DE102014118618A1

DE102014118618A1 - Verfahren zur Regelung einer Prozessgröße

Info

Publication number: DE102014118618A1
Application number: DE102014118618.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Alber; Christoph Herb
Original assignee: Endress and Hauser Conducta Gesellschaft fuer Mess und Regeltechnik mbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2016-06-16
Also published as: US10407328B2; CN105700569A; US20200024169A1; US20160167992A1; CN105700569B

Abstract

Ein Verfahren zur Regelung einer Prozessgröße in einem Prozess mittels eines Reglers umfasst: – Sequenzielles Ermitteln von Werten einer dem ersten Regler zuzuführenden Führungsgröße anhand von Werten einer ersten Messgröße; – Sequenzielles Ermitteln von Werten einer Stellgröße unter Verwendung sowohl von Werten der Führungsgröße als auch von sequenziell ermittelten Werten der Prozessgröße; wobei ein aktueller Wert für die Führungsgröße ermittelt wird: – indem Werte der ersten Messgröße oder daraus abgeleitete Werte in einen eine Anzahl K von Speicherplätzen zum Speichern jeweils eines Werts aufweisenden ersten FiFo-Speicher, nämlich einem eine Anzahl K von logisch aufeinanderfolgenden Speicherplätzen (j = i) aufweisenden Speicher, sequenziell gespeichert werden, derart, dass • der älteste der im ersten FiFo-Speicher gespeicherten Werte in einem ersten Speicherplatz (j = 1) gespeichert ist • und der zuletzt im ersten FiFo-Speicher gespeicherte Wert in einem letzten Speicherplatz (j = k) gespeichert ist; – und indem lediglich die n ältesten im ersten FiFo-Speicher gespeicherten Werte zum Ermitteln des aktuellen Werts für die Führungsgröße verwendet werden, wobei n eine Anzahl von Werten ist, welche kleiner als die Anzahl K der in den Speicherplätzen des ersten FiFo-Speichers gespeicherten Werte und größer oder gleich 1 ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Prozessgröße in einem Prozess mittels eines Reglers.
Regler werden in einer Vielzahl von Prozessen der Prozessmesstechnik zur Regelung von Prozessgrößen eingesetzt. Besondere Anforderungen sind an Regelungen in Prozessen mit großen und insbesondere variablen Totzeiten zu stellen.
Eine solche Situation kann beispielsweise im Bereich der Abwasserbehandlung und/oder Wasseraufbereitung auftreten. Die in Kläranlagen durchgeführten Prozesse zur Behandlung von Flüssigkeiten, z.B. von schlammhaltigem Wasser, sind in der Regel durch langsame Fließgeschwindigkeiten der zu behandelnden Flüssigkeit gekennzeichnet.
Dies wird im Folgenden anhand einiger konkreter Prozesse aus dem Bereich der Abwasserbehandlung näher erläutert. Die grundlegende Problemstellung und auch die weiter unten beschriebene erfindungsgemäße Lösung sind aber auf die Regelung von Prozessgrößen anderer Prozesse mit Totzeitverhalten, insbesondere auf Prozesse zur Behandlung von Flüssigkeiten, übertragbar.
Die Reinigung von Abwasser in Kläranlagen umfasst in der Regel die Elimination von Stickstoff, organischen Verbindungen und Phosphat. Zu diesem Zweck werden häufig Belebtschlammverfahren, auch als Belebungsverfahren bezeichnet, eingesetzt, die eine biologische Abwasserreinigung umfassen. Dabei werden die abzubauenden Substanzen durch Mikroorganismen umgesetzt und damit der Gehalt des Abwassers an diesen Substanzen reduziert. Mittels Belebtschlammverfahren können organische Substanzen und Stickstoffverbindungen, umgesetzt oder/und abgebaut werden. Beispielsweise kann mittels Belebtschlammverfahren der Chemische Sauerstoffbedarf (CSB), der Biochemische Sauerstoffbedarf (BSB) und Stickstoffverbindungen (Ammoniumstickstoffgehalt) gesenkt werden. Ein Maß für den Gehalt einer Flüssigkeit an organischen Verbindungen ist auch der Parameter SAK (Spektraler Absorptionskoeffizient), der die Absorption bzw. Extinktion von Strahlung einer oder mehrerer Wellenlängen, insbesondere die Extinktion von Strahlung der Wellenlänge 254 nm bezogen auf 1 m durchstrahlter Flüssigkeit, angibt. Es ist möglich, eine oder mehrere weitere Wellenlängen als Referenz zu verwenden. Ein Abbau organischer Verbindungen mittels eines Belebtschlammverfahrens führt somit entsprechend zur Reduzierung des SAK.
Der klassische Abbau von Stickstoff erfolgt im Belebtschlammverfahren beispielsweise über die Prozesse der Nitrifikation und der Denitrifikation. Als Nitrifikation bezeichnet man die bakterielle Oxidation von Ammonium zu Nitrat. Unter Denitrifikation wird die Umwandlung des im Nitrat gebundenen Stickstoffs zu molekularem Stickstoff durch als Denitrifikanten bezeichnete Bakterien verstanden. Während der Nitrifikationsprozess zur Oxidation der Stickstoffverbindungen die Zufuhr von Sauerstoff erfordert, muss der Denitrifikationsprozess unter anoxischen Verhältnissen durchgeführt werden, wobei den Denitrifikanten eine ausreichende Versorgung an oxidierbaren Stoffen zur Verfügung gestellt werden muss. Es haben sich hauptsächlich zwei unterschiedliche Typen von Verfahren etabliert, mit denen sich diese unterschiedlichen Bedingungen für beide Prozesse realisieren lassen, nämlich kontinuierliche Verfahren und intermittierende Verfahren. Bei einem kontinuierlichen Verfahren wird die Denitrifikation in einem ersten Becken, dem Denitrifikationsbecken, und die Nitrifikation in einem zweiten Becken, dem Nitrifikationsbecken, durchgeführt, wobei diese Becken auch weiter unterteilt sein können. Das Denitrifikationsbecken wird anoxisch betrieben, während das Nitrifikationsbecken mittels einer Belüftungseinrichtung mit Luft versorgt wird. Die Flüssigkeit aus dem Nitrifikationsbecken wird teilweise zurück in das Denitrifikationsbecken gepumpt („interne Rezirkulation“), um im Nitrifikationsprozess gebildetes Nitrat weiter zu Stickstoff umzusetzen. Der restliche Anteil des Nitirfikationsbeckenauslaufs fließt weiter zur Nachklärung. Bei intermittierenden Verfahren werden Nitrifikation und Denitrifikation in einem einzigen Becken durchgeführt, wobei das Becken intermittierend durch An- und Abstellen einer Belüftungseinrichtung belüftet wird.
Die ersten automatisierten Kläranlagen arbeiteten bei intermittierenden Verfahren rein zeitgesteuert. Bei kontinuierlichen Verfahren wurde im Nitrifikationsbecken die Belüftung permanent betrieben oder über eine Zeitschaltung gesteuert. Später wurden auch Steuerungen und Regelungen der Belüftung bekannt, die auf einer Messung der Gelöstsauerstoffkonzentration oder auch des Redox-Potentials in der zu behandelnden Flüssigkeit basierten. In neuerer Zeit sind online-fähige Sensoren zur Ammonium- und Nitrat-Messung bekanntgeworden, so dass nunmehr auch eine Beobachtung der Ammonium- und Nitratkonzentration in Echtzeit und damit auch eine Regelung basierend auf solchen Ammonium- und Nitratmessungen möglich ist.
Da bei einem kontinuierlichen Verfahren die zu behandelnde Flüssigkeit durch die Behandlungsbecken fließt, ergibt es sich, dass eine der Ermittlung einer Regelgröße dienende Messstelle in Flussrichtung hinter der Belüftung angeordnet ist. Auch bei einem intermittierenden Verfahren sind Gelöstsauerstoff- oder Ammonium-Messstellen in der Regel innerhalb des Beckens im Bereich des Flüssigkeitsauslaufs oder sogar direkt im Beckenauslauf angeordnet. Dies hat den Nachteil, dass Frachtschwankungen der abzubauenden Stickstoffverbindungen von der Regelung erst erfasst, d.h. „bemerkt“, werden, wenn sie an der Messstelle angekommen sind. Ein Frachtabfall führt somit dazu, dass zu viel Luft in das Becken eingetragen wird. Der damit verbundene Energieverbrauch ist entsprechend höher als erforderlich. Wird ein Frachtanstieg erst im Bereich des Flüssigkeitsauslaufs erkannt, kann die Belüftung nicht mehr schnell genug hochgefahren werden, um dem Nitrifikationsprozess ausreichend Sauerstoff zum Abbau der gesamten Stickstoff- oder Organikfracht zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall besteht die Gefahr der Überschreitung von Auslassgrenzwerten. In ungünstigen Fällen von Frachtschwankungen kann es auch passieren, dass die Regelung anfängt sich aufzuschaukeln und/oder zu schwingen.
Eine Regelung oder Steuerung der Belüftung basierend auf Frachtprognosen, die erwartete Frachtschwankungen z.B. anhand von bekannten Tagesgängen berücksichtigen, ist denkbar, jedoch nicht ohne weiteres zu realisieren. Dies liegt unter anderem daran, dass die abzubauende Stickstofffracht durch eine Vielzahl schwer zu prognostizierender Effekte beeinflusst wird, wie zum Beispiel Wettereinflüsse oder unregelmäßige Einleitungen von industriellen Abwässern im Einzugsgebiet der Kläranlage.
Es gibt auch Überlegungen, im Zulauf der Kläranlage noch vor dem Belebungsbecken bzw. Nitrifikationsbecken Messwerte zu erfassen und daraus Stellgrößen für die Belüftung abzuleiten. Eine Änderung der Messwerte, die in die Bestimmung der Stellgröße für die Belüftung eingehen, macht sich jedoch erst mit einiger, von der Fließgeschwindigkeit der zu behandelnden Flüssigkeit abhängiger Zeitverzögerung am Ort der Belüftungseinrichtung bemerkbar. Eine punktgenaue Einstellung der Belüftungseinrichtung zur Einleitung einer möglichst exakt auf die zum aktuellen Zeitpunkt im Belüftungsbereich des Belebungsbeckens befindlichen Flüssigkeit enthaltenen Fracht abzubauender Substanzen ist daher mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nicht möglich.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Regelung einer Prozessgröße in einem Prozess, insbesondere einem Prozess mit Totzeitverhalten, mittels eines Reglers anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung einer Prozessgröße in einem Prozess mittels eines ersten Reglers umfasst:

