第五章 城市污水处理厂仪表与自动控制

第五章 城市污水处理厂仪表与自动控制

第一节 污水处理厂常用仪表

一、概述

污水处理工程中必须采用一定的仪器仪表对工艺过程进行监控，常规监测项目有：温度、pH值、溶解氧（DO）、电导率、浊度、氧化还原电位（ORP）、流速和水位以及COD、高锰酸盐指数、TOC、氨氮、总氮、总磷。其他还有：氟化物、氯化物、盐、亚盐、氰化物、硫酸盐、磷酸盐、活性氯、TOD、BOD、UV、油类、酚、叶绿素、金属离子（如六价铬）等。随着科技的发展，仪表朝着网络化、智能化、小型化、模块化等方向发展。网络化是指仪表具备网络功能，可通过网络进行数据通信。智能化是指仪表内部采用软件和硬件相结合的技术，使仪表自身具有一定的逻辑判断和分析能力，丰富了仪表的使用功能和降低了仪表的操作难度。模块化是指仪表在设计中将其各种功能设计成为多个模块，这样便于用户根据不同的使用要求选择不同的模块，就降低了仪表的成本和维修难度。

目前的自动分析仪则具有：自动量程转换，遥控、标准输出接口和数字显示，自动清洗（在清洗时具有数据锁定功能）、状态自检和报警功能（如液体泄漏、管路堵塞、超出量程、仪器内部温度过高、试剂用尽、高/低浓度、断电等），干运转和断电保护，来电自动恢复，自动标定校正功能等功能。

因此必须对污水处理厂的仪表有一正确的认识，以便于监控污水处理工艺正确运行。

二、污水处理厂测量仪表基础知识

1.测量仪表种类

在污水处理过程中，需要测量的参数是多种多样的，如污水处理厂的进、出水温度，消化池内温度、压力、液位，进入曝气池内空气流量，污水中的pH值、溶解氧、污泥浓度、电导率、浊度等。对于温度、压力、液位、流量这些物理量，一般称其为热工量。诸如pH值、溶解氧、浊度、污泥浓度、电导率等参数，称为成分量。用于测量热工量的仪表一般称为热工测量仪表；用于测量成分量的仪表则称为成分分析仪表，在污水处理过程中常常称为水质分析仪表。

测量仪表种类很多，结构各异，因而分类方法也很多。按仪表使用的能源和信号可分为气动仪表、电动仪表和液动仪表，目前常用气动仪表和电动仪表；按安装方式可分为架装仪表和盘装仪表；按组成形式可分为单元组合式仪表和基地式仪表；按所测量的参数分类，可分为压力测量仪表、液位测量仪表、温度测量仪表、流量测量仪表、成分分析仪表。

2.测量仪表构成

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尽管测量仪表种类多、类型复杂、结构各异，但都担负着共同的任务：测量出被测参数的值。因而它们在构成上具有明显的共性。它们大致都由测量元件（传感器）部分、中间传送部分和显示部分（包括变换成其他信号）构成。

实际应用中，有的仪表，如弹簧管压力表把这三部分组装在一起，也有的则把这三部分分别制成各自的仪表，如热电阻温度计。在这种情况下，人们又习惯于把传感器部分叫做一次仪表，把显示部分叫做二次仪表。

3.测量仪表的测量误差与性能指标

（1）测量仪表的测量误差 进行测量的目的，是希望能正确地反映客观实际即要测量工艺参数的真实值。但是，人们无论怎样努力，都无法测得真实值，而只能尽量接近真实值。也就是说，测量值与真实值之间始终存在着一定差值，这一差值就是测量误差。

因而在使用测量仪表对生产过程中的工艺参数进行测量时，不仅需要知道仪表的指示值，而且还需知道测量仪表的指示值的准确程度，即所得到测量值接近真实值的准确程度。

测量误差通常有两种表示法，即用绝对表示法和相对表示法来表示。测量值与真实值之间的误差为绝对误差：绝对误差=测量值－真实值；测量的绝对误差和真实值之比就是相对误差：相对误差=绝对误差/真实值。

在实际应用中，通常利用准确度较高的标准仪表指示值来作为被测参数的真实值，而测量仪表的指示值与标准仪表的指示值之差就是测量误差。该差值越小，说明测量仪表的可靠性越高。

应该指出，在污水处理厂的实际应用过程中，对某种仪表的准确度要求就根据工艺操作的实际情况及该参数对整个工艺过程的影响程度、误差允许范围来确定，这样才能保证处理过程的经济性和合理性。

（2）测量仪表的性能指标 性能指标可衡量仪表的好坏。常用的指标有以下几项。 ① 准确度或精确度 在测量中，由仪表引起的误差，叫做仪表误差，常用绝对表示法和相对表示法来表示：

绝对误差=仪表的指示值－标准仪表的指示值

相对误差绝对误差

标准仪表的指示值由于每台仪表的测量范围，单凭绝对误差和相对误差来判断不同评价仪表的准确与否是不够的，因而为更好地反映仪表的准确度，实际应用中常常采用相对百分误差来表示，其意义为测量仪表绝对误差占仪表量程的百分比。

② 测量仪表的恒定度 测量仪表的恒定度常用变差来表示，它是在外界条件不变的

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情况下，用同一仪表对某一参数值进行正反行程测量时仪表正反行程指示值之间存在的差值。

③ 测量仪表的灵敏度 测量仪表的灵敏度指仪表输出的变化量与引起次变化的被测参数的变化量之比。

④ 测量仪表的反应时间 当被测参数发生变化时，仪表指示的被测值总要以过一段时间才能准确地将其表示出来，这就是仪表本身存在着的“反应时间”。有以下两种情形。

第一种情形是当参数在t0时刻突然发出变化后，仪表不能立刻指示出被测参数，而是慢慢增加，经过足够的时间后，才指示出参数的准确值，如用热电阻测温时的情况。一般用时间常数来衡量。

第二种情形是当参数在t0时刻突然发生变化后，仪表指示值迅速改变，但需要经过几次摆动后，才能指示出参数的准确值，如用电流表测量电流时的情况。一般用阻尼时间来衡量。

三、污水处理厂测量参数

不同的污水处理厂采用不同的工艺需要测定的参数有所变化，但主要的参数还是一致的。仪表是实现自动控制的“眼睛”，涉及了污水处理的各个环节，与生产过程有着紧密的联系，表5-1列出了采用活性污泥法工艺的城市污水处理厂通常需要检测的工艺参数和仪表。

表5-1 城市污水处理厂常用仪表

序号 工艺参数 测量介质 污水 测 量 部 位 进、出水管道 明渠 回流污泥管路 污泥 1 流量 回流污泥渠道 剩余污泥渠道 消化池污泥管路 沼气 消化池沼气管路 常 用 仪 器 电磁流量计、超声波流量计 超声波明渠流量计 电磁流量计 超声波明渠流量计 电磁流量计 电磁流量计 孔板流量计、涡街流量计、质量计等（所有仪表要求防爆） 孔板流量计、涡街流量计、质量流量计、均速管流量计 Pt100热电阻 Pt100热电阻 Pt100热电阻 弹簧管是压力表、压力变送器 弹簧管是压力表、压力变送器 弹簧管是压力表、压力变送器 压力变送器（所有仪表要求防爆） 压力变送器（所有仪表要求防爆） 139

空气 污水 2 温度 污泥 污水 污泥 3 压力 空气 沼气 曝气池空气管路 进、出水 消化池 污泥热交换器 泵站进出口管路 泵站进出口管路 曝气管道通风机出口 消化池 沼气柜

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污水 4 减位 污泥 进水泵站集水池 格栅前、后液位差 消化池 浓缩池，储泥池 超声波液位计 超声波液位计 超声波液位计、变压变送器、沉入式压力变送器（所有仪表要求防爆） 超声波液位计 pH仪 电导仪 浊度仪 溶解氧测定仪 污泥界面计 COD在线测量仪 BOD在线测量仪 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 pH值 电导率 浊度 污泥浓度 溶解氧 污泥界面 COD BOD 沼气成分 氯 污水 污水 污水 污泥 污水 进、出口管路或渠道 进、出口管路或渠道 进、出口管路或渠道 曝气池、二沉池 曝气池、二沉池、回流污泥管道 污泥浓度计 污水、污泥 二沉池 污水 污水 消化沼气 污水 进/出水 进/出水 消化池沼气管路 接触池出水 CH4检测仪（所有仪表要求防爆） 余氯测量仪 四、污水处理厂常用测量仪表

常规水质测量仪表通常采用流通式多传感器结构进行测量，无零点漂移，无需基线校正，具有一体化生物清洗及压缩空气清洗装置。

测量原理分别为：流量位超声波或电磁法，水温为温度传感器法（Platinum RTD）、pH值为玻璃或锑电极法、DO为金-银膜电极法（Galvanic）、电导率为电极法（交流阻抗法）、浊度为光化学法（透射原理或红外散射原理）等。本章将按测量参数分类方法来介绍测量仪表。

（一）流量测量仪表

流量计主要用于污水处理厂中的进、出水，污泥、药液及压缩空气和沼气等流量的计量。流量与其他计量的配合，可以取得最佳运行工况，从而降低能耗，提高经济效益，所以流量是污水处理厂最重要的计量之一。

