曝气生物滤池溶解氧智能控制系统的制作方法

专利名称：曝气生物滤池溶解氧智能控制系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种智能控制系统，适用于废污水、中水深度处理站的生化处理系 统，具体为曝气生物滤池溶解氧智能控制系统。
背景技术：
曝气生物滤池简称BAF(Biological Aerated Filter)，是由配水区、承托层、曝气 系统、滤料区、出水区、反洗系统和控制系统等组成，通过微生物的作用将污水中的有 机污染物迅速分解为无毒的气体和生物污泥等产物，该工艺综合了过滤、吸附和生物代 谢等多种净化作用，具有流程简单、占地面积省、处理效率高、出水水质好并可省去二 次沉淀池等优点，在废污水中水深度处理站生化处理系统上得到了越来越广泛的用途。
BAF中溶解氧浓度，即溶氧量，是生物生长过程中的一个重要环节，对溶解氧的有 效控制不仅影响到出水的水质而且还涉及节能。选择合适的BAF进风量，又称曝气量， 应使得水中的溶解氧不仅能满足微生物生长的需要，还可使其浓度保持在允许的尽量低 的一定值， 一般为3mg/L，这是溶解氧控制的关键，因为溶解氧浓度振荡大，周围前后 段浓度值相差较大，有很强的非线性和滞后性，所以BAF曝气量的合理和优化控制始终 是污水处理的一个重点和难题。
现有的许多废污水处理控制系统所采用的一些检测仪表和控制设备的功能不很完 善，以BAF溶解氧浓度为控制信号，罗茨风机出口蝶阀为执行元件的方式进行控制，整 个控制系统控制滞后、精度低、波动大、能耗高，这种设计方法达不到预期的控制效果， 同时BAF的特性如水质、环境条件等，经常突然发生变化，控制系统无法找到溶解氧特 征点时的应急处理，实际上也就执行时间控制来处理整个工艺过程，因此往往很难满足 中水回收利用和节约能源的目的。
发明内容
本实用新型要解决的问题是现有曝气生物滤池的控制和检测功能不是很完善，不 能满足使用需求，需要一种能稳定控制、节约能源的曝气生物滤池控制系统。
本实用新型的技术方案是曝气生物滤池溶解氧智能控制系统，包括曝气生物滤池 和罗茨风机，中水来水、反洗水泵来水、反洗罗茨风机来风以及罗茨风机的输出连接曝气生物滤池的输入，曝气生物滤池的输出连接反洗回收水去水池，还设有变频器装置、 计算机监控系统和检测仪表装置，曝气生物滤池配设有溶氧表，变频器装置连接罗茨风 机，中水来水流经检测仪表装置，罗茨风机的输出端设有气体流量计，检测仪表装置、 溶氧表、气体流量计的输出连接计算机监控系统，变频器装置与计算机监控系统双向连 接。
本实用新型气体流量计优选热质式气体质量流量计；检测仪表装置包括温度表、流 量计、COD表、氨氮表、PH表、导电率表、浊度仪和余氯表；溶氧表为LDO型溶氧 表
本实用新型采用前馈和反馈相结合的串级控制，计算机监控系统采用专家控制方 法，是一种基于专家控制器的用于曝气生物滤池溶解氧的智能控制系统，该控制系统能 在水质和水量等变化时，通过变频器装置调节罗茨风机，进而调节曝气量来保证合适的 溶氧量和达到节能的目的。
由于溶解氧在BAF中的非线性、滞后性等特点，同时溶氧量的调节与罗茨风机电机 转速即空气流量的变化有很大的时间差，并且反冲洗过程的曝气生物滤池溶氧量变化较 大，为了保证BAF出水质量，降低能耗，有效抑制各种干扰，本实用新型根据工艺实时 状况采用合适的检测仪表和控制设备，改变和调整被控量，利用先进的控制算法和串级 控制来组成一套性能可靠、实时和操作方便的智能控制系统来保障废污水中溶氧量稳定 在最佳值范围内。
在罗茨风机的输出端出口管路上配备气体流量计，通过对曝气量变化的控制来代替 直接对溶氧量的控制。在进水水质、水量等相对比较稳定的情况下，当控制系统受到外 界环境因素的影响使罗茨风机出口流量发生了变化，气体流量计立即把变化的测量值及 时送到计算机监控系统，计算机监控系统很快对这个变化作出判断，迅速通过变频器装 置改变罗茨风机的转速以保持BAF需要的曝气量。这样构成一个流量控制回路，通过流
