生物廢水處理進水量非穩態變化模擬控制系統及控制方法
2023-04-24 10:39:16 2
專利名稱：生物廢水處理進水量非穩態變化模擬控制系統及控制方法
技術領域：
本發明屬於環境保護中水汙染控制技術領域，涉及一種基於生物廢水處理工藝而 開發的進水水質水量動態變化的模擬控制系統，模擬實際汙水處理廠進水水質水量非穩態 變化的特點，適用於以實際城市汙水或高氨氮廢水為處理對象，試驗室研究規模的小試或 中試生物廢水處理工藝。
背景技術：
根據資料的查詢現在相關的研究機構和大專院校在對廢水處理的小試或中試研 究上都採用定量進水或定時進水的方式來進行研究的，定量進水即運行的過程之中始終保 持一個基本恆定的量來進水，定時進水即分時段間歇進水。這種進水方式條件下研究的生 物廢水處理工藝性能存在兩個問題1、進水水量條件過於單一，為定進水量條件下工藝對 汙染物處理能力，具有一定片面性；2、缺少對工藝抗水量衝擊負荷性能的研究，試驗結果無 法預測實際廢水處理過程中應對暴雨等惡劣天氣條件的能力；3、資源和能源的浪費，試驗 室規模的成功的生物廢水處理工藝投產於實際工程應用一旦失敗，將意味著巨大的損失， 不符合可持續廢水處理理念。定時定量進水條件下研究的工藝性能等試驗結果與實際生產 運行工況相差甚遠，不能很好地指導實際工程應用。倘若在試驗室規模的小試或中試研究 中，開發模擬實際廢水處理工程中面臨的進水量動態變化規律，實時的改變多種進水變化 條件，在穩態進水工藝特點研究的前提下拓展非穩態進水條件下的工藝特性研究，將會彌 補現有廢水處理相關研究機構和大專院校存在的以上缺陷，對科研成果的推廣應用和生產 力轉化進程具有重要的作用。
發明內容
本發明的目的是針對汙水處理廠不同進水水量和水質變化特點，提供一套適用於 試驗室研究規模生物廢水處理工藝的進水量非穩態變化模擬系統。該系統改變常規的定量 定點進水方式，廢水可根據預先設定的進水控制策略及時響應進水方式，實現裝置進水的 水質和水量動態變化，拓展裝置抗水質水量衝擊負荷性能的研究，最終保障研究裝置在實 際工程中的成功應用。本發明是採用以下技術手段實現的一種生物廢水處理工藝進水量非穩態變化模擬控制系統，包括管理層、控制層和 執行層；管理層為帶有存儲檢測數據的資料庫和運行資料庫的上位機，控制層為控制蠕動 泵轉速的下位機可編程控制器，執行層為執行下位機操作指令的MCC電機控制櫃；上位機 與下位機可編程控制器電連接，並將設定參數下傳到下位機；下位機可編程控制器分別與 檢測儀表、MCC電機控制櫃、閥門調節或變頻控制櫃連接；檢測儀表與MCC電機控制櫃連接、 MCC電機控制櫃與閥門調節或變頻控制櫃之間連接；在線傳感器與檢測儀表連接，原水泵、 回流泵和攪拌機與MCC電機控制櫃連接，鼓風機與閥門調節或變頻控制櫃之間連接。前述的檢測數據包括溶解氧濃度、pH值、各段進水流量、好氧段的曝氣流量。
前述的運行數據包括數字量輸入、數字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出、中間變量。前述的MCC電機控制櫃設有手機/自動轉換開關。一種生物廢水處理工藝進水量非穩態變化模擬控制系統的控制方法，控制進水量 周期、進水初相角以及進水正弦曲線波峰波谷；其中，所述的控制進水量周期包括以下步驟啟動系統，選擇自動運行狀態，周期變化量XI、進水最大值Al與最小值和初始相 位角三個程序同時運行；設定初始變化量X0，脈衝時間，單元時間，檢測運行產生周期的實際變化量；設定進水預設量中值A2 = A1/2，生產零相位時總進水量的初始值A3 = A2+A0 ；弧度制初相角Yl與總進水量變化X2相乘產生中間變量Z0，SinZO與進水總量中 值A2相乘生成進水總量的變化量A4，隨弧度呈周期變化的總進水增量A5 = A3+A4 ；所述的控制進水初相角變化包括以下步驟啟動系統，選擇自動運行狀態，周期變化量XI、進水最大值Al與最小值和初始相 