城市污水处理数字化精确控制系统

　　申请日2017.02.07

　　公开(公告)日2017.05.31

　　IPC分类号G05B19/418

　　摘要

　　本发明公开了一种城市污水处理数字化精确控制系统及智能仿真方法，包括预处理段PLC控制系统、生物段PLC控制系统、DCS自控系统、化验数据管理系统和智能仿真系统，各系统之间通过工业以太网建立通讯连接;DCS自控系统采集预处理段PLC控制系统的数据和生物段PLC控制系统的数据;DCS自控系统将用户的控制命令传输给预处理段PLC控制系统和生物段PLC控制系统;预处理段PLC控制系统采集污水处理工艺中一级处理阶段的仪表数据并控制相关设备;生物段PLC控制系统采集污水处理工艺中二级处理阶段的仪表数据并控制相关设备。本发明包括智能仿真系统，可以将水处理工艺过程进行数字化和关键设备运行数字化，二者紧密结合，完成水处理过程动态优化、设备最有效地运行。

　　权利要求书

　　1.一种城市污水处理数字化精确控制系统，其特征在于，包括预处理段PLC控制系统、生物段PLC控制系统、DCS自控系统、化验数据管理系统和智能仿真系统，各系统之间通过工业以太网建立通讯连接;

　　DCS自控系统用于采集预处理段PLC控制系统的数据和生物段PLC控制系统的数据;DCS自控系统将用户的控制命令传输给预处理段PLC控制系统和生物段PLC控制系统;

　　预处理段PLC控制系统负责采集污水处理工艺中一级处理阶段的仪表数据和控制该工艺段中的设备;

　　生物段PLC控制系统负责采集污水处理工艺中二级处理阶段的仪表数据和控制该工艺段中的设备;

　　化验数据管理系统用于存储污水处理厂的化验室人员每次化验的水质数据;

　　智能仿真系统用于构建整厂的数字仿真模型;

　　所述的预处理段PLC控制系统包括PLC控制器、模拟量扩展模块、数字量扩展模块、通信扩展模块、仪表类设备、变频器、用于提升的泵类设备及其他机械设备;

　　所述的仪表类设备包括进水流量计、进水PH计、进水COD分析仪、进水氨氮分析仪、进水总磷分析仪及若干个液位计和若干个液位差计，仪表类设备将测量数据转换成4-20MA信号，经模拟量扩展模块传输给PLC控制器;

　　所述的变频器用于控制用于提升的泵类设备，变频器和通信模块通过RS485接口建立通信连接，变频器和数字扩展模块通过IO接口建立通信连接;PLC控制器通过数字扩展模块提供的IO信号控制变频器，PLC控制器通过通信扩展模块提供的RS485信号和变频器进行通信;

　　所述的其他机械设备包括粗格栅机、细格栅机及吸砂泵，PLC控制器通过数字扩展模块控制其他机械设备的启停;

　　所述的PLC控制器用于仪表类设备的测量数据、用于提升的泵类设备和其他机械设备的设备状态数据上传，并根据用户预先编程好的时序逻辑程序自动控制前述中各种设备的运行。

　　2.根据权利要求1所述的城市污水处理数字化精确控制系统，其特征在于，所述的生物段PLC控制系统包括PLC控制器、模拟量扩展模块、数字量扩展模块、通信扩展模块、仪表类设备、变频器、用于曝气/回流类设备及其他机械设备;

　　所述的仪表类设备包括出水流量计、出水PH计、出水COD分析仪、出水氨氮分析仪、出水总磷分析仪、在线溶解氧仪、在线浊度仪、在线氧化还原电位计及若干个液位计，仪表类设备将测量数据转换成4-20MA信号，经模拟量扩展模块传输给PLC控制器;

　　所述的变频器用于调节控制用于曝气/回流类设备，PLC控制器通过数字扩展模块提供的IO信号控制变频器，PLC控制器通过通信扩展模块提供的RS485信号和变频器进行通信;

　　所述的其他机械设备包括剩余污泥泵、搅拌机及行走电机，PLC控制器通过通过数字扩展模块来实现设备的启停;

　　所述的PLC控制器用于仪表类设备的测量数据、用于曝气/回流类设备和其他机械设备的设备状态数据上传，并根据用户预先编程好的时序逻辑程序自动控制前述中各种设备的运行。

　　3.根据权利要求2所述的城市污水处理数字化精确控制系统，其特征在于，所述的DCS自控系统通过工业以太网对污水厂所有的仪表数据管理、所有设备的工作情况进行调度，完成集中操作、监视、记录、报表生成及打印、故障报警及打印的功能;DCS自控系统包括LCD显示器，LCD显示器用于直观地显示全厂各工艺阶段的实时工况、各工艺参数的趋势画面。

