申请日2013.01.29
公开(公告)日2013.04.24
IPC分类号C02F3/02
摘要
本发明公开了一种应用于污水处理曝气池的一体化控制器，它包括中央处理器以及分别与之连接的模拟量输入电路、开关量输入电路、溶解氧控制输出电路、反冲洗控制输出电路、通讯模块、参数设定按键、键盘、显示模块、故障远程报警电路、温湿度数据采集电路、日历时钟模块、网络接口电路、SD卡存储模块和电源模块。本发明根据溶解氧含量、氧化还原电位、混合液悬浮固体、固体悬浮物、水温、管道压力、空气流量等有关输入参数的组合模式进行鼓风机溶解氧的控制，同时实现了反冲洗的智能控制，并且将两种控制过程有机结合，优化处理，真正起到了保证水质，达到充分节能的目的，不仅具有成本极低、功能强、高节能和容易普及的特点，而且便于安装和调试。
权利要求书
1.一种应用于污水处理曝气池的一体化控制器，其特征是，包括中央处理 器以及分别与中央处理器连接的模拟量输入电路、开关量输入电路、溶解氧控 制输出电路、反冲洗控制输出电路、通讯模块、参数设定按键、键盘、显示模 块和电源模块;所述模拟量输入电路包括模拟信号采集电路、放大电路、零点 校准电路、A/D转换电路和第一磁耦隔离电路，所述A/D转换电路通过第一磁耦 隔离电路与中央处理器连接，所述的模拟信号采集电路、放大电路和零点校准 电路分别与A/D转换电路连接;所述开关量输入电路包括I/O输入电路和第一 光电隔离电路，所述I/O输入电路通过第一光电隔离电路与中央处理器连接; 所述溶解氧控制输出电路包括模拟量溶解氧输出控制电路和开关量溶解氧输出 控制电路;所述反冲洗控制输出电路包括模拟量反冲洗控制输出电路和开关量 反冲洗控制输出电路;所述通讯模块包括智能通讯模块、主RS485接口电路、 从RS485接口电路、第四磁耦隔离电路和第五磁耦隔离电路，所述智能通讯模 块与中央控制器连接，所述主RS485接口电路通过第四磁耦隔离电路与智能通 讯模块连接，所述从RS485接口电路通过第五磁耦隔离电路与中央控制器连接。
2.根据权利要求1所述的一种应用于污水处理曝气池的一体化控制器，其 特征是，所述模拟量溶解氧输出控制电路包括第二磁耦隔离电路、第一D/A转 换电路和4-20mA电流溶解氧控制输出电路，所述第一D/A转换电路的输入端通 过第二磁耦隔离电路与中央处理器连接，输出端与4-20mA电流溶解氧控制输出 电路连接;
所述开关量溶解氧输出控制电路包括第二光电隔离电路、继电器输出电路 和溶解氧控制I/O输出电路，所述的继电器输出电路和溶解氧控制I/O输出电 路分别通过第二光电隔离电路与中央处理器连接。
3.根据权利要求1所述的一种应用于污水处理曝气池的一体化控制器，其 特征是，所述模拟量反冲洗控制输出电路包括三磁耦隔离电路、第二D/A转换 电路和4-20mA电流反冲洗控制输出电路，所述第二D/A转换电路的输入端通过 第三磁耦隔离电路与中央处理器连接，输出端与4-20mA电流反冲洗控制输出电 路连接;
所述开关量反冲洗控制输出电路包括第三光电隔离电路、晶体管输出电路 和反冲洗控制I/O输出电路，所述的晶体管输出电路和反冲洗控制I/O输出电 路分别通过第三光电隔离电路与中央处理器连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种应用于污水处理曝气池的一体化控 制器，其特征是，所述中央处理器采用工业级STM32F单片机。
5.根据权利要求1或2或3所述的一种应用于污水处理曝气池的一体化控 制器，其特征是，还包括故障远程报警电路，所述故障远程报警电路通过第四 光电隔离电路与中央处理器连接。
6.根据权利要求1或2或3所述的一种应用于污水处理曝气池的一体化控制 器，其特征是，还包括温湿度数据采集电路，所述温湿度数据采集电路与中央 处理器连接。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种应用于污水处理曝气池的一体化控制 器，其特征是，还包括日历时钟模块，所述日历时钟模块与中央处理器连接。