流量有瞬时流量与累积流量之分。瞬时流量指流体在单位时间内流过某一截面的流体数量，单位常用m3/h或kg/h。累计流量指在某一间隔时间内，流体通过的总量，单位常用m3或kg。

流量计种类繁多，测量原理、测量方法和结构各有不同，操作和使用方法也不一样。因而进行流量计选择时应充分研究测量条件，了解流量计的性能特征，选择最适合自己工艺要求的流量计。下面主要介绍在污水处理厂中常用的几种流量计。

1.差压式流量计

（1）差压流量计的应用场合 差压式流量计是基于流体流动的节流原理，利用流体

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经节流装置产生的压力差来实现流量测量。它是目前在生产中测量流量较成熟、应用较广的测量仪表。通常由能将被测流体的流量转换成压差信号的节流装置（如孔板、喷嚏、文丘里等）和能将此差压转换成对应的流量值显示出来的差压变送器或差压计所组成。

在管道中放置能使流体产生局部收缩的元件称为节流装置。其中应用最多的是孔板，其次是喷嘴、文丘里管。在污水处理过程中，用来测量压缩空气和沼气，也常用孔板测量流入曝气池、曝气沉砂池的空气流量、消化池蒸汽搅拌流量等。

（2）差压变送器的完好条件及日常维护 ① 差压变送器完好条件

a.零部件完整，符合技术要求：铭牌及刻度盘应清晰无误，零部件应完好齐全并规格化；紧固件不得松动；可动件应灵活；端子接线应牢靠，线路标号齐全、清晰准确；密封件应无泄漏。

b.运行正常，符合使用要求：运行时仪表应达到规定的性能指标；正常工况下仪表值应在全量程的1/3以上。

c.技术资料齐全、准确，符合管理要求：说明书、合格证、校验调试记录、运行记录、零部件更换记录应齐全、准确；系统原理图和接线图应完整、准确。

② 日常维护

a.每班至少两次向当班人员了解仪表的运行情况；查看仪表供电是否正常；查看表体、连接管路、线路、阀门是否有泄漏、损坏、腐蚀。

b.定期维护和校验：每班进行一次仪表的外部情节工作；定期进行正、负导压管排污；每6个月进行一次精度检查、校验。

c.校验用校准仪器：标准电流表为0.1级；标准气动信号发生器为0.05级；稳定电源为（24±1）VDC。

d.零位、量程、精度的调整如下。

零位调整：变送器输入压力信号为零，变送器输出信号应为4mA，否则调整零位调整螺钉，使其输出电流为4mA。

量程调整：给变送器输入一个相当于满量程的压力信号，其输出应为20mA，否则调整量程调整螺钉，使其输出电流为20mA。

精度校验：零位和量程调整完毕后，用压力信号发生器向变送器分别输入相当于满量程的0、25%、50%、75%和100%的压力信号，其输出应分别为4mA、8mA、12mA、16mA和20mA；然后再由100%降至75%、50%、25%和0，其输出应分别为20mA、16mA、12mA、8mA和4mA。

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在各个点上的基本误差和变差应满足仪表的精度要求。若仪表精度不能满足，应按照其说明书进行线性调整。

2.电磁流量计

电磁流量计是利用电磁感应原理制成的流量测量仪表测量导电液体流量最常用的仪表，它可以测量各种腐蚀性介质及带有悬浮颗粒的导电液体的流量，在污水处理厂中得到广泛的应用。

（1）电磁流量计组成和测量原理 整套仪表由传感器和信号转换器两部分组成，传感器安装在工艺管道上，其结构由导管、电极、励磁线圈和铁心组成。被测介质的流量经变送器变换成感应电势后，再经转换器把感应电势信号转换成为电流信号作为输出，以便进行远方指示记录或作为控制信号。

测量原理为：由法拉第电磁感应定律可知，当导电的被测介质垂直于磁力线方向流动时，在与介质流动和与磁力线都垂直的方向上产生一个感应电动势E，感应电动势

E=KBVD （5-1）

式中，K为仪表常数；B为磁感应强度；V为流体流速；D为管道直径。 体积流量Q=V×A 其中A=π（D/2）

2

()2E所以 QD2KBDDE4KB (5-2)

由上式可知，当K、D、B不变时，Q与E成正比。但上式是在均匀直流磁场条件下导出的，由于直流磁场易使管道中的导电介质发生极化，会影响测量准确度，因此工业上常用交流磁场：

B=Bmsinωt，将B代入式（5-2）得

QDE4KBmsint （5-3）

（2）电磁流量计特点 由于传感器部分结构简单、可靠，测量管内无活动及阻流部件，不会发生堵塞问题，因而具有惰性小、反应迅速、压力损失少等特点，也可以测量脉动流量。安装方便，传感器即可水平安装，也可垂直安装，在安装时，要求两个电机在同一水平面。输出电流与流量具有线性关系，它不受被测液体的物理性质（温度、压力、黏度）变化和流动状态的影响，其测量范围宽，量程比大。可用于含有纤维质或固体颗粒、悬浮物或酸、碱、盐溶液等具有一定电导率的液体的体积计量，在测量时，要求管道内流体为满管流动状态，并可进行双向测量。

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电磁流量计也有一定的局限性和不足之处，如被测液体必须是导电的，不能测量气体流量等；另外电磁流量计的结构复杂、成本高。

（3）电磁流量计的使用

① 被测介质的含固率应小于10%。

② 电磁流量计防护等级应考虑污水处理厂潮湿且容易被水淹没的实际环境条件，一般应选择IP67或IP68。

③ 任何情况下管道内被测介质都必须满流。

④ 电磁流量计应根据被测介质选择适当的口径，以保证流速在合适的范围内，通常应选择2～3m/s的流速范围内。

⑤ 对含有固体颗粒并对电磁流量计衬里有磨损的介质，其流速范围应在1～2.0m/s。 ⑥ 除了用于测量二沉池出水外，都应选择带有电机自动清洗装置的电磁流量计。 ⑦ 电磁流量计的变送器应做可靠的接地。

⑧ 电磁流量计的变送器安装，应满足对前后直管段的要求。 （4）电磁流量计完好条件及日常维护 ① 电磁流量计完好条件

a.零部件完整，符合技术要求：铭牌及刻度盘应清晰无误；零部件应完好齐全并规格化；紧固件不得松动；插接件应接触良好；可调件应处于可调位置；端子接线应牢靠；密封件应无泄漏；所配防护、保温设施应完好无损。

b.运行正常，符合使用要求；运行时，仪表应达到规定的性能指标；正常工况下仪表示值应在全量程的1/2以上；设备及环境整齐、清洁，符合工作要求；整机应清洁、无锈蚀，漆层应整齐，均要做固定安装；管路线路标号应齐全、清晰、准确。

② 日常维护

a.每班至少两次巡回检查：向当班人员了解仪表的运行情况；查看仪表供电是否正常；查看表体，连接管路、线路，阀门是否有泄漏、损坏、腐蚀。

b.定期维护和检验：每班进行一次仪表的外部清洁工作；每3个月进行一次零位调整。 电磁流量计结构复杂，非专业人员不能对其进行检修，但是一旦设计合格，安装正确，投入使用后，日常维护量并不大。对于老式的电磁流量计，用户一般不能在现场进行调整和标定。对于近几年引进技术生产的新型电磁流量计，用户可按照其产品说明书在现场进行量程、零点的调整。

3.超声波流量计

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超声波类流量计是一种新型的非接触式流量计，主要特点是：流体中不插入任何元件，对流速无影响，能用于任何液体，特别是具有高黏度、强腐蚀、非导电性的液体的流量测量。对于大口径管道的测量，不会因管道大而增加投资，量程比较宽等优点。

超声波流量计的测量原理多种多样，常用的有时差法、频差法、相位差法和多普勒法。随着仪表技术的发展，各种类型的超声波流量计如用于渠道测量的明渠式超声波流量计、用于管道测量的管道式超声波流量计、管道钳夹式超声波流量计等被越来越多的污水处理厂所采用。

（1）明渠式超声波流量计 污水处理厂流量测量仪表中，按测量仪表的安装形式分为管道式和明渠式。明渠式超声波流量计是一种在污水处理厂应用很广的流量计。在污水厂中常用的明渠有巴歇尔水槽、三角堰、梯形槽、矩形槽等。

明渠式流量计实际上是通过渠中流量液位，再换算成流量的。

（2）管道钳夹式超声波流量计 管道钳夹式超声波流量计可以不用断开管路安装（不像电磁流量计那样需要断开管路安装），也不需要安装旁通管路和阀门，测量管路口径可以几十毫米到几米，维护方便，可在对流体无任何影响下来进行流量测量，因此被许多污水处理厂采用。

管道钳夹式超声波流量计由管道外部的两个传感器、安装导轨及附件、转换器组成。 （3）超声波流量计的完好条件

① 零部件完整，符合技术要求：铭牌及刻度盘应清晰无误；零部件应完好齐全并规格化；紧固件不得松动；插接件应接触良好；可调件应处于可调位置；端子接线应牢靠；密封件应无泄漏；所配防护、保温设施应完好无损。

② 运行正常，符合使用要求：运行时仪表应达到规定的性能指标；正常工况下仪表示值应在全量程的1/3以上。

③ 设备及环境整齐、清洁，符合工作要求：整机应清洁、无锈蚀，漆层应平整、光亮、无脱落；仪表线路敷设整齐，均要做固定安装；在仪表外壳的明显部位应有表示流体流向的永久性标志；管路线路号应齐全、清晰、准确。

