（机械工程专业论文）北新集团污水处理控制系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 水处理技术作为一门跨学科、跨专业的综合性技术，在环境污染治理和缓解水 资源矛盾中发挥着它的独特和重要的作用。水处理技术就是根据生产工艺、设备材 质、水质条件，经过试验研究，通过加入相关的化学药剂来控制水质，满足生产需 要的一种综合性的，多学科的应用技术。 。 本文详尽地描述一化学工厂污水处理自动控制系统的整个工艺过程和控制系统 的功能需求；对控制系统的几种设计方案进行了充分的比较和分析，提出了一种较 为合理的控制方案，并对该方案硬件的配置、软件的设计以及设备的选型逐一进行 阐述；最后，根据工艺系统的要求，推导出一组由对象参数确定p i d 参数的整定式。 该整定式通过调整污水和药剂泵的p i d 参数，达到控制污水与药剂泵的流量的目的。 实际运行和理论分析均表明，将这种控制规律或其较小的变形用于本系统的被 控对象能够得到比较满意的结果。 本课题所设计自动控制系统经过实际系统调整、测试，已达到预期的效果。为 企业带来良好的效益，使企业达到了零排放标准。 关键词：污水处理自动控制系统p l c p i d 参数整定 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fw a g e w a t e rt r e a t m e m0 nt h ea l l a r o u n dt e c h n i q u ee x t e n d sa c r o s s s u b j e c t a n d s p e c i f i c ，w h i c hp l a y t h e p a r t i c u l a r a n di m p o r t a n tr o l ei nt r e a t m e n to f e n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n dm i t i g a t eac o n t r a d i c t i o no fw a t e rr e s o u r c e t h et e c h n i q u eo f w a s t e w a t e rt r e a t m e n ti sak i n do fc o m p r e h e n s i v ea n dm u l t i s u b j e c ta p p l i c a t i o nt e c l m i q u e w h i c hi s a c c o r d i n gt op r o d u c t i o nt e c h n o l o g y , m a t e r i a lo fe q u i p m e n t ，w a t e rq u a l i t y ；t h e n t e s ta n dr e s e a r c h ，t h r o u g ha p p e n ds o m eb eo fc h e m i c a l st oc o n t r o lw a t e rq u a l i t yf o rm e e t t h en e e d s o f p r o d u c t i o n t h i sa r t i c l ew r i t e s u p t e c h n i c a l p r o c e s s o fa u t oc o n t r o ls y s t e m a n df u n c t i o n r e q u i r e m e n to f c o n t r o ls y s t e m ；c o m p a r ea n da n a l y s i ss e v e r a lp r o j e c tc h o i c e sa n de n s u r e r a t i o n mc o n t r o lp r o j e c t e x p a t i a t ep r o j e c to fh a r d w a r ec o n f i g u r ea n ds o f t w a r ed e s i g n ； f i n a l l y a c c o r d i u gt ot e c b l i i i c a lr e q u i r e ，d e s i g np i dp a r a m e t e rt u r 2 t t gm e t h o d s ，v i aa d j l l s t p a r a m e t e rw a s t e w a t e rp u m p a n dm e d i c a m e n tp u m pt oc o n t r o lr a t eo ff l o wo f w a s t e w a t e r p u m pa n dm e d i c a m e n tp u m p b o t ha c t u a l l yr u n n i n ga n dt h e o r ya n