– Sequenzielles Ermitteln von Werten einer dem ersten Regler zuzuführenden Führungsgröße anhand von Werten einer ersten Messgröße;
– Sequenzielles Ermitteln von Werten einer Stellgröße unter Verwendung sowohl von Werten der Führungsgröße als auch von sequenziell ermittelten Werten der Prozessgröße; wobei ein aktueller Wert für die Führungsgröße ermittelt wird:
– indem Werte der ersten Messgröße oder daraus abgeleitete Werte in einen eine Anzahl K von Speicherplätzen zum Speichern jeweils eines Werts aufweisenden ersten FiFo-Speicher, nämlich einem eine Anzahl K von logisch aufeinanderfolgenden Speicherplätzen (j = i) aufweisenden Speicher, sequenziell gespeichert werden, derart, dass • der älteste der im ersten FiFo-Speicher gespeicherten Werte in einem ersten, d.h. zuerst auszulesenden, Speicherplatz (j = 1) gespeichert ist • und der zuletzt im ersten FiFo-Speicher gespeicherte Wert in einem letzten Speicherplatz (j = k) gespeichert ist;
– und indem lediglich die n ältesten im ersten FiFo-Speicher gespeicherten Werte zum Ermitteln des aktuellen Werts für die Führungsgröße verwendet werden, wobei n eine Anzahl von Werten ist, welche kleiner als die Anzahl K der in den Speicherplätzen des ersten FiFo-Speichers gespeicherten Werte und größer oder gleich 1 ist.

Unter einem FiFo-Speicher mit einer vorgegebenen Anzahl K von logisch aufeinanderfolgenden Speicherplätzen ist ein in Hardware oder in einer Kombination aus Hardware und Software realisierter FiFo-Speicher gemeint, dessen Speicherplätze, beispielsweise mittels einer Indexierung, in der Weise identifizierbar sind, dass sie in einer, beispielsweise durch die Indexierung vorgegebenen Reihenfolge, nacheinander auslesbar sind. Die in den Speicherplätzen gespeicherten Werte können insbesondere numerische Werte sein.
Ist in jedem Speicherplatz genau ein Wert gespeichert, sind die n in einen jeweils aktuellen Wert der dem ersten Regler zuzuführenden Führungsgröße eingehenden Werte die in den Speicherplätzen j = 1 bis j = n gespeicherten Werte, wobei j ein einem jeweiligen Speicherplatz zugeordneter Index ist, der die logische Reihenfolge der Speicherplätze vorgibt. Die Zahl n ist dann gleich der Anzahl der zur Ermittlung des aktuellen Wertes der Führungsgröße ausgelesenen Speicherplätze des ersten FiFo-Speichers, wobei n kleiner als die Anzahl K der Speicherplätze und größer oder gleich 1 ist. In anderen Worten: Es werden die in den Speicherplätzen j = 1 bis j = n gespeicherten Werte zur Bestimmung des aktuellen Werts der Führungsgröße ausgelesen, wobei 1 ≤ n < k.
Die aktuellen Werte der ersten Messgröße, die in die Ermittlung der Führungsgröße für den ersten Regler eingehen, werden in dem ersten FiFo-Speicher gespeichert, gehen aber nicht unmittelbar nach der Speicherung in die Ermittlung eines aktuellen Wertes der Führungsgröße ein, da nur die ältesten n Werte in den jeweils aktuell ermittelten Wert der Führungsgröße eingehen. Wie weiter unten noch ausführlich erläutert wird, ist es möglich, eine Taktung, mit der ein neuer Wert in den FiFo-Speicher geschrieben und jeweils der älteste Wert aus dem FiFo-Speicher gelöscht wird, so vorzugeben, dass jeder Wert erst nach einem dem Totzeitverhalten des Prozesses entsprechenden Zeitversatz zu den n ältesten im ersten FiFo-Speicher gespeicherten Werten gehört, die in die Ermittlung der Führungsgröße eingehen. Insbesondere kann die Taktung von einer weiteren Messgröße, beispielsweise einem Volumendurchfluss eines Prozessmediums des Prozesses, abhängig sein. Damit steht dem Regler zu jedem Zeitpunkt ein den im Bereich der Regelung tatsächlich herrschenden Prozessbedingungen entsprechender Sollwert bzw. eine diese Prozessbedingungen repräsentierende Führungsgröße zur Verfügung. Durch Berücksichtigung mehrerer sequenziell ermittelter Werte der ersten Messgröße werden zusätzlich kurzfristige Spitzen der Messgröße gedämpft.
In einer Ausgestaltung umfasst das sequenzielle Ermitteln von Werten der dem ersten Regler zuzuführenden Führungsgröße:

– Ermitteln von Werten einer von der ersten Messgröße verschiedenen zweiten Messgröße, welche zur Ermittlung der Führungsgröße des ersten Reglers verwendet werden.

Damit kann der aktuelle Wert für die Führungsgröße ermittelt werden:

– indem Werte der zweiten Messgröße oder daraus abgeleitete Werte in einen eine Anzahl N von Speicherplätzen zum Speichern jeweils eines Werts aufweisenden zweiten FiFo-Speicher, nämlich einem eine Anzahl N von logisch aufeinanderfolgenden Speicherplätzen (h = i) aufweisenden Speicher, gespeichert werden,
– und indem alle im zweiten FiFo-Speicher gespeicherten Werte, zum Ermitteln des aktuellen Werts für die Führungsgröße verwendet werden, wobei N eine Anzahl von Werten ist, welche gleich der Anzahl n der für die Ermittlung des aktuellen Werts der Führungsgröße verwendeten, im ersten FiFo-Speicher gespeicherten Werte ist.

