基于离散、分布模型的城市污水处理计算机控制系统.pdf

一种基于离散、分布模型的城市污水处理计算机控制系统，包括：污水处理厂计算机控制系统和泵站控制系统，污水厂计算机控制系统由计算机控制室系统和现场控制系统组成，计算机控制室系统由上位计算机系统和高性能微处理器模块组成，二者通过以太网连接，除计算机屏幕的人机界面外，另设有大屏幕显示设备，泵站控制系统主要由高性能微处理器模块和现场控制系统组成，各级之间通过工业以太网和现场总线互联，并在网络内部采用令牌传递方式运行，实现系统在空间上的分布式实时控制。本发明实现了从污水收集、处理到排放全过程控制的智能化、自动化，保证了排放水质达标，尤其是本系统可同时控制多个不同水质参数的污水反应池的连续处理过程。

1、  一种基于离散、分布模型的城市污水处理计算机控制系统，包括：污水处理厂计算机控制系统和泵站控制系统，其特征在于，采用远程无线局域网进行互联，实现信息共享和交流，其中污水厂计算机控制系统由计算机控制室系统和现场控制系统组成，计算机控制室系统由上位计算机系统和高性能微处理器模块组成，二者通过以太网连接，除计算机屏幕的人机界面外，另设有大屏幕显示设备，泵站控制系统和污水厂控制系统类似，主要由高性能微处理器模块和现场控制系统组成，各级之间通过工业以太网和现场总线互联，并在网络内部采用令牌传递方式运行，实现系统在空间上的分布式实时控制。

2、  根据权利要求1所述的基于离散、分布模型的城市污水处理计算机控制系统，其特征是，污水厂计算机控制系统的现场控制系统由以下10个子系统组成：进水泵房控制子系统、沉砂池控制子系统、SBR池控制子系统、出水泵房控制子系统、空气压缩机站控制子系统、污泥脱水机站和污泥均质池控制子系统、现场总线子系统、无线通信子系统、视频监控子系统、防雷子系统，各系统之间通过现场总线子系统形成物理上的互连，并进而通过现场总线或无线通信子系统与所述的计算机控制室系统相连，接受系统的控制和调度，其中防雷子系统还和无线通信子系统相连，保证系统可靠接地。

3、  根据权利要求1所述的基于离散、分布模型的城市污水处理计算机控制系统，其特征是，泵站控制系统的现场控制系统包括：泵房控制子系统、现场总线子系统、无线通信子系统和防雷子系统，各系统通过现场总线子系统实现互连，并通过无线通信子系统和污水处理厂控制系统互连，防雷子系统与无线通信子系统互连保证接地。

