污水处理厂污泥脱水车间控制系统设计与应用

1、北京化工大学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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。作者签名：日期：沙，占关于论文使用授权的说明学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大学。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磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允

2、许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在三年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书名者签名：戳日期：迦！笸：导师签名：主么！匝乏日期：麴！：！呈哪川学位论文数据集，川川眦中图分类号论文编号学科分类号密级公开学位授予单位代码作者姓名获学位专业名称课题来源论文题目关键词论文答辩日期学位授予单位名称学号北京化工大学高泽宇控制工程工程项目获学位专业代码研究方向实时监控系统污水处理厂污泥脱水车间控制系统设计与应用污泥、脱水、自动、控制、符号有向图、以太网年月日论文类型应用研究学位论文评阅及答辩委员会情况姓名指导教师评阅

3、人评阅人评阅人评阅人评阅人答辩委员会主席答辩委员答辩委员答辩委员答辩委员答辩委员注：一论文类型：基础研究应用研究开发研究其它二中图分类号在中国图书资料分类法查询。三学科分类号在中华人民共和国国家标准（厂）学科分类与代码中查询。四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。朱向东张贝克张贝克张贝克职称教授教授高工工作单位北京化工大学北京化工大学北京排水集团高碑店厂中持（北京）环保发展有限公司学科专长控制工程、系统仿真控制工程、系统仿真控制工程、污水处理给排水机电工程尹新正朱向东张连凯教授级高工副教授北京化工大学教授级高工中持（北京）环保发展有限公司给排水控制工程、系统仿真控制程、污水处理控制工程

4、机电程教授高工高工副教授北京化工大学北京排水集团高碑店厂北京化工大学北京化工大学尹新正孙洪程张连凯摘要污水处理厂污泥脱水车间控制系统设计与应用摘要污泥脱水生产过程影响因素多，可控变量少，导致目前大多数污泥脱水控制系统处于半自动状态，对人的依赖性很高。为了提高污泥脱水控制系统的自动化程度、安全性能以及运行稳定程度，本课题以实际工程项目为依托，开展如何设计该控制系统的研究，取得了以下主要成果：、状态图与符号有向图是多用于化工行业使用的安全评价法，本文将其引入到控制系统的设计，采用两种方法组合的方式对污泥脱水控制系统进行了全面的特性分析，基于这种方法设计的控制系统，具有严谨的逻辑关系，很好的鲁棒性以

5、及最优的控制通道。、结合生产经验，提出多层次的脱水系统自动控制理念，并划分“高级、“中级”和“初级三个层次，新的设计理念克服了仪表失效对自动化生产的影响，解决了高度自动化的控制系统对仪表依赖性较高的问题，提高生产效率和调控水平。、通过对脱水车间电气元件腐蚀损坏严重，污泥无法准确计量等原因的研究，提出新的选型方案并解决问题；、实现控制网络与企业以太网无缝衔接，加强了生产信息管理。基于和的软件应用实现污泥脱水自动调控与车间整体监控。新的污泥脱水控制系统自动化程度高、生产安全性好、故障少，兼容性好，达到改造目的，证明借助状态图与符号有向图设计的控制系统在生产过程中有较强应用价值。关键词：污泥，脱水，

6、自动，控制，符号有向图，以太网北京化工大学硕士学位论文一，也电：印觚起规删，叩培幽，幻，够挥）】：鲫（）肌巧匆培玎小旧，仃仃嬲、，鹏，虮鲈臼，够嬲出弘舭，旭北京化工大学硕士学位论文培叩，锄（锄呐，丘、始血小硼心锄，臼电曲，够，埘咖印，时：，廿目录目录第一章绪论污水处理与污泥处理自动化污水处理与自动化污泥处理与自动化高碑店污水处理厂简介脱水车间控制系统工程背景工程前期背景脱水车间控制系统现状将来自控状况文章结构本章小结第二章污泥脱水系统对象分析。污泥脱水对象描述污泥脱水工艺流程描述污泥脱水工艺过程简介污泥脱水机原理与运行控制带式压滤脱水机运行控制离心螺旋脱水机运行控制螺旋压榨脱水机运行控制。污泥