Die zweite Messgröße kann die Prozessgröße sein, die dem ersten Regler als Regelgröße zugeführt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden neue Werte jeweils zum gleichen Zeitpunkt im ersten und im zweiten FiFo-Speicher gespeichert oder gelöscht bzw. überschrieben, wobei der Zeitpunkt durch eine von einer weiteren Messgröße abhängigen Taktung vorgegeben wird. Beim Speichern eines neuen Werts im ersten FiFo-Speicher wird der jeweils älteste im ersten FiFo-Speicher gespeicherte Wert gelöscht oder überschrieben. Der zweite FiFo-Speicher wird in der Weise synchron mit dem ersten FiFo-Speicher getaktet, dass der in einem ersten, d. h. zuerst auszulesenden, der logisch aufeinanderfolgenden Speicherplätze des zweiten FiFo-Speichers enthaltene Wert gelöscht wird.
Der Prozess kann zum Beispiel ein Prozess zur Behandlung einer Flüssigkeit sein, insbesondere zum biologischen Abbau einer oder mehrerer mittels des Prozesses abzubauender Substanzen, der in einem Behältnis durchgeführt wird, welches einen Flüssigkeitszulauf und einen Flüssigkeitsauslauf aufweist,
wobei der erste Regler ein Luftmassestromregler zur Regelung einer Belüftungseinrichtung ist, welche dem Eintrag von Luft in ein in dem Behältnis enthaltenes Flüssigkeitsvolumen der Flüssigkeit dient, wobei die Prozessgröße eine in das Flüssigkeitsvolumen eingetragene Luftmenge ist, wobei die dem ersten Regler zuzuführende Führungsgröße ein Sollwert der in das Flüssigkeitsvolumen eingetragenen Luftmenge ist, und wobei die Stellgröße eine Größe der Belüftungseinrichtung, insbesondere eine Pumpenleistung oder -drehzahl, ist, die die in das Flüssigkeitsvolumen eingetragene Luftmenge, also die Prozessgröße, beeinflusst,
und wobei die erste Messgröße eine in einer vorgebbaren Volumeneinheit der Flüssigkeit im Flüssigkeitszulauf enthaltene Fracht einer oder mehrerer mittels des Prozesses abzubauender Substanzen repräsentiert.
In dieser Ausgestaltung können die Werte dieser ersten Messgröße oder jeweils aus mindestens einem Wert der ersten Messgröße unter Verwendung eines Proportionalitätsfaktors abgeleitete Luftbedarfswerte sequenziell in den ersten FiFo-Speicher gespeichert werden, wobei jeder Luftbedarfswert eine zum Abbau der durch den mindestens einen Wert der ersten Messgröße repräsentierte Fracht der abzubauenden Substanz in die Flüssigkeit einzutragende Luftmenge repräsentiert.
Zur Bestimmung jedes Luftbedarfswerts können, insbesondere an einer im Flüssigkeitszulauf oder stromaufwärts des Flüssigkeitszulaufs angeordneten Messstelle, sequenziell mehrere Werte der ersten Messgröße und ein Durchfluss der Flüssigkeit erfasst werden, wobei die sequenziell erfassten Werte der ersten Messgröße oder daraus abgeleitete Werte akkumuliert werden, bis der Durchfluss einen vorgebbaren Durchfluss-Grenzwert erreicht, welcher einem bestimmten Volumen der Flüssigkeit entspricht, und wobei aus einem sich durch das Akkumulieren der Werte der ersten Messgröße ergebenden Akkumulationswert der Luftbedarfswert bestimmt wird. Der Luftbedarfswert kann insbesondere aus dem Akkumulationswert und dem bereits erwähnten Proportionalitätsfaktor ermittelt werden.
Die Werte der ersten Messgröße können aus, beispielsweise mittels eines Sensors, insbesondere einer ionenselektiven Elektrode, eines automatischen Analysegeräts oder einer SAK-Sonde, erfassten, eine Konzentration einer oder mehrerer abzubauender Substanzen repräsentierenden Messwerten und gleichzeitig mittels eines Durchflusssensors erfassten Durchflussmesswerten der Flüssigkeit ermittelt werden. Die Durchflussmesswerte dienen gleichzeitig zur Feststellung, wann der vorgebbare Durchfluss-Grenzwert erreicht ist. Die Durchflussmesswerte können an derselben Messstelle erfasst werden wie die Werte der ersten Messgröße oder an einer davon räumlich getrennten weiteren Messstelle. Die Messsignale des Sensors und des Durchflusssensors werden einer übergeordneten Steuerungseinrichtung zur Verfügung gestellt, welche die Messsignale verarbeitet und zur Ermittlung aktueller Werte der Führungsgröße gemäß dem hier beschriebenen Verfahren verwendet.
Der jeweils zuletzt bestimmte Luftbedarfswert kann in einem Speicherplatz des ersten FiFo-Speichers gespeichert werden und gleichzeitig der älteste im ersten FiFo-Speicher vorliegende Luftbedarfswert gelöscht oder überschrieben werden.
Die Werte der ersten Messgröße können, wie erwähnt, an einer im Flüssigkeitszulauf angeordneten Messstelle erfasst werden, wobei der vorgebbare Durchfluss-Grenzwert gleich dem Quotienten aus dem zwischen der Messstelle und dem Flüssigkeitsauslauf vorliegenden von der Flüssigkeit ausgefüllten Volumen und der Anzahl K der Speicherplätze des ersten FiFo-Speichers ist, so dass jedem Speicherplatz eine durch den Flüssigkeitszulauf in das Behältnis einströmende Flüssigkeitsvolumeneinheit entspricht und der in dem Speicherplatz gespeicherte Luftbedarfswert den zum Abbau der in dieser Flüssigkeitsvolumeneinheit enthaltenen abzubauenden Fracht in die Flüssigkeit einzutragende Luftmenge repräsentiert. Die Größe der Volumeneinheit oder der Durchfluss-Grenzwert kann, beispielsweise abhängig von den Dimensionen des Behältnisses und/oder des Flüssigkeitszulaufs, vorgebbar sein.
Damit hängt die zwischen dem Speichern einzelner neu bestimmter Luftbedarfswerte vergehende Zeitspanne im ersten FiFo-Speicher vom Durchfluss der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitszulauf bzw. durch das Behältnis, in dem der Prozess durchgeführt wird, ab. Das Abspeichern neuer und gleichzeitige Löschen alter Luftbedarfswerte im ersten FiFo-Speicher erfolgt also mit einer Taktung, welche vom aktuellen Durchfluss der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitszulauf bzw. das Behältnis abhängt. Mit dem Speichern eines neuen Luftbedarfswerts und dem Löschen des jeweils ältesten Luftbedarfswert rücken alle bereits im ersten FiFo-Speicher vorhandenen Luftbedarfswerte in der durch die logisch aufeinanderfolgenden Speicherplätze des ersten FiFo-Speichers vorgegebenen Reihenfolge um eine Position weiter. Das Weiterrücken einzelner im ersten FiFo-Speicher gespeicherter Werte in der vorgegebenen Reihenfolge simuliert mithin den Transport der zum jeweiligen Wert bzw. zum jeweiligen Speicherplatz zugeordneten Flüssigkeitsvolumeneinheit.
