专利名称：污废水生物池溶解氧自动控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及污废水生化处理领域，具体地指一种污废水生物池溶解氧自动控制系统。
背景技术：
在污废水处理工艺中，生物池是污水处理中极为重要的一个环节，也是整个污水处理过程中能耗最大的一部分。生物池中溶解氧的浓度是生物池中极为重要的参数，它反映了水体微生物活跃的程度，因而，溶解氧浓度的控制直接影响出水的水质和污废水处理的能耗。而生物池中溶解氧控制的关键在于选择合适的生物池进风量，使水中的溶解氧不仅能满足微生物生长的需要，还能使其保持在允许的尽量低的值。目前，在污废水生物池自动控制系统中多采用传统的PID (Proportion Integration Differentiation,比例积分微分)控制，它是一种依靠理论模型建立的经典控制方法。然而，一方面，污水水质的多变和生物处理系统生化反应的复杂性决定了污水处理系统具有大滞后、非线性、随机性和多变量的特点，而传统的PID控制方法仅能控制基本线性的系统和定常系统，不能有效地控制非线性、时变、耦合、时滞，干扰大和不确定因素多的复杂过程，因而，传统的PID控制方法对水质处理效率的控制能力有限；另一方面，由于对污水的生物处理过程建立的模型是经验的、有条件的，因而，单纯依靠理论模型建立的经典控制方法并不能很好地满足溶解氧调节的需要，从而造成鼓风机和阀门调节频繁、超调量大，使得设备寿命降低、能耗过高。
发明内容本实用新型的目的就是要提供一种污废水生物池溶解氧自动控制系统，不仅能使生物池中的溶氧量保持稳定，而且能够降低污水处理过程中的能耗。为实现上述目的，本实用新型所设计的污废水生物池溶解氧自动控制系统，包括生物池、进水水质分析仪、进水流量计、溶解氧测定仪、生物池液位计、鼓风机、进气控制阀、 曝气流量计、鼓风机变频器、无模型自适应控制器和可编程逻辑控制器，进水水质分析仪设于生物池的进水管路上，进水流量计设于进水水质分析仪和生物池进水端之间的进水管路上，溶解氧测定仪的探头和生物池液位计的探头设于生物池中，鼓风机、曝气流量计、进气控制阀和生物池的进气端依次相连，鼓风机变频器通过电缆与鼓风机相连，可编程逻辑控制器的数据采集端与进水水质分析仪、进水流量计、溶解氧测定仪、生物池液位计、鼓风机、 曝气流量计和进气控制阀相连，可编程逻辑控制器的输出端通过信号线与鼓风机变频器相连，用于将采集的进水水质分析仪、进水流量计、溶解氧测定仪、生物池液位计、鼓风机、曝气流量计和进气控制阀的测量数据进行滤波，显示滤波后的所述测量数据以及由所述测量数据制成报表和趋势图，发送滤波后的所述测量数据，并接收和发送鼓风机控制频率给鼓风机变频器，无模型自适应控制器与可编程逻辑控制器相连，用于接收可编程逻辑控制器采集的进水水质分析仪、进水流量计、溶解氧测定仪、生物池液位计和曝气流量计的测量数据，并将接收到的溶解氧测定仪测量的溶氧量值与无模型自适应控制器内设置的溶氧量设定值进行比较得到反馈差值，采用无模型自适应控制算法对反馈差值进行计算并结合接收到的作为前馈数据的进水水质分析仪、进水流量计、生物池液位计和曝气流量计的测量数据的变化趋势输出鼓风机控制频率给可编程逻辑控制器。优选地，进水水质分析仪包括化学需氧量分析仪、氨氮分析仪、浊度测量仪和酸碱度/温度测量仪，化学需氧量分析仪、氨氮分析仪、浊度测量仪和酸碱度/温度测量仪的探头和变送器分别与生物池进水管路和可编程逻辑控制器的数据采集端连接。优选地，进水水质分析仪、进水流量计、溶解氧测定仪、生物池液位计、鼓风机、曝气流量计和进气控制阀与可编程逻辑控制器的输入/输出接口连接。优选地，无模型自适应控制器通过Modbus总线与可编程逻辑控制器连接。本实用新型的优点在于1、由于本实用新型的污废水生物池溶解氧自动控制系统采用了前馈和反馈相结合的串级控制结构，当作为前馈数据的进水水质分析仪、进水流量计、生物池液位计和曝气流量计的测量数据发生变化时，无模型自适应控制器能很快对变化作出判断和调整，迅速通过鼓风机变频器改变鼓风机的转速，使变化还未波及到生物池中溶解氧量之前就被克服，从而使得生物池中的溶解氧量维持在设定值，因而，本实用新型的污废水生物池自动控制系统不仅能有效解决生物池曝气过程的大滞后的问题，适用于大滞后系统，而且可节约提供曝气的能耗并提高污水处理的效果；2、由于本实用新型的污废水生物池溶解氧自动控制系统中采用无模型自适应器对反馈差值进行处理，因而，能够实现受控系统参数的自适应控制和结构自适应控制，从而有效解决了生物池曝气过程的非线性问题，适用于非线性系统；3、结构简单，操作方便，生产效率高，既能适用于新建污水厂，也能适用于既有污水厂的改造。