　　4.根据权利要求3所述的城市污水处理数字化精确控制系统，其特征在于，所述的化验数据管理系统用于将化验室人员每次化验的水质数据进行存储，并通过曲线和报表直观展示水质变化情况。

　　5.根据权利要求4所述的城市污水处理数字化精确控制系统，其特征在于，所述的智能仿真系统包括数据库服务器、仪表数据分析模块、参数可视化模块、设备仿真模块、工艺仿真模块和工艺预警模块，仪表数据分析模块、参数可视化模块、设备仿真模块、工艺仿真模块和工艺预警模块分别与数据库服务器建立通信连接;

　　所述的数据库服务器通过工业以太网与DCS自动系统和化验数据管理系统进行数据通信;

　　所述的仪表数据分析模块用于分析污水水质情况;

　　所述的参数可视化模块将污水处理厂的具体建筑物的工艺、实际已安装设备的参数录入到数据库，根据这些参数构建一个数字化的污水处理参数模型;

　　所述的设备仿真模块包括提升泵类设备、曝气类设备及回流类设备，设备仿真模块根据参数可视化模块和实际设备的运行数据构建一套数学仿真模块，根据工艺的要求精确地控制设备的运行参数;

　　所述的工艺仿真模块根据污水处理厂工艺原理构建一套数学仿真模型，根据实际的水质和实际的水量动态地计算出各个工艺段的工艺参数，根据这些工艺参数并结合设备仿真模块动态优化水处理过程，保证出水水质稳定;

　　所述的工艺预警模块用于当水质和水量超出范围或者关键设备发生异常时，可以通过仿真模型快速计算，准确地告知用户将要发生的后果，并给用户提出相应的解决方案。

　　6.一种基于权利要求5所述的城市污水处理数字化精确控制系统的智能仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

　　步骤S1：建立数据库表结构，该数据库表结构由在线仪表和设备的实时数据表、化验数据表、污水处理厂实际工艺参数表和实际设备参数表四部分组成;

　　步骤S2：参数可视化模块用数据库表结构里面的数据构建全厂的数字化模型，这个模型是以三维形式显示全厂构筑物的全貌，里面的所有设备都可以直观看到其设备参数和运行状态，在线仪表数据也可以动态显示;

　　步骤S3：根据污水处理厂工艺参数、设备参数，在线仪表实际监测的数据和化验室数据，工艺仿真模块动态计算出各个工艺段的工艺参数，保证出水水质稳定达标;

　　步骤S4：根据步骤S3得到工艺参数，设备仿真模块动态计算各个设备需要运行的参数，参数包括运行频率、运行时间、运行台数，保证设备工作在最优化状态，并通过工业以太网将设备运行参数发送给DCS自控系统，DCS自控系统将这些参数转换成命令发给PLC控制系统，精确调整设备的运行方式;

　　步骤S5：仪表数据分析模块动态分析在线仪表的检测数据和化验数据，当数据超出预定范围后，就需要调整工艺参数和设备运行参数，从步骤S3开始重新计算，依次反复执行，从而保证出水水质一直稳定，设备长期工作在最佳状态;

　　步骤S6：当水质和水量超出范围或者关键设备发生异常时，工艺预警模块及时将故障信息和相应的解决方案告知用户。

　　说明书

　　城市污水处理数字化精确控制系统及智能仿真方法

　　技术领域

　　本发明属于污水处理技术领域，主要涉及一种城市污水处理数字化精确控制系统及智能仿真方法。

　　背景技术

　　改革开放以来，我国城镇污水处理产业进入快速发展期，城镇污水处理作为市政基础产业，首先获得了长足的发展，处理设施数量快速增长。然而各地方只注重城市污水处理厂数量的建设而不注重节能和技术平台提升建设，随着运营成本(能源、原料、人工)的不断上涨，使得城市污水处理厂的运行费用不断增加，甚至造成了一批污水处理厂不能正常运转。

　　我国现有的城市污水处理厂技术手段较为落后，传统工业的工艺设计是按远期的工艺进行设计，考虑未来发展、最不利时点小时工况，安全系数等等要素，确定最大运行负荷(动力供应系统)，因此设计的状态是静态。而实际生产过程中，各要素是动态变化的;每个动态运行工况中(动力需求)是多少，现有的传统产业技术中是没有技术手段来实施的，因而动力供应系统还是按照最大运行负荷提供动力，这是目前传统产业技术平台通病，也是目前传统产业能耗、物耗过高的主要原因。

　　城镇污水处理工艺是一种非常复杂的生物处理过程，如果没有经过长期的理论知识培训和实践，工程师是难合理高效地运行污水处理厂的。因此，大部分城市污水处理厂都存在着缺乏专业运营人员、缺乏专业技术管理人员、运行成本高、维护工作难等问题。