Zum Ermitteln des aktuellen Werts der dem Regler zuzuführenden Führungsgröße, nämlich eines Sollwerts für den in das Flüssigkeitsvolumen einzutragende Luftmassenstrom, können die n ältesten im ersten FiFo-Speicher gespeicherten Luftbedarfswerte addiert werden, so dass ein Gesamtluftbedarfswert erhalten wird, wobei die Anzahl n der in den Gesamtluftbedarfswert eingehenden Luftbedarfswerte so gewählt ist, dass die Summe der den zugehörigen Speicherplätzen entsprechenden Flüssigkeitsvolumeneinheiten gleich dem die Flüssigkeit enthaltenden Volumen des Behältnis ist. In diesem Fall gibt der Gesamtluftbedarfswert genau den ursprünglichen, noch nicht gedeckten Luftbedarf des jeweils aktuell im Behälter vorliegenden Flüssigkeitsvolumens an.
Die weiter oben erwähnte zweite Messgröße kann im Fall, dass es sich bei dem Prozess um einen Prozess zur Behandlung einer Flüssigkeit, insbesondere zum biologischen Abbau einer oder mehrerer in der Flüssigkeit enthaltenen Substanzen handelt, eine in die im Behältnis enthaltene Flüssigkeit mittels der Belüftungseinrichtung eingetragene Luftmenge, insbesondere einen Luftmassedurchfluss, repräsentieren, wobei aus mehreren sequenziell erfassten Werten der zweiten Messgröße Lufteintragswerte ermittelt werden, indem die sequenziell erfassten Werte der zweiten Messgröße oder daraus abgeleitete Werte akkumuliert werden, bis der zur gleichzeitigen Bestimmung eines Luftbedarfswerts ermittelte Durchfluss der Flüssigkeit den vorgebbaren Durchfluss-Grenzwert erreicht, und aus sich durch das Akkumulieren der Werte der zweiten Messgröße oder der daraus abgeleiteten Werte ergebenden Akkumulationswerten die Lufteintragswerte bestimmt werden.
Dabei können als aus den Werten der zweiten Messgröße abgeleitete Werte Luftmengen-Anteilswerte dienen, welche durch Division der Werte der zweiten Messgröße durch die Anzahl der Speicherplätze des zweiten FiFo-Speichers berechnet werden. Diese Luftmengen-Anteilswerte werden bis zum Erreichen des vorgebbaren Durchfluss-Grenzwerts akkumuliert und aus den sich so ergebenden Akkumulationswerten und den in den Speicherplätzen des zweiten FiFo-Speichers bereits vorhandenen Lufteintragswerten aktuelle Lufteintragswerte ermittelt.
Gleichzeitig mit dem Speichern eines neu bestimmten Luftbedarfswerts und dem Löschen des ältesten Luftbedarfswerts im ersten FiFo-Speicher wird auch im zweiten FiFo-Speicher der in einem gemäß der logischen Reihenfolge der Speicherplätze zuerst auszulesenden Speicherplatz (h = 1) gespeicherte Lufteintragswert gelöscht. Dieses Löschen erfolgt also mit derselben durchflussabhängigen Taktrate, wie im ersten FiFo-Speicher. Ganz analog wie die im ersten FiFo-Speicher gespeicherten Luftbedarfswerte rücken im zweiten FiFo-Speicher die gespeicherten Lufteintragswerte in der durch die logisch nacheinander angeordneten Speicherplätze definierten Reihenfolge mit einer Taktrate an die jeweils nächste Position weiter, die vom Durchfluss der Flüssigkeit durch das Behältnis abhängt. Im gemäß der logischen Reihenfolge der Speicherplätze letzten Speicherplatz (h = n) wird gleichzeitig der in diesem Speicherplatz enthaltene Lufteintragswert auf Null gesetzt. Anschließend werden erneut bis zum Erreichen des Durchfluss-Grenzwerts Luftmengen-Anteilswerte ermittelt und akkumuliert, wie zuvor beschrieben.
Zum Ermitteln des aktuellen Werts der dem ersten Regler zuzuführenden Führungsgröße, nämlich eines Sollwerts der in das Flüssigkeitsvolumen eingetragenen Luftmenge, können alle im zweiten FiFo-Speicher gespeicherten Lufteintragswerte addiert werden, so dass ein Gesamtlufteintragswert erhalten wird.
Zum Ermitteln des aktuellen Werts der Führungsgröße kann ein eine Abweichung des Gesamtluftbedarfswerts von dem Gesamtlufteintragswert repräsentierender Abweichungswert ermittelt werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung können sequenziell Werte einer dritten Messgröße ermittelt werden, welche die aus dem Behältnis über den Flüssigkeitsauslauf abgeführte Restmenge der mittels des Prozesses abzubauenden Substanz bzw. Substanzen oder einen in der im Behältnis enthaltenen Flüssigkeit vorliegenden Gelöstsauerstoffgehalt repräsentiert. Vorzugsweise entspricht die dritte Messgröße der ersten Messgröße.
Die Werte der dritten Messgröße können in die Werte der Führungsgröße eingehen. Die dem ersten Regler, beispielsweise dem Luftmassestromregler, zugeführten Werte der Führungsgröße können also aus den anhand der ersten und zweiten Messgröße ermittelten Luftbedarfswerten und anhand weiterer, aus den Werten der dritten Messgröße abgeleiteter, Sollwerte ermittelt werden. Grundsätzlich ist es möglich, dass weitere Beiträge in die dem ersten Regler zur Verfügung gestellten Werte der Führungsgröße eingehen.
Die aus den Werten der dritten Messgröße abgeleiteten Sollwerte, die in die Werte der dem ersten Regler zuzuführenden Führungsgröße eingehen, können mittels eines zweiten Reglers ermittelt werden. Der zweite Regler kann insbesondere ein Ausgangsregler sein, welchem die stromabwärts des Flüssigkeitsauslaufs erfassten Werte der dritten Messgröße als Regelgrößenwerte zugeführt werden, und der durch Vergleich der Regelgrößenwerte mit einem, vorzugsweise fest vorgegebenen, dem zweiten Regler als Führungsgröße dienenden Sollwert vergleicht und anhand dieses Vergleichs Werte einer als Stellgröße des zweiten Reglers dienenden, dem Behältnis zuzuführenden Luftmenge ermittelt. Diese Werte der von dem Ausgangsregler ermittelten Stellgröße gehen zusätzlich zu den weiter oben erwähnten Abweichungswerten, die eine Abweichung zwischen dem Gesamtlufteintragswert und dem Gesamtluftbedarfswert repräsentieren, als Beitrag in die dem ersten Regler zugeführten Werte der Führungsgröße ein.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens werden, wie bereits erwähnt, jeweils aus mindestens einem Wert der ersten Messgröße unter Verwendung eines Proportionalitätsfaktors abgeleitete Luftbedarfswerte sequenziell in den ersten FiFo-Speicher gespeichert. Der Proportionalitätsfaktor kann in dieser Ausgestaltung anhand mindestens eines im Auslauf oder stromabwärts des Auslaufs gemessenen Messwerts der dritten Messgröße, insbesondere in vorgebbaren Zeitabständen, angepasst werden.
Der Proportionalitätsfaktor kann angepasst werden, indem

