一种污水处理一体化设备智能控制系统及控制方法与流程

本发明涉及污水处理自控领域，特别是基于陶瓷膜纳米反应器的污水处理智能监控系统，具体是一种污水处理一体化设备智能控制系统及控制方法。

背景技术：

目前国内很多地区污水处理水质不达标，某些地区管网不完善或者处理能力小于污水管网收纳能力而导致污水直接排放等特点，污水处理一体化装备迎合市场的需求，它具有安装运输方便、占地面积小、全自动无人值守等优点，在小规模污水处理领域受到广大用户的青睐。

目前我国污水处理一体化装配自控系统主要采用进口的成套plc模块(如西门子、施耐德、三菱等)为核心控制系统，使用rs485或者以太网与触摸屏及上位机软件进行人机界面通讯，方便用户操作和管理。该控制系统虽能实现自动化，但也有很多不利因素，如：

a.传统控制系统占用空间大，成本高。由于一体化设备要求做到小型、精密美观和运输方便，因此对设备布局尤为严格。传统控制系统为了满足控制要求，需要“cpu模块+模拟量采集模块+模拟量输出模块”等成套设备，外部面板需要增加信号指示灯、“就地/远程”、“启动/停止”等按钮，无形中增大了控制系统摆放空间和设备成本。

b.控制系统软件开发平台是二次开发，只能机械性的调用功能模块迎合控制需求，不能拥有一套完善的智能控制策略和建模算法。由于一体化设备要求占用空间小，受控设备和检测仪表数量多，对现场线路布局和系统抗干扰有着严格的要求，处理不当容易导致设备频繁误动作，影响系统稳定运行。

c.目前的控制系统自动化程度较低，原水水质变化时工作条件不能及时变化，致使设备出水不能稳定达标，以及许多工作仍需操作工人来完成，不能实现无人值守。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：弥补传统控制系统占用空间大、成本高、对复杂多变的进水水质难以实现自动化调节控制等特点，提出一种污水处理一体化设备智能控制系统及控制方法，通过对产水过程中的纳米陶瓷膜跨膜压差数组实时数值与存储历史数组数值对比，根据偏差变化幅度值进行系统自动加药、臭氧投加量和反洗时间调节，使得进水水质满足要求，实现无人值守。

为此，本发明提出的污水处理一体化设备智能控制系统包括受控设备和控制器，所述受控设备包括原水提升泵、臭氧发生器、纳米陶瓷膜组件、纳米陶瓷膜抽吸泵、纳米陶瓷膜反洗泵、活性炭反洗泵、纳米陶瓷膜化学清洗加药泵、电动阀门；所述控制器实现对工艺运行中的参数数据进行采集、对动力设备运行和故障状态进行监控、对液位高低/产水反洗周期控制水泵启停、对设定产水流量进行pid自动变频控制。

在一些实施例中，还包括如下技术特征：

所述的纳米陶瓷膜为平板形式，两个出水口分别位于膜片上下两端的对角位置。

所述的纳米陶瓷膜具有催化功能，在纳米陶瓷膜的基体和膜表面负载有催化剂，从而在所述陶瓷膜的膜孔内发生协同反应。

所述的臭氧发生器出气口与位于所述陶瓷膜组件底部的曝气棒相连接。

所述的控制系统包括介于纳米陶瓷膜产水管道出口和抽吸泵之间的在线流量计，通过在人机界面设定产水流量值，核心处理器通过检测实际产水流量计数值并与设定值进行对比，从而pid变频控制产水泵频率不断缩小产水流量计设定值和实际值偏差的一种自动控制反馈系统。

包括对纳米陶瓷膜进行自动产水和反洗的系统控制，通过在人机界面设定产水周期和反洗周期，臭氧发生器单位时间产气量，从而使纳米陶瓷膜反应器处于最佳运行状态。

包括纳米陶瓷膜所在膜池的在线液位计，通过在人机界面设定高、中、低液位，核心处理器通过检测在线液位计输入信号数值，不断扫描对比液位实际值和设定值差值，从而实现进水池原水泵及膜池抽吸泵的启停控制。

通过对人机界面系统进行设计，来实现系统工艺流程，参数界面设置，历史趋势，历史报表和报警报表，以及实现人机界面与核心处理器通讯连接，人机界面与云平台系统远程传输，摄像头连接。

所述的控制系统智能控制器包括硬件平台和软件平台，硬件平台包括中央处理器电路，串行rs232和rs485通讯电路、e2prom和flash存储电路、实时时钟电路、受控设备驱动和采集电路、仪表采集电路以及处理器模拟量输出控制电路；软件平台包括对工艺要求的受控设备逻辑控制程序、标准modbus通讯协议程序、受控设备自适应变频pid控制流量程序以及一键自动运行设备故障诊断报警停机程序。

