CASS法污水处理计算机控制系统设计

时间：2007-05-25

摘要：循环活性污泥系统(CASS)是一种先进的污水处理工艺，设计了一种实现CASS工艺的计算机自动控制系统，该系统具有较好的灵活性、较高的可靠性和可维护性。
关键词：污水处理 CASS工艺集散式系统组态现场总线

随着社会经济的发展，污水量和污水中的污染物种类也在不断增加。污水处理的目的是用某种方法把污水中的污染物质分离出来，或者将其转化分解成无毒无害的稳定物质，从而使污水得到净化。污水处理技术已经经过了一百多年的发展历史，发展出了各种不同特点的污水处理工艺，有物理处理法、化学处理法及生物处理法等。为了让这些方法更好地发挥作用，在计算机技术和自动控制技术飞速发展的今天，将计算机自动控制技术应用于实际污水处理，实现污水处理工艺的半自动乃至全自动监控，具有非常现实的意义。

1 循环活性污泥处理系统(CASS)简介
循环活性污泥系统(Cyclic Activated Sludge System,即CASS)工艺是一种具有脱氮除磷功能的以序批曝气-非曝气方式运行的充-放式间隙活性污泥处理工艺，在一个反应器中完成有机污染物的生物降解和泥水分离的处理功能。CASS工艺以推流方式按一定的时间序列运行，其运行过程包括充水-曝气、充水-泥水分离、上清液滗除等三个阶段。这三个阶段组成一个运行周期，各周期可连续循环运行。
系统整体工艺结构如图1所示。

2 系统分析
2.1 系统逻辑结构
现在要对整个系统实现自动控制，经分析考察，可知有下列参数需要实现自动监控：调节池高/低液位；CASS池高/低液位；滗水器位置；污泥池高/低液位；粗/细格栅启/停；进水泵启/停；污泥回流泵启/停；滗水器运行/停止；压滤机启/停；曝气机运行/停止。
系统除了要完成测控任务外，还要具有良好的人机交互界面，所以系统的逻辑结构如图2所示。

2.2 系统技术目标分析
作为一个工控系统，除了完成必要的监控功能和具有良好的人机交互界面外，还应在系统的安全性、可靠性和可维护性等诸多方面加以考虑，并采取相应的措施。
2.2.1 要具有较高的可靠性
使系统能长期稳定地运行，要尽量保证系统不会发生控制错误、测控失效等现象。即使在系统某些组成部分发生故障的情况下也要能提供一定的应急手段，保证生产继续进行。
2.2.2 可维护性要好
因为我们并不能要求系统的使用人员具有工业监控的知识，但这套系统还需要他们去使用维护，这样系统的可维护性就显得比较重要。要能做到在系统出现问题后，维护人员能很快地判断出故障原因及位置，并能找出相应的解决措施。
2.2.3 要具有一定的灵活性
因为污水水质情况会有一定的波动，所有系统要能提供一定的功能，允许用户根据污水水质及其它外界原因(如气温等)适当调整系统工艺，并可根据实际情况选用多种操作方式。

3 系统结构及实施策略
3.1 系统结构
通过以上分析，本设计采用二级集散式控制体系，每个CASS池由一台联锁机进行控制，所有PLC都由同一台上位机(管理机)进行管理显示。测控系统结构如图3所示。

3.2 系统分层描述
3.2.1 管理层
管理层作为污水处理系统的层次，主要担负以下任务：
· 对联锁层PLC的工艺控制策略进行组态，使得工艺人员可以方便地在线更改控制策略及其它工艺参数；
· 显示工艺流程图，动态显示液位及各设备状态、系统状态；
· 提供手动操作界面；
· 实现画面及语音报警；
· 实现操作及系统状态记录、历史查询；
· 操作人员管理；
· 提供人网接口，与企业内部网联接。
3.2.2 联锁层
联锁层是系统的，系统的测控联锁功能主要是在这里完成的，包括：
· 检测液位及各设备状态；
· 根据工艺参数组态形成控制策略，并据此对污水处理的全过程实现自动控制；
· 设计开发了现场设备的专用控制算法，实现了对现场设备的保护控制。
3.2.3 执行层
该层主要由电气执行设备组成，实现ＰＬＣ与控制设备的隔离，并执行PLC下达的控制命令。
3.2.4 现场
主要指污水处理系统中的现场执行及传感设备，包括液位控制器、泵、风机等。
3.3 设备选型
本系统在设备选型时以可靠性作为主要考查依据。上位管理机选用工业控制计算机；联锁机选用PLC，因其具有较高的可靠性，平均无故障时间可达5万小时以上，且具有很强的抗干扰能力。
3.4 系统操作方式
系统提供三种操作模式：
· 自动运行模式：系统对污水处理按设定工艺方案实行全自动控制；
· 计算机手动运行模式：上位机显示系统状态，各设备间不存在联锁关系；
· 机械手动运行模式：在系统出现故障或处在维修期间时可运行此种模式。在此种模式下各设备的运行不受管理机与PLC控制，而由柜体上的物理开关对其实现操作。

4 控制效果
4.1 系统特点
· 本系统适宜处理城市生活污水、酒厂污水、食品工业污水；
· 本系统具有一定的组态功能，能够适应水质变化较大的环境；
· 可对现场设备实现保护控制，延长了现场设备的使用寿命，并大大减少了异常情况的发生，提高了可靠性；
· 自动化程度高，操作界面形象直观，提供语音报警功能，易于使用；提供人员管理功能和历史记录功能，便于进行事故分析；
· 二级集散式结构，系统中各控制单元相对隔离，易于维护。
4.2 实际控制效果
本系统已成功应用于安徽省圣泉啤酒厂，日处理污水7000吨，有效地改变了该厂的排放水质，实现了达标排放。同时削减了大量污染物，减少了对环境的危害。其主要污染物年削减量为(排放浓度以GBS978－96B级标准计，年运行时间300天)：
CoDCr 1942.5 吨/年
BDD5 987 吨/年
SS 630 吨/年
因此，实际运行效果良好，获得用户一致好评，已于2000年1月顺利验收，并准备在西宁特钢等国内大中型企业推广使用。

随着社会对污水处理要求的提高，开发和应用经济合理、操作灵活且运行稳定的污水处理系统已日益受到研究者及企业的重视，CASS工艺无论在城市污水还是工业废水的处理方面都具有良好的应用前景。为了使本系统更具竞争力，我们设想在以下几个方面对其加以改进：
(1)系统采用总线式的分布式结构，设立现场控制器，所有检测设备及电机均直接挂接在各自的现场控制器上，并由总线连接构成系统。这样可降低系统成本，并且现场施工也变得极为简单，同时这种结构也更有利于维护。
(2)在系统中设置融氧仪、PH值测试仪、浊度仪等设备，在线检测CASS池及污泥池的水质。根据检测的参数，自动实时调整工艺参数，达到对系统的闭环控制，实现污水处理的全自动控制，保证系统控制的状态。
(3)把系统管理机通过企业内部网与Internet相连，实现系统的远程诊断，降低维护成本。

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