工业污水的动态处理技术

1 概述

    伴随着工业的飞速发展，工厂产生的污水亦多，净化污水、保护环境已成为大家的共识，因此，如何提高工业污水的处理速度以适应工业的快速发展已成为当今社会各界普遍关注的重要课题。本文重点介绍工业污水的动态处理法思想，并阐述模糊控制技术和PLC(可编程控制器)技术在新工艺实现中的实现方法和控制原理。实践表明该系统工作可靠，自动化程度高。

2 基本思想

    工业污水动态处理法的动态基本思想是尽可能的缩短污水处理时间。实现方法是使污水入口阀一直开启，入口阀开口度的大小根据污水污染程度轻重由模糊控制器调节，若污水的污染度重，则模糊控制器命令入口阀的开口度变小，以延长污水净化处理；若污水的污染度轻，则模糊控制器命令入口阀的开口度变大，以缩短污水净化处理时间。显然模糊控制器的作用是确定最佳处理时间，在保证处理质量的同时，大大提高了污水处理速度。另外，所有执行元件的动作均由PLC发命令控制。污水动态处理装置如图1所示。

3 实现方法

    3.1 电气控制要求

    (1)特殊工作环境对电气控制系统要求

    由于工业污水处理系统是针对污水进行酸碱性中和处理及水温冷却，使pH值控制在7附近并使温度控制在允许的范围内，所以工业污水处理系统工作环境非常恶劣，要求电气控制系统必须具备耐腐蚀、耐潮湿和耐高温的性能。

图1 污水动态处理装置示意图

    (2)动态处理特性对电气控制系统要求

    动态处理的核心是缩短净化处理周期，所以要求控制系统应具备运行速度快、能完成复杂的控制逻辑、维修方便、可靠性高等特性。

    3.2 主要电气控制技术

    (1)PLC控制技术

    通常，对工业污水处理的过程控制采用机械电气式器件作为控制元件的硬件布线逻辑控制系统，尤其是电磁继电器构成的继电器控制系统。但是这样系统暴露出维修和改变控制逻辑困难；不能够完成复杂的控制逻辑，没有运算、处理、通信等功能；可靠性差、寿命短、运行速度慢、体积大、耗电多的自身缺陷。上述缺点说明了它不适合污水动态处理系统对电气的基本要求，应该寻找其他更好的控制方式。

    随着微处理技术的发展，一种以微处理为核心的通用工业控制装置PLC应运而生，其技术和产品日趋完善，目前已经被广泛的应用于工业生产的各个领域。由于PLC控制技术具有如下优点：使用和维修方便；运行速度快；性价比高；通过编程能完成复杂的控制逻辑；可靠性高，所以它能够适应这种工作环境，完全能可靠的实现生产工艺所需的过程控制。

    (2)模糊控制技术

    由于工厂排出的污水每时每刻的污染度不完全相同，所以污水在净化反应池中的处理时间可以长短不一。这个特点为工业污水的动态处理提供了可能性。由于模糊控制器能够模仿人的思维判断事物可能的发展大方向，从而使得控制的对象快速得到响应，并且快速地到达平衡点，在大范围的控制系统中响应速度非常突出地得到了广泛的应用。在本系统中，它的采用使污水处理效率得到了明显的改善。

    3.3 动态处理法的控制流程图

    控制流程图如图2所示。工业污水动态净化处理法，实现的工艺流程如下：首先，按下启动按钮，启动系统并且运行搅拌器；打开净化反应池的入口调速阀，使工业污水流入净化反应池；水位在正常范围内，开始测量酸碱度并且测量水温：酸碱度和水温的数字信号分别送给模糊控制器和PLC进行中和处理、水温调节和入口阀开口度的调节；最后，检测水位并且调节排水阀，控制已经处理好的水排出的流量。

图2 控制流程图

4 控制原理

    4.1 模糊控制器的控制原理

    4.1.1 模糊计算的一个前提条件

    在模糊控制过程中，为了根据pH值大小和水温高低精确计算酸碱的加料量，必须保证水位一定的前提条件。为此，系统设计了水位控制单元通过检测水位的偏差，调节排水阀的开口度大小控制流量，从而实现液位恒定。

    4.1.2 模糊规则的建立

    本系统的模糊规则表如表1所列。针对不同的输入信号通过查找这张模糊规则表可以得到相应的输出控制量，因此模糊规则是模糊控制的核心部分，它的实际方法是根据生产实际中操作工人的经验绘制的一张表。

    表1中9条模糊规则可整理为4条控制语句：

    (1)IF酸碱性很强PR强AND水温很高OR高，THEN污水流量小(加酸碱量多，加冷却水多，故增加净化处理时间)；

    (2)IF酸碱性很强OR强AND水温微高，THEN污水流量适中(加酸碱量多，加冷却水量适中，故净化时间适中)；

    (3)IF酸碱性弱AND水温很高OR高，THEN，污水流量适中(加酸碱量少，加冷却水量多，故净化处理时间适中)；

    (4)IF酸碱性弱AND水温微高，THEN污水流量大(加酸碱量少，加冷却水量少，故减少净化处理时间)；

表1 模糊规则表

    模糊规则表中的污水流量变小、适中和变大分别对应着流量过速X001、适中X002、过慢X003控制信号。当污水污染程度较重时，则模糊控制器发出流量过速(X001)信号给PLC，驱动执行机构使污水的入口变小，以增加污水在净化池中的处理时间；反之，当污水污染较轻时，则驱动执行机构使污水入口变大，以缩短处理时间。

    4.1.3 模糊控制原理分析

    本系统中模糊控制器的工作原理如图3所示。

图3 模糊控制器的工作原理不意图

    模糊控制器的工作原理可简述如下：将污水的酸碱性强弱和水温偏高程度两个变量作为输入信号给控制器，控制器对这两个输入变量进行模糊化，然后查阅模糊规则表得到模糊输出控制量，最后通过非模糊化得到实际的输出控制量，输出控制量为流量控制信号(X001、X002、X003中之一)，它再传给PLC，由PLC发出污水入口阀门调节机构的动作指令Y。

    4.2 PLC技术的控制原理

    4.2.1 PLC硬件连接图

    YSMAC CPM1A系列PLC是欧姆龙公司生产的小型整体式可编程控制器，它的性价比很高，在小规模控制器中已经广泛获得应用。本系统选用了该系列中的CPM1A-40CDR-A作为系统控制的核心单元，该CPU具有24点输入、16点输出，另外它还提供24V的直流电压源，完全满足了该系统的设计需要。PLC硬件连接图如图4所示。

图4 PLC硬件连接图

    4.2.2 PLC控制程序设计

    梯形图如图5所示。按下启动按钮使常开触点X501得电闭合，启动系统。同时，线圈Y401得电，使搅拌器运转、水位适中时，常闭触点X302得电断开，排水阀执行机构不动作保持原开口度；水位高时，常开触点X301闭合，使Y301线圈得电，驱动排水阀门开大；水位低时，常开触点X303闭合，使Y302线圈得电，驱动排水阀门关小；进水阀、加酸、加碱的控制原理与排水阀的控制方式相似；加冷却水的控制方式为当水温高时，常开触点X201得电闭合，常闭触点X202不得电保持原闭合状态，从而线圈Y201得电，驱动加水的执行机构向净化反应池中加冷却水进行降温。水温适中时，X201不得电保持常开，X202得电断开，从而停止加冷却水。

图5 梯形图