a l y s i s i n d i c a t et h a t s a t i s f i e dr e s u l t sc a nb er e a c h e dw i t l lt h i sc o n t r o lr u l ea n di t sl i t t l ed i s t o r t i o nb ea p p l i e dt o t h es y s t e m sc o n t r o l l e do b j e c t b y t h em e a n so fa d j u s f i n ga n dt e s t i n g ，t h i sc o n t r o ls y s t e mh a sr e a c h e di t se x p e c t e f f e c t i tb r i n g st h ee n t e r p r i s eg o o db e n e f i ta n dr e a c hz e r oe m i t t e ds t a n d a r d k e y w o r d s ：w a s t e w a t e r t r e a t m e n ta u t o c o n t r o ls y s t e mp l c p i d p a r a m e t e r st u n i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承 担。 学位论文作者签名：。榔 日期：“年e 月蚂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被套阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密d ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：气帚佛 日期d 瞻耳月乃日 指导教师签名：相玳 u 日卅年多月嘲 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题来源 1 绪论 课题来自一个大型全自动化送配料的全封闭式生产化学制品的工厂。该工厂每 天都要排放大量的含有一定数量的化学制剂、有机腐败物、残存涂料( 1 ) 、细小 粉状颗粒( 1 0 0 um 以下) ，以及生产过程中不可避免的偶尔泄漏、冲洗各类装备、 工具和生产场地而产生的低浓度有色废水。在污水处理之前，我们对水质做了一个 全面分析，经测试有关污水水质参数如下( 表1 ) ： 表1 - 1 污水水质分析值 i 项目 蹦l 一借i c o d ( m g l ) l 。篆， 水质7 5 8 52 0 0 - 4 0 0 l 2 0 0 - 4 0 0 l 1 0 0 3 0 0 为此设计污水处理系统，清除水中污染物质，以达到国家规定的排放标准。 1 2 目的及意义 就我国目前的经济发展情况来看，工业及生活污水的排放量正在逐年递增。由 于污水处理能力的严重不足，仅很少一部分污水得到有效的处理，与欧美各国 8 0 - 9 0 的污水处理率相比，我国污水处理率仍然极低，城市污水处理率不足8 。 1 9 9 7 年，全国废水总量达4 1 6 亿吨，相当于黄河径流量的6 3 ，其中工业废水 2 2 7 亿吨，生活废水1 8 9 亿吨，全国七大水系，有近半数河流污染。 1 9 9 8 年我国工业和生活废水排放量分别为2 0 0 5 亿吨和1 9 4 8 亿吨。我国排放废 水污染严重，正如水利部长钮茂生说，我国水污染呈进一步恶化趋势。目前，全国 l 3 以上河段受到污染，9 0 以上的城市水域污染严重，5 0 以上重点城镇水源地不 符合饮用水标准。目前全国每年有3 5 4 亿立方米的工业和生活污水排放，其中8 0 华中科技大学硕士学位论文 未经治理直接排江河大海。可见，水体污染到了非解决不可的时候了。 我国环境污染防治的水平尚处在初级阶段，而由于环境污染和水体的成分变得 愈来愈复杂，给工业污水处理带来了越来越大的难度。单从工业废水的防治看，即 使2 0 0 0 年底我国的工业废水基本实现达标，仍不意味着工业污染问题的彻底解决l i j 。 当今世界的水环境面临两大问题：水资源短缺和水污染加重，造成水污染的主 要原因是工业废水、农田排水及城乡生活污水向江河湖海及土壤中大量排放，使地 面水和地下水水质日趋恶化，更加剧了水资源的紧张，严重制约了经济的发展和危 害着人类的健康，严峻的水形势提高了人们对水污染控制的重视，各国都加大和加 快了水污染治理的力度和速度。无论是末端治理还是源治理( 清洁生产) ，都需要对过 程的水质参数进行迅速的、准确的在线适时监控，实现工艺条件的优化，以保证装 置的效率和处理效果。 先进的生产工艺就是先进的环境措施和资源的充分利用，就是清洁的生产工艺。 化学涂料工业生产过程在满足设计要求之外，还应在面对不断变化的外部影响下满 足总的技术、经济和环境要求。这些要求包括：生产安全性，产品产量和质量指标， 特别是环境保护规则规定的“三废”排放标准，操作约束条件以及经济性要求等五 点要求。从而达到污水的零排放。 