CN1110962A - 一种鼓风曝气自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种用于市政污水处理系统中 的鼓风曝气自动反馈控制系统。包括有带有可测定 D01、D02、COD、pH浊度数据探头的测氧仪、与测 氧仪相连，可显示所测定D01、D02、COD、pH浊度 数据的监测仪、与测氧仪相连，可接收其传给的加权 后的D01、D02值，并根据测定值与设定值比较后向 变频器输出电压信号的STD工控机、与STD工控 机相连，通过STD工控机输出电压信号以改变输出 频率，从而控制与其相连的鼓风机的转速即鼓风量大 小值的变频器。其不仅可以降低能源消耗，改善出水 水质，而且可以降低运行管理费用，改善管理条件，具 有较好的社会效益、经济效益和显著的环境效益。

Description

本发明属于一种用于市政污水处理系统中的自动控制系统，特别涉及一种用于市政污水处理系统中的鼓风曝气自动反馈控制系统。

市政污水处理是城市进行水污染防治及水资源合理开发利用的主要工作，其工作流程包括有一级处理部分和二级处理部分，一级处理部分近年来技术理论没有大的突破，其发展主要表现在设备的机械化与自动化程度的提高，国内外都形成了各种成套设备，如各种形式的格栅、格网、钟氏沉沙池，多尔沉沙池及各种形式的沉淀池除泥装置等。二级处理部分现今仍然以生物化学法为主体，而其中活性污泥法是目前市政污水生物处理的主要方法，它的基本流程如图1所示，活性污泥法的工作机理为：在开始运行时，先在曝气池内引满污水，进行曝气，培养出活性污泥，在产生活性污泥后，就可以连续运行，经过适当预处理，满足生物处理水质要求的废水不断引入，曝气池中的混合液（活性污泥和废水的混合液体）不断排出，流至二次沉淀池，沉淀下来的活性污泥则回流入曝气池，用来分解氧化废水中的有机物。

活性污泥法是一种好氧生物处理的方法，好氧微生物在氧化有机物时需要一定数量的氧，因此必须在处理过程中提供充足的氧。通常氧的供应是将空气中的氧强制溶解到混合液中去的曝气过程，曝气过程除供氧外，还起搅拌作用，使活性污泥在混合液中保持悬浮状态，与废水充分接触混合。因此曝气过程在活性污泥法中占重要地位，被视为活性污泥法中的主过程。

通常采用的曝气方法有两种：（1）鼓风曝气法;（2）机械曝气法。鼓风曝气法又称压缩空气曝气法即采用压缩空气将空气中的氧强制送到曝气泥中混合液里，提高混合液中溶解氧浓度，满足活性污泥正常工作的需要。影响曝气池中溶解氧浓度因素很多，但在运行正常的污水处理厂中，除鼓风量外其它因素基本上具有一定的规律性，因此在运行过程中通常以设定曝气池中溶解氧DO浓度，通过测定曝气池中DO值与设定DO值比较来调节鼓风量大小。

采用活性污泥法的市政污水处理系统主要包括有：进水闸、格栅井、污水泵房、沉沙池、一沉池、曝气池、二沉池、再生池、鼓风机等，如图2所示。在目前使用的市政污水处理系统中，尚无鼓风曝气的自动反馈控制系统，采用人工控制，大多对鼓风曝气实施定量曝气，过曝现象严重，能耗较高，且为监测出水水质主要指标，要花费大量人力，所取数据较少，直接影响到出水水质。

本发明的目的在于针对现有市政污水处理系统存在的不足，提供一种鼓风曝气自动反馈控制系统，以降低能源消耗，改善出水水质，降低运行管理费用，改善管理条件。

本发明是通过对曝气池中溶解氧DO值实现在线监控来达到对鼓风曝气系统实现自动反馈控制，控制系统的原理为：通过监测曝气池中DO值与最佳DO值比较，用STD工控机调节变频器输出频率，进而使鼓风机的鼓风量处于最佳状态，从而保证出水水质，实现节能降耗。

本发明所说的鼓风曝气自动反馈控制系统主要包括有：

1）带有可测定DO1、DO2、COD、PH浊度数据探头的测氧仪;

2）与测氧仪相连，可显示所测定DO1、DO2、COD、PH浊度数据的监测仪;

