一、引言
随着城市化进程的加快和工业化的不断发展，污水处理已成为保障环境质量和水资源可持续利用的重要环节。自动化控制技术在污水处理领域的应用，不仅提高了处理效率，还降低了运营成本，增强了系统的稳定性和可靠性。在众多自动化控制设备中，PLC（可编程逻辑控制器）因高可靠性、灵活性、易于维护等特点，被广泛应用于污水处理自动化控制中。然而，随着技术的不断进步，人们也在探索非PLC控制系统，实现污水处理的自动化控制。
二、污水处理自动化控制的重要性
污水处理是一个复杂的过程，涉及物理、化学、生物等多种技术的综合运用。传统的污水处理方式往往依赖于人工操作和经验判断，存在效率低下、出水水质不稳定等问题。自动化控制技术的应用，能够实现对污水处理过程的实时监测、精确调控和智能管理，从而提高处理效率、降低能耗、减少污染物排放，并增强系统的适应性和稳定性。
三、污水处理自动化控制的形式
1. 直接数字控制系统（DDC）
直接数字控制系统（DDC）是一种不依赖于PLC的独立控制系统。它通过微处理器直接对传感器信号进行采集、处理和控制，实现对污水处理设备的自动化控制。
DDC系统通常由以下几个部分组成：
中央控制设备：包括集中控制电脑、彩色监视器、键盘、打印机、不间断电源（UPS）以及通讯接口等，负责整个系统的监控、管理和数据处理。
现场DDC控制器：也称为下位机，是系统实现控制功能的关键部件。它负责接收传感器传来的数据，并根据预设的控制算法进行处理，然后输出控制信号给执行机构。
通讯网络：用于连接中央控制设备和现场DDC控制器，实现数据的实时传输和指令的下达。
传感器、执行器和调节阀：传感器用于检测污水处理过程中的各项参数（如水位、流量、水质等）；执行器（如电动阀、水泵等）根据控制信号执行相应的动作；调节阀用于调节流量、压力等参数。
数据采集：通过传感器对污水处理过程中的各项参数进行实时采集，并将采集到的数据转换为数字信号。
数据处理：将采集到的数据输入到DDC控制器中，根据预设的控制算法进行处理和分析，形成控制指令。
控制输出：将控制指令输出给执行机构，控制其执行相应的动作，如调节阀门的开度、启动或停止水泵等。
实时监控：通过中央控制设备对系统的运行状态进行实时监控，包括各项参数的显示、报警信息的处理以及历史数据的存储等。
（3）优缺点
优点：DDC系统具有结构简单、成本低廉、易于扩展等优点，适用于中小型污水处理厂的自动化改造。
缺点：DDC系统的控制逻辑相对固定，难以实现复杂的控制算法和优化策略，因此在处理大型、复杂的污水处理项目时可能存在一定的局限性。
2. 工业计算机（IPC）系统
工业计算机（IPC）系统具有强大的数据处理和运算能力，可以通过编写特定的控制程序来实现对污水处理过程的自动化控制。
工业控制计算机（IPC）：作为系统的核心，负责数据的处理、控制指令的生成以及人机界面的显示。IPC具有高性能的处理器、大容量的存储器和丰富的接口，能够满足复杂控制任务的需求。
可编程逻辑控制器（PLC）：作为现场控制设备，负责接收传感器信号、执行控制指令并控制执行机构的动作。PLC通过通信接口与IPC相连，实现数据的实时传输和指令的下达。
传感器和执行机构：传感器用于检测污水处理过程中的各项参数（如水位、流量、水质等），并将检测到的数据转换为电信号传输给PLC；执行机构（如水泵、阀门等）根据PLC的控制指令执行相应的动作。
通信网络：用于连接IPC、PLC、传感器和执行机构等设备，实现数据的实时传输和指令的下达。通信网络通常采用工业以太网、Modbus等协议进行通信。
数据采集：通过传感器对污水处理过程中的各项参数进行实时采集，并将采集到的数据转换为电信号传输给PLC。
数据处理：PLC接收传感器信号后，进行初步的数据处理和分析，并将处理结果传输给IPC。IPC进一步对数据进行处理和分析，形成控制指令。
控制输出：IPC将控制指令通过通信网络传输给PLC，PLC根据控制指令控制执行机构的动作，如调节阀门的开度、启动或停止水泵等。
实时监控：IPC通过人机界面实时显示污水处理过程中的各项参数、设备运行状态以及报警信息等，方便操作人员对系统进行监控和管理。
（3）优缺点
优点：IPC系统可以根据污水处理厂的实际情况和需求进行定制化开发，实现精确的控制和灵活的调度。此外，IPC系统还支持多种通信协议和接口，方便与其他设备进行数据交换和通信。
缺点：IPC系统在恶劣的工业环境中可能面临稳定性和可靠性问题，需要采取额外的防护措施。
3. 嵌入式系统
嵌入式系统是一种专用的计算机系统，通常被设计用于执行特定的控制任务。在污水处理中，嵌入式系统可以用于控制特定的处理单元或设备，如曝气机、泵等。
（1）系统组成
嵌入式处理器：作为系统的核心控制单元，负责数据的处理、控制指令的生成以及系统各模块的协调运行。常见的嵌入式处理器包括MCF5307等，这些处理器具有高性能、低功耗和强大的数据处理能力。