位角三個程序同時運行；設定初始變化量X0，繼續運行生產一個時間單位的總進水量X2，則初始進水量的 總進水量X3 = X2+初相角；設定預設量中值A2 = A1/2，生產零相位時總進水量的初始值A3 = A2+A0 ；弧度制初相角Yl與總進水量變化係數X3相乘產生中間變量Zl，SinZl與進水總 量中值A2相乘生成進水總量的變化量A4，隨弧度變化的總進水增量A5 = A3+A4 ；所述的控制進水正弦曲線波峰波谷變化包括以下步驟；啟動系統，選擇自動運行狀態，周期變化量XI、進水最大值Al與最小值和初始相 位角三個程序同時運行；設定初始變化量X0，繼續運行生產一個時間單位的總進水量X2，則初始進水量的 總進水量X3 = X2+初相角；設定進水總量最大值Al，那麼預設量中值Α2 = Α1/2，生產零相位時總進水量的初 始值 A3 = A2+A0 ；弧度制初相角Yl與總進水量變化係數X3相乘產生中間變量Zl，SinZl與進水總 量中值A2相乘生成進水總量的變化量A4，隨弧度變化的總進水增量A5 = A3+A4。前述的脈衝時間為100MS，單元時間為60秒。本發明與現有技術相比，具有以下明顯的優勢和有益效果該系統通過實時的改變總進水量，來模擬市政廢水進水負荷的變化，總進水量的 確定是根據調研的某一個典型城市的進水變化按照比例來縮小的值。根據總進水量的變 化，來控制各段進水的流量。控制進水量變化的軟體是通過PLC梯形圖語言來編制完成的。 該控制系統的控制指令主要有每個蠕動泵的起動或停止，還有系統操作的指令。該控制系 統模擬實際汙水處理廠日進水量的動態變化參數主要有變化周期設定，最大進水量設定、 最小進水量設定、進水初相角設定，通過以下三種控制流程的集成組合實現廢水生物處理 工藝進水水質水量非穩態變化模擬系統，可以自由模擬各種進水水量變化情況(1)進水水量周期變化控制流程確定進水流量周期變化的設定值，如M小時或12小時為一個周期，變化周期可以在1分鐘到32000小時之間任意設定。(2)進水初相角變化控制流程設計了進水初相角的設定，通過改變進水初相角 來改變初始進水的流量。(3)進水正弦曲線波峰波谷變化控制流程設計了進水量的最大進水量設定值和 最小進水量設定值，不是簡單的從零流量開始到最大流量，用最大流量設定值和最小流量 設定值來確定實際進水的峰谷值。本發明根據進水控制流程的調整實現多種生物廢水處理工藝的進水方式和進水 水量條件，最大程度地模擬實際汙水處理廠和工程面臨的進水狀況，全面開發各種進水方 式下生物處理工藝處理汙染物的性能試驗研究，在減少試驗規模和成本的基礎上為工藝的 實際工程應用提供更真實可靠的原始數據和技術支持。
圖1為生物廢水處理工藝控制系統圖；圖2為一個周期內進水水量動態變化曲線；圖3為進水水量周期變化流程圖；圖4為進水初相角動態變化流程圖；圖5為進水動態變化曲線波峰波谷調節流程圖。
具體實施例方式下面結合說明書附圖對本發明的具體實施例加以說明。圖1為生物廢水處理工藝的控制系統，下面對各個部分予以說明。生物廢水處理工藝控制系統主要是通過上位機(PC)、下位機可編程控制器(PLC) 和操作層電機控制櫃(MCC)共同完成。下面對各個部分予以說明。上位機(PC)與下位機可編程控制器(PLC)電連接，下位機可編程控制器(PLC) 分別與檢測儀表、操作層MCC電機控制櫃、閥門調節或變頻控制櫃連接；檢測儀表與操作層 MCC電機控制櫃連接、操作層電機控制櫃(MCC)與閥門調節或變頻控制櫃之間連接；有機 物、氮和溶解氧等在線傳感器與檢測儀表連接，原水泵、回流泵和攪拌機等電器設備與操作 層MCC電機控制櫃連接，鼓風機與閥門調節或變頻控制櫃之間連接。上位機(PC)畫面可以向可編程控制器(PLC)寫入各種控制指令和下傳各種變化 量參數，同時也可以採集運行狀態和運行參數。