量控制回路的控制，在一些干扰还未波及到溶解氧之前就已经被克服，对控制系统的大 部分影响已被消除，使溶解氧恢复到设定值。而在进水水质、水量等变化较大的情况下， BAF中的溶解氧发生了较大的波动，气体流量计将实际气体流量的测量值反馈到计算机 监控系统，同时曝气生物滤池溶氧量的设定值、测量值和溶氧变化趋势以及检测仪表装 置的测量值也同时输入到计算机监控系统，结合系统的历史数据，通过计算机监控系统 系统内的专家控制程序，计算机监控系统的流量计算单元会根据这些情况重新给定气体 流量设定值，控制变频器装置，及时调整罗茨风机，调整BAF曝气量，使溶氧量恢复到 设定值。BAF曝气系统耗电量较大，本实用新型采用变频器装置控制罗茨风机的实际运行时 间和频率，可以达到节能的目的。
本实用新型的有益效果是系统运行稳定，操作方便，从控制性能看，调节比较及 时，超调不大，运行稳定，能有效解决BAF曝气过程大时延和参数时变的问题，特别 对流量突变和水质突变的状态有很强的适应性，同时降低了能耗，满足生产控制的实际 需要，整个智能控制系统具有较高的自动化水平。


图l为本实用新型曝气生物滤池控制系统结构框图。 图2为本实用新型BAF串级控制系统方块图。 图3为本实用新型计算机监控系统的专家控制器结构图。 图4为本实用新型计算机监控系统的专家控制器软件主程序流程图。
具体实施方式
如图l，本实用新型包括曝气生物滤池1和罗茨风机2，中水来水ll、反洗水泵来 水12、反洗罗茨风机来风13以及罗茨风机2的输出连接曝气生物滤池1的输入，曝气 生物滤池1的输出连接反洗回收水去水池14,还设有变频器装置3、计算机监控系统4 和检测仪表装置5，曝气生物滤池1配设有溶氧表6,变频器装置3连接罗茨风机2， 中水来水11流经检测仪表装置5，罗茨风机2的输出端设有气体流量计7，检测仪表装 置5、溶氧表6、气体流量计7的输出连接计算机监控系统4，变频器装置3与计算机 监控系统4双向连接。检测仪表装置5包括温度表TT、流量计FT1、 COD表COD、氨 氮表NH3、 PH表PH、导电率表C、浊度仪NTU和余氯表CL。
本实用新型采用干扰前馈控制方式和变频器与气体流量计组成的反馈闭环控制系 统自动控制罗茨风机的转速，并运用基于专家控制器的计算机监控系统来实现曝气生物 滤池溶氧量的自动调节。BAF系统的监视与控制是由检测仪表，包括检测仪表装置5、 溶氧表6和气体流量计7，以及变频器装置3和计算机监控系统4等几部分组成。
检测仪表日益严格的污水排放和回用标准对用于污水处理过程监视与控制的仪表
的性能提出了更高的要求，仪表是实现自动化控制系统的前提条件。罗茨风机出口气体流量计选用热质式气体质量流量计，简称热质流量计，该种类流量计采用热扩散原理， 热扩散技术是一种在苛刻条件下性能优良、可靠性高的技术，它具有精度高，对于压力 和温度变化不敏感，流量范围宽，安装位置无要求，与溶氧表相比，其测量数据更为准 确，基本上不需维护；溶氧表在污水处理过程中非常关键，它的示数不但直接反映BAF 的运行状态，而且还影响罗茨风机的输出并涉及到中水回用系统一些其它的控制过程。 传统的Clark极谱法溶氧表测量溶氧的不足之处是电解液会损耗、失效；电极表面会 产生污垢；电极膜可能会被污物覆盖，维护量大。本实用新型采用的LDO型溶氧表， 基于荧光法测量溶解氧，LDO传感器被一种荧光材料所覆盖，没有半透膜，它的反应 只与传感器表面接触的氧气浓度有关，测量的准确性高，不受水中化学物质的影响，能 够在更长的一段时间内提供更稳定、准确的测量，其响应非常迅速，在不到30秒的时 间内就能给出读数；本实用新型检测仪表装置5的各种水质分析仪表均选用现有较成 熟的产品。
变频器装置目前大多数BAF溶解氧控制系统中的风量调节都是通过罗茨风机输出
端的调节阀来实现的，这种风量调节方式不但使罗茨风机的效率降低，也使很多能量消
耗在调节阀上，为了节约电能，提高控制水平，本实用新型采用风机变频调速装置来取
代低效高能耗的调节阀，节能效果十分显著。根据BAF系统用气量的变化，变频器装置
通过自动跟踪来调节罗茨风机电机的转速，保持BAF系统需要的曝气量。变频器装置为
