大型污水厂自控系统优化设计探讨

大型污水厂自控系统优化设计探讨

宋晓菲

江苏凯拓测控技术有限公司

摘要：本文探讨大型污水厂自控系统的优化设计问题，对现有系统的运行状况进行深入分析。在此基础上，提出自控系统优化的设计对策，包括完善通信网络、购进先进设备、更新软件系统和固定设备接口的方式，进一步提高大型污水厂自控系统稳定性，为大型污水厂的可持续运营提供理论支持。

关键词：大型污水厂；自控系统；优化设计

随着城市化进程的加快，污水处理成为城市环境治理的重要组成部分。大型污水厂作为城市污水处理的核心设施，其自控系统的性能直接关系到污水处理的效率和质量。然而，传统的自控系统往往存在设计落后、能耗高、维护困难等问题，难以满足现代污水处理的需求。因此，对大型污水厂自控系统进行优化设计显得尤为重要。

一、大型污水厂自控系统优化设计重要性

（一）提高污水处理效率

传统的污水处理过程往往依赖于人工监控和调节，这种方式不仅效率低下，而且容易受到人为因素的影响，导致处理效果不稳定[1]。通过自控系统的优化设计，可以实现污水处理过程的自动化和智能化，提高处理效率，减少人为干预，确保出水水质的稳定性和达标率。

（二）降低污水厂运营成本

污水厂的运营成本中，电能消耗占据了相当大的比例。自控系统的优化能够实现对污水厂内各种设备的精准控制，合理调配电能资源，减少不必要的能耗，从而降低运营成本。同时，优化后的自控系统还能通过对设备的实时监控和预警，减少设备故障和维修成本，进一步提高污水厂的经济效益。

（三）增强污水厂安全性

污水处理过程中涉及到许多危险因素，如沼气、有毒有害气体等。通过自控系统的优化设计，可以实现对这些危险因素的实时监控和预警，及时采取应对措施，保障污水厂的安全运行[2]。同时，自控系统还能通过对设备的实时监控和调控，确保污水厂的稳定运行，避免因设备故障导致的生产中断和环境污染。

二、大型污水厂自控系统存在的问题

（一）设备老化

自控系统中的各种设备，包括传感器、执行器、控制器等，经过长期连续的运行，其内部电子元件、机械部件等均会不可避免地出现老化、磨损等现象。这种老化不仅导致设备性能下降，反应速度变慢，而且可能引发设备故障，甚至造成安全事故[3]。在自控系统中，传感器负责实时监测污水处理过程中的各种参数，如水位、流量、pH值等，其老化会导致监测数据不准确，甚至出现误差，从而影响对污水处理过程的精准控制。执行器则负责根据控制指令调节设备运行状态，如开关阀门、调节电机转速等，其老化可能导致执行动作不准确，甚至失效，使得污水处理过程无法按照预设的工艺要求进行。此外，自控系统中的控制器是整个系统的“大脑”，负责处理传感器采集的数据，并发出相应的控制指令。控制器的老化可能导致数据处理速度变慢，控制指令发出不及时，从而影响整个污水处理过程的稳定性和效率。

（二）控制滞后

在污水处理过程中，自控系统需要根据实时监测到的数据及时调整设备的运行状态，以保证处理过程的稳定和高效[4]。然而，由于种种原因，如传感器数据采集速度慢、控制器处理速度慢、通信网络延迟等，可能导致自控系统在接收到数据后无法及时作出反应，即控制滞后。控制滞后的存在使得自控系统无法及时应对污水处理过程中的突发情况，如水质突然恶化、设备故障等，从而导致处理效果下降，甚至引发安全事故。此外，控制滞后还可能使得自控系统无法实现对污水处理过程的精确控制，导致处理过程中的能耗增加、污染物排放量增大等问题。

（三）信号丢失

信号丢失不仅使得自控系统无法及时获取污水处理过程的实时数据，从而影响对处理过程的监控和调节，而且可能导致控制器无法准确发出控制指令，使得整个自控系统失去对污水处理过程的控制[5]。此外，信号丢失还可能引发误判和误操作，进一步加剧污水处理过程的不稳定性和安全隐患。

