（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的智能污水处理系统研究.pdf

硕t 学位论文 摘要 城市污水处理是环境保护的重要主题。发达国家先后发展了高效、智能的污 水处理技术，而我国污水处理的自动化技术落后。如何发展适合我国国情的低成 本，低功耗，智能化程度高的污水处理技术，是当今污水处理技术研究的重点。 本文设计污水处理控制系统以a r m 处理器s 3 c 4 4 b o x 为核心，并根据污水 实时处理的性能要求，设计硬件电路模块；完成了模数转换电路，串行接口、用户 接口，存储系统设计和基本的外围电路硬件电路系统的设计。并对实时嵌入式操 作系统g c o s i i 进行移植，使系统具备了执行多任务的能力；利用嵌入式实时系 统的优势，实现了多任务间通信，解决了系统的不断开发、维护困难这一弊病。 同时，本文还在g c o s 系统的基础上，移植了嵌入式图形界面g c g u i 并设计 用户界面。 本文设计了基于a r m 的智能污水处理控制系统，由于污水处理过程中参数 非线性和时变性的特点、常规处理工艺不能实现实时精确控制的难题，采用模糊 控制算法予以解决。本文以污水提升泵站和曝气池为重点，详细论述控制系统的 控制方式。用m a t l a b 仿真进行比较，取得了比较好的控制效果。 实验运行证明该控制系统可实时检测参数，根据参数变化调节整个系统处理 污水量，来实现污水处理的自动控制。最后总结了本设计的不足、今后工作的方 向和对污水处理未来的展望。 关键词：城市污水处理：智能控制：s 3 c 4 4 b o x ：g c o s 一 基于a r m 的智能污水处理系统的研究 a b s t r a c t s e w a g e t r e a t m e n ti sa n i m p o r t a n ts u b j e c t o fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n d e v e l o p e dc o u n t r i e s ，h a sd e v e l o p e dah i g h l ye f f i c i e n t ，c o m p a c ts e w a g et r e a t m e n t t e c h n o l o g i e s ；a n ds e w a g e t r e a t m e n ti no u r c o u n t r yf a l l b e h i n dt h ea u t o m a t i o n t e c h n o l o g y h o wt od e v e l o p0 1 1 1 o u rc o u n t r y ss e w a g et r e a t m e n to fl o w - c o s t ，l o w p o w e r ，i n t e l l i g e n th i g hd e g r e e ，i ti st h ef o c u so ft h es t u d yw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g y c o n t r o lo ft h ee n t i r es e w a g et r e a t m e n ts y s t e mt oa r m p r o c e s s o rs 3c 4 4 b o x a s t h ec o r eo ft h i sp a p e r ，a n di na c c o r d a n c ew i t ht h ep e r f o r m a n c eo fr e a l t i m ep r o c e s s i n g e f f l u e n tr e q u i r e m e n t s ，t h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i tm o d u l e c o m p l e t i o no ft h e a n a l o g d i g i t a lc o n v e r s i o nc i r c u i t ，s e r i a li n t e r f a c e ，u s e ri n t e r f a c e ，s t o r a g es y s t e m d e s i g na n dt h ep e r i p h e r yo ft h eb a s i cc i r c u i td e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i ts y s t e m ；a n d r e a l - t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mg c o s - i it r a n s p l a n t ，t h es y s t e mw i t ht h e i m p l e m e n t a t i o no fm u l t i t a s k i n gc a p a c i t y t h eu s eo ft h ea d v a n t a g e so fe m b e d d e d r e a l - t i m es y s t e mt oa c h i e v ean u m b e ro fi n t e r t a s kc o m m u n i c a t i o n s ，t os o l v et h e s y s t e mo fc o n t i n u o u sd e v e l o