基于离散、分布模型的城市污水处理计算机控制系统
技术领域
本发明涉及一种污水处理技术领域的计算机控制系统，具体是一种基于离散、分布模型的城市污水处理计算机控制系统。
背景技术
随着我国国民经济的迅速发展，污水的净化处理成为当务之急。对污水处理过程进行计算机全程控制对提高污水处理效率、降低污水处理功耗和处理成本具有重要意义。
SBR(序批反应)法污水处理工艺，是由多个反应池组成的在空间上分散、在时间上连续的污水处理工艺。即相对污水管网而言，在每个反应池内发生的生物化学反应是独立的、分散的，而多个反应池形成的流量却是连续的，按反应池形成处理序列，分批进行。SBR法污水处理过程是一个多参量(如液位、水质成分、流量、压力等)、多任务(如污水输送、风量控制、水泵的开停等)、多设备(如格栅机、水泵、鼓风机、阀门等)而且具有随机性、时变性和耦合性的复杂系统。且对各反应池的水位、SS、DO、水温等参数和反应时间的控制均有严格要求。能否对污水实现有效处理，控制技术起到关键作用。
经对现有技术的文献检索发现，发明专利名称：SBR工艺模糊控制方法及控制装置”，专利申请号：02121293.7，该专利介绍了一种SBR工艺模糊控制方法及控制装置，该方法主要是通过监测污水处理系统中的ORP、DO和pH值三个参数形成控制信号，控制曝气、进水和出水三个继电器对曝气量和反应时间进行在线控制。但该专利只提供了一种针对SBR工艺进行模糊控制的方法与装置，监控变量和执行机构只有3个，只能控制单个小型反应池的曝气量和反应时间，属污水处理中的单项技术，对污水处理这样的复杂系统其处理效果难以保证。在进一步的文献检索中，尚未发现与本发明主题相同或者类似的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于离散、分布模型的城市污水处理计算机控制系统，使其基于SBR工艺实现从污水收集、处理到排放的全过程自动化，而且能同时控制多个具有不同水质参数的污水反应池的连续处理过程。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：污水处理厂计算机控制系统和泵站控制系统。其中污水厂计算机控制系统由计算机控制室系统和现场控制系统两部分组成，采用远程无线局域网进行互联，实现信息共享和交流。
计算机控制室系统是技术人员管理、操作和人机交换信息的地方，由上位计算机系统(构成管理级)和高性能微处理器模块(构成控制级)组成，二者可通过以太网连接。除计算机屏幕的人机界面外，另设有大屏幕显示设备，供管理人员掌握整个系统的运行情况。可实现对系统运行中的主要工艺参数(PH、DO、COD、SS等)及设备工作状态的监视、设备故障和工艺参数临界状态的声光报警、一定时间内数据报表和变化曲线的生成及打印等功能。
污水处理厂计算机控制系统的现场控制系统(即系统的现场级)由以下10个子系统组成：(1)进水泵房控制子系统。主要实现对粗、细格栅机、提升水泵、各相关阀门和启闭机等的启、停动作控制；实现对进水水质等物理参量的测量和传输；对设备故障发出报警信号。(2)沉砂池控制子系统。(3)SBR池控制子系统。这里是整个控制系统的核心部分，在整个反应过程中该子系统能及时将反应池内的水质参数测量并传送给上位计算机系统，计算机按照专门设计的离散分段算法进行计算，同时将计算结果形成执行动作的指令，使瀑气阀开或关、进水阀和排水阀开或关、搅拌器启动或停止、滗水器工作或复位、污泥泵启动或停止等。(4)出水泵房控制子系统。根据出水泵房储水井水位，自动启动1台或多台水泵，将经过处理达到标准的水排到自然水域或再利用。(5)空气压缩机站控制子系统。根据RBR反应池的工艺需要，启动1台或多台鼓风机，向反应池输送生化反映所需的氧气，并按需要控制空气流量。(6)污泥脱水机站和污泥均质池控制子系统。根据SBR反应池生化反应情况，将反应富裕的污泥用污泥泵送到污泥均质池沉淀后，再送至污泥脱水机房脱水处理。(7)现场总线子系统。各个子系统之间的数据传输由现场总线实现。(8)无线通信子系统，实现数据和控制信号的无线网络传输。(9)视频监控子系统。视频监控设备可以保证中心控制室及时了解各处设备的运行情况。(10)防雷子系统。各个无线通信天线铁塔避雷针直接接入埋在地下3米深、直径大于45公分的铁管上。上述各子系统通过现场总线子系统实现互连，并通过现场总线和无线通信子系统与计算机室控制系统相连，接受系统的控制和调度。
泵站控制系统和污水厂控制系统类似，主要由高性能微处理器模块(控制级)和现场控制系统组成。其现场控制系统包括：(1)泵房控制子系统；(2)现场总线子系统；(3)无线通信子系统和(4)防雷子系统。泵房控制子系统通过现场总线子系统与泵站的现场设备互连，并通过无线通信子系统与污水厂控制系统相连。防雷子系统与无线通信系统连接在一起避免雷击。
上述各级之间通过工业以太网和现场总线互联，并在网络内部采用令牌传递方式运行，实现系统在空间上的分布式实时控制，可同时控制多个不同水质参数的污水反应池的连续处理过程，构成了空间上分布、时间上离散的完整的城市污水处理系统，实现了从污水收集、处理到排放全过程控制的智能化、自动化，保证了排放水质达标。