用户实现罗茨风机的闭环控制提供了内置的PID控制算法功能，它能将外部变送器输入
的模拟量信号(4-20mA)反馈输入到变频器装置，并取得与变频器装置设定频率的偏差，
进行PID控制，从而使风机的转速跟随指令值的变化而改变。本实用新型变频器装置运
行方式灵活多样，可通过计算机监控系统手动控制也可实现自动控制，同时能与其他控
制装置进行电气连锁，实现BAF的自动保护，不会因设备故障影响生产。
计算机监控系统根据中水深度处理系统的工艺特点及规模，BAF溶解氧监控系统
采用可编程控制器PLC与上位机组成计算机监控系统，并留有与主厂房分散控制系统
DCS及厂级信息监控系统MIS的通信接口。 PLC采用AB ControlLogix系列产品，如AB
1756-L62,上位机采用研华工业控制计算机，计算机监控系统能完成工艺设备的开关操
作，工艺流程的步序运行，对各工艺参数进行检测、数据处理、报表制作和参数越限时
的自动报警和打印，同时进行事故记录，并对异常参数或状态进行事故追忆。
污水处理过程是复杂的生化反应，是滞后反应的过程，如生产中，早班对工艺进
行调整后，其结果可能要到中班或夜班才能反应出来，现有的通过溶氧表根据预先设定
的溶解氧上下限值来对罗茨风机的运行状态控制不可靠，再加上不确定的干扰因素很多，以溶解氧为控制信号，基于常规PID控制算法的单回路控制系统来整定参数很难奏 效，某阶段整定得到的PID参数很难保证其对整个系统的控制效果始终处于最优状态。 本实用新型采用前馈和反馈相结合的复杂串级PID控制系统，包括主控制回路和副控制 回路主控制回路的溶解氧浓度由罗茨风机的出口风量值也即曝气量来控制，建立基于 罗茨风机出口风量的闭环反馈控制和基于水质指标等参数的前馈串联控制，闭环反馈 控制为罗茨风机一热质流量计一计算机监控系统一变频器装置一罗茨风机，前馈串联 控制为检测仪表装置一计算机监控系统—变频器装置一罗茨风机。前馈串联控制的扰 动变量取自进水水质，特别是C0D、氨氮、浊度、PH、电导率、氯离子等，以及水量和 水温等，根据水质的变化、溶解氧的设定值、溶解氧当前值及一段时间内的历史数据， 计算机监控系统重新计算给定一个曝气量的设定值，前馈串联控制的扰动变量中有溶解 氧数值，这样可快速克服由于环境发生变化如温度、生物膜的活性等带来溶氧量设定值 的变化带来的干扰。副控制回路为罗茨风机一变频器装置一罗茨风机，变频器装置内 置PID控制算法，将罗茨风机的频率信号输入变频器装置，通过与变频器装置设定频率 的偏差进行PID控制，从而使罗茨风机的曝气量通过变频器装置的频率來调节。因此本 实用新型串级PID控制系统具有抗干扰、快速性、适应性和控制质量好的优点。BAF串 级控制系统方块图如图2所示。
控制系统是否处于最优状态，其主要的影响因素是调节器的参数是否处于最优状 态，采用PID控制方式，PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心。对于基于线性 模型对象的控制系统，常规的PID控制器是最简单却是最好的控制器，基本能满足工业 生厂的需要；对于BAF这种非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程，采用 常规的PID参数来整定显得适应性不够，很难达到满意的效果。因此，本实用新型除了 硬件的主、副控制回路设计外，软件上结合常规的PID控制算法以消除误差和减少干扰， 在很宽的操作条件范围内保持较好的鲁棒性，同时在非线性系统不用获取过程模型，而 直接使用基于专家控制的控制算法来实现BAF溶解氧控制系统PID参数的整定，采用了 专家控制的思想，在计算机监控系统上设计了 BAF溶解氧的专家控制器。
专家控制整定法是模拟有经验调试人员的整定思路，通过分析控制系统的输入输出 信号，根据已知的调节规律对调节器参数进行整定。专家自整定调节器将波形分析与专 家系统技术应用于PID调节器，当调节回路的给定值或负荷/干扰发生变化时，以调节 偏差对时间的响应特性作为调节品质的性能指标，作出修改PID调节器参数的判断。