④ 技术资料齐全、准确，符合管理要求：说明书、合格证、检验调试记录、运行记录、零部件更换记录应齐全、准确；系统原理图和接线图应完整、准确；仪表常数及其更改记录应齐全、准确。

（4）超声波流量计日常维护

① 每班至少两次巡回检查：向当班人员了解仪表的运行情况；查看仪表供电是否正常；

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查看表体、固定导轨、线路是否有损坏、腐蚀。

② 定期维护和检验：每班进行一次仪表的外部清洁工作；每3个月进行一次零位调整及量程的校验。

（二）温度测量仪表

在污水处理工艺过程中需要测量的参数也包括污水厂进、出水温度，消化池内温度，热交换器温度等温度。

温度是表征物体冷热程度的物理量。目前国际上用得较多的温标有华氏温标、摄氏温标、热力学温标等。

1.温度测量仪表的分类

温度测量仪表按测量方式可分为接触式和非接触式两大类。接触式测温仪表通过感温元件与被测介质直接接触进行测量，包括常见的玻璃温度计、双金属温度计、热电阻、热电偶等。非接触式测温仪表感温元件不与被测介质接触，是通过热辐射原理来测量温度的，如光学式、比色式等。

2.温度测量计的特点及其应用

各种温度计的特点及在污水处理厂中的应用见表5-2。

表5-2 各种温度计在城市污水厂的应用特点

温度计种类 双金属优点 缺点 在污水厂的应用情况 应用较多，常用来测机械设备系统中的温度，如鼓风机、沼气压缩机等出口温度的就地指示 应用较多，如消化池温度显示及控制、热交换器温度显示，进、出水温度显示 应用较少，只用于高温情况下，如在沼气发电系统中发动机燃烧监视，沼气燃烧等特殊情况下使用 结构简单、机械强度大、精度低，量程使用范围有限，不能远传 不能测量高温，另配显示仪表 需要自由端补偿，在低温段测量精度较低 温度计 就地指示 测温广、精度高、便于热电阻 远传，多点、集中测量和自动控制 热电偶 测量元件不破坏被测物体温度场，测量范围广 3.温度测量仪的介绍

（1）热电偶 将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路。当导体A和B的两个接点之间存在温差时，两者之间便产生电动势，因而在回路中形成一定大小的电流，这种现象称为热电效应。热电偶就是利用这一效应来工作的。热电偶的一端将A、B两种导体焊在一起，置于温度为t的被测介质中，称为工作端；另一端称为冷端，放在温度为t0的恒定温度下。当工作端的被测介质温度发生变化时，热电势随之发生变化，将热电势送入显示仪表进行指示或记录，即可获得温度值。热电偶具有测量准确度高、范围

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广等优点。

①热电偶的完好条件

a.零部件完整，符合技术要求 铭牌应清晰无误；零部件应完好齐全并规格化；紧固件不得松动；端子接线应牢靠；密封件应无泄漏。

b.运行正常，符合使用要求 运行时，热电偶应达到规定的性能指标；正常工况下仪表示值应在全量程的1/3以上。

c.设备及环境整齐、清洁，符合工作要求 保护套管应清洁、无锈蚀，漆层应平整、光亮、无脱落；穿线管和软管应敷设整齐；线路标号应齐全、清晰、准确；连接导线不得靠近热源及有强磁场的电气设备。

d.技术资料齐全、准确，符合管理要求 说明书、合格证、校验调试记录、运行记录、零部件更换记录应齐全、准确；系统原理图和接线图应完整、准确；仪表常数及其更改必须记录齐全、准确。

②热电偶日常维护

a.每班至少两次巡回检查 向当班人员了解热电偶的运行情况；检查接线盒是否盖好，保护套管、软管及穿线管是否破裂，连接处是否松动，发现问题及时处理，并做好巡回检查记录。

b.定期维护和校验 每周进行一次热电偶的外部清洁工作；每12个月进行一次校准工作。

c.常见故障 断路或短路，而前者又较后者为多。断路和短路故障非常容易检查，用一般万用表即可进行检查。另外，断路与短路在显示仪表上也有明显的故障现象。若断路，则显示仪表指示最大；若短路，则显示仪表指示最小。

（2）热电阻 热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量准确度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量准确度是最高的，它不仅应用于工业测温，而且被制成标准的基准温度计。热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的，一般由热电阻、温度变送器、记录或打印机组成。热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜。

铂热电阻的温度特性在0～850℃范围内；

RtR01AtBt2 （5-4）

其中，A3.9080210 ；B5.80210

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37城市污水厂实习培训教程

从热电阻的测量原理可知，被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的，因此，热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响，为消除引线电阻的影响，一般采用三线制或四线制。

①热电阻的完好条件

a.零部件完整，符合技术要求 铭牌应清晰无误；零部件应完好齐全并规格化；紧固件不得松动；端子接线应牢靠；密封件应无泄漏。

b.运行正常，符合使用要求 运行时，热电阻应达到规定的性能指标；正常工况下，热电阻工作温度应在测量范围的20%～80%。

c.设备及环境整齐、清洁，符合工作要求 保护套管应清洁、无锈蚀，漆层应平整、光亮、无脱落；穿线管和软管应敷设整齐；线路标号应齐全、清晰、准确；连接导线不得靠近热源及有强磁场的电气设备。

d.技术资料齐全、准确，符合管理要求 说明书、合格证、校验调试记录、运行记录、零部件更换记录应齐全、准确；系统原理图和接线图应完整、准确；仪表常数及其更改必须记录齐全、准确。

②热电阻日常维护

a.每班至少两次巡回检查：向当班人员了解热电阻的运行情况；检查接线盒是否盖好，保护套管、软管及穿线管是否破裂，连接处是否松动，发现问题及时处理，并做好巡回检查记录。

b.定期维护和校验：每周进行一次热电阻的外部清洁工作；每12个月进行一次校准工作。

c.常见故障 断路或短路，而前者又较后者为多。断路和短路故障非常容易检查，用一般万用表即可进行检查。另外，断路与短路在显示仪表上也有明显的故障现象。若断路，则显示仪表指示最大；若短路，则显示仪表指示最小。

（三）液位测量仪表

污水处理工艺过程中，液位测量仪表也是污水处理厂中测量仪表的一个重要组成部分。常常通过测量格栅前后的液位差对格栅的运行进行控制；根据泵房前集水井液位对水泵进行编组控制；根据消化池、浓缩池的液位来决定进（排）泥泵的开停等。因此，液位测量在污水处理中有着湿分重要的意义。

1.液位测量仪表的种类

液位测量仪表种类很多，有超声波式、插入式、差压式、浮力式等。表5-3列出了在污

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水处理厂中常见的液位计及其特点。随着科学技术的发展及污水厂测量仪表精度、自动化程度的不断提高，老式液位计，如玻璃管、浮标等逐渐被淘汰。测量可靠，精确度高，即可就地指示，又可信号远传的仪表，用沉入式压力变送器测量液位、法兰式差压变送器测量液位等，特别是超声波液位计的应用越来越多。

表5-3 污水处理厂常见液位计及其特点

种 类 工 作 原 理 特 点 结构简单、价格低廉，但容易损坏、读数不明显、不能远传 常 用 部 位 锅炉房、鼓风机房等 集水井 消化池 集水井、集泥井等开口容器 格栅间、集水井、集泥井、消化池等 玻璃液位计 连通器原理 浮标液位计 浮标浮于液体中，随液体位变化而升降 结构简单、价格低廉 差压液位计 基于液面升降时的液标差原理 沉入式 液位计 超声波 液位计 利用半导体扩散硅敏感元件来感知容器底部的压力 利用测量超声波在空气中传播、透液面而反射回来的时间来测量液位变化 敞口容器或封闭容器都适用，信号可以远传，但要主要“零点迁移”问题 无机械运动部件，测量准确，信号可远传 精度高，信号可远传 2.液位测量仪表介绍

（1）超声波液位计 超声波液位计属于非接触式测量，精度较高，维护量较小，因而应用范围很广，既可以测量液体的液位，也可以测量固体的物位，还可以测量液体中不同密度介质的分界面（超声波界面计），如初沉池的泥水分离界面。 超声波进测技术中，主要是利用声波的反射、折射、衰减等物理性质。不管哪一种超声波仪器，都必须把超声波发射出去，然后再把超声波接收回来，转换成电信号，完成这一部分工作的装置，称为超声波传感器，也可称为换能器或探头。超声波探头一般是利用压电材料发射和接受超声波信号，常用的材料为压电晶体或压电陶瓷。根据具体的测量方法。既可以单独使用发射和接收线探头，也可以由同一个探头，又称为接收探头。

超声波探头在电脉冲的作用下，发射一束超声波，经液面反射后，部分声波被同一探头接收到。设声波在空气中传播的速度为c，超声波探头发射和接收声波之间的间隔时间为△t，则探头与被测物之间的距离S=c×△t/2，被测物的液位L=H－S。这样就可测得液位的高低。

在选用超声波液位计的时候，应特别注意超声波探头的主要特性，即盲区、发射角、衰减特性和温度特性等。超声波探头每发射一次声波，需要一定的时间，这段时间所对应的距离即为盲区。被测物一旦进入盲区，仪表就会出现一个错误的测量值。所以在现场安装的时候，应让被测物与探头之间的最小距离大于盲区。探头在发射超声波的时候，其大部分能量集中在一个很小的区域，形成一个波束发射出去，该区域所对应的角度即为发射角。在安装