7、脱水控制任务描述污泥脱水特性分析状态图描述符号有向图描述被控参数特性分析。本章小结第三章污泥脱水控制系统设计及仪表选择控制系统改造设计依据北京化工大学硕士学位论文系统改造的目的和要求。系统原有问题的解决方案脱水系统顺序控制的设计系统的整体设计系统控制状态。系统故障停机系统自动顺序启动冲洗状态和加油状态设备逻辑关系表脱水系统反馈控制的设计控制器正反作用选择原则控制器规律选择原则。进泥流量单回路控制污泥、絮凝剂投配比值控制多层次的脱水系统自动控制设计层次划分泊动控制设计依据仪表防失效设计控制系统仪表选择流量计选型电磁流量计使用经验。电磁流量计采购技术要求污泥浓度计选型污泥浓度计原理和特点污泥浓度计

8、采购技术要求本章小结第四章控制系统架构设计及选型。网络架构设计网络的概念一控制网络的发展控制网络设计原则工业以太网的选择企业网络信息集成设计目录车间控制网络的设计控制器的选型及应用可编程自动化控制器控制系统硬件配置方案控制系统点数附属硬件选型双绞线电缆一电缆连接器工业级交换机系统架构的优点扩展性开放性：。集成架构其它优点本章小结第五章控制功能的实现与监控系统的开发控制功能的实现峪西编程软件一自定义功能控制功能。上位机与下位机的通讯【通讯软件无线控制功能的实现监控系统的开发人机界面软件。重复画面的设计监控画面的设计用户权限设计报表系统设计运行记录设计。运行报表设计历史数据检索设计本章小结北京化工

9、大学硕士学位论文第六章结论应用效果设计创新点参考文献附录脱水车间工艺管道及仪表流程图附录自动化及自动控制系统标准致谢作者和导师简介珀缸”仃恤钮、趾、协仃恤蛐：擘骶恤觚咖。仃锄、呵们咖血删撇此血【邱曲的埘臼。培面巧毫加培”嘶。唧瑚【舰船舡锄砒（培血啪磬一勺印训呶北京化工大学硕士学位论文】”唱缸咖批。仃曲耐西螂鹏盟耐呻锄仃。两昀班仃”缸觚舢【旬的删均妒细缸咖够眦伽缸、釉鼬。嬲呦巧妇！曲俩腓船劬瞰缸一巧，衙阳够伽”。孙加一、印撒研印惭驴曲娟蜘！竺竺堡哟，锄印伽掣锄一嘴血孤删蛐弧一曲憎：瓜晰珈。奶鲫，”璐时础蚰印心”矗”西伊嫩龇一弱姗如丽一伊一，印珞”，印玛锄，弘，：彻唿巧匕京化工大学硕士学位论文呵饪

10、。渴蛔。！。第一章绪论第一章绪论污水处理与污泥处理自动化污水处理与自动化水是生命之源，水与人类的生活息息相关。随着社会的发展，经济的增长，城市规模的扩大，城市人口的不断增多，衍生出越来越多的城市生活废水。早期，处理方式大部分污水为排放，通过水体自净过程简单处理，但是随着城市的发展，污水中各类成分越来越复杂，洗涤剂、油脂、各类有机物、无机物、细菌、病毒微生物，甚至酸碱性、放射性和重金属，单纯水体稀释和自净能力已经不能适应城市污水控制、水环境的保护需求。水污染造成巨大的经济损失，水资源的短缺制约城市的可持续发展【。近几十年，随着我国经济的高速发展及环保意识的增强，大量新建的城市污水处理厂在不断投入

11、运行【。城市污水处理厂投入运行，面临的第一个问题是，运行管理，初期靠技术人员现场检测调试，但是大规模的污水处理厂，譬如高碑店污水处理厂，日处理污水万吨，其占地面积公顷，构筑物仅曝气池就有座，还有对应的初次沉淀池和二次沉淀池，污水处理运行需要实时检测的项目多，如进水、进水流量，每个曝气池不同廊道的溶解氧等，如果单纯依靠人工进行实时检测，必将消耗大量的人力物力财力。在发达国家非常重视污水处理工艺过程的监测、运行和管理，尤其是在污水二级处理普及以后，大量资金和科研力量被投入，用于实现计算机控制、记录、报警和计算。在上世纪年代中期，美国开始实现污水处理厂的自动控制，经过三十多年的发展，美国主要污水厂工

