一體式智能電磁流量計與自動控制在污水處理中的應用研究
點擊次數：3213 發布時間：2021-01-01 13:37:54
【摘要】針對污水處理，在簡述其特點的基礎上，對一體式智能電磁流量計與自動控制技術具體應用進行深入分析，以此為后續的自動化改造及運營奠定良好基礎，提供可靠參考借鑒。
如今，計算機與嵌入式芯片越來越普及，這使自動控制正不斷進入到工業領域各個環節。 然而， 因污水處理存在特殊性，所以對自動控制的實際應用還有待進一步完善。
1 水處理主要特點
（ 1 ）周期長。 在污水處理中，處理周期主要由處理工藝決定，通常為三級處理，其中，一級處理為機械處理，二級處理為生物處理，三級處理為深度處理。 伴隨特殊環境不斷變化，污水處理工藝必須進行改善和優化。
（ 2 ）參數有較大的離散性。 在水處理過程中，參數包括溶解氧、溫度和 pH 值等。 從現場情況講，這些參數都有很大的離散性，很難與設備實際運轉狀況相掛鉤，獲得完全且系統線性關系。
（ 3 ）難以采用自動控制系統實現無人值守。 在當前的實際情況下，污水處理主要由人工經驗進行控制，這樣不僅要耗費很多資源、消耗大量時間，導致自動控制難以充分發揮應有作用功能。
2 污水處理對自動控制技術的應用
2.1 控制基本要求
2.1.1 調節池
調節池需要設于滲濾液處理站，共兩座，其主要設備包括以下幾種： ① 進水格柵機，共 1 臺； ② 進水一體式智能電磁流量計，共 1 臺； ③出水一體式智能電磁流量計，共 1 臺； ④ 攪拌機，共 2 臺； ⑤ 超聲波液位計，共1 臺； ⑥ 進水電動閥門，共 1 臺； ⑦ 出水提升泵，共 1 臺。 其控制要求為：格柵機應能實現現場控制與遠程控制，且上位機可以對實際狀態進行顯示；攪拌機應具備現場控制、遠程控制和自動控制的操作按鈕，且上位機可以對實際狀態進行顯示。 如果液位小于 1.5 m ， 則攪拌機可自動停止， 而液位超過 2.0 m時，自動開始運行；上位機對液位予以顯示，同時顯示出實際液體容積。 如果液位超過 5.85 m ，則上位機立即報警；電動閥門應能實現現場控制、遠程控制和自動控制，且上位機要能對實際狀態進行顯示。 如果液位超過 6 m ，則也為相對較高的調節池，其進水閥門將自動關閉，而液位相對較低的調節池，其進水閥門自動開啟； 出水提升泵應能實現現場控制與遠程控制，且上位機要對實際狀態予以顯示。如果液位低于 0.5 m ，則提升泵自動關閉； 進水一體式智能電磁流量計對應的上位機可以對進水流量及總的累計流量予以顯示； 2 臺出水泵同時使用 1 臺一體式智能電磁流量計，其實際的出水與累計總流量都應在上位機上實時顯示；對于各個模擬量，都要有歷史發展趨勢對應的曲線圖。
2.1.2 反應沉淀系統
一級反應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 反應池； ④ 一級沉淀池； ⑤ 中間水池。 對于二次反應沉淀，其主要由以下幾部分組成： ① 反應池； ② 二級沉淀池； ③ 預處理系統。 系統控制要求為：對于石灰投加機，其頻率要可以在上位機進行調整；石灰投加、攪拌機、渣漿泵、出水泵、半球閥、加壓裝置都要實現現場控制與遠程控制，并且要在上位機對實際狀態信息進行顯示； 如果出水池實際液位不足 0.5 m ，則出水泵自動停機；所有出水泵使用同一臺一體式智能電磁流量計，于上位機對出水與累計的總流量進行顯示； 渣漿泵可根據時間順序進行運動，待啟動一定時間后自動停止；在渣漿泵開啟以后， 半球閥可以根據時間順序進行運行， 待啟動一定時間后，自動關閉其中一個電動閥，而開啟另外的電動閥；出水池的實際液位要可以在上位機實時顯示，同時顯示出液位容積。如果液位超過 5.85 m ，則上位機立即報警；對于各個模擬量，都要有歷史發展趨勢對應的曲線圖。