　　目前污水处理系统常用的由工控机(上位机)和若干PLC站(下位机)组成的自动化控制系统，上位机和下位机一般通过以太网或者其他通信方式进行数据交换。上位机一般设置在污水处理厂的中央控制室内，负责全厂设备的操作以及数据的采集、存储及查看，下位机PLC站对站点范围的所有设备和仪表进行单独管理，除了根据用户设定程序自动化操作设备的过程控制外，还可以接收上位机发出的命令，来执行设备的操作。但是这样的自动化控制系统只是完成数据采集和简单的开关量控制，自动化控制水平较低，不能结合具体工艺制定出更优化的控制策略。

　　发明内容

　　为了解决上述技术问题，本发明提供一种城市污水处理数字化精确控制系统及智能仿真方法，以实现对污水处理厂现场仪表数据采集和智能分析，现场关键设备的数字化控制，该系统能使污水处理过程优化运行，提高设备运行效率，实现节省能耗、物耗和人力的目的，具有重大的推广意义。

　　本发明的技术方案是：

　　一种城市污水处理数字化精确控制系统，包括预处理段PLC控制系统、生物段PLC控制系统、DCS自控系统、化验数据管理系统和智能仿真系统，各系统之间通过工业以太网建立通讯连接;

　　预处理段PLC控制系统负责采集污水处理工艺中一级处理阶段的仪表数据和控制该工艺段中的设备;

　　生物段PLC控制系统负责采集污水处理工艺中二级处理阶段的仪表数据和控制该工艺段中的设备;

　　化验数据管理系统用于存储污水处理厂的化验室人员每次化验的水质数据;

　　智能仿真系统用于构建整厂的数字仿真模型。

　　作为优选，所述的预处理段PLC控制系统包括PLC控制器、模拟量扩展模块、数字量扩展模块、通信扩展模块、仪表类设备、变频器、用于提升的泵类设备及其他机械设备;

　　所述的其他机械设备包括粗格栅机、细格栅机及吸砂泵，PLC控制器通过数字扩展模块控制其他机械设备的启停;

　　作为优选，所述的生物段PLC控制系统包括PLC控制器、模拟量扩展模块、数字量扩展模块、通信扩展模块、仪表类设备、变频器、用于曝气/回流类设备及其他机械设备;

　　所述的其他机械设备包括剩余污泥泵、搅拌机及行走电机，PLC控制器通过通过数字扩展模块来实现设备的启停;

　　作为优选，所述的DCS自控系统通过工业以太网对污水厂所有的仪表数据管理、所有设备的工作情况进行调度，完成集中操作、监视、记录、报表生成及打印、故障报警及打印的功能;DCS自控系统包括LCD显示器，LCD显示器用于直观地显示全厂各工艺阶段的实时工况、各工艺参数的趋势画面。

　　作为优选，所述的化验数据管理系统用于将化验室人员每次化验的水质数据进行存储，并通过曲线和报表直观展示水质变化情况。

　　作为优选，所述的智能仿真系统包括数据库服务器、仪表数据分析模块、参数可视化模块、设备仿真模块、工艺仿真模块和工艺预警模块，仪表数据分析模块、参数可视化模块、设备仿真模块、工艺仿真模块和工艺预警模块分别与数据库服务器建立通信连接;

　　所述的数据库服务器通过工业以太网与DCS自动系统和化验数据管理系统进行数据通信;

　　所述的仪表数据分析模块是根据在线仪表的测量数据和化验室化验的水质数据来分析污水在各工艺段内的水质情况;

　　所述的参数可视化模块将污水处理厂的具体建筑物的工艺参数、实际已安装设备的参数录入到数据库，根据这些参数构建一个数字化的污水处理参数模型;

　　一种基于城市污水处理数字化精确控制系统的智能仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

　　步骤S1：建立数据库表结构，该数据库表结构由在线仪表和设备的实时数据表、化验数据表、污水处理厂实际工艺参数表和实际设备参数表四部分组成;

　　步骤S6：当水质和水量超出范围或者关键设备发生异常时，工艺预警模块及时将故障信息和相应的解决方案告知用户。

　　本发明的有益效果是：

　　(1)本发明所述的城市污水处理数字化精确控制系统及其控制方法，其包括智能仿真系统，可以很好地将水处理工艺过程进行数字化和关键设备运行数字化，并实现二者紧密结合，完成水处理过程动态优化和设备最有效地运行，保证出水稳定达标，并且给用户带来巨大的经济效益，实现节能减排的目的;

　　(2)本发明所述的城市污水处理数字化精确控制系统及其控制方法，其能根据实际的工况进行自动化运行调节，即使出现异常，也能快速告知用户解决方案，大大提高了人工的效率，为用户节省人力成本;

　　(3)本发明所述的城市污水处理数字化精确控制系统及其控制方法，可以使设备动态优化运行，避免了设备长期工作在满负荷状态，进而提高设备运行寿命，减少设备维修率。