1 3 工业污水处理的方式 i 3 i 物理法： 沉降、沉淀及过滤。其工作原理是利用过滤、旋流分离等方法去除污水中的悬 浮物和泥砂。这种方法仅可去除污水中约5 0 的污物，适用于污水中有机物质含量 较低的情况，常作为二级污水处理厂的预处理工序。 1 3 2 化学法： 无机絮凝剂：以采用无机絮凝剂居多，主要药剂有铝盐、铁盐及石灰等【2 。投 加无机絮剂能够大幅度地提高悬浮物和有机物的去除效率，强化效果明显。但无机 华中科技大学硕士学位论文 絮凝剂的投加量一般较多，运行费用较高，产污泥量大，未能达到低耗的目的。 有机高分子絮凝剂：以壳聚糖与阴离子聚合物聚丙烯酸钠复合处理污水。 微生物絮凝剂：在废水脱色、油水分离、污泥脱水、畜牧场废水处理等方面 已有应用。 1 3 3 生物法： 好氧性及厌氧性处理。其工作原理是利用好氧或厌氧的细菌将废水中的有机污 染物分解为无毒无害的水和二氧化碳的处理技术。 以上这些水处理工艺已得到了普遍应用。但是，由于污水性质的复杂性，这些 常规技术远远不能满足污水处理的技术需求。同时，上述污水处理的方法因需在污 水中加药溶解沉淀要求有沉淀池、过滤池等；过滤及分离各类污泥和泥浆需大量的 排泥泵、吸沙泵，所以此类污水处理方法占地面积较大、耗时、低效。 1 3 4 膜分离技术 膜分离技术是不同于一般工业污水处理的方法的，是近年来污水处理所采用的 一种较为先进的方法。膜过程是一个很新的分离方法 3 】，其机理如图1 1 。在2 5 年以 前膜过滤还没有被视为一种技术上很重要的分离过程，但目前膜分离技术已经在不 断扩展。 污水 一 圈 - 渤 膜 渗透物 圈 图1 1 膜分离 3 华中科技大学硕士学位论文 所谓膜分离是指运用一种膜，以压力或浓度作为推动力，使注入的液体通过膜， 将其中的某些成分分离出来。通常，当污水通过膜时，得到处理过的可排放清水流， 将其它成分留在膜后的浓缩物中( 固态或泥状物) 。不同种类的工艺可除去不可溶解的 和胶状的成分。 在生物学处理中，因利用微生物，故在处理过程的最终阶段，须进行微生物和 处理水的固液分离f 4 a 但这种所谓的固液分离一直沿用占地面积大、耗时、低效的自 然沉降法。近年来，将分离膜引入生物学处理法中，形成了新型的污水处理方法一 一膜分离技术。 膜分离技术具有占地面积小，所需设备少，全封闭，而无污染、节能高效。它 不仅以膜分离取代二沉池( 沉淀池、过滤池) ，完全去除悬浮固体引起的污染物量， 还通过膜分离的作用，将二沉池无法截留的游离细菌和大分子有机物完全阻隔在膜 上。故膜分离技术改变了传统生物处理中污染物的构成，使得大分子有机物和胶体 明显上升。因此，通过膜分离技术与过程控制技术相结合，使污水处理得到良好的 效果。 1 4 国内外概况 1 4 1 国外概况 自1 7 4 8 年法国学者a b b en o l l e t 首次提示了膜分离现象。七、八十年代之后， 这种技术得以迅猛发展，出现了各种有使用价值的微滤、超滤等分离膜，并在工业 给水处理、纯水处理、海水淡化、苦咸水淡化等低浊度水处理中得到推广和应用【计。 近几年来，膜分离技术已渗透到高浊度污水处理的领域，并与各种工艺结合来解决 传统方法难以解决的问题，特别是对于高c o d ( 化学需氧量) 、高s s ( 悬游固体) 、 有毒难降解有机工业废水的处理，在传统的生物处理法中引进膜分离技术显得更为 迫切。 美国和日本过去较多使用机械式絮凝池。八十年代以后，随着膜制造技术的发 展，以及其工艺研究的完善、清洗方法的改进和污水厂出水水质要求的提高，膜分 4 华中科技大学硕士学位论文 离与活性泥法结合作为固液分离设备的研究重新获得重视，并且得到较广泛的工程 应用。至此，污水压滤设备的研究工作有了很大的进展。近年来，国外污水压滤设 各有的已进入实用阶段。出现了二大类絮凝设备机械式和隔板式。机械式的优 点是：根据温度等条件变化值可调节。隔板式有多种型式：水平往复式、垂直往复 式、水平回转式、网格式。它们的优点是：设备相对简单，短流相对少。 近年来，国外污水膜生物反应器有的已进入实用阶段。自1 9 7 8 年以来，日本 已有2 0 多家公司采用膜分离技术处理大楼废水，经处理后的水可以回用。自动控制 在美国、欧洲、日本的给水处理、污水生物处理、污水的物理化学处理中都有典型 的成功应用，正在研究与开发的更是不胜枚举f 6 】。欧美国家的一些城市中的污水处理 厂已经使用计算机与膜分离技术相结合进行自动监控水处理化学品的投加及其浓度 的控制。 国内外均有学者对污水处理自动控制工艺进行研究，以寻求更精确、更可靠的 方法实施自动控制。z i p p e r 等m 开发了适用于小型污水处理厂的自动控制系统，该系 统采用基于氧化还原电位( 0 r p ) 的控制器。这个控制器自动工作，并可以在硝化和反 硝化之间进行优化，从而减少能耗，他们在试验中发现，污水处理厂的实际负荷与 o r ? 曲线变化具有很强的相关性。采用两点o r p 控制保证了在增加负荷时硝化时间 占运行时间的比率也随之增加，这些都为开发小型污水处理厂控制规则奠定了基础。 发达国家在污水处理普及以后投入大量资金和科研力量，加强污水处理设施的 监测、运行和管理，实现了计算机控制、报警、计算和瞬时记录 引。