本实用新型的专家控制器由知识库、控制规则集、推理机构及特征识别与处理四个部分组成，其结构图如图3所示。
知识库由事实集和经验数据库、经验公式等组成，事实集主要包括被控对象BAF的 有关知识，如进水水质、进水温度和进水流量的分布情况，曝气生物滤池环境变化，如 温度、生物膜的活性指标，BAF的溶氧量控制是通过控制变频器装置的转速调节罗茨风 机出口风量来反映的等；经验数据库中的数据包括进水水质的各参数变化范围，专家控 制器各参数的整定范围及其幅值，仪表传感器的静、动态特性、参数及响应时间，控制 系统，包括PLC等的性能指标以及由专家总结的经验公式等。
控制规则集是根据专家或熟练操作人员对被控对象及其操作运行的经验，采用产生 式规则、模糊关系及解析形式等多种方法来描述被控对象的特征，这样可以处理各种非 定性的、模糊的信息。通过在现场的一段时间调试和总结操作人员的运行经验，结合相 关理论知识，采用产生式规则构成控制规则集，整个过程由计算机进行模拟和计算。如 控制规则集中过程变量包括BAF的输入输出及表征BAF池内状态的参数，其中控制变量 有罗茨风机风量、溶氧量、进水量、反冲洗水水量等；为避免罗茨风机超负荷运行，还 设计了基于规则的负荷分配系统根据进水水质考虑COD、氮氮、浊度、pH值、温度等 指标，考虑BAF生化系统的处理负荷，用进水水量或COD等水质的重点调节指标，考虑 前一天和近一段时间的溶氧量情况来确定当天的风量调整量；在调试过程中，把进水流 量根据其大小范围分为6个等级；把进水温度的变化量按其大小分为5个等级，而且要 加限幅条件；另外，专家系统界定几种BAF工艺运行不正常状态，这些状态与相关的控 制措施相对应，即不正常状态的类型和程度决定了该采取什么样的控制方法，以便使系 统溶氧量尽快恢复正常等。最后，总结出了 105条控制规则，即形成专家控制器的控制 规则集。
由于本专家控制器的知识库及控制规则集的规模较小，因此，推理机构的搜索空间 有限，采用的是前向推理机制。对于控制规则由前向后逐条匹配，直至匹配成功；同时， 编写控制规则时考虑程序失控现象的处理。
特征识别主要是通过闭环控制的反馈信息及系统的输入信息而得到，通过对信息的 处理得到控制系统的误差及其误差的变化量等对控制有用的信息。通过热质流量计来反 应BAF系统需要的溶氧量，然后与各空间各时间段的曝气量设定值比较得到其偏差量， 通过计算得到偏差的变化量，分段实施控制。另外，信息的处理还包括必要的数据滤波 措施，本实用新型计算机监控系统的专家控制器采用算术平均滤波。
专家控制的控制算法在可编程控制器PLC系统内实现，PLC是利用其闭环控制模块来实现PID参数控制，用Rslogix5000来编程。BAF系统溶氧量调节在设计时不但考虑 正常运行状态下的调整，而且更要考虑生产运行过程中的水质、水量的时变性，控制信 号的输出不能过于频繁，否则会产生振荡，导致系统控制滞后的原因很多，如仪表采样 时间的滞后、计算机数据处理时间滞后、执行调节时间滞后和反馈时间滞后等，所以每 经过5个采样周期输出一次控制信号，其软件主程序流程图如图4所示。 通过某电厂中水回收站曝气生物滤池现场的试验结果和分析如下
1、 系统节能
直接效益某电厂中水回收站曝气生物滤池共计有6台曝气罗茨风机，罗茨风机配 用功率为22 KW电机，风量在80%-30%之间变化，设电机全速供风量为Qn，空载损耗 为0. l(YO"cosnt)，每天总供风量为60%Qn，贝ij
全速时 Pp =(1-0.1) X22kw=19. 8kw
变频时 Pm2 =2.2+(60%)3X19.8kw=6.477kw
节约的功率Pj =(19.8-6.477) kw=13.32kw
如果电费按0.35元/kwh计算，每年节约的电费
13. 32kw X 24h X 365 X 6 X 0. 35元/kwh:245034元=24.5万元
间接效益由于罗茨风机采用变频调速连续运行，减少了对罗茨风机的磨损，大大 延长了设备使用寿命和维修周期，减少了维修费用和由此带来的直接经济损失，系统采 取过流、过压、瞬时断电、短路、欠压、缺相等多种保护，避免了因电机烧损而影响生 产所带来的直接和间接经济损失。