8.根据权利要求1或2或3所述的一种应用于污水处理曝气池的一体化控制 器，其特征是，还包括网络接口电路，所述网络接口电路与中央处理器连接。
9.根据权利要求1或2或3所述的一种应用于污水处理曝气池的一体化控制 器，其特征是，还包括SD卡存储模块,所述SD卡存储模块与中央处理器连接。
说明书
一种应用于污水处理曝气池的一体化控制器
技术领域
本发明涉及一种控制装置，具体地说是一种应用于污水处理曝气池的一 体化控制器。
背景技术
耗氧反应是污水生化处理曝气池重要的反应阶段。目前国内污水生化处 理曝气池的加氧工作都是采用大功率的鼓风机实现的，需要消耗大量的电能。 在保证水质的情况下，如何实现节能控制，降低成本，是目前国内外需要认 真考虑的问题。污水中的微生物对氧的需求量是一定的，少了会降低水质， 多了不仅不能保证水质，而且还浪费能源，通常以溶解氧的含量来决定供氧 量。但是，曝气池所需要的溶解氧不是一个定值，它是随着污水的浓度、天 气、时间变化的函数;也就是说污水处理过程控制具有显著的非线性、大滞 后、多变量、时变性的特点。为此，需要研究在不同工况条件下，溶解氧设 定值的优化控制，建立污水生化处理过程的溶解氧变化的模型，并依据该模 型对鼓风量进行低能耗的优化控制，建立能适应环境变化的基于污水生化过 程。
同理，曝气生物滤池是在普通快滤池基础上发展起来的一种污水处理新 工艺。该工艺集物理截滤、生物吸附、氧化于一体，在污水深度处理方面得 到快速的发展。但其应用情况表明：曝气生物滤池运行一段时间后，填料表 面和滤床空隙中的生物颗粒和非生物颗粒不断积累，滤池的过水通道减小， 滤池内的水头损失增大，出水水量减小，发生“穿透”现象，从而使出水水 质变差，在气水逆向运行时还可能出现“气塞”现象，影响了曝气生物滤池 运行的稳定性，这就需要对滤池进行反冲洗以恢复其正常的净水功能。滤池 的反冲洗方式以及参数的确定，一直是人们关注的热点。但目前关于反冲洗 的理论模型、反冲洗机理等方面的研究并没有取得一致的观点。曝气生物滤 池因为粘性生物膜的生长，利用传统的高流速反冲洗方式，不仅耗水量大且 很难达到预期的效果，在实际应用上受到了限制。气水联合反冲洗方式强化 了对填料的剪切和碰撞作用，使滤层处于最佳条件下反冲，可节约反冲洗用 水量，延长反冲洗周期，增大滤池的纳污能力，提高出水水质。
由此可见，曝气池的处理工艺比较复杂，需要较为复杂的算法，而好的 算法在实施过程中也受硬件的限制。利用通用的可编程控制器PLC难以实现， 且不说PLC计算能力弱，难以实现专家系统、BP神经网络等复杂方法，就是 硬件平台也难以实现统一。因为硬件的对应关系必需与软件一直，在已经组 建好的系统上做改动，费用很大;用工业控制机可以实现一些复杂的算法， 但也需要硬件接口平台。
根据国内现有污水处理厂的运行发现，污水处理系统的自动化设备投入 较低，能耗高，而且污水处理系统大多在投产时没能达到设计运行要求，或 在运行一段时间后改为部分自动、部分手动的运行状态，特别是曝气系统。 分析原因主要有以下几个方面：
1、自动化技术与工艺技术未能有机结合。我国污水处理厂起步时，自动 化污水处理系统成套引进国外产品和技术，虽然以后国内能够生产硬件系统， 但是控制技术并没有被系统的吸收。国内污水处理行业的自动化专业力量较 低，很多兴建的污水处理工程的自动化系统是由冶金、化工、轻工等领域工 程师设计、编程和调试的，对污水处理工艺了解较少，不能结合具体工艺进 行控制策略设计，一般采用套用其它行业现有技术的做法，因此，运行效果 并不理想。
2、自控系统培训不到位。很多污水处理厂运行人员没有得到控制系统供 应商厂家的系统培训，除了基本操作以外，没有从理论上对诸如曝气系统调 节技术的详细讲述，使得管理人员只能在工作中重新摸索。