欧洲一些国家在 2 0 世纪7 0 年代中期开始实现污水处理厂的自动控制，目前主要污水处理厂己实现了 工艺流程中主要参数的自动测试和控制。8 0 年代以来在美国召开了两次水处理仪器 和自动化的国际学术会议上有大约数百篇论文发表。反映出水处理自动化已发展到 极为普及的水平 9 1 0 。 1 4 2 国内概况 近二十年来，国内的污水处理技术有了较大的发展。有关污水膜生物反应器的 研究工作超步较晚，近年来许多高等学校和科研院所都已进行了平板超滤膜、管状 华中科技大学硕士学位论文 膜与活性污泥结合的膜生物反应器处理生活污水和模拟废水的性能研究。这些污水 膜生物反应器开发研究虽已取得一定的进步，但与国外水平相比尚存在较大的差距。 特别是污水膜生物反应器技术装备与规模、产品质量、应用研究与示范装置开发等 方面差距更大。 在国内，将计算机控制技术应用到各类污、废水处理技术中的例子不少。但是 大多数仍停留在用计算机控制过大沉淀池中的各种大型设备和各类水泵，不仅占地 面积大，还污染周围的空气。与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，进 入9 0 年代以后污水处理厂才开始引入自动控制系鲥“1 2 ，但多是直接引进国外成套 自控设备，国产自动控制系统在污水处理厂应用很少。 1 4 3 相关控制技术的发展 自动化技术是保证工艺技术圆满完成的必不可少的手段。国内的大多数水处理 设备，无论是组合单元一体化污水处理设备，还是单件设备，例如刮泥桁架、刮渣 机都很少采用自动化技术来控制和实施。在工业生产过程中集中排放到污水池中的 废水，常需要多台排水泵统一排出。传统的工作方式是，根据人工观测或远程传输 显示污水池的液位状况，靠操作人员手动控制多台水泵的运行或停止进行排水。许 多现场工作环境恶劣，控制室远离污水池，很多故障发生时不能及时发现并予以解 决，存在很多问题，如未能及时开启水泵，造成污水池的污水溢出，或污水池的液 位低于下限却宋能及时停止排水泵的运行，造成水泵空转以至于烧坏水泵和电机。 因此设备在使用过程中尚未有太好的效果，难以发挥设备的全部作用，运行过程中 难以发现问题的出处，而由于自动化程度低，所以监视设备的人员多，操作环节多， 指标检测控制不方便，不科学，影响污水处理设备的应用和推广，客观上也阻碍了 污水治理技术的发展。 目前，国内一些企业成功地将采样系统、临时性故障的异常数据处置、单片机 在多个参数、多种动作指令的协议设定、i o 接口的专项处置、系统的电磁兼容设计 和多种屏蔽方式、无线数字信号选呼技术、模拟信道传输数字信号的无线调制解调 技术、无线分组传输纠错技术等用于污水处理实时监控系统，实现对污染源排放情 华中科技大学硕士学位论文 况和治理设施运行情况定量化管理，实现了监视和监控双重功能，居国内同类研究 的领先水平。 从国外回来的学者都有深深的体会，就水污染治理技术而言，国外的理论水平、 研究课题阶段、领域和国内相差不大，最明显的差距就是国外的治理技术的自动化 程度高，不管什么设备，无论是成套设备、大型设备，还是单件设备，哪怕是一台 小加药泵，都有与之配套的安全可靠的仪器仪表来控制、监测，省人省力，高效可 靠，可以2 3 月不用人管，照样正常发挥作用。 总之，无论发达国家还是发展中国家，对工业污水处理工艺的研究都很重视， 并已取得了一定的成果，但多数研究还停留在小试探索阶段，工艺技术尚不够成熟， 正如文献1 1 3 1 中结论： 虽然智能控制已成为污水处理的研究与应用中的前沿与热点，但国内外仍处 于广泛应用的初级阶段。从文献来看，我国从事这方面研究的人员太少，这也是制 约我国污水处理自动控制和智能控制发展的主要因素。 与发达国家相比，我国在污水处理的基本理论、工艺流程和工程设计等方面 并不明显落后，但是在运行管理与自动控制方面却存在着较大的差距。目前，我国 城市污水处理厂的吨水耗电量是发达国家的近两倍，而运行管理人员数又是其若干 倍，因此加强我国污水处理系统智能控制的研究与应用具有重要的科学意义与应用 价值。 由于智能控制的优越性及其研究与应用的迅速发展，目前国外许多城市污水 和工业废水处理厂正在通过技术改造向智能控制方向过渡。我国应当在有条件的情 况下，在污水处理厂的规划、设计与建设初期就尽可能采用或部分采用智能控制。 本世纪二十年代，m i n o r s k y 在对船舶自动导航的研究中，从常微分方程的理论 出发，提出了一种比例+ 积分+ 微分的控制规律，并且进行了相关的实验工作【l ”。三 十年代在化工生产过程中出现了气动的比例( p ) 及比例积分( p i ) 调节器。而在三 十年代末至四十年代初随着微分作用( d ) 的引入，形成了完整的p i d 调节器。 1 9 4 2 年，z i e g l e r 与n i c h o l s 在p i d 参数调整的研究中提出了著名的z - n 参数整 定的方法。随后，c o h e n 和c o o n 也提出了至今广为应用的一组整定公式1 6 1 。在 华中科技大学硕士学位论文 有了一定的理论基础后，p i d 控带4 开始在工业过程中得阻应用和推广。随着计算机 在自动控制中的广泛应用，在简单控制系统的基础上，一些复杂控制系统便产生和 发展起来，以适应新情况下对生产过程控制的要求。