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超声波探头的时候，应当避免大的障碍物进入该区域。发射角除了跟探头的内部结构有关外，还跟声波的频率有关，频率越高，其发射角越小，其指向性越好。频率较高的声波，其指向性虽好，但容易衰弱，传播的距离有限。因此，要根据自己工艺要求，选择恰当工作频率的超声波探头。我们知道，声波在空气中传播时，其速度会受到环境温度的影响，为减小这一因素的影响，还应进行温度补偿。

① 注意问题 根据超声波液位计的非接触式测量原理，从理论上讲，它适用于污水处理工艺过程中的液位测量。但在实际应用中它会受到各种因素如安装位置、温度、压力、湿度，以及北侧介质表面的泡沫、浪涌等的影响。因此，正确选择和使用超声波液位计有着十分实际的意义。

a.环境温度的影响 环境温度的变化经影响超声波在介质中的传播速度，从而影响测量精度。

b.冷凝水对传感器测量的影响 被测介质上面形成可凝气体时，会在超声波传感器表面形成冷凝水，这时会对测量有较大的影响，冬季在传感器表面形成冰层，仪表甚至会没有读数。因此，应尽量选择无冷凝水形成的部位，或选择在传感器内设加热装置的超声波液位计。

c.被测介质液面泡沫、浪涌对测量的影响 被测介质液面上若堆积有大量的泡沫，或浪面浪涌严重，都会对超声波产生衰减，严重时会不能测量。这一问题的解决办法为：应尽量避免在这种位置测量，或做一连通井，以取得平静液位，将超声波传感器安装于连通井上方测量。

应根据实际的测量范围来选择合适的仪表。根据超声波特性，频率越低，传输距离越远，但声波的指向性就越差；频率越高，指向性越好，但传输距离越小。目前超声波液位计的测量范围从0.5m至几十米。

② 超声波液位计的完好条件及日常维护 a.超声波液位计的完好条件

（a）零部件完整，符合技术要求 铭牌及刻度盘应清晰无误；零部件应完好齐全并规格化；紧固件不得松动；接插件应接触良好；可调件应处于可调位置；端子接线应牢靠；密封件应无泄漏；所配防护、保温设施应完好无损。

（b）运行正常，符合技术要求 运行时，仪表应达到规定的性能指标，正常工况下，仪表示值应在全量程的1/3以上。

（c）设备及环境整齐、清洁，符合工作要求 整机应清洁、无锈蚀，漆层应平整、

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光亮、无脱落；仪表线路辐射整齐；在超声波传感器表面不应有冷凝水、结冰现象；管路线标号齐全、清晰、准确。

（d）技术资料齐全、准确，符合管理要求 说明书、合格证、校验调试记录、运行记录、零部件更换记录应齐全、准确；系统原理图接线图应完整、准确。

b.日常维护

（a）每班至少两次巡回检查 向当班人员了解仪表的运行情况；查看仪表供电是否正常；查看表体、固体导轨、线路是否有损坏、腐蚀。

（b）定期维护和校验 每班进行一次仪表的外部清洁工作每三个月进行一次零位调整及量程的校验。

（2）插入式液位计 插入式液位计的核心部分是一个半导体扩散硅压力敏感元件，当被测液体的密度一定时，液体对容器底部产生的压力与液位成正比，因此用扩散硅压力敏感元件便可实现各种液位的测量，用公式表达为：pp0gh

式中，p为扩散硅压力敏感元件受到的压力；p0为大气压；ρ为液体密度；h为被测液位高度。被测介质压力p通过隔离膜片和硅油传递到硅杯元件的一侧，大气参考压力p0通过导气管作用到硅杯元件的另一侧，硅杯元件是一个底部加工的很薄的杯形单晶硅片。杯底膜片在p和p0的作用下产生弹性变形（位移极小），单晶硅是理想的弹性体，形变与压力成严格的正比关系，而且复原性能机号。硅膜片上用集成电路平面工艺方法扩散有4个阻值相同的电阻，并组成一个“惠斯通电桥”桥路。当硅片变形时，4个电阻的阻值也会发生相应的变化。通过“惠斯通电桥”将电阻的变化转换成呈正比的电压信号，再经放大并转换成标准电流信号输出，这就是变送器的输出信号。

在使用时，变送器应缓缓放入被测液体中，尽量放在液体流动平缓处。

（3）差压式液位计 差压式液位计是利用容器内液位改变时液柱产生的静压也相应变化的原理而工作的。差压式液位计的调整与维护如下。

由于差压式液位计即差压变送器的使用、调整都同差压变送器一样，因此差压式液位计的日常维护、调整等均可参考“流量测量仪表”中有关差压变送器部分的描述。

污水处理厂常用差压变送器来测量消化池液位，常见的问题是引压管被污泥堵塞，使得仪表不能正常测量。解决的方法是在设计时引压管要选口径稍粗些，另外还要定期泄空冲洗，以保证引压管路畅通。

（四）压力类检测仪表

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压力:指物理学中的压强，是工业生产中的重要参数之一，为了保证生产正常运行，必须对压力进行监测和控制。按压力的测量有绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。

绝对压力：被测介质作用在容器单位面积上的全部压力。 表压力：绝对压力与大气压之差。

负压力或真空度：当绝对压力值小于大气压力值时，表压力为负值（即负压力），此负压力值的绝对值，称为真空度。

压力真空表：既能测量表压力，又能测量真空度的仪表。

常见的压力类仪表有指针式压力表、压力变送器、差压变送器、弹性式压力表等。其中差压变送器主要用于流量及液位的测量。

1.弹性式压力表

水泵的进出水管上一般选用不锈钢耐震压力表，进行现场压力指示。为了保证弹性元件能在弹性变形的安全范围内可靠地工作，在选择压力表量程时，必须根据被测压力的大小和压力变化的快慢，留有足够的余地，因此，压力表的上限值应该高于工艺生产中可能的最大压力值。在测量稳定压力时，所测压力的最大值一般不超过仪表测量上限的2/3；测量脉动压力时，最大工作压力不超过测量上限值的1/2；测量高压时，最大工作压力不应超过测量上限值的3/5。一般被测压力的最小值应不低于仪表测量上限值的1/3。从而保证仪表的输出量与输入量之间的线性关系，提高仪表测量结果的精确度和灵敏度。

压力计安装的正确与否，直接影响到测量结果的准确性和仪表的使用寿命，应注意以下方面。

（1）取压点的选择

① 为保证测量的是静压，取压点与容器壁要垂直，并要选在被测介质直线流动的管段部分，不要选在管路拐弯、分叉、死角或其他易形成漩涡的地方。

② 取压管内端面与生产设备连接处的内壁保持平齐，不应有凸出物。

③ 帮助量液体压力时，取压点应在管道的下部，使导压管内不积存气体；测量气体压力时，取压点应在管道上方，使导压管内不积存液体。

（2）导压管铺设

① 导压管粗细要合适，尽量短，减少压力指示的迟缓。 ② 安装应保证有一定倾斜度，利于积存于其中的液体排出。

③ 北方冬季注意加设保温伴热管线。应在取压与压力计间装上隔离阀，利于日后维修。 （3）压力计安装

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① 压力计要安装在易观察和检修的地方。 ② 应注意避开振动和高温影响。

③ 测量高压的压力计除选用的通气孔的以外，安装时表壳应向无人处，以防意外。 压力表的使用过程中应注意经常检查传压导管的严密性，及时消除渗漏现象，及时疏通导管的堵塞，如果发生零位偏移可进行调节，保证计数的正确。

2.压力变送器

在被测点的仪表安装地点距离较远时，或数值进入系统联动时，要采用变送器把压力信号转变为电流或电压信号再进行检测。压力变送器对液位的测量多实现在管道与罐体等压力容器中。通过对容器内压力变化的测量，得出容器内液位的变化。

（1）使用与操作 对压力变送器的操作主要包括对零点的调校和对量程的调校。 零点调校应在一定的基准试验条件下进行，如对温度、湿度和气压等都有规定的要求。在零压力状态下，用精度高于压力变送器精度3倍以上的仪表现场仿真器，以产品规定的标准供电，预热一定时间后，观察零位输出值，若偏差超出变送器精度允许范围，对仪表进行调节。

量程调校前必须先在基准试验条件下完成零点调教。将压力变送器与基准压力计密封连接，加压至压力变送器满量程。然后观测压力变送器的输出值，如果压力变送器的输出值与理论值比对有误差，用仪表现场仿真器对变送器的量程进行调整。此过程要经过多次实验，应由从事过专门计量和仪表调校的人员操作。

（2）使用注意事项及故障分析 压力变送器属于敏感精度仪器，当应用在管路中时，要安装在远离泵、阀并加装缓冲管或缓冲容器，以免压力冲击损坏变送器。应用过程中要使压力变送器探头处于常规温度状态，可以有效保证及延长仪器的使用寿命。压力变送器常见故障见表5-4。

表5-4 压力变送器常见故障

故 障 现 象 产 生 原 因 由安装环境造成的零点漂移 输出信号出现偏差或跳字现象，而过程压力无异常波动 环境温度超出使用范围 变送器壳体进水或侵蚀 电源或二次仪表出现故障 电源接线反了 无输出信号；开路或短路；零位输出过大或过小 电路保护元件或芯片击穿 敏感元件因过压冲击损坏 供电电源或二次仪表损坏 过流过压造成传感器烧毁