3、运行经验未得到利用。污水处理厂很重要的一点，是在长期运行之后， 可以总结日常规律，取得控制方案;对于管理者，这些规律往往比昂贵的自 控设备更有价值，但是在污水处理厂建设中，很多设计并没有给管理者留有 充分的调整空间，而且这些有用的经验也缺乏应用到其它污水设施的建设途 径。
4、溶解氧控制的难点。污水水质的多变和生物处理系统中生化反应的复 杂性，决定了污水处理的溶解氧(DO)检测控制是一个大滞后系统，检测出 结果再进行参数处理和调整，往往已滞后好长时间，造成大量不合格水的排 出。这种系统的特点是污水生物处理系统的运行管理具有相当的技术难度， 要求管理者具有较好的环境工程知识基础和相当丰富的运行管理经验。另外， 溶解氧指标并不能直接反映生物反应的氧气需求量，它只是反映了反应池中 氧气的剩余程度，无法根据它的数值和变化直接计算气量。传统的PID控制 算法虽然在工程上广泛采用，但只能解决线性系统的调节问题。
5、从整个系统的控制运行角度来看，曝气量的控制其直接原因还有多个 方面。1，硬件原因：现在厂区采用的气体控制系统多为蝶阀或是闸阀来控制 系统流量，而蝶阀或是闸阀的控制比较精确范围一般都在70%以下;超过70 %即非线性控制，使控制难度加大;采用的DO探测仪，安装位置与安装深 度，均无统一的标准，造成数据的采集点不准确;在测定方法上，膜法的探 头容易老化，造成数据的测定存在偏差。2，软件原因：现在流行的控制模块 来看，厂家多数依靠的是DO值作为控制数据依据，在运行当中，由于每个 季节的系统(控制参数)都需要调整至相适应的系统环境，但这类数据的控 制点，不是短时间能够累积完成的;在运行当中，由于水量、水质等均在变 化，在大量变动的数据下，找到其控制点相当困难。
综合来说，国内外对曝气池的控制如下：
一、国内情况：
1、人工操作：现场人员对曝气池溶解氧控制采用开关方式。需要时候打 开，风速基本上用风机阀来控制;而反冲洗过程也是操作人员根据曝气池污 垢情况或定期进行用气和水进行冲洗。
2、曝气控制采用PLC+模拟组建控制系统，根据曝气池氧气的含量进行 PID控制。清华大学发明了(专利号：200810100805.8)《一种城市污水厂曝 气池溶解氧稳定智能控制方法及其装置》的专利，就是用PLC来实现溶解氧 的控制;溶解氧指标并不能直接反映生物反应的氧气需求量，它只是反映了 反应池中氧气的剩余程度，无法根据它的数值和变化直接计算气量。曝气系 统中PID能够实现对流量的控制，但对水质处理效果的控制能力有限。溶解 氧(DO)控制时，PID参数的整定需要根据季节、水质的变化等实际情况不 断调整。广东东芝白云自动化有限公司方面了发明了(专利号： 201010118387.2)专利《污水池溶解氧的控制算法》，该专利用神经网络算法， 其算法复杂，难以在PLC系统中实现，目前只能在工业控制机上运行，且硬 件需要统一。而本申请设计实现的一体化控制器可以很容易实现该控制算法。
二、国外情况
VACOMASS系统是由德国Binder公司开发的一套污水处理厂生物池精 确曝气控制系统，
其系统包括内置控制算法、系统软件、就地控制器及实验室模拟校验; 在欧洲已得到了广泛应用。该系统以气体流量信号作为控制信号，溶解氧及 氨氮信号作为辅助控制信号，可根据实际的负载大小提供气体供给量;气体 流量控制回路为就地控制回路，可快速、准确地根据实际的负载大小提供气 体供给量，使生物反应池的每一部分都能达到高效、稳定，并根据实际负载 状况自行调整设定值的大小，控制阀采用菱形，曝气控制系统的整体控制精 度高达5%。该系统主要用来对溶解氧控制，成本较高，使用时需要专职搞的 技术人员才能调整校准;外围设备成本也较高。在一些小型污水曝气池由于 使用成本很高，不易接受。国外的反冲洗控制基于曝气池的结构情况而定， 其控制形式包含在大型污水处理控制系统中，所以在国内推广有一定的限度。