p m e n t ，m a i n t e n a n c ed i f f i c u l t i e so ft h ed r a w b a c k s a tt h e s a m et i m e ，t h ew r i t e rh a v et r a n s p l a n t e dt h ep c g u it ow r i t et h eu s e ri n t e r f a c eb a s e d o nt h eg c o s - 1 1 b e c a u s et h ep a r a m e t e ro fs e w a g et r e a t m e n tp r o c e s si sn o n - l i n e a ra n d t i m e - v a r y i n g ，p r e c i s ec o n t r o lc a n n o tb er e a l i z e di nc o n v e n t i o n a lt r e a t m e n tp r o c e s s b a s eo nt h ea r m , t h ep a p e rd e s i g n e dt h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o rs e w a g e t r e a t m e n ta n da d o p t e df u z z yc o n t r o la l g o r i t h mt os o l v ep r o b l e mp u tf o r w a r d f o c u s e d o nu p g r a d i n gt h es e w a g ep u m p i n gs t a t i o na n ds e w a g ea e r a t i o nt a n k ，t h ep a p e r e x p o u n d e dt h em o d eo fc o n t r o ls y s t e mi nd e t a i l a tt h es a m et i m e ，c o m p a r e dw i t h s i m u l a t i o no fm a t l a b ，t h es y s t e ma c h i e v e dr e l a t i v e l yb e t t e rc o n t r 0 1 t h ee x p e r i m e n tp r o v e dt h a tt h i sc o n t r o l s y s t e mc a nd e t e c tp a r a m e t e r si n r e a l t i m e ，a d j u s tt h et r e a t m e n ts e w a g ev o l u m eo ft h ee n t i r es y s t e ma c c o r d i n gt ot h e c h a n g eo ft h ep a r a m e t e r s ，f i n a l l yr e a l i z e dt h ea u t om a t i cc o n t r o lo fs e w a g et r e a t m e n t a tl a s t ，t h ep a p e rs u m m e du pt h es h o r t c o m i n go ft h ed e s i g na n dc o n f i r m e dt h e d i r e c t i o no ft h ef u t u r ew o r ka n dt h ep r o s p e c t e dt h ef u t u r eo ft h es e w a g et r e a t m e n t k e yw o r d s ：u r b a ns e w a g et r e a t m e n t ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ，s 3 c 4 4 b o x ，i x c o s - i i 硕士学位论文 插图索引 图2 1 原污水处理系统工艺流程图1 0 图2 2 污水处理工艺改进方案后系统流程图1 l 图3 1 污水处理系统硬件总体设计图1 3 图3 2 外部引脚相关配置1 3 图3 3d a c 接口电路图1 4 图3 4 串口m a x 3 2 3 2 电路1 5 图3 5l c d 控制框图1 6 图3 6l c d 与s 3 c 4 4 b o x 接线示意图1 7 图3 7 触摸屏接口电路1 8 图3 8f l a s h 芯片与s 3 c 4 4 b o x 的接口示意图1 9 图3 9 内存s d r a m 电路2 0 图3 1 0 系统的电源电路2 0 图3 1 1 系统的晶体电路一2 l 图3 1 2 系统的复位电路2 l 图3 1 3 ，r a g 接口电路2 2 图4 1 系统主程序流程图2 9 图4 2 污水处理泵站控制程序流程图3 l 图4 3 曝气池控制程序流程图3 2 图4 4 沉淀池控制程序流程图3 2 图4 5a d s 7 8 4 3 测量程序流程图3 5 图5 1 原泵站系统3 7 图5 2 改进的控制系统结构图3 7 图5 3 自适应模糊p i d 控制器框图3 8 图5 4 液位误差e ，液位误差变化率e c 的隶属度函数3 8 图5 5 常规p i d 的阶跃响应4 l 图5 6 模糊自适应控制的阶跃响应4 l 图5 7 溶解氧控制系统结构4 2 m 兰州理工大学 、 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担。 