– aus im Zulauf oder stromaufwärts des Zulaufs über einen vorgegebenen Zeitraum gemessenen Messwerten der ersten Messgröße eine in diesem Zeitraum dem Prozess zugeführte Fracht abzubauender Substanzen ermittelt wird,
– aus im Auslauf gemessenen Messwerten der dritten Messgröße eine in diesem Zeitraum den Prozess über den Auslauf verlassende Fracht der abzubauenden Substanzen ermittelt wird, und
– wobei Abweichungswerte bestimmt werden, welche eine Abweichung der dem Prozess zugeführte Fracht abzubauender Substanzen von der den Prozess über den Auslauf verlassende Fracht abzubauender Substanzen repräsentieren; und
– wobei die Abweichungswerte und Werte der im vorgegebenen Zeitraum in das Behältnis eingetragenen Luftmenge verwendet werden, um den Proportionalitätsfaktor anzupassen.

Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen, umfassend:

– mindestens eine dem Ermitteln von Werten für die erste Messgröße dienende, im Flüssigkeitszulauf angeordnete erste Messeinrichtung;
– eine mit der ersten Messeinrichtung zum Empfangen von Messwerten der ersten Messeinrichtung verbundene elektronische Steuerungseinrichtung, welche eine dem Verfahren nach mindestens einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen dienende Betriebssoftware umfasst.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Anlage zur Durchführung eines Belebungsverfahrens;
2 eine schematisches Blockschaltbild zur Belüftungsregelung in einem Belebungsverfahren.
In 1 ist schematisch eine Anlage zum Abbau von Ammonium und stickstoffhaltigen organischen Verbindungen in einer Flüssigkeit dargestellt. Sie umfasst ein Denitrifikationsbecken D und ein Nitrifikationsbecken N. Das Denitrifikationsbecken D und eine erste Flüssigkeitsleitung 3 sind bezogen auf die Strömungsrichtung der Flüssigkeit stromaufwärts des Nitrifikationsbeckens N angeordnet und bilden so den Flüssigkeitszulauf des Nitrifikationsbeckens N. Eine weitere Flüssigkeitsleitung 4 bildet einen Flüssigkeitsauslauf des Nitrifikationsbeckens. Der Flüssigkeitsauslauf ist über eine (nicht dargestellte) Rückführung mit dem Denitrifikationsbecken D über dessen Zulauf 5 verbunden. Die Anlage wird von zu behandelnder Flüssigkeit (insb. Abwasser) in Strömungsrichtung vom Denitrifikationsbecken D zum Nitrifikationsbecken N (Pfeile) durchströmt.
Im Nitrifikationsbecken N ist eine Belebtschlamm und Wasser enthaltende Flüssigkeit aufgenommen. Der Belebtschlamm umfasst Mikroorganismen, welche dazu dienen, Ammonium in Nitrat umzusetzen und so den Ammonium-Gehalt in der Flüssigkeit zu reduzieren oder abzubauen. Der im Nitrifikationsbecken N enthaltenen Flüssigkeit kann mittels einer Belüftungseinrichtung 6 Luft zugeführt werden, um eine ausreichende Sauerstoffversorgung der Mikroorganismen zu gewährleisten. Der Durchfluss bzw. eine Durchflussrate der in das Nitrifikationsbecken N eingeleiteten Luft ist mittels einer gesteuerten oder geregelten Einstelleinrichtung 7 einstellbar. Mittels eines in einer Luftzuleitung zum Nitrifikationsbecken angeordneten Durchflusssensors 8 sind Durchfluss-Messwerte, insbesondere Massedurchfluss-Messwerte der in das Nitrifikationsbecken eingeleiteten Luft erfassbar. Stromaufwärts des Nitrifikationsbeckens N ist eine erste Messstelle 1 angeordnet, an der Werte der Ammoniumkonzentration NH4 in der an der ersten Messstelle 1 vorliegenden Flüssigkeit, sowie SAK-Werte der an der Messstelle 1 vorliegenden Flüssigkeit erfasst werden. Es ist grundsätzlich auch möglich nur eine der Messgrößen SAK oder Ammoniumkonzentration zu ermitteln. Messwerte der Ammoniumkonzentration können an der ersten Messstelle 1 beispielsweise mittels einer ionenselektiven Ammoniumelektrode erfasst werden. SAK-Werte können mittels einer fotometrischen oder spektrometrischen SAK-Sonde erfasst werden. Solche ionenselektiven Elektroden und SAK-Sonden sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt.
Stromabwärts hinter dem Flüssigkeitsauslauf 4 des Nitrifikationsbeckens N ist eine zweite Messstelle 2 angeordnet, die dazu dient, Messwerte einer Ammoniumkonzentration NH4 und SAK-Werte der Flüssigkeit zu erfassen. Im Nitrifikationsbecken N selbst ist optional ein Gelöstsauerstoffsensor 9 angeordnet.
Die Anlage umfasst außerdem einen Durchflusssensor 10, der Durchflusswerte, insbesondere Volumendurchflusswerte, der Flüssigkeit durch die in 1 dargestellte Anlage erfasst. Es ist möglich, mehrere Durchflusssensoren 10 an verschiedenen Stellen innerhalb der Anlage vorzusehen, insbesondere um verschiedene Flüssigkeitszuströme zu dem Denitirifikationsbecken N zu erfassen.
Alle Sensoren sind mit einer übergeordneten Steuerungseinrichtung verbunden, um dieser Messsignale zur Verfügung zu stellen. Die Steuerungseinrichtung umfasst eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung, beispielsweise eine speicherprogrammierbare Steuerung, einen Computer, einen Prozessleitrechner, einen Messumformer mit Regelungs- und/oder Steuerfunktionen, oder eine Steuerungseinrichtung eines automatischen Analysegeräts. Die Steuerungseinrichtung ist auch mit der Einstelleinrichtung 7 zur Steuerung und Regelung sowie zur Betätigung der Belüftungseinrichtung 6 verbunden, so dass die Steuerungseinrichtung in der Lage ist, unter Verwendung einiger oder aller von den Sensoren empfangenen Messsignale die Einstelleinrichtung 7 und damit die Belüftungseinrichtung 6 zu steuern und/oder zu regeln. Hierzu umfasst die Steuerungseinrichtung ein der Steuerung und/oder Regelung der Belüftungseinrichtung 6 bzw. der Einstelleinrichtung 7 dienendes Betriebsprogramm.
Anhand von 2 wird nun ein Verfahren zur Regelung der Belüftungseinrichtung 6 in der in 1 schematisch dargestellten Anlage beschrieben. Obwohl dieses Verfahren hier anhand eines kontinuierlichen Nitrifikationsverfahrens beschrieben wird, ist es gleichermaßen für Verfahren anwendbar, bei denen die Belüftungseinrichtung intermittierend betrieben wird. Gleichermaßen ist das Verfahren übertragbar auf Belebtschlammverfahren, die dem Abbau von Kohlenwasserstoffen oder phosphorhaltigen Verbindungen dienen.
Die Steuerungseinrichtung empfängt die an der Messstelle 1 erfassten Werte der Ammoniumkonzentration oder des SAK. Aus diesen Werten lässt sich unter Berücksichtigung des mittels des Durchflusssensors 10 erfassten Durchflusses der Flüssigkeit eine Fracht abzubauender Substanzen, beispielsweise eine abzubauende Ammoniumstickstoff-Fracht NH4-N, in einem bestimmten Volumen der zu behandelnden Flüssigkeit errechnen. Diese Messgröße dient zur Bestimmung eines Luftbedarfs der zu behandelnden Flüssigkeit. Im Folgenden wird beispielhaft nur die Ammoniumkonzentration und eine daraus ableitbare Ammoniumstickstoff-Fracht NH4-N betrachtet. Grundsätzlich können aber auch beide Größen in die Ermittlung eines Luftbedarfs zur Regelung der Belüftungseinrichtung eingehen. Mittels eines Proportionalitätsfaktors α lässt sich aus der Ammoniumstickstoff-Fracht einer bestimmten Volumeneinheit der Flüssigkeit ein Luftbedarfswert bestimmen, welcher die in den Prozess zum Abbau dieser Ammoniumstickstoff-Fracht in den Nitrifikationsprozess einzuleitende Luftmasse repräsentiert. Die Bestimmung dieses Werts ist im in 2 dargestellten Schema durch den Block 12 dargestellt.
