，都要有歷史發(fā)展趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)圖。
2.1.3 厭氧系統(tǒng)
該系統(tǒng)控制要求為：包含攪拌機(jī)、循環(huán)泵、一體式智能電磁流量計(jì)和回流泵等在內(nèi)的設(shè)備都能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制與遠(yuǎn)程控制， 并在上位機(jī)對(duì)實(shí)際狀態(tài)信息進(jìn)行顯示； 進(jìn)水調(diào)節(jié)池實(shí)際液位可以在上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)可以顯示出實(shí)際的液體容積，如果液位超過(guò) 3.5 m ，則上位機(jī)立即報(bào)警； 沼氣風(fēng)機(jī)可以結(jié)合壓力變送器實(shí)際數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)變頻控制；對(duì)于各個(gè)模擬量，都要有歷史發(fā)展趨勢(shì)對(duì)應(yīng)的曲線(xiàn)圖。
2.1.4 好氧系統(tǒng)
該系統(tǒng)控制要求為：包含攪拌機(jī)、曝氣與排泥泵、一體式智能電磁流量計(jì)及電動(dòng)蝶閥等在內(nèi)的設(shè)備均實(shí)現(xiàn)限產(chǎn)控制和遠(yuǎn)程控制， 并能在上位機(jī)對(duì)實(shí)際狀態(tài)信息進(jìn)行顯示；對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)行時(shí)序控制，可對(duì)開(kāi)啟時(shí)間做適當(dāng)調(diào)整；進(jìn)出水的電動(dòng)蝶閥都和池液位實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，以池液位實(shí)際情況為依據(jù)進(jìn)行開(kāi)啟或關(guān)閉。 每個(gè)閥門(mén)都要實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制，且具體的時(shí)間間隔要能調(diào)整；各個(gè)池中射流曝氣泵也要實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制，即每個(gè)池中的所有泵要同時(shí)啟動(dòng)，具體的時(shí)間間隔要能調(diào)整。
2.2 自動(dòng)控制
對(duì)于污水處理系統(tǒng)而言，其控制對(duì)象除了有開(kāi)關(guān)量，還包括模擬量，除了開(kāi)環(huán)控制，還涉及到閉環(huán)控制；系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，有很多參數(shù)需要進(jìn)行檢測(cè)與控制，系統(tǒng)的總控計(jì)算機(jī)，利用一體式智能電磁流量計(jì)監(jiān)控軟件對(duì)整個(gè)處理廠的設(shè)備予以實(shí)時(shí)監(jiān)控， 并記錄所有水質(zhì)數(shù)據(jù)，*終生成報(bào)表；在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，自動(dòng)控制柜為核心所在，無(wú)論是工藝控制、邏輯皮暖段，還是各控制站通信，均由該自動(dòng)控制柜實(shí)現(xiàn)； 系統(tǒng)總控計(jì)算機(jī)各類(lèi)數(shù)據(jù)由 PLC 在以太網(wǎng)上傳遞，由總控計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備時(shí)，也主要利用 PLC 實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)要完成控制功能時(shí)， 系統(tǒng)的總控計(jì)算機(jī)將向PLC 發(fā)出指令，再由 PLC 進(jìn)行判斷，確認(rèn)是否需要執(zhí)行著這一控制，若條件成立，則立即執(zhí)行，若條件不成立，則拒絕。通過(guò)以上分析可知， 自動(dòng)控制系統(tǒng)所有功能均由 PLC 實(shí)現(xiàn)，在這種情況下，即便網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生故障， PLC 依然能根據(jù)預(yù)設(shè)程序來(lái)控制。 以控制系統(tǒng)具有的工藝特點(diǎn)為依據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)實(shí)際條件， 該自動(dòng)控制系統(tǒng)主要將 S7-300PLC 作為主。
在軟件開(kāi)發(fā)方面，主要包含以下兩個(gè)方面：
① 針對(duì) PLC 進(jìn)行的程序設(shè)計(jì)；
② 對(duì)上位機(jī)監(jiān)控界面進(jìn)行開(kāi)發(fā)。 其中，針對(duì) PLC 進(jìn)行的程序設(shè)計(jì)主要是利用編程軟件完成， 以滿(mǎn)足所有控制要求；對(duì)于上位機(jī)監(jiān)控，主要使用的是國(guó)產(chǎn)組態(tài)軟件，通過(guò)對(duì)組態(tài)軟件的合理應(yīng)用， 現(xiàn)場(chǎng)的全體操作人員均能在控制室對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的一體式智能電磁流量計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，并收集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。
2.3 系統(tǒng)優(yōu)化
上述是較為常規(guī)且成熟的自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)思路， 但也存在很多的缺點(diǎn)，如成本較高、模式僵化和性?xún)r(jià)比較低等。 對(duì)此，有必要對(duì)系統(tǒng)予以?xún)?yōu)化改進(jìn)：
（ 1 ）除了對(duì)脈沖量、開(kāi)關(guān)量與模擬量進(jìn)行采集，還要對(duì)其它類(lèi)型的信號(hào)進(jìn)行采集，包括視頻、聲音和圖像。
（ 2 ）除了對(duì)脈沖量、開(kāi)關(guān)量與模擬量進(jìn)行輸出，還要對(duì)其它類(lèi)型的信號(hào)進(jìn)行輸出，包括視頻、聲音和圖像 。
（ 3 ）對(duì)系統(tǒng)的邏輯處理功能進(jìn)行拓展。
（ 4 ）完成各類(lèi)型運(yùn)算，包括整數(shù)、實(shí)數(shù)、二進(jìn)制和浮點(diǎn)型等。
（ 5 ）在實(shí)現(xiàn)延時(shí)與定時(shí)控制的同時(shí)，使時(shí)間運(yùn)算能達(dá)到毫秒級(jí)。
（ 6 ）實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)控制目標(biāo)，且高速計(jì)數(shù)的頻率要能達(dá)到百赫茲。
（ 7 ）達(dá)到內(nèi)、外部中斷，保證對(duì)所有輸入和輸出的實(shí)際響應(yīng)速度及精度。
（ 8 ）增大存儲(chǔ)容量，使數(shù)據(jù)在掉電后不會(huì)丟失。
（ 9 ）設(shè)置開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)通訊模塊，使遠(yuǎn)程控制保持穩(wěn)定。
3 結(jié)束語(yǔ)
綜上所述，按照嵌入式系統(tǒng)思想實(shí)現(xiàn) PLC 各項(xiàng)功能，取代傳統(tǒng)的控制器，使結(jié)構(gòu)更加開(kāi)放，縮短開(kāi)發(fā)的周期，降低成本，在當(dāng)前表現(xiàn)出*好前景。 對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，不僅體積很小、成本低廉，而且功能專(zhuān)一，它將在工控領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用。

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