上位機採用普通的微型計算機(PC)，系統為TOND0S-XP，安裝應用軟體是「工業監 控組態軟體」，通過建立存儲資料庫來存儲各種檢測數據，該系統所檢測的模擬量數據有 溶解氧濃度、PH值、各段進水流量、好氧段的曝氣流量等。運行資料庫用來組態各種相關於 系統運行的數字量輸入(DI)、數字量輸出(DO)、模擬量輸入(Al)、模擬量輸出(AO)、中間變 量(M)等。以上兩個資料庫的變量通過編制好的通訊協議與下位機(PLC)相連結，實現上 位機(PC)的設定參數下傳到下位機(PLC)，隨時改變控制策略的參數。下位機(PLC)的檢 測參數上傳到上位機(PC)，實時顯示模擬量的數據。下位機(PLC)內存的程序是按照工藝要求來編制好的系統控制策略，通過各種邏 輯運算指令和數學運算指令來執行控制策略，控制各個蠕動泵按照動態變化的要求來改變轉速達到流量的調節，完成模擬實際汙水處理廠日進水量的動態變化。電機控制櫃(MCC)是執行下位機(PLC)發出的各種操作指令來控制在線檢測儀表 的工作狀態，每臺原水泵、回流泵和攪拌器及鼓風機的運行停止。同時把每臺設備當前運行 狀態上傳給下位機(PLC)，電機控制櫃(MCC)設置有就地、手動和遠程三種操作方式。「就 地」即在電氣設備機器旁邊進行起動和停止控制俗稱機旁控制，「手動」即控制櫃按鈕控制， 「遠程」即由上位機控制。該系統組成三層網絡控制系統。上位機(PC)為管理層，在上位機就可以遠程改變 運行參數和修正控制策略，同時顯示存儲運行數據和電氣設備的運行狀態。下位機(PLC) 為控制層，該層當中的CPU存儲了 「非穩態進水條件下改良分段進水深度脫氮除磷工藝過 程控制系統」的核心控制策略，它可以接受上位機(PC)對當前運行參數的改變和控制策略 的修正。同時把從操作層採集來的各種數據上傳給上位機(PC)。電機控制櫃(MCC)可認為 是操作層，它具有兩種功能，在自動狀態下嚴格執行下位機(PLC)所下達的控制指令，同時 把當前的設備運行狀態反饋給下位機(PLC)。當在手動狀態時，執行人工的操作，該系統的 操作權限為手動人工操作權限高於自動上位操作。①管理層上位機(PC)
該系統所追求的是系統穩定和機制靈活，對上位機(PC)參數要求是
a.採用品牌計算機；
b.CPU檔次越高越好，至少PIV以上；
C.內存至少2G以上；
d.需要600M的硬碟空間；
e.CD/DVD光碟機，安裝軟體時使用；
f.並行列印口或USB 口，插入加密狗時使用和報表輸出時使用；
g·VAG和SVAG顯示卡和顯示器，顯存在64M以上，能支持1(^4*768或更高解析度；
h.滑鼠、鍵盤；
i.音效卡，支持聲音報警輸出；
j·乙太網卡支持乙太網通訊；
k.計算機預裝了 Windows XP專業版；
1.組態軟體安裝的國產工業數據監控組態軟體。
上位機(PC)與下位機(PLC)的通訊採用乙太網通訊，應對實際工程應用該系統可
以組成最多十臺主站上位機(PC)和最多一百二十八個子站下位機(PLC)的乙太網通訊的 控制系統。②控制層下位機(PLC)該系統所選的可編程控制器(PLC)為國際知名品牌。根據系統的需要，配置了 40 點的CPU模塊、8DI數字量輸入模塊、8AI模擬量輸入模塊、4A0模擬量輸出模塊、乙太網通訊 模塊。CPU模塊內存儲按照工藝要求編制好的控制策略，該CPU模塊本機帶有16D0點、 MDI點。供電為220VAC適合現場使用。CPU模塊的PORT 口通過乙太網模塊與乙太網交換 機相連接在與上位機(PC)相連接。傳輸協議為工業乙太網規約。擴展模塊DI\AI\A0採用帶光電隔離的輸入輸出口，保證系統的安全可靠。