Zum Zeitpunkt der Erfassung der in die Ermittlung des Luftbedarfswerts eingehenden Messwerte ist das Flüssigkeitsvolumen mit der dem Luftbedarfswert entsprechenden Ammoniumstickstoff-Fracht noch am Ort der Messstelle 1. Aufgrund der langsamen Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit durch die Anlage, kann die bis zum Eintritt dieses Flüssigkeitsvolumens in das Nitrifikationsbecken N vergehende Zeitspanne in der Größenordnung einer oder mehrerer Stunden liegen. Um zu gewährleisten, dass zum Zeitpunkt des Eintritts dieses Flüssigkeitsvolumens in das Nitrifikationsbecken N eine dem Luftbedarfswert entsprechende Luftmenge in das Nitrifikationsbecken N eingetragen wird, umfasst die Steuerungseinrichtung einen ersten FiFo-Speicher 11, mit dem die Strömung der die Ammoniumstickstoff-Fracht NH4-N umfassenden Flüssigkeit durch die Anlage simuliert werden kann, und einen zweiten FiFo-Speicher 15, mit dem zu jedem Zeitpunkt die insgesamt dem, im Nitrifikationsbehältnis N enthaltenen Flüssigkeitsvolumen bereits zugeführte Luftmenge ermittelt werden kann.
Der erste FiFo-Speicher 10 umfasst eine Anzahl von K Speicherplätzen j = 1, ..., j = i, ..., j = k, in denen jeweils ein Luftbedarfswert gespeichert werden kann. Die Speicherplätze des ersten FiFo-Speichers 10 sind dazu ausgestaltet, in einer durch den jeweiligen Wert des Index j vorgegebenen Reihenfolge logisch aufeinanderfolgend ausgelesen zu werden. Im vorliegenden Beispiel ist der älteste im ersten FiFo-Speicher 10 gespeicherte Wert im Speicherplatz j = 1 angeordnet, der zuletzt gespeicherte Wert im Speicherplatz j = k. Wird ein neuer Wert in den ersten FiFo-Speicher 10 geschrieben, wird dieser in den Speicherplatz j = k geschrieben, während gleichzeitig der älteste, im Speicherplatz j = 1 gespeicherte Wert gelöscht wird. Alle übrigen Werte rücken gemäß der durch die Indizes der Speicherplätze j = i vorgegebenen Reihenfolge in den Speicherplatz mit dem nächsthöheren Index weiter, so dass der nunmehr älteste Wert wiederum im Speicherplatz j = k gespeichert ist.
Jedem der Speicherplätze ist ein Anteil des von Flüssigkeit gefüllten Volumens zwischen der ersten Messstelle 1 und dem Auslauf des Nitrifikationsbeckens N zugeordnet. Als Beispiel sei angenommen, dass der erste FiFo-Speicher 10 eine Anzahl K von 100 Speicherplätzen umfasst. Die einem einzelnen Speicherplatz zugeordnete Volumeneinheit ergibt sich bei einem zwischen der Messstelle 1 und dem Auslauf des Nitrifikationsbeckens strömenden Gesamtflüssigkeitsvolumen von beispielsweise 1000 m³ durch Division des Gesamtflüssigkeitsvolumens durch die Anzahl K der verfügbaren Speichereinheiten zu 10 m³.
Um einen Luftbedarfswert einer einzelnen, die Messstelle 1 aktuell passierenden Volumeneinheit zu ermitteln, erfasst die Steuerungseinrichtung sequenziell mittels des Durchflusssensors 10 gemessene Durchflusswerte bis der Durchfluss seit Erfassung und Speicherung des zuletzt ermittelten Luftbedarfswertes einen durch die einem Speicherplatz des ersten FiFo-Speichers 10 zugeordneten Volumeneinheit vorgegebenen Durchfluss-Grenzwert erreicht. Gleichzeitig erfasst die Steuerungseinrichtung laufend von der ersten Messstelle 1 zur Verfügung gestellte Messwerte der Ammoniumkonzentration und akkumuliert die seit der Speicherung des letzten Luftbedarfswert erfassten Messwerte, bis der Durchfluss-Grenzwert erreicht ist. Im Zahlenbeispiel werden also die erfassten Messwerte der Ammoniumkonzentration oder daraus abgeleitete Werte der Ammoniumstickstoff-Fracht erfasst, bis ein Durchfluss von 10 m³ seit der Ermittlung und Speicherung des vorhergehenden Luftbedarfswerts erreicht ist. Aus dem durch die Akkumulierung der Ammoniumkonzentrationsmesswerte oder der die Ammoniumstickstoff-Fracht repräsentierenden Werte gebildeten Akkumulationswert wird dann mittels des Proportionalitätsfaktors α der Luftbedarfswert 12 berechnet. Dieser Luftbedarfswert repräsentiert die Luftmenge, die zum Abbau der Ammoniumstickstoff-Fracht der Volumeneinheit, die aktuell die Messstelle 1 passiert hat, im Nitrifikationsbecken N benötigt wird. Diese Luftmenge ist erst mittels der Belüftungseinrichtung 6 in das Nitrifikationsbecken N einzutragen, wenn die Volumeneinheit das Nitrifikationsbecken N erreicht.
Der aktuelle Luftbedarfswert wird in den Speicherplatz j = k des ersten FiFo-Speichers 10 geschrieben, wobei gleichzeitig der älteste im Speicherplatz j = 1 des ersten FiFo-Speichers 10 gespeicherte Luftbedarfswert gelöscht wird und alle anderen Werte „um einen Speicherplatz weiterrücken“, wie oben beschrieben.
Dieses Verfahren wird für jede an der Messstelle 1 vorbeiströmende Volumeneinheit wiederholt. Auf diese Weise gibt der mittels des Durchflusssensors 10 ermittelte Durchfluss eine Taktrate vor, mit der neue Werte in den ersten FiFo-Speicher 10 geschrieben werden, und bereits gespeicherte Luftbedarfswerte nach der vorgegebenen Reihenfolge der Speicherplätze weiterrücken. Dies führt dazu, dass jeder neu ermittelte Luftbedarfswert mit einer der Fließgeschwindigkeit bzw. dem Durchfluss der Flüssigkeit entsprechenden Taktrate durch den ersten FiFo-Speicher 10 „fließt“.
Die n ältesten im FiFo-Speicher 10 enthaltenen Luftbedarfswerte sind denjenigen Volumeneinheiten der Flüssigkeit zugeordnet, die sich aktuell im Nitrifikationsbecken N befinden, wobei sich die Zahl n durch Division des im Nitrifikationsbecken N enthaltenen Flüssigkeitsvolumens durch die einem Speicherplatz zugeordnete Volumeneinheit ergibt. In der 2 sind zur Veranschaulichung zwei vertikale Linien 13, 14 eingezeichnet, zwischen denen die n Speicherplätze des FiFo-Speichers 10 angeordnet sind, in denen diese n ältesten Luftbedarfswerte gespeichert sind. Um einen Gesamtluftbedarfswert zu ermitteln, der die zum Abbau der gesamten, mit dem aktuell im Nitrifikationsbecken N befindlichen Flüssigkeitsvolumen in das Nitrifikationsbecken N gelangten Ammoniumstickstoff-Fracht in das Becken einzutragende Luftmenge repräsentiert, können diese n ältesten im FiFo-Speicher 10 enthaltenen Werte addiert werden.
Die Steuerungseinrichtung umfasst weiter einen in ähnlicher Weise wie der erste FiFo-Speicher 11 ausgestalteten zweiten FiFo-Speicher 15, in dem Lufteintragswerte abgelegt sind, die die tatsächlich von der Belüftungseinrichtung 6 in die im Nitrifikationsbecken N enthaltene Flüssigkeit eingetragene Luftmenge repräsentieren. Der zweite FiFo-Speicher 15 umfasst eine Anzahl von N Speicherplätzen h = 1, ..., h = i, ..., h = m, in denen jeweils ein Luftbedarfswert gespeichert werden kann. Die Speicherplätze des zweiten FiFo-Speichers 15 sind dazu ausgestaltet, in einer durch den jeweiligen Wert des Index h vorgegebenen logischen Reihenfolge zur Ermittlung der Summe aller in den Speicherplätzen gespeicherten Werte ausgelesen zu werden.
Innerhalb derselben Zeitspanne, in der die Steuerungseinrichtung sequenziell mittels des Durchflusssensors 10 gemessene Durchflusswerte erfasst bis der Durchfluss seit Erfassung und Speicherung des zuletzt ermittelten Luftbedarfswertes den vorgegebenen Durchfluss-Grenzwert erreicht, und gleichzeitig die seit Speicherung des letzten Luftbedarfswerts erfassten Messwerte akkumuliert, erfasst die Steuerungseinrichtung auch sequenziell Durchflussmesswerte der von der Belüftungseinrichtung in das Behältnis eingetragenen Luft. Jeder dieser Durchflussmesswerte wird auf alle Speicherplätze des zweiten FiFo-Speichers 15 gleichmäßig aufgeteilt, d.h. jedem Speicherplatz wird ein Luftmengen-Anteilswert, nämlich ein Quotient Δm / N Δm / N aus dem aktuellen Durchflussmesswert (Luftmassedurchfluss Δm) und der Anzahl N der Speicherplätze, zugeordnet. Die aus den sequenziell ermittelten Durchflussmesswerten abgeleiteten Luftmengen-Anteilswerte werden über den Zeitraum zwischen dem Zeitpunkt des Speicherns des letzten Luftbedarfswerts im ersten FiFo-Speicher 11 bis zu dem Zeitpunkt, zu dem die mittels des Durchflusssensors 10 gemessenen Durchflusswerte den Durchfluss-Grenzwert erreichen, akkumuliert und als Wertzuwächse den in den Speicherplätzen des zweiten FiFo-Speichers 15 bereits enthaltenen Lufteintragswerten zugeschlagen. Alle in den Speicherplätzen des zweiten FiFo-Speichers 15 enthaltenen Lufteintragswerte werden also regelmäßig mit der Taktrate des ersten FiFo-Speichers 11 aktualisiert.