本发明还提供一种污水处理一体化设备智能控制方法，其特征在于包括如下步骤：要处理的原水由原水管引导至一体化设备原水池；在原水提升泵的作用下原水与混凝剂混合后进入絮凝池，形成微絮体颗粒；絮凝出水在重力作用下自流至膜池，臭氧发生器产生的含臭氧气体从陶瓷膜底部进入膜池，在臭氧与陶瓷膜的协同作用下去除几乎所有浊度颗粒、病原微生物和一部分有机物；膜出水在抽吸泵的作用下进入炭滤池进行快滤处理；炭滤出水经消毒后即进入清水池，出水进入供水管网，清水池清水也供膜池纳米陶瓷膜反应器反洗和炭滤池反洗用。，本发明的有益效果是：

本控制系统控制器为独立开发的电子电路，电子元件成本低；系统采用一键自动，设备运行状态和故障报警通过人机界面或远程监控即可查询，无需在控制面板装配操作和显示元件，占用空间小。

本控制系统对仪表进入控制器信号进行硬件rc滤波及软件限幅及中值滤波运算，确保传输信号稳定输入。

本控制系统处理器定期对存储芯片中的纳米陶瓷膜跨膜压差在产水过程中历史数据进行查询比较，当出现跨膜压差数据短时间内陡然增长，说明原水水质发生变化，此时系统自动开启加药设备、增大臭氧投加量和纳米陶瓷膜反洗时长等方式进行膜清洗，如果压差超过设定极限值，此时系统自动停机并报警，报警信息远程告知用户。

附图说明

图1为本发明实施方式中的污水处理一体化设备示意图；

图2为本发明智能控制系统整体设计方案图；

图3a、3b、3c、3d、3e、3f为本发明智能控制器硬件设计原理图；

图4为本发明智能控制系统软件流程图；

图5为本发明远程传输界面上的一个历史报表示意图。

具体实施方式

为弥补现有自控系统的不足，本发明下述实施例中的智能监控系统结合纳米陶瓷膜工艺所配套的设备(产水泵、反洗水泵、臭氧发生器等)进行流量、产水周期、反洗周期以及本工艺的所涉及的其它设备进行精准控制，从而达到出水水质稳定排放的目的。其控制方式有就地、远程和一键自动等三种模式。在一键自动模式状态下，操作员只需要根据进水流量和水质参数在监控系统中文界面进行相应参数设置，即可一键启动，可以观察到动态显示工艺流程图、完整历史数据记录和设备报警状态报表等，同时可以通过因特网或4g网络实现系统远程监控以及云台摄像头监测现场设备运行实况动态等。

该智能控制系统通过以下的技术方案予以实现：

1.智能控制系统

受控设备包括：原水提升泵、臭氧发生器、膜抽吸泵、膜反洗泵、炭反洗泵、加药泵、电动阀门等；

检测设备包括：电磁流量计、浸入式液位计、压力计、臭氧浓度仪等；

本发明智能控制器是基于stm32f107vbt芯片为核心处理器，该处理器拥有多个uart串口，其串口与rs485芯片进行电平转换，使得该处理器能够与外扩自带485通信的数字量和模拟量扩展模块级联，同时也可与上位机触摸屏等进行通讯，而后通过工艺控制流程进行控制策略制定及软件程序设计，该系统具有通讯方便，实时性强及性能稳定可靠等特点。在其他一些实施例中，也可以采用具有类似功能的处理器芯片。

由于控制流程比较复杂，相应的控制策略也变多，现列举几个常规的控制策略介绍如下：

a.在上位机界面设置膜反应器自动产水、反洗和排泥时间。当系统运行时间达到设定的产水周期后，膜抽吸泵关闭，而后产水阀门关闭；同时反洗阀门开启，反洗阀门全开后反洗泵开启，从而进入反洗运行周期；当反洗结束后，反洗泵和反洗阀门关闭，而后产水阀门和抽吸泵开启，再次回到产水状态，依次循环交替运行。上位机界面设置排泥间隔时间和排泥时长，当系统运行时间达到排泥时间间隔值后，排泥设备开启，进行排泥，达到排泥时长后，关闭排泥设备，依次循环交替运行。

b.在上位机界面设定纳米陶瓷膜反应器产水流量，智能控制器通过不断扫描实际流量值，通过对每组采集数组值进行软件限幅法和取中值滤波法，去除干扰信号，而后将得到数值与设定值进行对比，差值输入智能控制系统，智能控制系统根据偏差不断进行pid自动调节抽吸泵频率，从而使得实际产水流量无限接近设定流量值，使其稳定运行。

c.对复杂多变的进水水质，系统定时查询存储器中产水过程跨膜压差数组值，当采集值与历史查询值偏差数组显著增大时，自动开启加药泵、增大臭氧投加量和纳米陶瓷膜反洗时长，如果压差超过设定极限值，系统自动停机并报警，报警信息远程告知用户。

2.人机界面监控系统

上位机人机界面监控系统是采用触摸屏监控来自于智能控制器发送和接收的数据，两者之间的数据传输采用rs485通讯连接。其监控系统实现是采用基于触摸屏编程软件epro为开发平台，进行层次多框架组合方式的界面编程，实时获取传感器数据并实时显示。同时还加入了历史数据记录和自动报警服务功能，供用户实时分析和查询。