2.1.3 厭氧系統
該系統控制要求為：包含攪拌機、循環泵、一體式智能電磁流量計和回流泵等在內的設備都能實現現場控制與遠程控制， 并在上位機對實際狀態信息進行顯示； 進水調節池實際液位可以在上位機實時顯示，同時可以顯示出實際的液體容積，如果液位超過 3.5 m ，則上位機立即報警； 沼氣風機可以結合壓力變送器實際數據實現變頻控制；對于各個模擬量，都要有歷史發展趨勢對應的曲線圖。
2.1.4 好氧系統
該系統控制要求為：包含攪拌機、曝氣與排泥泵、一體式智能電磁流量計及電動蝶閥等在內的設備均實現限產控制和遠程控制， 并能在上位機對實際狀態信息進行顯示；對攪拌機進行時序控制，可對開啟時間做適當調整；進出水的電動蝶閥都和池液位實現聯動，以池液位實際情況為依據進行開啟或關閉。 每個閥門都要實現時序控制，且具體的時間間隔要能調整；各個池中射流曝氣泵也要實現時序控制，即每個池中的所有泵要同時啟動，具體的時間間隔要能調整。
2.2 自動控制
對于污水處理系統而言，其控制對象除了有開關量，還包括模擬量，除了開環控制，還涉及到閉環控制；系統運行過程中，有很多參數需要進行檢測與控制，系統的總控計算機，利用一體式智能電磁流量計監控軟件對整個處理廠的設備予以實時監控， 并記錄所有水質數據，*終生成報表；在自動控制系統中，自動控制柜為核心所在，無論是工藝控制、邏輯皮暖段，還是各控制站通信，均由該自動控制柜實現； 系統總控計算機各類數據由 PLC 在以太網上傳遞，由總控計算機控制現場所有設備時，也主要利用 PLC 實現。 當要完成控制功能時， 系統的總控計算機將向PLC 發出指令，再由 PLC 進行判斷，確認是否需要執行著這一控制，若條件成立，則立即執行，若條件不成立，則拒絕。通過以上分析可知， 自動控制系統所有功能均由 PLC 實現，在這種情況下，即便網絡產生故障， PLC 依然能根據預設程序來控制。 以控制系統具有的工藝特點為依據，結合現場生產實際條件， 該自動控制系統主要將 S7-300PLC 作為主。
在軟件開發方面，主要包含以下兩個方面：
① 針對 PLC 進行的程序設計；
② 對上位機監控界面進行開發。 其中，針對 PLC 進行的程序設計主要是利用編程軟件完成， 以滿足所有控制要求；對于上位機監控，主要使用的是國產組態軟件，通過對組態軟件的合理應用， 現場的全體操作人員均能在控制室對現場的一體式智能電磁流量計進行實時監視，并收集相應的數據。
2.3 系統優化
上述是較為常規且成熟的自動控制實現思路， 但也存在很多的缺點，如成本較高、模式僵化和性價比較低等。 對此，有必要對系統予以優化改進：
（ 1 ）除了對脈沖量、開關量與模擬量進行采集，還要對其它類型的信號進行采集，包括視頻、聲音和圖像。
（ 2 ）除了對脈沖量、開關量與模擬量進行輸出，還要對其它類型的信號進行輸出，包括視頻、聲音和圖像 。
（ 3 ）對系統的邏輯處理功能進行拓展。
（ 4 ）完成各類型運算，包括整數、實數、二進制和浮點型等。
（ 5 ）在實現延時與定時控制的同時，使時間運算能達到毫秒級。
（ 6 ）實現計數控制目標，且高速計數的頻率要能達到百赫茲。
（ 7 ）達到內、外部中斷，保證對所有輸入和輸出的實際響應速度及精度。
（ 8 ）增大存儲容量，使數據在掉電后不會丟失。
（ 9 ）設置開放式網絡通訊模塊，使遠程控制保持穩定。
3 結束語