对SBR法污水处理过程这样一个多参量、多设备且具有随机性、时变性和耦合性的复杂系统，能否对污水实现有效处理，控制技术起到关键作用。本发明在污水处理过程中，首先由泵站控制子系统控制泵站所属设备将通过污水管网收集到的污水经过格栅初步过滤后，输送至污水处理厂；此后，污水厂计算机控制系统的现场控制系统在主控计算机的协调、调度下，由进水泵房子系统将污水再次格栅过滤，由沉砂池控制子系统对污水进行沉淀处理；然后送入SBR反应池，在SBR池控制子系统的控制下进行曝气反应，反应过程中的各种参数都将传送到上午计算机，并根据计算结果形成动作指令，控制曝气阀的开关、进水阀和排水阀的开关以及搅拌器、滗水器的启停等；在此过程中，空气压缩机站控制子系统根据SBR反应池的工艺需要，启动鼓风机向反应池输送氧气；同时，污泥脱水机站和污泥均质池控制子系统会将反应富裕地污泥送到污泥均质池沉淀，再送至污泥脱水机房进行脱水处理；处理达标后的水在出水泵房控制系统控制下排放到自然水域或再利用。整个过程中的各种参数和数据都通过现场总线子系统进行传输，并同时通过无线通信子系统实现污水厂和泵站之间的数据交换、协调。防雷子系统主要负责保护整个系统尤其是无线通信避免因雷击受损。
本发明适用于污水处理中的SBR法工艺。SBR序批式处理工艺是近年来国际上比较先进的污水处理方法，但至今国内各大污水处理厂真正采用它的还不多。主要困难有两点：(1)它对自控技术的要求比较高，对各个反应池的水位、SS、DO、水温等参数和反应时间的控制，均有严格的要求。(2)至今没有成熟的SBR工艺的控制模型，计算机难于进行控制。因此能否对污水实现有效处理，控制技术起着关键作用。本发明实现了从污水收集、处理到排放全过程控制的智能化、自动化，能确保排放水质达标并有效节省能耗，可广泛应用于城市污水的处理，尤其适用于采用SBR工艺的污水处理厂。
附图说明
图1是本发明控制系统原理框图
图2是本发明控制系统适用工艺过程示意图
图3是本发明控制系统控制过程示意图
图4是现场级设备构成示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明包括：污水处理厂计算机控制系统和泵站控制系统，其特征在于，采用远程无线局域网进行互联，实现信息共享和交流，其中污水厂计算机控制系统由计算机控制室系统和现场控制系统组成，计算机控制室系统由上位计算机系统和高性能微处理器模块组成，二者通过以太网连接，除计算机屏幕的人机界面外，另设有大屏幕显示设备，泵站控制系统和污水厂控制系统类似，主要由高性能微处理器模块和现场控制系统组成，各级之间通过工业以太网和现场总线互联，并在网络内部采用令牌传递方式运行，实现系统在空间上的分布式实时控制。
污水厂计算机控制系统的现场控制系统由以下10个子系统组成：进水泵房控制子系统、沉砂池控制子系统、SBR池控制子系统、出水泵房控制子系统、空气压缩机站控制子系统、污泥脱水机站和污泥均质池控制子系统、现场总线子系统、无线通信子系统、视频监控子系统、防雷子系统，各系统之间通过现场总线子系统形成物理上的互连，并进而通过现场总线或无线通信子系统与所述的计算机控制室系统相连，接受系统的控制和调度，其中防雷子系统还和无线通信子系统相连，保证系统可靠接地。
泵站控制系统的现场控制系统包括：泵房控制子系统、现场总线子系统、无线通信子系统和防雷子系统，各系统通过现场总线子系统实现互连，并通过无线通信子系统和污水处理厂控制系统互连，防雷子系统与无线通信子系统互连保证接地。
如图2、图3、图4所示，本发明系统污水厂现场控制系统由SBR池控制子系统等10个子系统组成，这些子系统由一次仪表、分布式智能I/O和执行机构构成。一次仪表的测量数据和系统的执行命令均通过分布式智能I/O传递到控制计算机或执行机构。
系统工作时首先由液位传感器监测泵站水位及流量，据此通过执行机构启动提升泵及格栅机，进而实现城市管网内多泵站之间的协调与全局水量平衡调度；由液位传感器和pH值传感器和SS、COD测试仪器、温度传感器等监测污水处理厂进水泵房内液位，进水pH、SS(污泥浓度)、COD(化学需氧量)、温度，根据厂内生物处理能力及以上参数，对进水启闭机进行控制；自动控制格栅机及提升泵、旋流沉砂池设备的启停；并通过ORP测试仪监测污水的ORP(氧化还原电位)、SS、DO(溶解氧)、液位等参数；根据监测获得参数，自动选用配套工艺参数，对工艺过程进行调节；根据参与反应的各处理池的生物活性及处理能力，通过流量传感器的监测自动调节进水量，保证处理效果及可持续处理能力；自动控制处理过程中的进水、进气、排泥等阀门的启闭、根据污水中溶解氧的浓度，在压力传感器的辅助下自动调节鼓风机的启停数量及启停时间；自动控制排泥泵、滗水器的启、停；监测处理后的污水，达标的进行排放，不达标的送回进水泵房，重复上述处理过程。从而实现从污水收集、处理到排放全过程控制的智能化、自动化，保证排放水质达标。