3.远程系统监控设备

本监控系统是将触摸屏与无线4g插卡路由器通过网线进行连接，在触摸屏epro编程环境进行编程设置，使得登录用户通过网页登录或者手机app即可查看现场设备运行状态，同时还可以将现场运行的历史记录及报警记录生成的报表，通过因特网或者4g网络进行远程数传，以供设计和运行人员进行设备状态和进出水水质查询及研究，从而不断地改善工艺流程和优化智能控制策略。该远程监控系统具有如下特点：

a.联机方便，只需要通过网线或者wifi即可将路由器与触摸屏，远程监控云平台摄像头连接起来。

b.网络设置方便快捷，用户只需将触摸屏和云平台摄像机与无线路由器设置成同一局域网网段，即可进行通讯连接，勿需进行路由器网络映射和绑定端口号设置。

c.轻松管理，使用接口易于诊断和操作。当用户发现网络离线，只需要将设备网线插紧或者重启设备即可重新连上。

参照图1，示出了本发明实施方式中的污水深度处理一体化设备工艺流程图，从图中可以看出，该工艺可以分为原水池、絮凝池、膜池、炭滤池和清水池等，要处理的原水由原水管引导至一体化设备原水池；在原水提升泵的作用下原水与混凝剂混合后进入絮凝池，形成微絮体颗粒；絮凝出水在重力作用下自流至膜池，臭氧发生器产生的含臭氧气体从陶瓷膜底部进入膜池，在臭氧与陶瓷膜的协同作用下去除几乎所有浊度颗粒、病原微生物和一部分有机物；膜出水在抽吸泵的作用下进入炭滤池进行快滤处理，该段主要去除有机物、氨氮等污染物；炭滤出水经消毒后即可进入清水池，出水进入供水管网，清水池清水也供膜池纳米陶瓷膜反应器反洗和炭滤池反洗用。其水池设备及仪表的控制方式见表1所示：

表1污水处理一体化设备控制表

其工艺流程图如图1所示。

图2为纳米陶瓷膜一体化设备智能控制系统架构图。本系统智能控制器采用了意法半导体推出的一款性能较强的32位核心处理器stm32f107vbt，集成了无线通讯技术、485通讯技术、网络数据传输、数据库分析及建模以及一体技术等，搭建了一种智能化控制及远程传输等人机监控系统平台。整个智能控制系统主要分为三部分：

①设备控制及检测。本发明的智能控制系统核心处理器使用高性能的armcortex-m332位的risc内核，外围扩展了电源转换电路、存储电路，串行通讯电路，设备输入输出电路，实时时钟电路等，其设计原理图如图3a、3b、3c、3d、3e、3f所示，其中图3a是微处理器电路，图3b是通讯及存储电路，图3c是电源转换电路，图3d是接口端子排及下载电路、3e是数字电路部分、图3f是模拟电路部分，满足功能合乎工艺要求、占用空间小、价格成本低等特点。控制器软件实现了对工艺运行中的参数(如压力、流量、液位、臭氧投加量等)数据进行采集，动力设备(如水泵、电机、阀门等)运行和故障状态进行了监控，对液位高低、产水反洗周期控制水泵启停，对设定产水流量进行pid自动变频控制等控制逻辑处理。其部分软件流程图如图4所示。

②人机界面监控。本系统通过rs485通讯接口将stm32智能控制器与触摸屏进行通讯连接，两者同时遵循标准的modbus通讯协议进行数据传输。触摸屏接收到来自下位机智能控制器数据后，将其解析后，在epro编程界面里面进行设备工艺流程图、人机操作参数设置、历史数据记录，历史曲线及报警报表等设计，通过上述界面使得工艺流程直观一目了然，操作人员记录及查询数据快捷方便等。本发明中modbus通讯地址与功能码对应关系如表2所示：

③远程画面及视频监控。远程监控是使用无线4g插卡路由器通过4g网络或者网线通过路由器wan接口连接internet,并通过lan接口连接至触摸屏人机操作界面网口，用户可以在任何中国区域内联网，即可通过云服务器平台实现现场监控界面历史数据和报警报表上传及下载，以及智能控制器程序下载及调试等。触摸屏远程监控使用easyaccess2.0软件，即可简单地达成远程穿透通讯，其方法与本地穿透通讯相似。进行远程穿透通讯，只需使用utilitymanager中的pass-through程序，在其中输入在easyaccess2.0取得的虚拟ip地址，即可实现远程穿透画面监控。在进行远程穿透通讯时，也不须改变其他端口设定。触摸屏和无线wifi摄像头通过rj45网口与无线4g路由器分别进行连接，而后通过4g网络将传递给云服务器，形成大数据库，供用户查阅及分析，查看及追踪现场设备运行情况。具体如图5所示。

以上内容是结合具体的污水处理设备在现场运行状况来对本发明所作的大致说明，不能认定本发明的具体实施只局限于以上这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。