③操作層電機控制櫃(MCC)該電機控制櫃(MCC)設置有手機/自動轉換開關，選擇手動時在控制柜上直接人 工操作電氣設備的起動或停止，選擇自動時由上位控制。設置有急停開關，當發現非正常運 行時可按下急停開關終止本次運行。控制柜上可直接操作原水泵，攪拌器和鼓風機，同時顯 示各個原水泵，回流泵，攪拌器和鼓風機的運行狀態指示。具體的控制方法和步驟為該控制系統模擬實際汙水處理廠日進水量的動態變化參數主要有變化周期設 定，最大進水量設定、最小進水量設定、進水初相角設定。通過以下三種控制流程的集成組 合實現生物廢水處理工藝進水水質水量非穩態變化模擬系統，可以自由模擬各種進水水量 變化情況，結合圖3、圖4和圖5來詳細說明。(1)進水水量周期變化控制流程(圖3)該流程目的是實現自由選取進水流量周期變化的設定值，如M小時或12小時。啟動系統，選擇自動狀態，此時即為非手動狀態，之後周期變化量、進水最大值與 最小值和初始相位角三個程序同時運行。首先，採取IOOmS的脈衝時間，設定60秒為單元 變化時間，運行產生周期的變化量XI，結合預設的初始變化量X0，繼續運行生產一個每60 秒變化一次的總進水量變化系統X2。其次，設定進水總量最大值Al，那麼預設量中值A2 = A1/2，生產零相位時總進水量的初始值A3 = A2+A0。最後程序3，弧度制初相角Yl與總進 水量變化係數X2相乘產生中間變量Z0，sinZO與進水總量中值A2相乘生成進水總量的變 化量A4，隨弧度呈周期變化的總進水增量A5 = A3+A4。因此，上述三個程序的聯合疊加運 行，即可實現進水總量的周期變化，該系統周期設定值為1分鐘到32000小時。(2)進水初相角變化控制流程(圖4)該流程目的是設定進水初相角，通過改變進水初相角來改變初始進水的流量。啟動系統，選擇自動狀態，此時即為非手動狀態，之後周期變化量、進水最大值與 最小值和初始相位角三個程序同時運行。首先，採取IOOmS的脈衝時間，設定60秒為單元 變化時間，運行產生周期的變化量XI，結合預設的初始變化量X0，繼續運行生產一個每60 秒變化一次的總進水量變化系統X2，則初始進水量的總進水量系統X3 = X2+初相角。其 次，設定進水總量最大值Al，那麼預設量中值A2 = A1/2，生產零相位時總進水量的初始值 A3 = A2+A0。最後程序3，弧度制初相角Yl與總進水量變化係數X3相乘產生中間變量Zl， sinZl與進水總量中值A2相乘生成進水總量的變化量A4，隨弧度變化的總進水增量A5 = A3+A4。因此，上述三個程序的聯合疊加運行，即可通過改變進水初相角的設定值實現初始 進水量的變化。(3)進水正弦曲線波峰波谷變化控制流程(圖5)該流程的目的是實現自由設定進水量，而不是簡單的從零流量開始到最大流量， 通過設計進水量的最大和最小進水量設定值來改變實際進水的峰值。啟動系統，選擇自動狀態，此時即為非手動狀態，之後周期變化量、進水最大值與 最小值和初始相位角三個程序同時運行。首先，採取IOOmS的脈衝時間，設定60秒為單元變 化時間，運行產生自增量XI，結合預設的初始變化量X0，繼續運行生產一個每60秒變化一 次的總進水量變化系統X2，則初始進水量的總進水量系統X3 = X2+初相角。其次，設定進水 總量最大值Al，那麼預設量中值A2 = A1/2，生產零相位時總進水量的初始值A3 = A2+A0。
8最後程序3，弧度制初相角Yl與總進水量變化係數X3相乘產生中間變量Zl，SinZl與進水 總量中值A2相乘生成進水總量的變化量A4，隨弧度變化的總進水增量A5 = A3+A4。因此， 上述三個程序的聯合疊加運行，即可自由改變進水峰值。
權利要求
1.一種生物廢水處理進水量非穩態變化模擬控制系統，包括管理層、控制層和執行層； 其特徵在於所述的管理層為帶有存儲檢測數據的資料庫和運行資料庫的上位機，控制層 為控制蠕動泵轉速的下位機可編程控制器，執行層為執行下位機操作指令的MCC電機控制 櫃；上位機與下位機可編程控制器電連接，並將設定參數下傳到下位機；下位機可編程控 制器分別與檢測儀表、MCC電機控制櫃、閥門調節或變頻控制櫃連接；檢測儀表與MCC電機 控制櫃連接、MCC電機控制櫃與閥門調節或變頻控制櫃之間連接；在線傳感器與檢測儀表 連接，原水泵、回流泵和攪拌機與MCC電機控制櫃連接，鼓風機與閥門調節或變頻控制櫃之 間連接。