基于此，需要研制一种曝气池溶解氧与反冲洗一体的控制器，该控制器 集溶解氧控制与反冲洗控制一体的控制器，具体多种模式的控制方案，适用 于大小型污水处理站，也便于系统改造和升级。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种应用于污水处理曝 气池的一体化控制器，其不仅集溶解氧控制与反冲洗控制于一体，而且具体 多种模式的控制方案，便于系统的改造和升级。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种应用于污水处理曝气 池的一体化控制器，其特征是，包括中央处理器以及分别与中央处理器连接 的模拟量输入电路、开关量输入电路、溶解氧控制输出电路、反冲洗控制输 出电路、通讯模块、参数设定按键、键盘、显示模块和电源模块;所述模拟 量输入电路包括模拟信号采集电路、放大电路、零点校准电路、A/D转换电路 和第一磁耦隔离电路，所述A/D转换电路通过第一磁耦隔离电路与中央处理 器连接，所述的模拟信号采集电路、放大电路和零点校准电路分别与A/D转 换电路连接;所述开关量输入电路包括I/O输入电路和第一光电隔离电路， 所述I/O输入电路通过第一光电隔离电路与中央处理器连接;所述溶解氧控 制输出电路包括模拟量溶解氧输出控制电路和开关量溶解氧输出控制电路; 所述反冲洗控制输出电路包括模拟量反冲洗控制输出电路和开关量反冲洗控 制输出电路;所述通讯模块包括智能通讯模块、主RS485接口电路、从RS485 接口电路、第四磁耦隔离电路和第五磁耦隔离电路，所述智能通讯模块与中 央控制器连接，所述主RS485接口电路通过第四磁耦隔离电路与智能通讯模 块连接，所述从RS485接口电路通过第五磁耦隔离电路与中央控制器连接。
优选地，所述模拟量溶解氧输出控制电路包括第二磁耦隔离电路、第一 D/A转换电路和4-20mA电流溶解氧控制输出电路，所述第一D/A转换电路的 输入端通过第二磁耦隔离电路与中央处理器连接，输出端与4-20mA电流溶解 氧控制输出电路连接;
所述开关量溶解氧输出控制电路包括第二光电隔离电路、继电器输出电 路和溶解氧控制I/O输出电路，所述的继电器输出电路和溶解氧控制I/O输 出电路分别通过第二光电隔离电路与中央处理器连接。
优选地，所述模拟量反冲洗控制输出电路包括三磁耦隔离电路、第二D/A 转换电路和4-20mA电流反冲洗控制输出电路，所述第二D/A转换电路的输入 端通过第三磁耦隔离电路与中央处理器连接，输出端与4-20mA电流反冲洗控 制输出电路连接;
所述开关量反冲洗控制输出电路包括第三光电隔离电路、晶体管输出电 路和反冲洗控制I/O输出电路，所述的晶体管输出电路和反冲洗控制I/O输 出电路分别通过第三光电隔离电路与中央处理器连接。
优选地，上述所述的中央处理器采用工业级STM32F单片机。
进一步地，所述的一体化控制器还包括故障远程报警电路，所述故障远 程报警电路通过第四光电隔离电路与中央处理器连接。
进一步地，所述的一体化控制器还包括温湿度数据采集电路，所述温湿 度数据采集电路与中央处理器连接。
进一步地，所述的一体化控制器还包括日历时钟模块，所述日历时钟模 块与中央处理器连接。
进一步地，所述的一体化控制器还包括网络接口电路，所述网络接口电 路与中央处理器连接。
进一步地，所述的一体化控制器还包括SD卡存储模块,所述SD卡存储模块 与中央处理器连接。
本发明的有益效果是，本发明所述的一体化控制器的控制核心采用ST系 列的工业级STM32F单片机，根据溶解氧含量、氧化还原电位、混合液悬浮固 体、固体悬浮物、水温、管道压力、空气流量等有关输入参数的一种或几种 组合形式进行鼓风机溶解氧的控制，控制模式可以通过屏幕设置;这些输入 参数可以通过模拟量或智能通讯模块方法获取，也可以通过上位机获取，需 要获取的方法可以通过屏幕设置;同时，所述的一体化控制器也可根据时间 或浑浊仪检测池内的浑浊度来实现反冲洗的智能控制，控制模式也可设置。 本发明所述的一体化控制器将两种控制过程有机结合，优化处理，真正起到 了保证水质，达到充分节能的目的，不仅具有成本极低、功能强、高节能和 容易普及的特点，而且便于安装和调试。