解 决 方 法 零点调整 更换仪表，或加散热装置 置于60℃干燥箱中烘干后调校 更换或调整二次仪表滤波设置 重新接线 返厂维修 返厂维修 更换或维修 返厂维修 152

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（五）成分分析仪表 1.溶解氧分析仪（DO仪）

溶解仪主要用来测量曝气池中溶解氧含量的高低，为污水处理厂二级生化处理系统的正常运行提供一个重要的参数，同时可以用溶氧值去控制风机的风量，还能起到节能的效果。也是工艺运行人员控制工艺运行的重要依据。

（1）溶解氧分析仪的组成 溶解氧分析仪主要由传感器和变送器两部分组成。若从传感器的结构形式上来分，主要有覆膜电极、无膜电极两种。

这两种电极都由阴极、阳极和电解液组成。 （2）应注意的问题

① 对于覆膜电极，被测介质中的油污、油脂及在曝气池中使用时微生物常常吸附在薄膜上，沾污了薄膜表面，这些都是严重影响测量精度，因此需要定期清洗。一般几天就需要清洗一次电极，2～3个月需要更换一次薄膜和电解液，更换后则需要重新校验、标定，另外至少半个月就要标定1次。因此，维修工作量较大。

② 对于薄膜电极，某些产品在进行标定时必须在无氧溶液中设置零点（常用5%亚硫酸钠溶液作为无氧溶液），造成运行成本增加，维护量增大。近些年出现某些新型的溶解氧分析仪，不需要零点标定。

③ 一般早期生产的溶解氧分析仪要求被测介质的流速在30～50cm/s，这种条件一般在污水厂很难满足（采用氧化沟工艺的污水处理厂除外）。目前新型溶解氧分析仪几乎在静水中都可以测量。

④ 被测介质中若存在氯离子，则被当作氧来测量，使读数发生错误；若在被测介质中存在二氧化碳，则会对覆膜电极产生中和作用；若被测介质中存在硫化氢、二氧化硫，则会影响某些金属阳电极。

（3）在污水处理厂经常遇到的实际问题

① 自动清洗装置（如旋转刮刀）和防护罩常被头发及纤维织物缠绕而不能工作。因此至少需要两个人才能对仪表标定。

② 探头在几个小时内即被水中油脂或微生物形成的黏膜（黏液）糊住。 ③ 由于设计或安装不当，探头不能从支架或护套管中取出来。

④ 由于探头同变送器（转换器）之间的距离太远，人无法看到仪表显示值，因此至少需要两个人才能对仪表标定。

⑤ 探头放在池内形成不能被搅拌的死角，使得输出信号不能代表工艺过程的实际情况。

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2.pH计

测量原理：pH值定义为pH=－log10H+。测量电极与参比电极之间的电势与溶液中H活度的对数呈线性关系。在污水处理厂中所使用的pH计，其测量电机多为玻璃电极，参比电机可用银-氯化银电极。

在测量介质中的pH值时，需要进行温度补偿，如果pH电极本身不带测温元件，此时，可以在仪表中输入一个固定的温度值进行补偿。如果电极带有测温元件（如PT100），此时可用该温度测量值用来补偿。

在选型时，要根据不同的测量介质和具体的安装条件选择不同的电极，电极在不使用时，应让玻璃膜尽量保持湿润，在使用前，将电极在水中浸泡24h，然后在进行校验。在校验时，当电极从一种pH值溶液放入另一种pH值溶液中时，如果条件允许，用蒸馏水冲洗电极后，再用部分欲测溶液冲洗电极。在平时维护工作特别是用于污水测量的pH计，要经常清洗电极，以保持其表面清洁。每个电极都有一定的使用寿命，其长短由现场的使用情况确定。

pH计常出现的故障现象：仪表读数稳定在7左右，显示无变化。原因是玻璃电极输出为一个高阻抗的电压信号，其输出阻抗可高达108Ω。因此要求电缆线的绝缘性好，最好采用专用电缆。当仪表读数不变时，可能是电缆与电极的连接部分受潮，绝缘阻抗下降，致使其输出信号变得很小。电极在正常使用时，斜率约为59mV/pH，当电极输出为0mV时, pH值约为7。某些仪表在校验后，可在菜单中显示这两个参数，可以通过查看这两个参数来了解电极的使用状况。

3.浊度计

浊度计的检测原理是将光束投射到水的表面，测量水表面散射光强度或将光束通过水介质后光强的减弱程度换算出水的浊度。也有同时采用散射光与透射光之比来换算出水的浊度。采用光电池将光的信号转变成电的信号，然后再通过变送器内部的放大器转换为标准信号输出。在平时的维护工作中，应保持传感器的清洁。

4.电导率

电导率是以数字表示溶液传导电流的能力。纯水的电导率很小，当水中含无机酸、碱或盐时，电导率增加。电导率常用于间接推测水中离子的总浓度。电导率的标准单位是S/m(西门子/米)。在测量时，将两个电机放入溶液中，可以测出两电极间的电阻R。根据欧姆定律，湿度一定时，R=

+

L 其中，为电阻率，当L/S为一定值时，电导率K=1/=L/SR。 S5.化学需氧量（COD）分析仪

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COD自动分析仪的主要技术原理有6种：①重铬酸钾消解-分光测量法；②重铬酸钾消解-库仑滴定法；③重铬酸钾消解-氧化还原滴定法；④UV计（2nm）；⑤氢氧基及臭氧（混合氧化剂）氧化-电化学测量法；⑥臭氧氧化-电化学测量法。

从原理上讲，方法③更接近国标方法，方法②也是推荐的统一方法。方法①在快速COD测定仪器上已经采用。方法⑤和方法⑥虽然不属于国标或推荐方法，但鉴于其所具有的运行可靠等特点，在实际应用中，只需将其分析结果与国标方法进行比对试验并进行适当的校正后，即可予以认可。但方法④用于表征水质COD，虽然在日本已得到较广泛的应用，但欧美各国尚未推广应用（未得到行政主管部门的认可），在我国尚需开展相关的研究。

从分析性能上讲，在线COD仪的测量范围一般在10（或30）～2000mg/L，难以应用于地表水的自动监测。另外，与采用电化学原理的仪器相比，采用消解-氧化还原滴定法、消解-光度法的仪器的分析周期一般更长一些（10min～2h），前者一般为2～8min。

从仪器结构上讲，采用电化学原理或UV计的在线COD仪的结构一般比采用消解-氧化还原滴定法、消解-光度法的仪器结构简单，并且由于前者的进样及试剂加入系统简便（泵、管更少），所以不仅在操作上更方便，而且其运行可靠性也更好。

从维护的难易程度上讲，由于消解-氧化还原滴定法、消解-光度法采用的试剂种类较多，泵管系统较复杂，因此在试剂的更换以及泵管的更换维护方面较烦琐，维护周期比采用电化学原理的仪器要短，维护工作量大。从对环境的影响方面讲，重铬酸钾消解-氧化还原滴定法（或光度法，或库伦滴定法）均有格、汞的二次污染问题，废液需要特别的处理。而UV计法和电化学法（不包括库伦滴定法）则不存在此类问题。

6.高锰酸盐指数分析仪

高锰酸盐自动指数分析仪的主要技术原理有三种：①高锰酸盐氧化-化学测量法；②高锰酸盐氧化-电流/电位滴定法；③UV计法（与在线COD仪类似）。

从原理上讲，方法①和方法②并无本质的区别（只是终点指示方式的差异而已），在欧美和日本等国是法定方法，与我国的标准方法也是一致的。将方法③用于表征水质高锰酸盐指数的方法，在日本已得到较广泛的应用，但在我国尚未推广应用，也未得到行政主管部门的认可。

从分析性能上讲，目前的高锰酸盐指数在线自动分析仪已能满足地表水在线自动检测的需要。另外，与采用化学方法的仪器相比，采用氧化还原滴定法的仪器的分析周期一般更长一些（2h），前者一般为15～60min。从仪器结构上讲，两种仪器的结构均比较复杂。

7.总有机碳（TOC）分析仪

TOC自动分析仪在欧美、日本和澳大利亚等国的应用较广泛，其主要技术原理有5种：

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①（催化）燃烧氧化-非分散红外光度法（NDIR法）；②UV催化-过硫酸盐氧化-NDIR法；③UV-过硫酸盐氧化-离子选择电极法（ISE法）；④加热-过硫酸盐氧化-NDIR法；⑤UV-TOC分析计法。

从原理上讲，方法①更接近国标方法，但方法②～方法④在欧美等国也是法定方法。将方法⑤用于表征水质TOC，虽然在日本已得到较广泛的应用，但在欧美各国尚未得到行政主管部门的认可。

从分析性能上讲，目前的在线TOC仪完全能够满足污染源在线自动监测的需要，并且由于其检测限较低，应用于地表水的自动监测也是可行的。另外，在线TOC仪的分析周期一般较短（3～10min）。

从仪器结构上讲，除了增加无机碳去除单元外，各类在线TOC仪的结构一般比在线COD仪简单一些。

8.氨氮和总氮分析仪

氨氮自动分析仪的技术原理主要有3种：①氨气敏电极电位法（pH电极法）；②分光光度法；③傅里叶变换光谱法。在线氨氮仪等需要连续和间断测量方式，在经过在线过滤装置后，水样测定值相对偏差较大。