3）与测氧仪相连，可接收其传给的加权后的DO1、DO2值，并根据测定值与设定值比较后向变频器输出电压信号的STD工控机，该工控机主要包括有以下部分组成：

a.对寄存器、存贮器、计算器、计时器、堆栈、指针进行初始化的CPU，

b.对各过程变量进行定义的CPU，

c.定时检测CPU，并向计数器中写数据的WATCH DOG电路，

d.由CPU指挥进行模拟采集转换，读取数字量的A/D板，

e.进行数据运算处理比较的CPU，

f.由CPU指挥进行数据转换输出的D/A板，

g.执行返回程序的CPU;

4）与STD工控机相连，通过STD工控机输出电压信号以改变输出频率。从而控制与其相连的鼓风机的转速即鼓风量大小值的变频器。

还可在STD工控机内装有可向外发送数据的通讯板及RS232口，并有一与STD工控机相连，可读取其传来的通讯数据，中文显示水处理部分工艺流程图的工业计算机及可将工业计算机所显示的数据经打印完成打印报表的打印机。

由此构成的鼓风曝气自动反馈控制系统;相对于目前的手工控制方法，不仅可以降低能源消耗、改善出水水质，而且可以降低运行管理费用，改善管理条件，完全符合污水处理技术发展的方向，具有较好的社会效益、经济效益和显著的环境效益。

以下结合附图对本发明数学模型的建立，自动控制程序和自动反馈控制系统的应用作详细描述。

图1为活性污泥法的基本流程图

图2为采用活性污泥法的市政污水处理系统的示意图

图3为本发明实验运行的曲线图

图4为本发明实施例自动反馈控制系统示意图

图5为本发明实施例STD工控机的控制程序框图

图6为本发明实施例工业计算机的控制程序框图

图7为本发明实施例STD工控机的硬件配置图

图8为本发明实施例变频器模出接线图

图9为本发明实施例测氧机采样接头接线图

本发明中数学模型的建立是将自动反馈控制系统采用PID控制，得到：

1）模拟调节器表达式：

P（t）＝Kp[e（t）+ 1/(T₁) ∫e（t）dt+T_D(de（t）)/(dt) ]……（1）

P（t）-调节器输出信号

e（t）-调节器的偏差信号，它等于测量值与给定量之差

K_p-调节器的比例系数

T₁-调节器的积分时间

T_p-调节器的微分时间

2）离散表达式：

P（n）＝Kp{e（n）+ (T)/(TI)

e（j）+ (TO)/(T) [e（n）-e（n-1）]}……（2）

T-采样周期

P（n）-第n次采样时计算机输出

e（n）-第n次采样时的偏差值

e（n-1）-第n-1次采样时的偏差值

n-采样序号，n＝1、2、3……

3）微机编程表达式：

式（2）改写为：P（K）＝Pp（k）+P₁（k）+P_D（k）…（3）

其中：Pp（k）＝KpE（k）

$P_1\left(K\right)=K_1\underset{j=0}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}E\left(j\right)=\mathrm{KsE}\left(K\right)+K_I\underset{j=1}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)$ $=K_{I}E\left(K\right)+P_2(K-1)$

P_D（k）＝k_D[E（k）-E（k-1）]

按照式3即可编写STD工控机的程序。

在实际应用中，该自动反馈控制系统组成如图4所示，采用DO₁-100测氧仪，采样控头接线如图9、DO₁、DO₂、COD、PH、浊度数据;其探头可连续监测选AT&T公司生产的386微机作为工业计算机，可中文显示水处理部分工艺流程图，与STD工控机通讯，读取其传输的数据，并可中文表格显示，控制打印机打印，其控制程序如图6所示;选用STD-0505系业工业控制机，其控制程序如图5所示，其硬件配置如图7所示，包括有四块功能模板，其中WatchDoG模块行使看门狗功能，当因干扰等故障死机时，该板会发出复位信号，使整个系统自动恢复正常工作，中央处理单元（CPU）完成各种数据处理，通讯功能，模拟量输入/输出模块（A/D、/D/A）及信号变换模板（I/V）完成现场五路数据采集变换、一路电压信号输出控制变频器;DO₁、DO₂、PH、COD、浊度五种水质显示仪表均选用二次在线仪表;变频器选用蓝波-Ⅱ型变频器，可通过STD工控机输出电压信号改变输出频率，控制鼓风机的转速即鼓风量大小来调节DO值，使之最佳并节能，变频器的模出接线如图8所示。在该自动反馈控制系统中STD工控机使用的程序按照式（3）编写，式中参数根据统验选用：T＝20秒、K_p＝120、T₁＝700秒、T₀＝200秒;工业计算机采用C语言如图6所示编辑控制程序并工作运行;STD工控机采用8088语言如图5所示编辑控制程序并工作运行。