图1为本实用新型污废水生物池溶解氧自动控制系统的结构示意图。图2为本实用新型污废水生物池溶解氧自动控制系统的工作原理图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述。如图1所示，本实施例的污废水生物池溶解氧自动控制系统包括生物池10、进水水质分析仪20、进水流量计30、溶解氧测定仪40、生物池液位计50、鼓风机60、鼓风机变频器(Frequency Converter, FC) 61、曝气流量计70、进气控制阀80、可编程逻辑控制器 (Programmable Logic Controller，PLC) 90和无模型自适应控制器(Model-free Adaptive Controller, MFAC)100。具体地，进水水质分析仪20设于生物池10的进水管路上。进水流量计30设于进水水质分析仪20和生物池10进水端之间的进水管路上。溶解氧测定仪40的探头和生物池液位计50的探头设于生物池10中。生物池10的进气端设有进气控制阀80，鼓风机60 的输出端与进气控制阀80相连，曝气流量计70设于鼓风机60和进气控制阀80之间的管路上，鼓风机变频器61通过电缆与鼓风机60相连。可编程逻辑控制器90的数据采集端通过信号线与进水水质分析仪20、进水流量计30、溶解氧测定仪40、生物池液位计50、曝气流量计70和进气控制阀80相连，可编程逻辑控制器90的输出端通过信号线与鼓风机变频器61相连。可编程逻辑控制器90作为自动控制系统的核心，用于将采集的进水水质分析仪20、进水流量计30、溶解氧测定仪40、生物池液位计50、鼓风机60、曝气流量计70和进气控制阀80的测量数据进行滤波，显示滤波后的所述测量数据以及由所述测量数据制成报表和趋势图，并发送滤波后的所述测量数据。同时，可编程逻辑控制器90还接收鼓风机控制频率，并将鼓风机控制频率发送给鼓风机变频器61，以控制鼓风机60的转速。采用可编程逻辑控制器90采集上述测量数据非常容易，而且价格低廉。无模型自适应控制器100与可编程逻辑控制器90通过Modbus总线相连。无模型自适应控制器100用于接收可编程逻辑控制器90采集的进水水质分析仪20、进水流量计 30、溶解氧测定仪40、生物池液位计50和曝气流量计70的测量数据，并将接收到的溶解氧测定仪40测量的溶氧量值与无模型自适应控制器100内设置的溶氧量设定值进行比较得到反馈差值，采用无模型自适应控制算法对反馈差值进行计算并结合接收到的作为前馈数据的进水水质分析仪20、进水流量计30、生物池液位计50和曝气流量计70的测量数据的变化趋势输出鼓风机控制频率给可编程逻辑控制器90。详细地，进水水质分析仪20包括化学需氧量分析仪21、氨氮分析仪22、浊度测量仪23和酸碱度/温度测量仪M，化学需氧量分析仪21、氨氮分析仪22、浊度测量仪23和酸碱度/温度测量仪M的探头和变送器分别与生物池10进水管路和可编程逻辑控制器90 的输入/输出接口连接。以下结合图1-2详细说明一下本实用新型污废水生物池自动控制系统的工作原理。首先，可编程逻辑控制器90采集进水水质分析仪20、进水流量计30、溶解氧测定仪40、 生物池液位计50和曝气流量计70的测量数据，并将采集到的测量数据进行滤波后，通过 Modbus总线发送给无模型自适应控制器100，其中，溶解氧测定仪40测量的溶氧量为反馈信号c (t)，进水水质分析仪20、进水流量计30、生物池液位计50和曝气流量计70的测量数据信号作为前馈信号f (t)。可编程逻辑控制器90通过采集溶解氧测定仪40内变送器41 的信号，从而采集到反馈信号。无模型自适应控制器100接收到上述测量数据信号后，将接收到的溶解氧测定仪40测量的溶氧量值c (t)与无模型自适应控制器100内设置的溶氧量设定值r (t)进行比较得到反馈差值e (t)，并采用无模型自适应控制算法对反馈差值e (t) 进行计算，同时结合接收到的前馈信号f (t)的变化趋势，输出一个鼓风机控制频率，并通过Modbus总线发送给可编程逻辑控制器90。然后，可编程逻辑控制器90将所述鼓风机控制频率发送给鼓风机变频器61，以控制鼓风机60的转速，进而调节生物池10的曝气量。