诸如：串级控制、均匀控制、 比值控制、前馈控制、选择性控制、分程控制、预估计补偿以及其它更加复杂的控 制系统。 近年来，由于电子计算机技术和现代应用数学研究的迅速发展，p i d 控制以其结 构简单、使用方便、技术成熟及运行可靠等优点仍在实际中得到最广泛的应用。与 许多工业发达的国家基本相同的是p i d 控制在当今工业自动化中仍占有重要的地位a 1 5 本文的主要工作 本课题是为一个现代化的化学工厂设计一套全自动化的污水处理控制系统。该 系统采用化学膜分离技术与计算机控制技术相结合的方法，处理化学工厂生产过程 中及清洗泄漏、冲洗各类装备、工具和生产场地后排放的污水及废水，使经过处理 之后的水质达到国家规定的排放标准( 见表1 2 ) 。 表1 2 污水处理后应达到的技术指标 序号l 参数 l 指标 l 备注 f 1 l c o d 总去除率 i9 9 5 按达到国家污水综合排放 2l b o d 去除率 i9 9 9 i标准g b8 9 7 8 1 9 9 6 类 f 4 6 色度去除率1 6 0 倍 水域一级标准的要求。 【58 p h 调节 【 6 9 根据化学工厂污水处理自动控制系统的设计要求，进行了如下几项工作： ( 1 ) 了解工厂污水的物性。 在设计污水处理和处置设施时，确定污水流量是十分重要的工序【1 7 】。要使装置 设计合理，投资最省时能合理分配投资，了解污水中有害物质含量及不同时期流量 是非常必要的。 ( 2 ) 设计污水处理工艺方案。 一 8 华中科技大学硕士学位论文 积极借鉴国内外污水处理方法，结合本课题实际，理顺各个环节，制定出较为 合理实际的污水处理方案。 ( 3 ) 设计污水处理控制系统的控制方案。 根据该自动控制系统的整个工艺过程、控制系统的功能需求；对控制系统的几 种设计方案进行了充分的比较和分析，从而选择出较为合理的控制方案；最后，根 据工艺系统的要求，推导出一组由对象参数确定p i d 参数的整定式。然后依照此整定 式的形式，针对所设计的控制系统，确定p i e 参数中k 驴、t i $ 口t d 。 ( 4 ) 对污水控制系统所需设备进行选型。 在制定污水处理方案以及控制方案后，为整个系统配置所需的泵、阀门及控制用 设施。 ( 5 ) 对污水控制系统进行调试。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 系统的工艺分析 2 1 工厂实际 水性内外墙乳胶漆在生产过程中并无废气、废渣排放，只是清洗设备、工具及 生产场地时，会有一定量的无色或有色废水产生。废水中主要的污染物是颜料固体 颗粒和微量的树脂乳液及表面活性剂。过去，该工厂的污水处理采用自然沉降池的 方法进行处理。即将工厂的所有污水引入到室外的一个大的水泥池子中，待污水的 固体物质慢慢自然沉降后，用泵将池中经过自然沉降后固体含量比较低的清水抽出 排放掉。然后再将沉降池内池底的固体污泥通过人工方式铲出，作为工业垃圾运走。 此外，污水处理现场工作环境恶劣，控制室远离污水池，很多故障发生时不能及时 发现并予以解决，存在很多问题，如未能及时开启水泵，造成污水池的污水溢出， 或污水池的液位低于下限却未能及时停止排水泵的运行，造成水泵空转以至于烧坏 水泵和电机。所以总体上讲，工厂过去的污水处理的方法，不仅严重污染周围环境， 而污水的处理仅仅是停留在手工操作的方式上。 这种排污方法有很大的缺陷，首先经过这种方法处理后的污水根本不符合国家 污水排放的标准。其次，这种污水的处理方法占用地面积很大，工人劳动强度大， 并且固液分离耗时长、效果不好、还污染周围的环境。 2 2 污水处理的工艺流程 随着国家环境保护标准的不断提高，工厂排放的污水不经处理是绝对不能直接 排出厂外的。为使此工厂污水排放符合国家规定的排污标准，本系统采用膜分离技 术与自动控制技术相结合的方法设计了一套全自动污水处理系统。 2 2 1 工艺流程图 图2 - l ，是本控制系统的工艺流程图。整个控制系统分两大部分，一部分是化学 1 0 华中科技大学硕士学位论文 药剂的制各，另一部分是污水处理。 一i j 一 一加絮凝剂l 一振动研庸j j 。j 一 全自动絮凝荆配制站 卅冉删用求 图2 - 1 系统工艺流程图 2 2 2 工艺描述 ( 1 ) 全自动絮凝剂配制站 图2 - 1 中的虚线部分是系统的配制站即化学药剂制备站，用来提供配o 5 浓度 的絮凝剂溶液。以便与欲处理的污水进行混合，使絮凝剂将污水中的化学物质通过 化学反应，成为犹如棉絮状的物质，这种混合物质经过板框式压滤机将水、絮分离， 从而达到固液分离的目的。 高分子絮凝剂在废水处理方面的应用国内外已有不少的报道 1 8 1 92 0 1 。絮凝剂溶液 是用絮凝剂颗粒或粉末与注入搅拌槽内的清水混合配制而成的。在一个锥形容器中 加入定量的固体絮凝剂，此絮凝剂是种天然的、具有高效、无毒、易于生物降 解等独特优点的高分子粉状颗粒物，这些颗粒物需要经过振动电机振动8 秒钟之后， 再由破碎电机将较大的颗粒进行破碎，然后由通过螺旋绞刀在时间继电器设定的时 间( 一般为1 6 秒) 范围内，将药粉送至溶解絮凝剂的搅拌箱内，经带叶片的搅拌电 】 华中科技大学硕士学位论文 机将药粉与注入的清水进行混合搅拌( 约2 0 分钟) 成为絮凝剂溶液。 