Gleichzeitig mit der Speicherung eines aktuellen Luftbedarfswerts im ersten FiFo-Speicher 11 und dem Löschen des ältesten Luftbedarfswerts im ersten FiFo-Speicher 11 wird auch im zweiten FiFo-Speicher 15 derjenige Lufteintragswert, welcher in dem ersten Speicherplatz h = 1 gemäß der durch die Indizes der Speicherplätze h = i vorgegebenen Reihenfolge gespeichert ist, gelöscht. Alle übrigen Werte rücken gemäß der durch die Indizes der Speicherplätze h = i vorgegebenen Reihenfolge in den Speicherplatz mit dem nächsthöheren Index weiter. Im letzten Speicherplatz h = n wird gleichzeitig der Lufteintragswert auf Null gesetzt. Diese Schritte erfolgen alle zu einem durch die durchflussabhängigen Taktung des ersten FiFo-Speichers vorgegebenen Zeitpunkt. Die Anzahl N der Speicherplätze des zweiten FiFo-Speichers 15 ist gleich der Anzahl n der für die Ermittlung des Gesamtluftbedarfs aus dem ersten FiFo-Speicher 10 zu verwendenden Luftbedarfswerte.
Um den Gesamtlufteintragswert zu ermitteln, der der aktuell im Flüssigkeitsbecken befindlichen Flüssigkeit insgesamt bereits zugeführten Luftmenge entspricht, können alle zu einem aktuellen Zeitpunkt im zweiten FiFo-Speicher 15 gespeicherten Lufteintragswerte addiert werden.
Die Steuerungseinrichtung ermittelt anhand des Gesamtluftbedarfswerts und des Gesamtlufteintragswerts einen Wert einer Führungsgröße für die Regelung der Belüftungseinrichtung 6, die sie dem Luftmassenstromregler 16 der Belüftungseinrichtung 6 zuführt. Hierzu bildet sie eine Differenz zwischen dem Gesamtluftbedarfswert und dem Gesamtlufteintragswert und leitet aus dem Bedarf einen aktuellen Wert der Führungsgröße ab. In den Wert der Führungsgröße kann außerdem ein weiterer Wert eingehen, der basierend auf einer Sauerstoffmessung im Nitrifikationsbecken N oder basierend auf einer Messung einer Ammoniumskonzentration oder Ammoniumstickstoff-Fracht an der zweiten Messstelle 2 im Flüssigkeitsauslauf des Nitrifikationsbeckens N mittels einer zusätzlichen Regelungsseinrichtung 17 ermittelt wurde. Alternativ kann die Funktion der Regelungseinrichtung 17 auch von der zentralen Steuerungseinrichtung übernommen werden.
Dem Luftmassenstromregler 16 wird als Regelgröße ein aktueller Messwert eines mittels der Belüftungseinrichtung 6 in das Nitrifikationsbecken N eingeleiteten Luftmenge, z.B. ein Luftmassendurchflusswert zur Verfügung gestellt. Anhand der jeweils aktuellen Werte der Führungs- und Regelgröße ermittelt der Regler 16 Werte einer Stellgröße, z.B. einer Pumpenleistung o.ä., die der Einstelleinrichtung 7 zugeführt werden, um die eingetragene Luftmenge an den ermittelten Bedarf anzupassen.
Wie weiter oben erwähnt wurde, werden die Luftbedarfswerte anhand von eine Ammoniumstickstoff-Fracht repräsentierenden Werten und eines Proportionalitätsfaktors α ermittelt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung können an der zweiten Messstelle 2 ermittelte, eine Ammoniumstickstoff-Fracht im Auslauf repräsentierende Messwerte dazu verwendet werden, den Proportionalitätsfaktor α anzupassen, um so auf Änderungen im Prozess reagieren zu können.
Hierzu kann die Ammoniumstickstoff-Fracht an der zweiten Messstelle 2 von der Ammoniumstickstoff-Fracht an der ersten Messstelle 1 abgezogen und so ein die abgebaute Ammoniumstickstoff-Menge repräsentierender Ammoniumstickstoff-Abbauwert ermittelt werden. Der Abbauzähler ist dazu ausgestaltet, eine Vielzahl von sequenziell ermittelten Abbauwerten zu akkumulieren, die wiederum anhand einer Vielzahl von sequenziell ermittelten, die Ammoniumstickstoff-Fracht an der ersten Messstelle 1 repräsentierenden Werten und einer Vielzahl von sequenziell ermittelten, die Ammoniumstickstoff-Fracht an der zweiten Messstelle 2 repräsentierenden Werten errechnet werden. Diese Akkumulation kann beispielsweise eine Summation der Werte umfassen. Es ist alternativ auch möglich, die an der ersten Messstelle 1 und die an der zweiten Messstelle 2 erfassten Werte zunächst jeweils zu akkumulieren und zu einem bestimmten Zeitpunkt die Differenz der akkumulierten Werte zu bilden, um so einen Ammoniumstickstoff-Abbauwert zu ermitteln.
Zur Ermittlung des Proportionalitätsfaktors α dient außerdem ein Dosierzähler, in dem die in das Nitrifikationsbecken eingetragene Luftmenge akkumuliert wird. Hierzu können als die zugegebene Luftmenge repräsentierende Werte beispielsweise Messwerte des Durchflusssensors 8 oder von diesen abhängige Werte im Dosierzähler akkumuliert, insbesondere addiert, werden.
Zu einem bestimmten Zeitpunkt, entweder nach Ablauf einer vorgegebenen, beispielsweise in der Steuerungseinrichtung hinterlegten, Zeitspanne oder auf eine Eingabe einer Bedienperson an der Steuerungseinrichtung hin, wird aus den aktuellen Zählerständen der Proportionalitätsfaktor α ermittelt, beispielsweise als Quotient aus dem Zählerwert des Abbauzählers und dem des Dosierzählers, wobei gegebenenfalls, je nach Art der in den Zählern jeweils akkumulierten Werte, noch weitere Faktoren zur Anpassung der jeweiligen physikalischen Einheiten der Zählerwerte berücksichtigt werden müssen. Vorteilhaft ist es, wenn die Zeitspanne über die die Akkumulation der in die Zähler eingehenden Werte erfolgt, erheblich länger ist als die Zeit, die eine Volumeneinheit der durch die Anlage strömenden Flüssigkeit benötigt, um von der ersten Messstelle 1 zur zweiten Messstelle 2 zu gelangen.
Vorteilhaft kann der jeweils zuletzt ermittelte Proportionalitätsfaktor α anstelle des jeweils bisher in der Steuerungseinrichtung hinterlegten und von dieser zur Ermittlung von Luftbedarfswerten verwendeten Proportionalitätsfaktors in der Steuerungseinrichtung hinterlegt wird, und für die weitere Ermittlung von Luftbedarfswerten verwendet wird. Durch die regelmäßige Bestimmung eines angepassten Proportionalitätsfaktors α und die Anpassung des von der Steuerung verwendeten Proportionalitätsfaktors in der Weise, dass die Steuerungseinrichtung jeweils den zuletzt ermittelten Wert von α zur Bestimmung der Luftbedarfswerte verwendet, wird sichergestellt, dass ständig ein dem tatsächlichen Ammoniumstickstoff-Abbau angepasster Proportionalitätsfaktor α verwendet wird.
Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Anpassung des Proportionalitätsfaktors α denkbar. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Zähler manuell von einer Bedienperson zurückgesetzt werden und der neu ermittelte Proportionalitätsfaktor α durch eine manuelle Eingabe einer Bedienperson anstelle des bisherigen Proportionalitätsfaktors gespeichert wird. Denkbar ist auch eine Erweiterung, die regelmäßig eine Neuberechnung von α aufgrund von über einen gleitenden vorgegebenen Zeitraum erfassten Werten, z.B. gleitenden Mittelwerten, der in den Zählern erfassten Werte durchführt.