2、 曝气生物滤池溶解氧历史和实时趋势图不同算法下的比较 经过现场调试，使用两种不同的控制算法。
对于曝气生物滤池溶解氧这种非线性、时变、耦合及参数和结构不确定的复杂过程, 采用常规PID参数来整定显得适应性不够，很难能达到满意的效果；本实用新型结合常 规PID控制算法以消除误差和减少外扰，在很宽的条件范围内保持较好的鲁棒性，同时 在非线性系统不用获取过程模型，而直接使用基于专家控制器的控制算法来实现PID参 数整定，达到了预期的效果。从控制性能看，调节比较及时，超调不大，运行稳定，解 决BAF曝气过程大时延和参数时变的问题，特别是对流量和水质突变的状态有很强的适 应性，同时能降低能耗，满足生产控制的需要，值得在废污水行业中推广应用。
权利要求1、曝气生物滤池溶解氧智能控制系统，包括曝气生物滤池(1)和罗茨风机(2)，中水来水(11)、反洗水泵来水(12)、反洗罗茨风机来风(13)以及罗茨风机(2)的输出连接曝气生物滤池(1)的输入，曝气生物滤池(1)的输出连接反洗回收水去水池(14)，其特征是还设有变频器装置(3)、计算机监控系统(4)和检测仪表装置(5)，曝气生物滤池(1)配设有溶氧表(6)，变频器装置(3)连接罗茨风机(2)，中水来水(11)流经检测仪表装置(5)，罗茨风机(2)的输出端设有气体流量计(7)，检测仪表装置(5)、溶氧表(6)、气体流量计(7)的输出连接计算机监控系统(4)，变频器装置(3)与计算机监控系统(4)双向连接。
2、 根据权利要求1所述的曝气生物滤池溶解氧智能控制系统，其特征是气体流量计(7)为热质式气体质量流量计。
3、 根据权利要求1或2所述的曝气生物滤池溶解氧智能控制系统，其特征是溶氧表(6)为LDO型溶氧表。
4、 根据权利要求1或2所述的曝气生物滤池溶解氧智能控制系统，其特征是计算机监控系统(4)由可编程控制器PLC与上位机组成，并设有与主厂房集散控制系统DCS及厂级管理信息系统MIS的通信接口 ， PLC采用AB ControlLogix系列产品，上位机为研华工业控制计算机。
5、 根据权利要求3所述的曝气生物滤池溶解氧智能控制系统，其特征是计算机监控系统(4)由可编程控制器PLC与上位机组成，并设有与主厂房集散控制系统DCS及厂级管理信息系统MIS的通信接口， PLC采用AB ControlLogix系列产品，上位机为研华工业控制计算机。
6、 根据权利要求1或2所述的曝气生物滤池溶解氧智能控制系统，其特征是检测仪表装置(5)包括温度表、流量计、COD表、氨氮表、PH表、导电率表、浊度仪和余氯表。
7、 根据权利要求3所述的曝气生物滤池溶解氧智能控制系统，其特征是检测仪表装置(5)包括温度表、流量计、COD表、氨氮表、PH表、导电率表、浊度仪和余氯表。
8、 根据权利要求4所述的曝气生物滤池溶解氧智能控制系统，其特征是检测仪表装置(5)包括温度表、流量计、COD表、氨氮表、PH表、导电率表、浊度仪和余氯表。
9、 根据权利要求5所述的曝气生物滤池溶解氧智能控制系统，其特征是检测仪表装置(5)包括温度表、流量计、COD表、氨氮表、PH表、导电率表、浊度仪和余氯
专利摘要曝气生物滤池溶解氧智能控制系统，包括曝气生物滤池和罗茨风机，还设有变频器装置、计算机监控系统和检测仪表装置，曝气生物滤池配设有溶氧表，变频器装置连接罗茨风机，罗茨风机的输出端设有气体流量计，检测仪表装置、溶氧表、气体流量计的输出连接计算机监控系统，变频器装置与计算机监控系统双向连接。本实用新型系统运行稳定，操作方便，从控制性能看，调节比较及时，超调不大，运行稳定，能有效解决BAF曝气过程大时延和参数时变的问题，特别对流量突变和水质突变的状态有很强的适应性，同时降低了能耗，满足生产控制的实际需要，整个智能控制系统具有较高的自动化水平。
文档编号G05B19/418GK201433129SQ20082021440
公开日2010年3月31日 申请日期2008年12月18日 优先权日2008年12月18日
发明者周谷平, 郭培志 申请人:南京中电联环保股份有限公司