总氮在线自动分析仪的主要技术原理有两种：①过硫酸盐消解-光度法；②密闭燃烧氧化-化学发光分析法。

9.磷酸盐和总磷分析仪

（反应性）磷酸盐自动分析仪主要的技术原理为光度法。总磷在线自动分析仪的主要技术原理有：①过硫酸盐消解-光度法；②紫外线照射-钼催化加热消解，FIA-光度法。

从原理上讲，过硫酸盐消解-光度法是在线总氮和总磷仪的主选方法，是各国的法定方法。基于密闭燃烧氧化-化学发光分析法的在线总氮仪和基于紫外线照射-钼催化加热消解，FIA-光度法的在线总磷仪主要限于日本。前者是日本工业规格协会（JIS）认可的方法之一。

从分析性能上讲，目前的在线总氮、总磷仪已能满足污染源和地表水自动检测的需要，但灵敏度尚难以满足评价一类、二类地表水（标准值分别为0.04mg/L和0.002mg/L）水质的需要。另外，采用化学发光法、FIA-光度法的仪器的分析周期一般更短一些（10～30min），前者一般为30～60min。

从仪器结构上讲，采用化学发光法或FIA-光度法的在线总氮、总磷仪的结构更简单一些。

五、在线仪表污水处理厂的应用示例

各种在线检测仪表在污水处理厂的应用情况见图5-1。

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第二节 污水处理厂自动控制

一、概述

1.污水处理过程特点与自动化要求

污水处理自动化，是污水处理厂的污水污泥处理、介质或药剂等生产过程实现自动化的简称。污水处理厂的生产过程的特点是：各种物料在管道、构筑物、设备、容器中不停地进行着物理变化、化学或生物化学反应，各种工艺参数时刻在发生变化。为了保证污水处理的运行效率高，人们常利用自动化装置进行检测和调节。另外，污水处理厂生产过程涉及臭味、腐蚀、高温或寒冷、易燃易爆等，为改善劳动条件，保证安全生产，也应实现自动化。

污水处理厂工艺过程中要用到大量的阀门、泵、风机及吸、刮泥机等机械设备，它们常常要根据一定的程序、时间和逻辑关系定时开、停。例如，在采用氧化沟处理工艺的污水处理厂，氧化沟中的转刷要根据时间、溶解氧浓度等条件定时启动或停止，在采用SBR工艺的污水处理厂，曝气、搅拌、沉淀、滗水和排泥应按照预定的时间程序周期运行；在采用活性污泥法的污水处理厂，初沉池的排泥，消化池的进、排泥也要根据一定的时间顺序进行。另外，污水处理的工艺过程同其他工艺过程类似，也要在一定的温度、压力、流量、液位、浓度等工艺条件下进行。但是，由于种种原因，这些数值总会发生一些变化，与工艺设定值发生偏差。为了保持参数设定值，就必须对工艺过程施加一个作用以消除这种偏差而使参数回到设定值上来。例如，消化池内的污泥温度需要控制在一定的范围内，鼓风机的出口压力需要控制在一个定值，曝气池内的溶解氧浓度要根据工艺要求控制在一定的范围内等。

2.污水处理自动控制系统功能

污水处理厂的自动控制系统主要是对污水处理过程进行自动控制和自动调节，使处理后的水质指标达到预期要求。自动控制系统具有如下功能。

（1）控制操作 在中心控制室能对被控设备进行在线实时控制，如启停某一设备，调节某些模拟输出量的大小，在线设置PLC的某些参数等。

（2）显示功能 用图形实时地显示各现场被控设备的运行工况，以及各现场的状态参数。

（3）数据管理 利用实时数据库和历史数据库中的数据进行比较和分析，可得出一些有用的经验参数，有利于优化处理过程和参数控制。

（4）报警功能 当某一模拟量（如电流、压力、水位等）测量值超过给定范围或某一开关量（如电机启停、阀门开关）发生变位时，可根据不同的需要发出不同等级的报警。

（5）打印功能 可以实现报表和图形打印以及各种事件和报警实时打印。打印方式

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有定时打印、事件触发打印等方式。

3.污水处理自动控制的特点

污水处理自动控制系统具有环节多，系统庞大，连接复杂的特点。它除具有一定控制系统所具有的共同特征外，如有模拟量和数字量，有顺序控制和实时控制，有开环控制和闭环控制，还有不同于一般控制系统的个性特征，如最终控制对象是COD、BOD、SS和pH值，为使这些参数达标，必须对众多设备的运行状态、各池的进水量和出水量、进泥量和排泥量、加药量、各段处理时间等进行综合调整与控制。

4.污水处理厂自动化系统的类型

自动化装置，就是指实现自动化的工具，按照自动化系统的用途归纳起来可以分为以下四类。

（1）自动检测装置和报警装置 污水处理一般是空间或时间上的连续生产工程。各种物料在管道、处理设施和容器内不断的变化，为了控制运行，必须随时利用自动检测装置了解各生产过程中参数的变化情况。污水处理厂的各种测量就属于自动检测装置。只有采用了自动检测，才谈得上生产过程自动化问题。

自动报警装置是指用声光等信号自动地反映生产过程的情况及机器设备运转是否正常的情形。

（2）自动保护装置 当上产操作不正常，有可能发生事故时，自动保护装置能自动地采取措施（连锁），防止事故的发生和扩大，保护人身和设备的安全。实际上自动保护装置和自动报警装置往往是配合使用的。

（3）自动操作装置 利用自动操作装置可以根据工艺条件和要求，自动地启动或停运某台设备，或进行交替动作。如在污水处理工艺过程控制中利用自动操作装置时地对初沉池进行排泥，则需要定时自动启动排泥泵前阀门、排泥泵等设备。

（4）自动调节装置 在工业过程控制中，有些工艺参数需要保持在规定的范围内，如污水处理过程中，曝气池内溶解氧含量需保持在2mg/L左右。当某种干扰使工艺参数发生变化时，就由自动调节装置对生产过程施加影响，使工艺参数回复到原来的规定值上。

总体来说，测量仪表、计算机监控系统和被控设备，即组成了现代污水处理厂的自动化系统。

二、自动控制系统

1.自动控制的基本控制形式

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（1）开环控制系统 开环控制是最简单的一种控制方式，其控制量与被控制量之间只有前向通道而没有反向通道。控制作用的传递具有单向性。由图5-2开环控制结构图可以看出，输出直接受输入控制。

扰动量 扰动量 输出量 Ur 控制器 Ur 输入量 n 输出量 Ue － 控制器 Ua 检测装置 被控对象 n 输入量 Ua 被控对象 Ud 图5-2 开环控制系统结构示意 图5-3 闭环控制系统结构示意

开环控制系统的特点：系统结构和控制过程简单，但抗干扰能力弱，一般仅用于控制精度不高且对控制性能要求较低的场合。

（2）闭环控制系统 凡是系统输出信号对控制作用产生直接影响的系统，都称作闭环控制系统（亦称为反馈控制系统），如图5-3所示。

在闭环控制系统中，输入电压Ur减去主反馈电压Ue，经控制器，输出电压Ua加在被控对象两端。

闭环控制系统的特点：系统的相应对外部干扰和系统内部的参数变化不敏感，系统可达到较高的控制精度和较强的抗干扰能力。

2.自动控制系统的组成

根据控制对象和使用要求的不同，控制系统有各种不同的组成结构，但从控制功能角度看，控制系统一般均由以下基本环节组成。如图5-4所示。

（1）设定装置 其功能是设定与被控量相对应的给定量，并要求给定量与测量变送装置输出的信号在种类和量纲上一致。

（2）比较放大装置 其功能是首先将给定量与测量值进行计算，得到偏差值，然后再将其放大以推动下一级的动作。

（3）执行装置 其功能是根据前面环节的输出信号，直接对被控对象作用，以改变被控量的值，从而减小或消除偏差。

干扰 输入值 串联校设定装置 比较装置 正装置 比较放大装置 执行装置 被控对象 被控量 反馈校正 测量变速装置 图5-4 自动控制系统的组成

（4）测量反馈装置 其功能是检测被控量，并将检测值转换为便于处理的信号（如

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电压，电流等），然后将该信号输入到比较装置。

（5）校正装置 当自控系统由于自身结构及参数问题而导致控制结果不符合工艺要求时，必须在系统中添加一些装置以改善系统的控制性能。这些装置就称为校正装置。

（6）被控对象 指控制系统中所要控制的对象，一般指工作机构或生产设备。 3.自动控制系统的分类 自动控制系统通常分以下几类。

（1）按给定量的特征划分 自动控制系统按给定量的特征划分，可分为以下3类。 ① 恒指控制系统：其控制输入量为一恒值。控制系统的任务是排除各种内外干扰因素的影响，维持被控量恒定不变。污水处理厂中温度、压力、流量、液位等参数的控制及各种调速系统都属此类。