该自动反馈控制系统工作时，DO-100测氧仪测定DO₁、DO₂值经加权后进入STD工控机，根据测定值与设定值比较调节变频器频率，当测定值低于设定值时，变频器频率增大，即鼓风量增大，当测定值高于设定值时，变频器频率减小，即鼓风量减少，以保持曝气池中DO值处于最佳状态。同时DO-100测氧仪的DO₁、DO₂、PH、COD、浊度控头连续监测数据经电缆通讯至二次仪表，二次仪表显示出当时数据并以4～20MA标准信号输入STD工控机进行数模转换，然后进入工业计算机显示经打印完成打印报表。

该自动反馈控制系统在试验动作时，只启动原手控鼓风曝气系统三台工作风机中的一台，以曝气池中溶解氧DO值为2.0mg/L作设定值，其24小时运行情况如图3所示，由图中的变化曲线可以看出，保持曝气池中DO值在2.0-2.5mg/L范围内，变频器输出频率基本处于30-40HZ之间，除极少数几小时超过40HZ外，经平均计算输出频率在35HZ左右，由此可知在正常运行情况下，将DO值控制在2.0mg/L左右，变频器输出频率为35HZ左右，出水水质达到排放标准。

由鼓风机特性可知： (W₁)/(W₂) ＝（ (N₁)/(N₂) ）³＝（ (f₁)/(f₂) )³

式中：W₁、W₂为风机轴功率;

N₁、N₂为风机旋转速度;

f₁、f₂为变频器输出频率。

节能效率以变频器输出频率f₁＝35HZ计算，则被控制风机节能量为：W¹=(1- (f₁ ³)/(f³) )W

式中：f₁为变频器输出频率，f₁＝35HZ;

f为满负荷时交流电频率f＝50HZ;

W为满负荷风机功率W＝85KW;

即W′＝[1-（ 35/50 ）³]W＝0.657W＝55.845（KW），由于在试验动作时，只控制了三台风机中的一台，所以节能效率P为：P＝ (w′)/(3w) ×100%＝ 0.675/(3W) ×100%＝21.9%。

以输出电流计算，在满负荷运转时风机的运行电流I＝140A，在f＝35HZ，风机运行电流I₁＝55A，即节电量为I＝140-55＝B5A，则节能效率为：P′＝ (I′)/(3I) ×100%＝ (B5)/(3×140) ×100%≈20%。由此可见本发明的鼓风曝气自动反馈控制系统在保证出水水质的同时，节约能耗、效果显著。

Claims (2)

1、一种鼓风曝气自动反馈控制系统主要包括有：

1)带有可测定DO1、DO2、COD、PH浊度数据探头的测氧仪，

2)与测氧仪相连，可显示所测定DO1、DO2、COD、PH浊度数据的监测仪，

3)与测氧仪相连，可接收其传给的加权后的DO1、DO2值，并根据测定值与设定值比较后向变频器输出电压信号的STD工控机，该工控机主要包括有以下部分组成：

a.对寄存器、存贮器、计算器、计时器、堆栈、指针进行初始化的CPU，

b.对各过程变量进行定义的CPU，

c.定时检测CPU，并向计数器中写数据的WATCHDOG电路，

d.由CPU指挥进行模拟采集转换，读取数字量的A/D板，

e.进行数据运算处理比较的CPU，

f.由CPU指挥进行数据转换输出的D/A板，

g.执行返回程序的CPU，

4)与STD工控机相连，通过STD工控机输出电压信号以改变输出频率。从而控制与其相连的鼓风机的转速即鼓风量大小值的变频器。

2、根据权利要求所述的一种鼓风曝气自动反馈控制系统，其特征在于：还可在STD工控机内装有可向外发送数据的通讯板及RS232口，并有一与STD工控机相连，可读取其传来的通讯数据，中文显示水处理部分工艺流程图的工业计算机及可将工业计算机所显示的数据经打印完成打印报表的打印机。

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