权利要求1.一种污废水生物池溶解氧自动控制系统，包括生物池(10)、进水水质分析仪(20)、 进水流量计(30)、溶解氧测定仪(40)、生物池液位计(50)、鼓风机(60)、进气控制阀(80)、 曝气流量计(70)和鼓风机变频器(61)，进水水质分析仪00)设于生物池(10)的进水管路上，进水流量计(30)设于进水水质分析仪00)和生物池(10)进水端之间的进水管路上， 溶解氧测定仪GO)的探头和生物池液位计(50)的探头设于生物池(10)中，鼓风机(60)、 曝气流量计(70)、进气控制阀(80)和生物池(10)的进气端依次相连，鼓风机变频器(61) 通过电缆与鼓风机(60)相连，其特征在于它还包括可编程逻辑控制器(90)和无模型自适应控制器(100)；所述可编程逻辑控制器(90)的数据采集端与进水水质分析仪(20)、进水流量计(30)、 溶解氧测定仪(40)、生物池液位计(50)、鼓风机(60)、曝气流量计(70)和进气控制阀(80) 相连，可编程逻辑控制器(90)的输出端通过信号线与鼓风机变频器(61)相连，用于将采集的进水水质分析仪O0)、进水流量计(30)、溶解氧测定仪GO)、生物池液位计(50)、鼓风机 (60)、曝气流量计(70)和进气控制阀(80)的测量数据进行滤波，显示滤波后的所述测量数据以及由所述测量数据制成报表和趋势图，发送滤波后的所述测量数据，并接收和发送鼓风机控制频率给鼓风机变频器(61)；所述无模型自适应控制器(100)，与可编程逻辑控制器(90)相连，用于接收可编程逻辑控制器(90)采集的进水水质分析仪(20)、进水流量计(30)、溶解氧测定仪(40)、生物池液位计(50)和曝气流量计(70)的测量数据，并将接收到的溶解氧测定仪GO)测量的溶氧量值与无模型自适应控制器(100)内设置的溶氧量设定值进行比较得到反馈差值，采用无模型自适应控制算法对反馈差值进行计算并结合接收到的作为前馈数据的进水水质分析仪(20)、进水流量计(30)、生物池液位计(50)和曝气流量计(70)的测量数据的变化趋势输出鼓风机控制频率给可编程逻辑控制器(90)。
2.根据权利要求1所述的污废水生物池溶解氧自动控制系统，其特征在于所述进水水质分析仪O0)包括化学需氧量分析仪(21)、氨氮分析仪(22)、浊度测量仪和酸碱度/温度测量仪(M)，化学需氧量分析仪(21)、氨氮分析仪(22)、浊度测量仪和酸碱度/温度测量仪04)的探头和变送器分别与生物池(10)进水管路和可编程逻辑控制器 (90)的数据采集端连接。
3.根据权利要求1或2所述的污废水生物池溶解氧自动控制系统，其特征在于所述进水水质分析仪(20)、进水流量计(30)、溶解氧测定仪(40)、生物池液位计(50)、鼓风机 (60)、曝气流量计(70)和进气控制阀(80)与可编程逻辑控制器(90)的输入/输出接口连接。
4.根据权利要求1或2所述的污废水生物池溶解氧自动控制系统，其特征在于所述无模型自适应控制器(100)通过Modbus总线与可编程逻辑控制器(90)连接。
专利摘要本实用新型公开了一种污废水生物池溶解氧自动控制系统，包括生物池、进水水质分析仪、进水流量计、溶解氧测定仪、生物池液位计、鼓风机、进气控制阀、曝气流量计、鼓风机变频器、可编程逻辑控制器和无模型自适应控制器，进水水质分析仪和进水流量计设于生物池的进水管路上，溶解氧测定仪的探头和生物池液位计的探头设于生物池中，鼓风机变频器、鼓风机、曝气流量计、进气控制阀和生物池的进气端依次相连，可编程逻辑控制器与进水水质分析仪、进水流量计、溶解氧测定仪、生物池液位计、鼓风机、曝气流量计和进气控制阀相连，无模型自适应控制器，与可编程逻辑控制器相连。本实用新型既能使生物池中的溶氧量保持稳定，又能降低污水处理过程中的能耗。
文档编号C02F3/02GK202054663SQ20112016631
公开日2011年11月30日 申请日期2011年5月24日 优先权日2011年5月24日
发明者吴海权, 易斌, 朱传林, 杨光武 申请人:武汉凯迪水务水处理有限公司