② 随动控制系统（也称伺服系统）：其控制输入量是随机变化的，控制任务是使被控量快速、准确地跟随给定量的变化而变化。

③ 程序控制系统：其输入按事先设定的规律变化，其控制过程由预先编制的程序载体按一定的时间顺序发出指令，使被控量随给定的变化规律而变化。

（2）按系统中元件的特征划分 按系统中元件的特征划分，控制系统可分为以下两类。

① 线性控制系统：其特点是系统中所有元件都是线性元件，分析这类系统时可以应用叠加原理，系统的状态和性能可用线性微分方程描述。

② 非线性控制系统：其特点是系统中含有一个或多个非线性元件。

（3）按系统电信号的形式划分 按系统电信号随时间变化的形式，控制系统可分为以下两类。

① 连续控制系统：其特点是系统中所有的信号都是连续的时间变化函数。

② 离散控制系统其特点是系统中各种参数及信号以离散的脉冲序列或数据编码形式传递的。

4.自动控制系统的性能评价

自动控制系统的基本性能要求可归结为“稳”、“快”、“准”三大特性指标。

（1）稳定性 稳定性是保证系统能够正常工作的前提。如果系统受到干扰后偏离了原来平衡状态，当扰动消失后，能否回到原平衡状态的问题，称为稳定性问题。当干扰消除后，系统的输出能回到原平衡工作状态，则称系统是稳定的。

（2）快速性 快速性反映了系统动态调节过程的快慢，过渡时间越短，表明快速性

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越好，反之亦然。

（3）准确性 准确性反映了系统输入给定值与输出响应终值之间的差值大小，用稳态误差表征。稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志，系统的稳态误差为0，称为无差系统，否则为有差系统。

三、计算机控制技术

1.计算机控制系统的组成 计算机控制系统的组成见图5-5。

r(t) 数字调节器 数模转换器 模数转换器 保持器 采样保持 多路开关 执行器 测量环节 控制对象 c(t) 图5-5 计算机控制系统组成

（1）控制对象 指所要控制的装置和设备。 （2）检测单元 将被检测参数的非电量转换成电量。

（3）执行机构 其功能是根据工艺设备要求由计算机输出的控制信号，改变被调参数（如流量或能量）。常用的执行机构有电动、液动和气动等控制形式，也有的采用马达、步进电话及可控硅元件等进行控制。

（4）数字调节器与输入、输出通道 数字调节器以数字计算机为核心，它的控制规律是由编制的计算机程序来实现的。输入通道包括多路开关，采样保持器，模数转换器。输出通道包括数模转换器及保持器。

多路开关和采样保持器用来对模拟信号采样，并保持一段时间。 模数转换器把离散的模拟信号转换成时间和幅值上均为离散的数字量。 数模转换器把数字量转化成离散模拟量。

（5）外部设备 是实现计算机和外界进行信息交换的设备，简称外设，包括人机联系设备（操作台）、输入输出设备（磁盘驱动器、键盘、打印机、显示终端等）和外存储器（磁盘）。

2.计算机控制系统的分类

（1）操作指导控制系统 在操作指导控制系统中，计算机的输出不直接作用于生产对象，属于开环控制结构。计算机根据数学模型、控制算法对检测到的生产过程参数进行处理，计算出各控制量应有的较合适或最优的数值，供操作员参考，这时计算机就起到了操作

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指导的作用。

该系统的优点是结构简单，控制灵活和安全可靠。缺点是要由人工进行操作，操作速度受到了人为的，并且不能同时控制多个回路。

（2）直接数字控制系统（DDC系统） DDC（direct digital control）系统是通过检测元件对一个或多个被控参数进行巡回检测，经输入通道送给计算机，计算机将检测结果与设定值进行比较，再进行控制运算，然后通过输出通道控制执行机构，使系统的被控参数达到预定的要求。

DDC系统的优点是灵活性大、计算能力强，要改变控制方法，只要改变程序就可以实现，无需对硬件线路作任何改动；可以有效地实现较复杂的控制，改善控制质量，提高经济效益。当控制回路较多时，采用DDC系统比采用常规控制器控制系统要经济合算，因为一台微机可代替多个模拟调节器。

（3）计算机监督控制系统（SCC系统） SCC（supervisory computer control）系统比DDC系统更接近生产变化的实际情况，因为在DDC系统中计算机只是代替模拟调节器进行控制，系统不能运行在最佳状态，而SCC系统不仅可以进行给定值控制，并且还可以进行顺序控制、最优控制以及自适应控制等，它是操作指导控制系统和DDC系统的综合与发展。就其结构来讲，SCC系统有两种形式，一种是SCC+模拟调节器控制系统，另一种是SCC+DDC控制系统。

（4）分布式控制系统（DCS系统） DCS（distributed control system）是采用积木式结构，以一台主计算机和两台或多台从计算机为基础的一种结构体系，也叫主从结构或树形结构，从机绝大部分时间都是并行工作的，只是必要时才与主机通信。该系统代替了原来的中小型计算机集中控制系统。

四、PLC控制技术

1.可编程控制器

可编程控制器（programmable logical controller，简称为PC或PLC）是面向用户的专门为在工业环境下应用而开发的一种数字电子装置，可以完成各种各样的复杂程度不同的工业控制功能。它采用可以编制程序的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术等操作指令，可以从工业现场接收开关量和模拟量信号，按照控制功能进行逻辑及算术运算并通过数字量或模拟量的输入和输出来控制各种类型的生产过程。

2.可编程序控制器的特点

（1）可靠性高、抗干扰能力强 为保证PLC能在恶劣的工业环境下可靠工作，在设

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计和生产过程中采取了一系列提高可靠性的措施。

（2）可实现三电一体化 PLC将电控（逻辑控制）、电仪（过程控制）、计算机集于一体，可以灵活方便地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。

（3）易于操作、编程方便、维修方便 可变成控制器的梯形图语言更易被电气技术人员所理解和掌握。具有的自诊断功能对维修人员维修技能的要求降低了。当系统发生故障时，通过软件或硬件的自诊断，维修人员可以很快找到故障所在的部位，为迅速排除故障和修复节省了时间。

（4）体积小、质量轻、功耗低 PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小巧，易于装入机械设备内部，是实现机电一体化的理想控制设备。

3.可编程控制器的主要功能 ① 开关逻辑和顺序控制； ② 模拟控制； ③ 信号联锁； ④ 通信。

4.可编程序控制器的结构与原理

图5-6 PLC控制系统典型结构示意

编程器 通信接口 电源 处理器 输入存储器 现场 接口 输出接口 现场 可编程序控制器是以微处理器为核心的高度模块化的机电一体化装置，主要由处理器、存储器、输入和输出接口电路及电源四个部分组成。图5-6为PLC控制系统典型结构示意。

5.可编程控制器的编程语言

可编程控制器有多种程序设计语言。在高档PLC中，提供有较强运算和数据转换等功能的专用高级语言或通用计算机程序设计语言。在传统的电气控制系统中，普遍采用继电器及相应的梯形图来实现I/O的逻辑控制。PLC梯形图几乎照搬了继电器梯形图的形式，图5-7为两者对照的梯形图。

图5-7 两种梯形图

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五、污水处理厂常用自动控制方案

1.曝气池中溶解氧自动调节方案

根据工艺要求，污水处理厂曝气池内的溶解氧含量通常要控制在2mg/L左右，过量的曝气会使能耗增高，增大运行费用；曝气不足会使溶解氧含量低，不利于水中微生物生长，会直接影响处理效果。因此，保持曝气池内溶解氧处于一定的浓度，是污水处理过程控制中比较关键的任务之一。由于曝气池内溶解氧浓度同进水水质、温度、压力、曝气量等有着非常密切的关系，这些外界条件发生变化时，溶解氧浓度也随之发生变化。如何控制曝气池中的溶解氧浓度，是污水处理过程中自动调节系统的主要任务之一。

（1）单回路定值调解方案 定值调节，又称恒值调节，指在整个生产过程中所要控制的参数式中恒定不变，保持一定的值。在污水处理工艺中，曝气池中的溶解氧浓度在一定时间范围内需要保持不变。可以采用由溶解氧分析仪、PID调节器、调节阀及曝气池和送气管路组成的单回路定值调节系统。由溶解氧分析仪将溶解氧测量出来并作为测量信号送入调节器。在调节器内部同工艺要求的给定值进行比较，比较的结果即为偏差信号，调节器将此偏差信号进行PID运算后输出去控制调节阀的开度，从而控制曝气池内的溶解氧浓度。

（2）溶解氧、流量串级调节方案 对于大型污水处理厂曝气池的溶解氧控制，常用以溶解氧作为主调节参数和曝气流量作为副调节参数的串级调节系统。溶解氧主调节器和曝气流量副调节器串接工作，溶解氧主调节器的输出是作为副调节器的给定值，由副调节器控制调节阀动作。溶解氧作为主调参数，是工艺要控制的指标。曝气流量为副调参数是为了稳定主参数而引入的辅助参数。主调节器按照主参数工艺给定值的偏差进行工作，副调节器按照流量这一副参数与来自主调节器的给定值的偏差进行工作，其输出直接控制调节阀。

2.污泥消化池的温度调节系统

污泥消化池温度，也是污水处理厂工艺的参数之一。消化池污泥大多采用蒸汽加热，温度调节系统也随之不同。可以是直接加热，也可间接加热，可以在消化池内直接加热，也可将污泥在专设的加热池中加热至设定温度后投配至消化池。

3.循环式活性污泥（CAST）工艺的运行控制方案

CAST工艺运行控制要求CAST池共2个，均设置有进水、进气、排水、排泥控制阀和液位计。鼓风机在启动后无故障时连续运行，要求至少有一个进气阀打开，污泥回流泵一般为间歇运行。滗水器的运动是靠水力运动自动完成的，由排水控制阀控制。