Claims

Verfahren zur Regelung einer Prozessgröße in einem Prozess mittels eines ersten Reglers, umfassend die Schritte: – Sequenzielles Ermitteln von Werten einer dem ersten Regler zuzuführenden Führungsgröße anhand von Werten einer ersten Messgröße; – Sequenzielles Ermitteln von Werten einer Stellgröße unter Verwendung sowohl von Werten der Führungsgröße als auch von sequenziell ermittelten Werten der Prozessgröße; wobei ein aktueller Wert für die Führungsgröße ermittelt wird: – indem Werte der ersten Messgröße oder daraus abgeleitete Werte in einen eine Anzahl K von Speicherplätzen zum Speichern jeweils eines Werts aufweisenden ersten FiFo-Speicher, nämlich einem eine Anzahl K von logisch aufeinanderfolgenden Speicherplätzen (j = i) aufweisenden Speicher, sequenziell gespeichert werden, derart, dass • der älteste der im ersten FiFo-Speicher gespeicherten Werte in einem ersten Speicherplatz (j = 1) gespeichert ist • und der zuletzt im ersten FiFo-Speicher gespeicherte Wert in einem letzten Speicherplatz (j = k) gespeichert ist; – und indem lediglich die n ältesten im ersten FiFo-Speicher gespeicherten Werte zum Ermitteln des aktuellen Werts für die Führungsgröße verwendet werden, wobei n eine Anzahl von Werten ist, welche kleiner als die Anzahl K der in den Speicherplätzen des ersten FiFo-Speichers gespeicherten Werte und größer oder gleich 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das sequenzielle Ermitteln von Werten der dem ersten Regler zuzuführenden Führungsgröße umfasst: – Ermitteln von Werten einer von der ersten Messgröße verschiedenen zweiten Messgröße, welche zur Ermittlung der Führungsgröße verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der aktuelle Wert für die Führungsgröße ermittelt wird: – indem Werte der zweiten Messgröße oder daraus abgeleitete Werte in einen eine Anzahl N von Speicherplätzen zum Speichern jeweils eines Werts aufweisenden zweiten FiFo-Speicher, nämlich einem eine Anzahl N von logisch aufeinanderfolgenden Speicherplätzen (h = i) aufweisenden Speicher, gespeichert werden, – und indem alle im zweiten FiFo-Speicher gespeicherten Werte, zum Ermitteln des aktuellen Werts für die Führungsgröße verwendet werden, wobei N eine Anzahl von Werten ist, welche gleich der Anzahl n der für die Ermittlung des aktuellen Werts der Führungsgröße verwendeten, im ersten FiFo-Speicher gespeicherten Werte ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Prozess ein Prozess zur Behandlung einer Flüssigkeit ist, der in einem Behältnis durchgeführt wird, welches einen Flüssigkeitszulauf und einen Flüssigkeitsauslauf aufweist, wobei der erste Regler ein Luftmassestromregler zur Regelung einer Belüftungseinrichtung ist, welche dem Eintrag von Luft in ein in dem Behältnis enthaltenes Flüssigkeitsvolumen der Flüssigkeit dient, wobei die Prozessgröße eine in das Flüssigkeitsvolumen eingetragene Luftmenge ist, wobei die dem ersten Regler zuzuführende Führungsgröße ein Sollwert der in das Flüssigkeitsvolumen eingetragenen Luftmenge ist, und wobei die Stellgröße eine Größe der Belüftungseinrichtung, insbesondere eine Pumpenleistung oder –drehzahl, ist, die die in das Flüssigkeitsvolumen eingetragene Luftmenge beeinflusst, und wobei die erste Messgröße eine in einer vorgebbaren Volumeneinheit der Flüssigkeit im Flüssigkeitszulauf enthaltene Fracht einer oder mehrerer mittels des Prozesses abzubauenden Substanzen repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Werte der ersten Messgröße oder jeweils aus mindestens einem Wert der ersten Messgröße unter Verwendung eines Proportionalitätsfaktors abgeleitete Luftbedarfswerte sequenziell in den ersten FiFo-Speicher gespeichert werden, wobei jeder Luftbedarfswert eine zum Abbau der durch den mindestens einen Wert der ersten Messgröße repräsentierte Fracht der abzubauenden Substanz in die Flüssigkeit einzutragende Luftmenge repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei zur Bestimmung jedes Luftbedarfswerts sequenziell mehrere Werte der ersten Messgröße und ein Durchfluss der Flüssigkeit erfasst werden, wobei die sequenziell erfassten Werte der ersten Messgröße oder daraus abgeleitete Werte akkumuliert werden, bis der Durchfluss einen vorgebbaren Durchfluss-Grenzwert erreicht, und wobei aus einem sich durch das Akkumulieren der Werte der ersten Messgröße ergebenden Akkumulationswert, insbesondere unter Verwendung des Proportionalitätsfaktors, der Luftbedarfswert bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei jeweils der zuletzt bestimmte Luftbedarfswert in einem Speicherplatz des ersten FiFo-Speichers gespeichert wird und gleichzeitig der älteste im ersten FiFo-Speicher vorliegende Luftbedarfswert gelöscht oder überschrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die Werte der ersten Messgröße an einer im Flüssigkeitszulauf angeordneten Messstelle erfasst werden, und wobei der vorgebbare Durchfluss-Grenzwert gleich dem Quotienten aus dem zwischen der Messstelle und dem Flüssigkeitsauslauf vorliegenden von der Flüssigkeit ausgefüllten Volumen und der Anzahl K der Speicherplätze des ersten FiFo-Speichers ist, so dass jedem Speicherplatz eine durch den Flüssigkeitszulauf in das Behältnis einströmende Flüssigkeitsvolumeneinheit entspricht und der in dem Speicherplatz gespeicherte Luftbedarfswert den zum Abbau der in dieser Flüssigkeitsvolumeneinheit enthaltenen abzubauenden Fracht in die Flüssigkeit einzutragende Luftmenge repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei zum Ermitteln des aktuellen Werts der dem Regler zuzuführenden Führungsgröße, nämlich eines Sollwerts der in das Flüssigkeitsvolumen eingetragenen Luftmenge, die n ältesten im ersten FiFo- Speicher gespeicherten Luftbedarfswerte addiert werden, so dass ein Gesamtluftbedarfswert erhalten wird, und wobei die Anzahl n der in den Gesamtluftbedarfswert eingehenden Luftbedarfswerte so gewählt ist, dass die Summe der den zugehörigen Speicherplätzen entsprechenden Flüssigkeitsvolumeneinheiten gleich dem die Flüssigkeit enthaltenden Volumen des Behältnisses ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die zweite Messgröße eine in die im Behältnis enthaltene Flüssigkeit mittels der Belüftungseinrichtung eingetragene Luftmenge, insbesondere einen Luftmassedurchfluss, repräsentiert, und wobei aus mehreren sequenziell erfassten Werten der zweiten Messgröße Lufteintragswerte ermittelt werden, indem die sequenziell erfassten Werte der zweiten Messgröße oder daraus abgeleitete Werte akkumuliert werden, bis der zur gleichzeitigen Bestimmung eines Luftbedarfswerts ermittelte Durchfluss der Flüssigkeit den vorgebbaren Durchfluss-Grenzwert erreicht, und aus sich durch das Akkumulieren der Werte der zweiten Messgröße oder der daraus abgeleiteten Werte ergebenden Akkumulationswerten die Lufteintragswerte bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei gleichzeitig mit dem Speichern eines neu bestimmten Luftbedarfswerts und dem Löschen des ältesten Luftbedarfswerts im ersten FiFo-Speicher auch im zweiten FiFo-Speicher der in einem gemäß der logischen Reihenfolge der Speicherplätze erste Speicherplatz (h = 1) gespeicherte Lufteintragswert gelöscht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei zum Ermitteln des aktuellen Werts der dem ersten Regler zuzuführenden Führungsgröße, nämlich eines Sollwerts der in das Flüssigkeitsvolumen eingetragenen Luftmenge, alle im zweiten FiFo- Speicher gespeicherten Lufteintragswerte addiert werden, so dass ein Gesamtlufteintragswert erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei zum Ermitteln des aktuellen Werts der Führungsgröße ein eine Abweichung des Gesamtluftbedarfswerts von dem Gesamtlufteintragswert repräsentierender Abweichungswert ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 13, wobei sequenziell Werte einer dritten Messgröße ermittelt werden, welche die aus dem Behältnis über den Flüssigkeitsauslauf abgeführte Restmenge der mittels des Prozesses abzubauenden Substanz oder einen in der im Behältnis enthaltenen Flüssigkeit vorliegenden Gelöstsauerstoffgehalt repräsentiert.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Werte der dritten Messgröße in die Werte der Führungsgröße eingehen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei aus den Werten der dritten Messgröße mittels eines zweiten Reglers Sollwerte abgeleitet werden, die in die Werte der dem ersten Regler zuzuführenden Führungsgröße eingehen.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der zweite Regler ein Ausgangsregler ist, welchem die stromabwärts des Flüssigkeitsauslaufs erfassten Werte der dritten Messgröße als Regelgröße zugeführt werden, und der anhand eines Vergleichs der Regelgröße mit einer, vorzugsweise fest vorgegeben, Führungsgröße Werte einer als Stellgröße des zweiten Reglers dienenden Größe ermittelt, welche eine dem Behältnis zuzuführende Luftmenge repräsentiert, und wobei die Werte der Stellgröße in die Ermittlung der Werte der dem ersten Regler zuzuführenden Führungsgröße eingehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei jeweils aus mindestens einem Wert der ersten Messgröße unter Verwendung eines Proportionalitätsfaktors abgeleitete Luftbedarfswerte sequenziell in den ersten FiFo-Speicher gespeichert werden, und wobei der Proportionalitätsfaktor anhand mindestens eines im Auslauf oder stromabwärts des Auslaufs gemessenen Messwerts der dritten Messgröße, insbesondere in vorgebbaren Zeitabständen, angepasst wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Proportionalitätsfaktor angepasst wird, indem – aus im Zulauf oder stromaufwärts des Zulaufs über einen vorgegebenen Zeitraum gemessenen Messwerten der ersten Messgröße eine in diesem Zeitraum dem Prozess zugeführte Fracht abzubauender Substanzen ermittelt wird, – aus im Auslauf gemessenen Messwerten der dritten Messgröße eine in diesem Zeitraum den Prozess über den Auslauf verlassende Fracht der abzubauenden Substanzen ermittelt wird, und – wobei Abweichungswerte bestimmt werden, welche eine Abweichung der dem Prozess zugeführte Fracht abzubauender Substanzen von der den Prozess über den Auslauf verlassende Fracht abzubauender Substanzen repräsentieren; und – wobei die Abweichungswerte und Werte der im vorgegebenen Zeitraum in das Behältnis eingetragenen Luftmenge verwendet werden, um den Proportionalitätsfaktor anzupassen.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 19, umfassend: – mindestens eine dem Ermitteln von Werten für die erste Messgröße dienende, im Flüssigkeitszulauf oder stromaufwärts des Flüssigkeitszulaufs angeordnete erste Messeinrichtung; – eine mit der ersten Messeinrichtung zum Empfangen von Messwerten der ersten Messeinrichtung verbundene elektronische Steuerungseinrichtung, welche eine dem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17 dienende Betriebssoftware umfasst.