綜上所述，按照嵌入式系統思想實現 PLC 各項功能，取代傳統的控制器，使結構更加開放，縮短開發的周期，降低成本，在當前表現出極好前景。 對于嵌入式系統，不僅體積很小、成本低廉，而且功能專一，它將在工控領域得到更加廣泛的應用。
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1 水處理主要特點
（ 1 ）周期長。 在污水處理中，處理周期主要由處理工藝決定，通常為三級處理，其中，一級處理為機械處理，二級處理為生物處理，三級處理為深度處理。 伴隨特殊環境不斷變化，污水處理工藝必須進行改善和優化。
（ 2 ）參數有較大的離散性。 在水處理過程中，參數包括溶解氧、溫度和 pH 值等。 從現場情況講，這些參數都有很大的離散性，很難與設備實際運轉狀況相掛鉤，獲得完全且系統線性關系。
（ 3 ）難以采用自動控制系統實現無人值守。 在當前的實際情況下，污水處理主要由人工經驗進行控制，這樣不僅要耗費很多資源、消耗大量時間，導致自動控制難以充分發揮應有作用功能。
2 污水處理對自動控制技術的應用
2.1 控制基本要求
2.1.1 調節池
調節池需要設于滲濾液處理站，共兩座，其主要設備包括以下幾種： ① 進水格柵機，共 1 臺； ② 進水一體式智能電磁流量計，共 1 臺； ③出水一體式智能電磁流量計，共 1 臺； ④ 攪拌機，共 2 臺； ⑤ 超聲波液位計，共1 臺； ⑥ 進水電動閥門，共 1 臺； ⑦ 出水提升泵，共 1 臺。 其控制要求為：格柵機應能實現現場控制與遠程控制，且上位機可以對實際狀態進行顯示；攪拌機應具備現場控制、遠程控制和自動控制的操作按鈕，且上位機可以對實際狀態進行顯示。 如果液位小于 1.5 m ， 則攪拌機可自動停止， 而液位超過 2.0 m時，自動開始運行；上位機對液位予以顯示，同時顯示出實際液體容積。 如果液位超過 5.85 m ，則上位機立即報警；電動閥門應能實現現場控制、遠程控制和自動控制，且上位機要能對實際狀態進行顯示。 如果液位超過 6 m ，則也為相對較高的調節池，其進水閥門將自動關閉，而液位相對較低的調節池，其進水閥門自動開啟； 出水提升泵應能實現現場控制與遠程控制，且上位機要對實際狀態予以顯示。如果液位低于 0.5 m ，則提升泵自動關閉； 進水一體式智能電磁流量計對應的上位機可以對進水流量及總的累計流量予以顯示； 2 臺出水泵同時使用 1 臺一體式智能電磁流量計，其實際的出水與累計總流量都應在上位機上實時顯示；對于各個模擬量，都要有歷史發展趨勢對應的曲線圖。
2.1.2 反應沉淀系統
一級反應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 反應池； ④ 一級沉淀池； ⑤ 中間水池。 對于二次反應沉淀，其主要由以下幾部分組成： ① 反應池； ② 二級沉淀池； ③ 預處理系統。 系統控制要求為：對于石灰投加機，其頻率要可以在上位機進行調整；石灰投加、攪拌機、渣漿泵、出水泵、半球閥、加壓裝置都要實現現場控制與遠程控制，并且要在上位機對實際狀態信息進行顯示； 如果出水池實際液位不足 0.5 m ，則出水泵自動停機；所有出水泵使用同一臺一體式智能電磁流量計，于上位機對出水與累計的總流量進行顯示； 渣漿泵可根據時間順序進行運動，待啟動一定時間后自動停止；在渣漿泵開啟以后， 半球閥可以根據時間順序進行運行， 待啟動一定時間后，自動關閉其中一個電動閥，而開啟另外的電動閥；出水池的實際液位要可以在上位機實時顯示，同時顯示出液位容積。如果液位超過 5.85 m ，則上位機立即報警；對于各個模擬量，都要有歷史發展趨勢對應的曲線圖。