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每一个CAST反应池，运行周期为4.0h，每日运行6个批次，每个周期中，进水2.0h，污泥回流2.0h，曝气2.0h，沉淀1.0h，排水＜1.0h，每个CAST池均按以上程序运行。其程序控制见图5-8。

开始 1号池运行程序开始 延迟2h 打开1号进水阀 打开1号进气阀 开始曝气阶段 开始2号池运行程序 否 一个运行周期结束返回 2h到否 是 关闭1号进水阀 关闭1号进气阀 1号污泥回流泵停 开始沉淀阶段 1号污泥回流泵开启 否 液位≥Hmax 是 关闭1号进水阀 1h到否 是 打开1号排水阀 否 否 1h到否 是 是 液位≤Hmin 关闭1号排水阀 一个运行周期结束返回 图5-8 CAST工艺程序控制图

4.T形氧化沟运行控制方案

T形氧化沟为三沟交替工作式氧化沟系统，运行非常灵活，曝气、沉淀均在沟内进行，不需要二沉池和污泥回流系统，通过合理地编排运行程序还可以有效地实现脱氮除磷功能。

从过程控制的角度来看，T形氧化沟的工艺运行控制就是按照一定的时间、顺序和逻辑

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关系对一些控制阀门、出水堰及转刷进行开启、关停控制，是典型的顺序逻辑控制。

脱氮除磷在T形氧化沟的运行程序，一般分为8个阶段，作为一个运行周期，每周期历时8h。8阶段脱氮除磷运行方式见图5-9。

I沟II沟III沟

A N S N N S S D N S S N S Dr 阶段1

阶段2

阶段3

阶段4

S N AS N N Dr S D N S S N S 阶段5 阶段6 阶段7 阶段8

图5-9 T型氧化沟脱氮除磷运行方式

六、污水处理厂自控系统案例

本部分介绍绵阳市塔子坝污水处理厂控制系统。 1.自控系统概述

图5-10 塔子坝一期自控系统拓扑图

塔子坝污水处理厂是绵阳市第一座污水处理厂，一期2001年建成投产，日处理10×10t，二期2003年建成投产，日处理污水5×10t。该厂自动控制系统采用SCADA系统，一

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期自控系统由4个子站和1个主站构成。4个子站主要由西门子公司PLC构成，1号子站主要完成预处理部分监视控制，2号子站主要完成生化部分监视控制，3号子站主要完成脱水部分监视控制，4号子站主要为中控室马赛克模拟屏服务，显示设备状态和模拟量，其中3号子站下设5个分站，分别为鼓风机自带主控屏，4个生化池监视控制分站；中控室主站由监控计算机和报表计算机组成，分别完成人机对话和日、月、年生产报表生成。鼓风机虽然也自带PLC控制系统，但没有直接入网，而是通过主控屏将信号接入自控网络，拓扑图见图5-10。

二期自控系统由5个子站和1个主站构成。4个子站主要由西门子公司PLC构成，1号子站主要完成预处理部分控制，2～4号子站主要完成生化部分控制，5号子站主要完成脱水部分控制，中控室主站由监控计算机和报表计算机组成，大屏显示由并接在监控计算机显示端口的投影仪完成，拓扑图见图5-11。

图5-11 塔子坝二期自控系统拓扑图

一期主站和子站间通过双绞线以太网形成网络，二期主站和子站间通过光线环形以太网联成网络，一、二期网络互不相通，为的两套生产控制系统。

2.厂区设备的自动控制

按工艺要求，一期系统中粗格栅的自动运行由1号子站负责，采用定时加液位控制，运行时间和间歇时间可以通过控制室管理计算机对现场控制子站进行参数设定，液位差检测由格栅前后的超声波液位差计负责，将液位差信号通过变送器转换为与PLC匹配的电信

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号。PLC根据内部定时器和输入液位信号判断何时运行粗格栅。

进水泵的自动控制是PLC根据集水池液位上来控制泵的启停，根据液位来控制启动泵的数量，泵启动的优先级可以预先设定。

细格栅的自动控制同粗格栅相同。

除砂部分包括两台除砂系统，自控系统给两台除砂系统以启动信号进行间歇运行，除砂系统完成抽砂和除渣由自带控制系统完成。根据塔子坝厂实际进水含砂量，对PLC进行参数设定，保证了除砂效果同时尽量减少设备运行时间，保证了设备的合理利用。

生化部分设备主要有推流搅拌系统和曝气系统，推流系统由推流器和搅拌器组成，其控制较为简单，根据要求通过控制计算机和控制网络完成启动和停止，正常时连续运行。曝气系统分供风部分和曝气部分，供风部分由风量可调离心鼓风机和检测仪表组成，根据曝气池水位和管参数在主控屏设定供风部分风压，当供需不等时，会影响管道压力变化，现场PLC根据设定值和检测值调节鼓风机供风量，确保压力恒定以保证风量的供需平衡，鼓风机实际运行操作比较复杂，网络上的主控屏会更具风量需求向鼓风机控制系统发出启停或风量大小指令，而鼓风机自带的控制系统根据指令系统按照预定的顺序完成设备的调整。曝气部分由空气调节阀和溶解氧检测仪表组成，当污染物变化时，微生物活性和新陈代谢会相应变化，而此时微生物生命活动消耗水中溶解氧量也会相应变化，通过确保溶解氧的恒定，而保证微生物完成水中有机污染物的分解消耗，达到净化水时最大限度节约能耗。

沉淀池刮泥机、虹吸、污泥回流和排放、泥处理由3号子站PLC实现自动控制，刮泥机连续运行，可以通过网络控制启停，虹吸装置由真空泵和电磁阀组成，每隔一段时间，真空泵和电磁阀会运行一段时间，以排除虹吸管剩余空气，保持虹吸。系统通过检测污泥泵房污泥液位判断虹吸是否破坏。污泥回流开停根据曝气池污泥浓度和进水有机污染物浓度由运行人员通过控制室监控计算机控制。污泥排放根据曝气池污泥浓度由运行人员通过控制网络进行，脱水系统运行较为复杂，各参数调整也较为频繁，一般污泥脱水车间运行人员根据系统剩余污泥量，通过现场触摸屏来进行脱水系统的启停和调节运行参数。

二期自动控制系统对设备的控制同一期控制原理基本一致，只是由于工艺的不同而对自控系统的控制精度和可靠性提出了更高的要求。

3.人机会话

污水厂自动控制系统主要目的是控制设备按照要求运行，并监视设备的运行状态，设备异常时及时报警，以便运行人员进行处理，这就要求自控系统具有良好的人机信息交流性能，塔子坝自控系统在建设时充分考虑其人机会话性能，首先在控制室设置了管理计算

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机，用工业组态软件编写了简易的图形模拟现场设备的状态，具有参数设置和实时报警功能，将工业自动控制系统的信息通过运行人员熟悉和习惯的台式机终端设备输入输出，增加了系统的可操作性，同时各现场子站还配备了工业触摸屏作为该站输入输出终端，极大增加了运行人员操控系统的灵活性和及时性。

各终端采用层级操作，各层通过特定密码验证授予特定权限，一般分为可视层，可控层，参数修改层，每层权限向下包容。通过此方式，加强了系统对操作人员身份辨识，也增加了系统抗人为破坏能力。

4.在线仪表

性能优良的智能控制系统不光具有对设备的监控性，对被控对象状态具有全方位的检测性能，塔子坝污水处理厂自动控制系统采集了设备状态，重要设备还采集了运行电流，控制系统关键器件的状态，同时按工艺运行对数据的测量，增加了必要在线仪表，如温度、pH、液位、水量、风量、DO、OPR、SS、污泥液位等仪表，通过触摸屏和上位机可以远程显示设备状态和工艺流程参数，以便进行分析并及时调整工艺，确保出水达标。

5.高低压配电监视系统

此功能主要是对高低压配电及供电系统的开关是合是断和状态远程监视，塔子坝在高压配电室专用工业控制用计算机完成此功能，该系统可以工作，同时通过RS485工业总线将重要信号送至生产监视计算机，实现配电系统的无人值班要求，用生产监控计算机显示来提示值班人员，保证厂区内所有设备在中控室的全方位监控。

6.报警、时间累计及故障记数

系统还能对所有设备运行的时间进行统计。通过打印报表的形式输出（每24h输出一次）。报警功能是对设备运行出现的故障进行实时显示和打印输出，准确及时地提示操作人员哪台设备出现了故障。故障出现时，运行设备立即停止运行。此部分功能的实现，为有关人员确定设备大修时间及日常保养次数提供了依据。

7.视频监视系统

为了探索新的自动化控制、监视、管理模式，塔子坝污水处理厂在建设时配套安装了两套视频监视系统。它配合原有的自控仪表，对进水格栅间除污机、进水泵、除砂机、洗砂机、初沉池管廊的排泥阀门、初沉池刮泥机、曝气池、污泥回流泵、吸泥机、污泥脱水机、鼓风机、高低压配电室等21个场所的工况，进行24h全天候监视。

这两套视频监视系统运行可靠。在控制室里，通过监视器可以监视全厂21个部位工艺设备的运行情况。如果按工艺流程在现场巡查一遍，需要2h，而通过视频监视系统，几分钟就可以对全厂工况浏览一遍，大大提高了工作效率。

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