搅拌箱的液位是由分别位于“高、中”、“低”位置上的三个液位开关来控制。 当搅拌箱内的絮凝剂溶液的水位处于高位时，通过螺旋绞刀输送药粉至搅拌箱与清 水进行充分的混合后，经药液泵通过管路与污水汇合絮凝。当搅拌箱内的水位由“高” 水位降至“中”水位时，搅拌电机停止搅拌，水球阀开启，直到清水注入至“高” 水位，此时，搅拌电机又开始工作。 整个全自动絮凝剂配制站的控制是由一套p i d 控制器进行自动控制，药剂量随 污水的流量的变化而变化。当污水的流量增加时，药剂泵的流量也随之按一定比例 增加；相反，当污水的流量减小时，药剂泵的流量也随之减小。 此外，全自动絮凝剂配制站还设计有料仓空报警，以及高低水位等报警。 ( 2 ) 板框式压滤机工作机理 板框式压滤机在污水处理过程中的作用是：当污水与药剂按一定比例在管道内 混合后，通过板框式压滤机使泥水分离。在分离过程中，污水在压力驱动下透过膜， 大分子溶质被截留，于是在膜表面与临近膜面区域浓度会不断增高。在浓度梯度作 用下，大分子溶质从膜面向本体溶液扩散，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压 增加，污泥逐渐堆积在模面上，从而导致污水透过流量下降。不仅如此，压滤机内 的污水的流通量将受到污水水质、温度、压力、p h 值等影响。 ( 3 ) 污水处理过程的描述 在污水处理过程中，首先存于污水罐内的污水及药剂泵泵出的药液同时进入一 管道内一边流动，一边进行混合。在混合罐内充分混合后，再由污水泵将混合物打 入压滤机。污水泵的流量受到压滤机内的压力( 图2 2 ) 的影响，而压滤机内的初始 压力、步进压力及最终压力值是预先通过o p 2 7 输入给p l c 的。 随着污水通过压滤机的量以及时间的加长，压滤机的压力将以每隔t 1 秒增加一 个步进压力值p i 的方式不断地增加，直到压力达到最大压力值p e 结束。 具体步骤是：开始时，由于压滤机内没有絮凝物，其压力值为0 。此时，开启控 制柜上自动按钮，污水泵及药剂泵自动开启，药剂泵的流量紧随污水泵的流量运行。 此时，压滤机内的第一个压力给定值为初始压力值p o ，压力值将在设定时间t 1 内， 逐渐上升至第一个压力值p o + p i ，这一过程的时间为t l ，且当压滤机内压力达到 p o + p i 压力值后，污水的流量将维持t 2 秒； 华中科技大学硕士学位论文 压 j 图2 2 压滤机内压力变化曲线 时间 当t 2 秒结束后，压滤机的给定压力增加至0p o + 2 p i ，经过一个时间段t 1 秒，使 压滤机内的压力值达到第二个压力值p o + 2 p i ，压力维持时间t 2 秒后，给定压力增加 到p o + 3 p i ，且此压力值将保持t 2 秒。依照上述调节方式压滤机内的压力值将逐步达 到第三个压力值p o + 3 p i ，第四个压力值p o + 4 p i ，第五个压力值，直到压滤机内 的压力值达到给定的结束压力e n d p 则一个周期的处理运行结束，系统自动停机，等 待下一个周期的运行工作。 由于压滤机内的固体物质不断增加，使得污水泵的流量受到影响，而逐渐降低。 当压滤机内的压力达到所设定的最大压力值e n d p 时，系统完成了全部的处理任务， 便自动停止下来。此时，压滤机内的固体含量已经达到一定的程度，可将压滤机卸 压，并清除压滤机内的泥饼，准备再进行处理。 1 3 帅 阢 肼 肼 肼 m r m h 6 5 4 3 2 华中科技大学硕士学位论文 3 1 硬件配置 3 硬件配置及软件设计 ( 1 ) 现场设备 总控制柜、全自动絮凝剂配置站及配置站电控柜、絮凝剂泵、污水泵、板框式 压滤机、抽水泵、测量板框式压滤机内压力的压力传感器( 检测板框式压滤机内水 压力) 、两台测量絮凝剂及污水流量的电磁流量计( 采集电磁流量脉冲，精确计算管 路流量) 。 ( 2 ) 检测与控制点及监测器件的选择 1 ) 检测与控制点8 7 个，其中d i 点4 8 个、d o 点3 2 个、a i 点5 个、a o 点2 个。 2 ) 流量计采用e + h 公司产品，型号为1 f c 0 1 0 k 测量污水流量的流量计量程为o 3 1 2 m s 测量药剂流量的流量计量程为o 3 1 2 m s 3 ) 力传感器型号为p m p 4 8 r a ，0 - 2 0 b a r , 4 - 2 0 m a 4 ) 系统所有控制设备采用德国西门子公司产品。控制对象包括阀门、变频器和 电机等。 ( 3 ) p l c 硬件结构 根据工艺要求，选用s i e m e n sp l cs 7 3 0 0 型可编程序控制器f 2 1 2 2 i 。其中c p u 为s 7 3 1 4 ，通过m p i 多点接口连接器，与一个可用来预置系统设定值以及显示测试 参数的设备o p 2 7 相连接。图3 1 所示为污水处理自动控制系统p l c 的硬件结构图。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 c p us 7 31 41 # 模块2 # 模块3 # 模块斜模块 0 p 2 7 图3 - 1p l c 控制系统硬件结构图 操作员面板0 p 2 7 是人机对话的窗口。