2.根據權利要求1所述的生物廢水處理進水量非穩態變化模擬控制系統，其特徵在於 檢測數據包括溶解氧濃度、PH值、各段進水流量、好氧段的曝氣流量。
3.根據權利要求1所述的生物廢水處理進水量非穩態變化模擬控制系統，其特徵在於 運行數據包括數字量輸入、數字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出、中間變量。
4.根據權利要求1所述的生物廢水處理進水量非穩態變化模擬控制系統，其特徵在 於所述的MCC電機控制櫃設有手機/自動轉換開關。
5.一種生物廢水處理進水量非穩態變化模擬控制系統的控制方法，其特徵在於控制 進水水量周期、進水初相角以及進水正弦曲線波峰波谷；其中，所述的控制進水水量周期包括以下步驟啟動系統，選擇自動運行狀態，周期變化量XI、進水最大值Al與最小值和初始相位角 三個程序同時運行；設定初始變化量X0，脈衝時間，單元時間，檢測運行產生周期的實際變化量； 設定進水預設量中值A2 = A1/2，生產零相位時總進水量的初始值A3 = A2+A0 ； 弧度制初相角Yl與總進水量變化X2相乘產生中間變量Z0，sinZO與進水總量中值A2 相乘生成進水總量的變化量A4，隨弧度呈周期變化的總進水增量A5 = A3+A4 ； 所述的控制進水初相角變化包括以下步驟啟動系統，選擇自動運行狀態，周期變化量XI、進水最大值Al與最小值和初始相位角 三個程序同時運行；設定初始變化量X0，繼續運行生產一個時間單位的總進水量X2，則初始進水量的總進 水量X3 = X2+初相角；設定預設量中值A2 = A1/2，生產零相位時總進水量的初始值A3 = A2+A0 ； 弧度制初相角Yl與總進水量變化係數X3相乘產生中間變量Zl，SinZl與進水總量中 值A2相乘生成進水總量的變化量A4，隨弧度變化的總進水增量A5 = A3+A4 ； 所述的控制進水正弦曲線波峰波谷變化包括以下步驟；啟動系統，選擇自動運行狀態，周期變化量XI、進水最大值Al與最小值和初始相位角 三個程序同時運行；設定初始變化量X0，繼續運行生產一個時間單位的總進水量X2，則初始進水量的總進 水量X3 = X2+初相角；設定進水總量最大值Al，那麼預設量中值Α2 = Α1/2，生產零相位時總進水量的初始值 A3 = A2+A0 ；弧度制初相角Yl與總進水量變化係數X3相乘產生中間變量Zl，SinZl與進水總量中值A2相乘生成進水總量的變化量A4，隨弧度變化的總進水增量A5 = A3+A4。
6.根據權利要求5所述的生物廢水處理進水量非穩態變化模擬控制系統的控制方法， 其特徵在於所述的脈衝時間為100MS，單元時間為60秒。
全文摘要
本發明公開了一種生物廢水處理進水量非穩態變化模擬控制系統及控制方法，包括帶有存儲檢測數據的資料庫和運行資料庫的上位機的管理層、控制蠕動泵轉速的下位機可編程控制器的控制層，執行下位機操作指令的MCC電機控制櫃的執行層；通過控制進水水量周期、進水初相角以及進水正弦曲線波峰波谷，對其模擬系統進行控制；根據進水控制流程的調整實現多種生物廢水處理工藝的進水方式和進水水量條件，最大程度地模擬實際汙水處理廠和工程面臨的進水狀況，實現生物廢水處理工藝進水水質水量非穩態變化模擬系統，可自由模擬各種進水水量變化情況。
文檔編號G05B19/418GK102096406SQ20111000719
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月13日 優先權日2011年1月13日
發明者彭永臻, 曹旭, 王淑瑩, 葛士建, 薄鳳陽 申請人:北京工業大學