三、大型污水厂自控系统优化设计对策

（一）完善通信网络

首先，优化网络拓扑结构，如图1所示，减少通信节点和传输路径，以降低通信延迟和误码率。通过合理的网络拓扑设计，可以确保数据的快速传输和准确接收，提高自控系统的响应速度和稳定性[6]。其次，提高通信协议的可靠性和稳定性。通信协议是网络通信的基础，对于保证数据传输的稳定性和准确性至关重要。应采用先进的通信协议，如TCP/IP、MQTT等，以确保数据传输的可靠性和稳定性，减少数据丢失和误码的发生。此外，加强通信设备的维护和更新。通信设备是通信网络的硬件基础，其性能和稳定性直接影响着通信网络的运行效果。应定期对通信设备进行维护和更新，确保设备的正常运行和及时更新，以应对不断变化的网络环境和技术要求。

图1 污水厂自控系统网络结构图

（二）购进先进硬件设备

首先，传感器和执行器是自控系统的关键部件，其性能直接影响着数据采集的准确性和控制指令的执行效果。应选用具有高灵敏度、高精度、高可靠性的传感器和执行器，以提高数据采集的准确性和控制指令的执行效率。其次，控制器是自控系统的核心部件，负责处理传感器采集的数据并发出控制指令。应选用具有强大数据处理能力、高稳定性、高可靠性的控制器，以确保对污水处理过程的精准控制。此外，随着技术的不断发展和污水处理工艺的不断改进，自控系统可能需要不断升级和扩展

[7]。因此，在购进硬件设备时，应注重设备的兼容性和可扩展性，以便后续升级和扩展时能够顺利进行。

（三）更新软件系统

首先，评估现有软件系统的功能、性能、稳定性等方面，找出存在的问题和不足，为后续的更新工作提供依据。其次，应根据评估结果制定更新计划。更新计划应包括更新的目标、范围、时间表等，并明确更新过程中可能出现的风险和应对措施。在更新过程中，应注重软件系统的稳定性和兼容性。稳定性是软件系统的基本要求，兼容性则关系到软件系统与硬件设备和其他软件的协同工作。因此，在更新软件系统时，应选择经验丰富、技术实力强的开发团队，采用先进的开发技术和工具，确保软件系统的稳定性和兼容性。此外，还应注重软件系统的可扩展性和可维护性。随着污水处理工艺的不断改进和自控系统的不断升级，软件系统可能需要不断扩展和维护。因此，在更新软件系统时，应考虑系统的可扩展性和可维护性，为后续的升级和维护工作留下足够的空间。

（四）固定设备接口

由于大型污水厂自控系统中涉及的设备种类繁多，不同的设备可能采用不同的接口标准和通信协议，导致接口不兼容、通信不畅等问题。因此，应统一设备接口标准，确保不同设备之间能够顺畅通信和协同工作。设备接口管理包括接口的设计、制作、安装、调试等环节，应制定相应的管理规范和操作流程，确保设备接口的质量和稳定性。同时，还应建立设备接口档案，对设备接口的使用情况进行记录和跟踪，以便及时发现问题和进行处理。设备接口在长期使用过程中可能会出现磨损、老化等问题，因此需要定期进行维护和保养，以确保设备接口的正常运行和延长使用寿命。通过固定设备接口，可以显著提高自控系统的稳定性和可靠性，减少故障和停机时间，提高污水处理的效率和质量。同时，固定设备接口还有利于实现自控系统的模块化设计，方便后续的升级和维护工作。

结语：

总而言之，优化自控系统不仅降低运营成本，还提高整体经济效益。未来自控系统的智能化、自动化将进一步提升，推动污水处理行业的转型升级。

参考文献：

[1]吕旻.大型污水处理厂改造工程中海绵城市实施探索[J].城市道桥与防洪,2023,(09):212-215+23-24.

[2]杨发峻,姜韶阳,周全胜,等.海外大型污水处理厂总承包项目建设中重难点控制及应对措施[J].水电站设计,2023,39(02):89-93.

[3]贺美杰,殷繁斌,王安民,等.大型污水厂自控系统优化设计研究[J].现代建筑电气,2023,14(03):8-14.

[4]石宏瑀.出水目标约束下的智慧污水厂故障诊断及处置系统[D].沈阳建筑大学,2022.

[5]程艺.污水处理厂大型池体构筑物的抗渗防裂施工技术及质量控制[J].中国建设信息化,2019,(15):66-67.

[6]张亮.城市生活污水处理厂电气和控制系统的节能优化研究[D].北京建筑大学,2017.

[7]欧阳浩思.污水厂升级改造自控系统整合设计及应用[D].华南理工大学,2016.