12、艺流程中的主要参数已经能够自动测试和控制。而且，早在上世纪年代以来，水处理仪器和自动化的两次国际学术会议均在美国召开，会上发表的数百篇论文反映出水处理自动化已发展到实用水平【。相比发达国家而言，我国污水处理厂的自动化控制应用起步较晚，直到年代，我国污水处理厂开始陆续引入自动控制系统【】，包括年投产的高碑店污水处理厂在内，受贷款等因素影响，大多引进的都是国外的成套自控系统，虽然提高了污水处理厂运行管理水平和自动化控制水平，结束了此前自动控制系统的落后局面】，但是，国产自动控制系统在污水处理厂的应用较少。北京化工大学硕士学位论文污泥处理与自动化经过几十年的努力，我国的水污染问题得到一定的控制，水环

13、境得到一定改观，但是随着我国城市污水处理能力的大幅增长，我们又面临一个新的问题的挑战城市污泥处理与处置。污水经过处理后，其体积的】将转化为固态的凝聚体沉降下来，这就是通常所说的污泥。污泥是城市污水处理的产物，正是污泥的不断产生，才保证完成污水的净化。据不完全统计，我国城市日污水排放量己达亿吨。据估算，目前我国城市污水处理厂每年排放的污泥量（干重）大约为万吨，占我国总固体废弃物的，而且年增长率大于【。虽然国家对污泥处置提上议程，但是全国绝大部分污水处理厂仍采用机械脱水后弃置或堆肥的方式，无论采用何种处置方法，机械脱水后污泥含水率决定着后续工艺的运行成本，因为污泥体积庞大，不利于运输和处理，因此，

14、需要通过脱水减小污泥体积。污水处理所产生的污泥具有较高的含水量，由于水分与污泥颗粒结合的特性，采用机械方法脱，污泥中的有机质含量、灰分比例特别是絮凝剂的投加量对于最终泥饼含水率有重要影响。一般来说，采用机械脱水可以获得一的含固率，所形成的污泥也被称为泥饼。通常污泥先进行预处理，改善脱水性能后再脱水，最通用的预处理方法是投加无机盐或高分子絮凝剂【】。污泥脱水后含水率影响泥饼体积，根据干物质守恒，假设机械脱水干物质回收，对立方米，含固率为的原泥进行脱水为例，根据下表可以看出脱水后不同含固率泥饼体积变化差异。表泥饼体积与含水率的关系一“旧船也就是说，全国的泥饼以万吨计算，如果机械脱水后含水率由降低为

15、泥饼的体积会减少万年，由此可见机械脱水的效果在污泥处理环节中的重要性。第一章绪论在国内污泥机械脱水工艺方面，有四种主要设备，板框式压滤机、带式压滤机、离心脱水机和螺旋压榨脱水机。由于带机压滤脱水机价格低，能耗低，维修简单等因素，占的比例较大，但是其控制系统远不及其它三种脱水机先进，消耗了较大人力，如果在控制系统加以完善，其使用效果会得到进一步提高。此外，目前大部分污水处理厂的水区控制系统较完善，相对而言，污泥脱水车间作为一个工艺环节，被控制系统设计者忽视，往往是污泥脱水车间建成后，各设备供应商提供相应的成套控制系统，由于脱水车间设备供应商品牌繁多，不同控制系统之间兼容性差、联锁关系不强，造成控

16、制系统是远程人工控制，而非自动控制。高碑店污水处理厂简介高碑店污水处理厂是在年代建设的大型城市污水处理厂，位于北京市东郊朝阳区高碑店乡，距市中心约，接纳旧城区及东郊工业区的污水，总流域面积约。处理规模万，分两期建成，一期万于年竣工，二期万于年竣工。出水回用或排入通惠河。该厂总占地约公顷。高碑店污水处理厂的水处理工艺采用倒置污水处理工艺；污泥处理工艺采用重力浓缩、二级中温消化、脱水机脱水；利用消化产生的沼气发电并网，利用发电机发电过程中产生的余热进行消化池内污泥的加热，不足部分由厂内蒸汽锅炉提供。图所示为该厂工艺流程图。圳二“青型丝兰姿！丝兰些图高碑店污水处理厂工艺流程图肌鲫目前，高碑店厂正在进