各种工艺参数的实际值和设定值、程序切 换时间、报警值及闭环控制参数等都可在0 p 2 7 上显示预置。操作方便灵活，可满足 自动控制的要求。其它模块的功能如下： l # 模块：数字输入输出模块1 6 个输入点，1 6 个输出点 输入量：用于絮凝剂配制站运行：粉状聚合物干燥；喂料泵开、关；最 大及最小压力结束；水压故障；喂料泵变频故障。 输出量：水泵操作故障显示；喂料泵操作状态；液压电机运行显示，开 螺杆泵，开风扇，螺杆泵正向及反向，变频故障解除信号。 2 # 模块：1 6 个输入点的数字输入模块 用于螺杆泵关，药剂泵快速，药剂泵慢速，药剂本地控制，药剂泵过载。 污水泵变频故障，污水泵开，污水泵关，污水泵快速，污水泵低速，污 水泵本地控制等信号的输入。 3 # 模块：具有1 6 个输入端的模拟量输入模块，污水泵压力、污水泵流量及絮 凝剂流量输入信号。 4 # 模块：具有2 个输出端的模拟量输出模块，絮凝药剂泵频率。 ( 4 ) 系统具体监测内容 1 ) 检测：检测污水流量、药剂流量、药剂( 粉状) 含量、压滤机内水压力等。 华中科技大学硕士学位论文 2 ) 控制： a 手动方式下控制，可实现开环控制。污水泵和药剂泵的开启和加速、减速可 通过开启按钮以及增、减速按钮得以实现。 b 自动方式下控制，可实现污水流量以及药剂流量的的闭环控制。即根据o p 2 7 上有关的设定值及现场流量计的检测信号，经内部程序的p i d 算法，得出应有的泵 的转速输出控制信号，使实际流量保持在设定值。 c 紧急停车按钮按下，实现快速保护。 3 ) 报警：报警显示设有文字提示和闪光提示，如超压报警、絮凝剂系统螺旋搅 拌机、振动器、料位以及螺旋喂料电机的报警、污水泵及药剂泵报警等。 4 ) 显示及打印： a 设定值显示：适时显示所有的设定值 b 测量值显示：显示各种参数的显示，如污水泵流量、药剂泵流量、步进压力 值、中间压力值、压滤机内压力值、污水处理累计值、药剂使用累计值、变频电机 的频率等。 3 2 软件设计 计算机软件在控制系统中起着极其重要的主导作用 2 3 1 。本系统软件采用p l c 梯 形图编写。一般设计梯形图程序大都采用继电器系统电路的设计方法。但是，对于 复杂的系统，在梯形图设计中采用大量的中间单元来完成记忆、联锁和互锁等功能， 由于需要考虑的问题较多，分析起来非常困难，并且很容易遗漏一些该考虑的问题， 且修改和阅读也很困难。根据功能图表设计p l c 的梯形图程序，可以有效地解决以 上问题，达到事半功倍的效果。 3 2 i 影响污水处理的各项参数 处理过程中，絮凝剂药液与污水通过各自管道流入同一管道后，在管内进行混 合。目的是增加已经混凝的颗粒的碰撞次数，使之聚合成可过滤的固体。而絮凝是 靠药剂与污水在管内1 - 2 分钟内混合的颗粒来完成的，为的是使颗粒的大小和( 或) 1 6 华中科技大学硕士学位论文 密度增长。当代公认的理论认为，不同粒径颗粒的在混合时，其碰撞速度与下列因 素成比例：( 1 ) 每种粒径的颗粒数目；( 2 ) 颗粒的粒径；( 3 ) 流体速度梯度。 ( 1 ) 进水特性： 进水的最重要特性是悬浮固体浓度，粒径大小以及絮体强度。在对药剂与污水 混合时所作的观测中发现：粒径的分布是双峰分布。即粒径为1 0 微米的颗粒的去除 机理与粒径为8 0 微米或更大的颗粒的去除机理有所不同。因此，控制污水的流量与 药剂的流量十分重要。 ( 2 ) 药剂泵流量与污水泵的流量： 污水中的固体均为粒度均匀、密度均匀、比重均一、形状相同的分散颗粒，去 除这些颗粒的效果将取决于药剂与污水在管内混合的时间长短。只有药剂和污水的 流速保持一定的比例，并且达到一定的时间( 如图3 2 ) ，才有可能达到将固体颗粒 絮凝的目的。 ( 3 ) 药剂与污水混合时间 药剂与污水在管道内存留时间直接影响絮凝效果。时间过短，污水内颗粒不能 够与药剂充分结合，达不到去除的目的；时间过长，絮凝物会阻塞管道，造成设备 损坏。 ( 4 ) 板框式压滤机内的压力： 在板框式压滤机内经过絮凝的药剂与污水的混合物只有保持一定的压力，一定的 流速，方可将絮凝物留在板框式压滤机中，达到固液分离的目的。 华中科技大学硕士学位论文 7 2 7 3 9 多够 一， 少 7 膨 8 0 歹 ? ! 1 0 5 一一 51 02 03 04 05 0 ( 絮凝剂量) 图3 2 污水与药剂混合效果与药剂量关系 ( 曲线上的数值是速度梯度) 3 2 2 污水控制系统中三个主要控制参数： ( 1 ) 絮凝物形成的阶段2 4 1 ) 絮凝物形成分三个阶段，第一个阶段是靠金属凝聚剂的水解反应形成分子态 的高分子聚合物。此间，温度影响到反应速率，但是反应非常快，以致形成高分子 化合物所需的时间与絮凝物形成的时间相比是极小的。 2 ) 第二个阶段是高分子的聚集和高分子化合物延伸段，由于迅速布朗运动，促 使他们互相接触而聚集，形成了较大的颗粒。因为颗粒的尺寸的质量增加了，它们 的扩散速度就降低了。最后，颗粒一直大到扩散速度可以忽略不计。 3 ) 在聚集的第三阶段，颗粒靠液体的运动聚到起，液体中任意一点的颗粒聚 集速率都与该点的速度梯度成比例。 