传感器和执行机构：传感器用于检测污水处理过程中的各项参数（如水位、流量、水质等），并将检测到的数据转换为电信号传输给嵌入式处理器；执行机构（如水泵、阀门等）则根据嵌入式处理器的控制指令执行相应的动作。
通信模块：负责嵌入式系统与外部设备（如上位机、其他控制系统等）之间的数据通信。通过通信模块，嵌入式系统可以接收外部指令、上传运行数据以及实现远程监控和管理。
数据存储和显示模块：用于存储系统运行数据和历史记录，并通过人机界面（如LCD显示屏）向操作人员展示实时数据和系统状态。
数据采集：通过传感器对污水处理过程中的各项参数进行实时采集，并将采集到的数据转换为电信号传输给嵌入式处理器。
数据处理：嵌入式处理器接收传感器信号后，进行数据处理和分析，并根据预设的控制算法生成控制指令。
控制输出：嵌入式处理器将控制指令通过通信模块传输给执行机构，执行机构根据指令执行相应的动作，如调节阀门的开度、启动或停止水泵等。
实时监控和反馈：系统通过人机界面实时显示各项参数、设备运行状态以及报警信息等，同时接收操作人员的输入和指令，实现人机交互和闭环控制。
（3）优缺点
优点：嵌入式系统具有体积小、功耗低、性能稳定等特点，能够实现对设备的精确控制和远程监控。
缺点：嵌入式系统的控制范围和灵活性可能相对有限，难以适应复杂的污水处理过程。
4. 基于物联网（IoT）的远程监控与智能控制
物联网技术的发展为污水处理自动化控制提供了新的思路。通过物联网技术，可以将污水处理厂的各个设备和环节连接起来，形成一个庞大的物联网系统。
感知层：由各种传感器（如智能水表、流量计、PH传感器、视频摄像头等）组成，安装于污水处理现场，用于实时监测水质、设备状态、环境参数等关键信息。这些传感器能够产生大量的实时数据，为后续的数据处理和分析提供基础。
网络层：利用工业网关或数据采集网关实现数据的自动化采集和传输。通过5G/4G/WIFI/以太网等多种通信方式，将感知层采集到的数据传输至云平台或数据中心。
平台层：云平台或数据中心负责接收、存储、处理和分析来自网络层的数据。提供数据分析支持，包括数据可视化、数据挖掘、预测分析等功能。
应用层：用户可以通过手机、电脑等终端设备访问云平台或数据中心，实现远程监控、智能控制、数据分析等功能。
数据采集和分类：收集所有污水处理站现场工艺的运行数据及机器设备工作状态，并根据不同项目名称和工艺节点自动进行分类存储。
集中监测功能：在公司数据中心或云平台，通过网络实时监测各项目现场设备运行数据及水质监测情况。结合大屏展示，使管理人员能够直观地了解各污水处理站点的实时情况。
图表功能：对各项目各运行参数及水质情况自动生成曲线图和报表，支持自定义查询和图标导出。
自动报警功能：当检测到相关现场水质数据异常或设备故障时，系统自动通过短信、邮件、微信等方式进行预警。
远程监控与智能控制：用户可以通过手机或电脑随时随地查看设备运行状况和工艺参数，实现远程监控。可以通过云平台对设备进行远程控制，调整运行参数或启动/停止设备。
数据分析与优化：利用大数据技术对采集到的数据进行深度分析，为用户提供可视化报告和优化建议。通过数据分析发现潜在问题，提前进行预警和维护，提高设备运行效率和污水处理效果。
（3）优缺点
优点：该系统能够实时监测污水处理过程中的各项参数和指标，并通过云计算和大数据技术进行分析和处理。同时，物联网系统还支持远程监控和智能控制功能，能够实现对污水处理厂的远程管理和优化调度。
缺点：物联网系统的建设和运维成本较高，且需要解决数据安全和隐私保护等问题。
四、非PLC自动化控制的可行性与挑战
1. 可行性
技术进步：随着计算机技术、通信技术和传感器技术的不断发展，直接数字控制系统、工业计算机系统、嵌入式系统以及物联网技术等新型控制手段逐渐成熟，为越过PLC实现自动化控制提供了技术基础。
成本控制：在某些情况下，采用非PLC的自动化控制方案可能具有更低的成本。例如，对于中小型污水处理厂来说，直接数字控制系统或嵌入式系统可能更加经济实用。
灵活性：某些非PLC的控制方案可能具有更高的灵活性，能够根据污水处理厂的实际情况和需求进行定制化开发，满足特定的控制要求。
2. 挑战
技术复杂性：与PLC相比，某些非PLC的控制方案可能具有更高的技术复杂性。例如，物联网系统的建设和运维需要专业的技术人员进行管理和维护，对技术要求较高。
稳定性与可靠性：PLC以其高可靠性和稳定性在污水处理自动化控制中占据优势。非PLC的控制方案在恶劣的工业环境中可能面临稳定性和可靠性问题，需要采取额外的防护措施。
标准化与兼容性：PLC作为工业自动化领域的标准设备，具有广泛的标准化和兼容性。非PLC的控制方案可能面临标准化和兼容性不足的问题，导致与其他设备和系统的集成存在困难。