17、行升级改造工作，届时将建成处理规模万再生北京化工大学硕士学位论文水厂，成为国内最大的再生水厂。脱水车间分三期建成，其中一期于年投入生产，二期年投入生产。随着生产能力以及技术水平的提高，车间内设备以及控制系统经过数次改造，目前车间内有带式压滤脱水机台，螺旋压榨脱水机机台，卧式离心脱水机台，对应泥泵、药泵、冲洗水泵各台、溶药设备套、螺旋输送机台、流量计、液位计、浓度计等各类仪表若干。在今后几年内，为了适应工艺的需求，将继续建设四期脱水机车间。脱水车间控制系统工程背景工程前期背景现有脱水车间原分多期设计，其中一期与三期控制系统在室内，二期控制系统在现场车间，原有设备的功能仅是简单完成了脱水设备运转的

18、顺序控制，年之前，由于没有采用变频设备，因此设备的运转负荷通过现场手动调节电机调速轮来实现。年后，随着污泥处理工艺水平的不断提高，以及变频器的发展，脱水车间内原来手动调速的电机均逐步更新为变频电机，随着设备、电器的更新，自控系统也做相应改造工作，但在控制功能上除了增加频率设置外，仍然延续了原有的设计，并且利用了原有的自控柜体，尤其是二期控制系统，为后来自控元器件损坏严重埋下隐患。脱水车间控制系统现状随着生产任务的加剧，污泥脱水车间环境愈来愈差，以二期为例，原设计运行小时，且用备，现需小时满负荷运行，且台设备均需运行；二期脱水机房原监控系统由上位机、触摸屏、变频器等自动化产品组成，除上位机外，其

19、它自控元件均安装在带式压滤机现场的就地控制箱内，由于带机附件环境潮湿且含有一定量的腐蚀性气体，造成控制柜的自控元件损坏严重。整个污泥脱水车间脱水机种类多，建成时间不同，设备型号不同，控制器选型不同。一期台脱水机设备更新后的现状是种型号，分别是两台带式压滤脱水机，采用罗克韦尔公司的系列；两台带式压滤脱水机，采用西门子公司的系列；一台螺旋压榨脱水机，采用三菱公司的系列型；台设第一章绪论备三种控制系统且相对独立，且均无上位机监控，其中螺旋压榨机正在施工。二期有台为第三种带式压滤脱水机，采用西门子公司的系列。三期有台离心脱水机，采用罗克韦尔公司的砒西系列。整个脱水机房自控系统与大厂工业网络相对独立。将

20、来自控状况螺旋压榨机预计年会投入使用，二期台带式压滤脱水机，由于设备自年投入使用，预计在年前实施台设备的更新工作。预计年左右企业会再建四期污泥脱水机房，预计有台脱水机，包括已经存在的台脱水机，共计有台脱水机需要脱水运行班统一运行管理，企业用于维护脱水机房的班组人员很可能不再增加，这一点就要求脱水车间控制系统有高度集成的自动化水平，并能维持系统良好、稳定、可靠、经济的运行。同时脱水机房控制系统需纳入现有企业的工业网。文章结构本文的共分六章，介绍了在城市污水处理厂污泥脱水车间控制系统设计与应用。本文第一章介绍工程背景；第二章分析污泥脱水机对象，并介绍污泥脱水的设备与工艺原理，利用状态图和符号有向图

21、对带式脱水机控制任务和工作特性进行分析描述；第三章对脱水机顺序控制和反馈控制进行设计，并根据运行经验提出多层次的控制模式，并简单介绍电磁流量计和污泥浓度计的选型要点；第四章介绍对控制网络和控制器架构的选择和设计，并阐述了该架构具备的优点；第五章介绍脱水车间控制功能的实现和上位机软件的开发过程，分享罗克韦尔自动化公司的软件产品使用经验；最后一章对本文在使用效果方面作以概括，总结了污泥脱水车问控制系统设计的亮点。本章小结本章主要介绍了污水处理行业，高碑店污水处理厂，及污泥脱水车间控制系统改造工程的状况，阐述了工程背景和课题的主要研究内容，并给出了文章的总体结构。北京化工大学硕士学位论文一第二章污泥脱水系统对象分析第二章污泥脱水系统对象分析只有充分了解被控对象的基础上才能进行控制系统的方案设计，本章首先对污泥脱水系统进行对象特性分析。高碑店污水处理厂的污泥脱水车间是一个典型且