因此，控制药剂溶液的流量以及污水流量是很重要的。 ( 2 ) 污水控制系统中三个主要控制参数 华中科技大学硕士学位论文 1 ) 药剂流量的给定值，即 i t 葛兰黑篇。药剂量每立方米 污水最大设定流量 7 一 ，手动时= 0 药剂量每立方米= 弋 i l 自动= 丛蒙器塑 其中： 固体药剂量可根据工艺要求通过人机界面o p 2 7 设定 药液浓度值可根据工艺要求通过人机界面o p 2 7 输入 2 ) 污水泵流量： 流量调节就是使流量的变化得到缓冲，从而获得均衡或近似均衡的流量。 污水流量的给定值s pi n t , 目p 愿孺菊面丽蠹l 天o o 压了焉丽压滤机内实际压力 其中：压滤机内实际压力可由压力变送器给出 压滤机内最大压力设定值可通过o p 2 7 设定给出 3 ) 板框式压滤机内压力控制 在设计的方案中发现，由于污水中所含物质随品种的不同而有所不同，从而导 致污水内所含颗粒大小也有所不同，所以水质波动比较大。而为了保证处理后的出 水达到国家标准，就要求污水流量与药剂流量波动平稳，靠操作人员凭经验去调节， 不容易达到要求。 在污水膜分离过程中，压力与污水的流量是相互关联的。当在开始运行( 低压区) 时，膜的透水率随压力增加近似直线增加。污水流量的增加( 如图3 - 3 ) ，使跟随污 水流量变化的药剂流量发生变化。 华中科技大学硕士学位论文 流q 压滤机内压力 图_ 。压滤帆内压力与污水药剂流量 在泥水分离过程中，污水因压力的逐渐增加，透过膜的大分子溶质被截留，于 是，在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高。在浓度梯度作用下，大分子溶质从膜 面向本体溶液扩散，形成边界层，使液体阻力与局部渗透压增加，导致污水透过流 量下降，从而导致药剂流量也跟随发生变化。 2 0 华中科技大学硕士学位论文 图3 - 4 压力控制流程图 华中科技大学硕士学位论文 由于压滤机内的压力对污水的流量有控制作用，故压力控制按图3 - 4 流程进行。 ( 3 ) 污水控制系统的控制 在本控制系统中，污水的流量以及药剂流量会受n # t - 界的干扰。此时，调节器 在克服流量扰动的同时，会根据新的给定值，来改变被控对象状态，使污水及药剂 的流量在新的流量数值的基础上，保持其原设定值的比值关系。该系统因能确保污 水、药剂两个流量的比值不变，而系统的结构又较简单。所以，在工业生产过程自 动化中应用较广。 本控制系统根据污水流量的大小，按设定的比值控制药剂的投放量。比值参数可 随实际情况通过0 p 2 7 进行修改，以满足工艺的要求。其原理是模拟量输入与一个反 馈信号进行比较，偏差经过控制算法，决定p l c 数字量模块输出的状态( 是“开”， 还是“关”) 信号，输出开关量控制信号的改变可以在p l c 的一个扫描周期内完成。 比值器的输出是调节器的给定输入，因流量是变化的，所以系统是个随动系统， 调节器可以快速精确地随动于污水流量，不管是污水流量变化还是药剂流量受到扰 动而变化，总是可以通过调节控制对象的开启来保持设定的比值，以达到稳定控制 工艺的目的。 华中科技大学硕士学位论文 4 1 控制系统的设计目标 4 控制系统设计 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。随着科学技术的发展， 对工业过程不仅要求控制的精确性，更注重控制的鲁棒性、实时性、容错性口5 2 6 1 。 本控制系统的设计目标是： ( 1 ) 系统要具有较高的可靠性 ( 2 ) 系统的可维护性好 ( 3 ) 系统要具有一定的灵活性 ( 4 ) 系统应满足污水处理的运行管理和安全处理的要求。 4 2 控制系统的总体方案 4 2 1 工艺控制选择 ( 1 ) 简单控制系统 r ( op ( t ) + 一一一、一 ftr ， t 。 1 而l 一 图4 一【简单控制系统典型结构框图 简单控制 2 7 j 系统是指只有一个调节器、一个调节对象连同被控过程、只对一个被 华中科技大学硕士学位论文 控参数进行控制的单回路闭环控制系统。如图4 1 ，此类系统结构较为简单，但却是 过程控制系统中最为基本的系统。即使用在高水平的自动化控制方案中，此类系统 目前仍占有控制回路的绝大多数。 ( 2 ) 比值控制系统 虽然上述单回路控制系统在大多数情况下能够满足工艺生产的基本要求。但是， 在我们所设计的污水处理工艺中，因为若污水流量与药剂流量分别进行单回路的控 制，污水与药剂各自的流量波动是影响进料量的主要因素。由于工艺要求污水量与 药剂量两种液体的反应比存在着较为严格的比例控制( 污水流量与药剂流量的比等 于1 0 ：1 ) ，污水流量或者药剂流量的过量都同样影响着处理过的水的指标。一旦污 水量过大，处理后的水质就会不合乎排放标准；而如果药剂流量过大，处理后的水 质中含药过量，会使水变色。因而在控制系统中，不仅要控制恒流，还要考虑两种 液料的比值。因此，不可选用上述简单的单回路控制系统，即为了实现工艺生产的 种种特殊要求，设计一种特殊的过程控制系统，即比值控制系统皿钔。比值控制系统， 就是使一种物料随着另一种物料按一定的比例变化的控制系统。 ( 3 ) 比值控制系统的选择 比值控制系统有如下几种