2.1.3 厭氧系統
該系統控制要求為：包含攪拌機、循環泵、一體式智能電磁流量計和回流泵等在內的設備都能實現現場控制與遠程控制， 并在上位機對實際狀態信息進行顯示； 進水調節池實際液位可以在上位機實時顯示，同時可以顯示出實際的液體容積，如果液位超過 3.5 m ，則上位機立即報警； 沼氣風機可以結合壓力變送器實際數據實現變頻控制；對于各個模擬量，都要有歷史發展趨勢對應的曲線圖。
2.1.4 好氧系統
該系統控制要求為：包含攪拌機、曝氣與排泥泵、一體式智能電磁流量計及電動蝶閥等在內的設備均實現限產控制和遠程控制， 并能在上位機對實際狀態信息進行顯示；對攪拌機進行時序控制，可對開啟時間做適當調整；進出水的電動蝶閥都和池液位實現聯動，以池液位實際情況為依據進行開啟或關閉。 每個閥門都要實現時序控制，且具體的時間間隔要能調整；各個池中射流曝氣泵也要實現時序控制，即每個池中的所有泵要同時啟動，具體的時間間隔要能調整。
2.2 自動控制
對于污水處理系統而言，其控制對象除了有開關量，還包括模擬量，除了開環控制，還涉及到閉環控制；系統運行過程中，有很多參數需要進行檢測與控制，系統的總控計算機，利用一體式智能電磁流量計監控軟件對整個處理廠的設備予以實時監控， 并記錄所有水質數據，*終生成報表；在自動控制系統中，自動控制柜為核心所在，無論是工藝控制、邏輯皮暖段，還是各控制站通信，均由該自動控制柜實現； 系統總控計算機各類數據由 PLC 在以太網上傳遞，由總控計算機控制現場所有設備時，也主要利用 PLC 實現。 當要完成控制功能時， 系統的總控計算機將向PLC 發出指令，再由 PLC 進行判斷，確認是否需要執行著這一控制，若條件成立，則立即執行，若條件不成立，則拒絕。通過以上分析可知， 自動控制系統所有功能均由 PLC 實現，在這種情況下，即便網絡產生故障， PLC 依然能根據預設程序來控制。 以控制系統具有的工藝特點為依據，結合現場生產實際條件， 該自動控制系統主要將 S7-300PLC 作為主。
在軟件開發方面，主要包含以下兩個方面：
① 針對 PLC 進行的程序設計；
② 對上位機監控界面進行開發。 其中，針對 PLC 進行的程序設計主要是利用編程軟件完成， 以滿足所有控制要求；對于上位機監控，主要使用的是國產組態軟件，通過對組態軟件的合理應用， 現場的全體操作人員均能在控制室對現場的一體式智能電磁流量計進行實時監視，并收集相應的數據。
2.3 系統優化
上述是較為常規且成熟的自動控制實現思路， 但也存在很多的缺點，如成本較高、模式僵化和性價比較低等。 對此，有必要對系統予以優化改進：
（ 1 ）除了對脈沖量、開關量與模擬量進行采集，還要對其它類型的信號進行采集，包括視頻、聲音和圖像。
（ 2 ）除了對脈沖量、開關量與模擬量進行輸出，還要對其它類型的信號進行輸出，包括視頻、聲音和圖像 。
（ 3 ）對系統的邏輯處理功能進行拓展。
（ 4 ）完成各類型運算，包括整數、實數、二進制和浮點型等。
（ 5 ）在實現延時與定時控制的同時，使時間運算能達到毫秒級。
（ 6 ）實現計數控制目標，且高速計數的頻率要能達到百赫茲。
（ 7 ）達到內、外部中斷，保證對所有輸入和輸出的實際響應速度及精度。
（ 8 ）增大存儲容量，使數據在掉電后不會丟失。
（ 9 ）設置開放式網絡通訊模塊，使遠程控制保持穩定。
3 結束語
綜上所述，按照嵌入式系統思想實現 PLC 各項功能，取代傳統的控制器，使結構更加開放，縮短開發的周期，降低成本，在當前表現出極好前景。 對于嵌入式系統，不僅體積很小、成本低廉，而且功能專一，它將在工控領域得到更加廣泛的應用。