作者签名：瓣 日期汐口7 年莎月户日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密q 。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：为拣被日期多汐罗年莎月，口日 导师签名：毒辔辽- 1 平1 4 - 日期：力吵年多月，日 i 7 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 我国是一个水资源占有量十分匾乏的国家，随着现代工业和城市建设的飞速 发展，城市的水问题变得日趋严重。水污染严重和水资源短缺已经成为严重制约 我国社会经济可持续发展，影响城市生产生活的突出问题，因此迫切需要加以解 决【l 】。近些年来，自来水的水质中，不断出现许多不安全因素，其中有属于病原 体的，有属于化学物质的，在水中检查出来的有害物质已经由原来的1 0 0 多种增 加到l5 0 0 多种【2 1 ；同时，城市自来水在给生产生活用水的供给中已经捉襟见肘。 因此我国政府对城市污水处理非常重视，并将其作为今后一段时间内基本建设投 资的重点。 大批城市污水处理项目的上马对控制水污染起到了积极作用，同时也出现如 设计不规范、工艺不合理、运行费用高等问题【3 l ，这些问题的出现一方面影响水 污染控制，另一方面浪费大量资金。为了避免这种情况，使有限污染治理资金能 最大发挥作用，设计符合本地实际条件的自动化、智能化污水处理系统显得至关 重要。同时，在污水处理过程中考虑污水处理回用的问题、减少排放，对城市建 设具有非常深远的意义。 1 2 国内外城市污水处理厂自控系统发展现状 1 2 1 国外城市污水处理厂自控系统发展现状 国外的一些发达国家，如美国、日本、西欧诸国，由于较早实现了工业现代 化，环境问题特别是水资源污染的严重性随之体现出来，也得到了这些国家政府 的重视，投入了大量的人力、物力进行水处理的研究。在研究水处理新理论和工 艺的同时，这些国家也重视污水处理自控系统的研究，先后投资研究高效型、智 能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。经过几十年的努力，污水处理率 己经达到了8 0 - 9 0 ，成功的解决了来自于城市和工业的点源污染问题。 由于控制技术、网络通信技术以及现场总线技术的飞速发展，国外的污水厂 很早便实现了全污水厂的网络控制，如d c s 系统、f c s 系统。较早的将s c a d a ( 数 据采集与监视控制系统) 技术引入到了给水排水工程中，并取得了良好的经济效 益与社会效益。国外同时注重水处理中p l c 的开发，相继研制出了一些智能、稳 定、小巧的控制单元，如a b 公司的s l c 系列、s i e m e n s 的5 7 系列、s e h n e i d e r 的t s x q u a n t u r a 系列；同时国外也很重视在线仪表的研制，如德国e h 公司，美 基于a r m 的智能污水处理系统的研究 国的哈希公司相继研制了溶解氧d o ( d i s s o l v e do x y g e n ) 、化学需氧量 c o d ( c h e m i e a lo x y g e nd e m n a d ) 分析仪。 瑞典歌德堡r y a 污水处理厂就是欧洲污水处理厂的经典模型，该厂采用计算 机系统控制操作，夜间、周末可进行无人操作运行，采用便携式计算机和移动电 话，通过i n t e m e t 辅助操作人员可在任何时候进行监视。设有在线式计算机模拟 装置，可提前6 小时预测系统进流量，对系统工艺进行调整。r y a 还计划使用在 线式计算机模拟装置对主泵站进行控制，并采用气象雷达对污水厂的运行作长期 预测。g y a 自控系统主要有以下特点： ( 1 ) 采用集散控制系统d c s ，按照厂区的自身情况和工艺段来划分若干个 控制站，站与站之间采取上下级关系，设立中控室，中控室有操作员站和工程师 站，负责全厂的数据管理与记录、报表等工作。 ( 2 ) 大量采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实行实时监测，并由 上位机记录下来，提高了测量精度。 ( 3 ) 大量采用遥测、遥控设备，并开始有效地利用社会信息资源，如电话网 络、移动电话网络、国际互联网、气象信息等。 r y a 污水处理厂存在以下不足之处：系统采用远程监视，并大量使用了在线 检测仪表，但是系统在线处理能力设计不足，对采集数据仅仅做记录处理，不能 根据在线检测仪表的检测结果做实时处理：采用计算机模拟装置，提前预测水量 并调整工艺，但是控制系统不能实时调整，控制策略也以专家经验为主，不能精 确控制工艺流程，将导致处理水质不稳定：系统现场人机交互能力不足，对于大 量处理复杂水质的污水，灵活应变能力不足。 1 2 2 国内城市污水处理厂自控系统发展现状 我国污水处理厂自动控制系统起步较晚，七十年代开始应用集中巡检采用热 工仪表，八十年代应用分析仪表和d c s 系统，至九十年代，随着一大批利用国际 贷款的大型污水处理厂在我国建成，使我国污水处理控制系统的自动化水平有了 很大提高。从国内引进污水厂的自动控制系统现状来看，己广泛采用集散式计算 机监控系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺、新设备也大量出 现并得到应用，其中几个大型污水处理厂如天津东郊污水处理厂、沈阳北部污水 处理厂采用法国全套工艺和设备，在系统运行和工艺过程控制等方面都达到了相 当的水准。但就全国范围现状来看，即使在自动化程度较高的处理厂也仍然存在 许多问题。综合来看，我国城市污水处理厂自动控制系统有以下的特点和不足： ( 1 ) 各种类型、不同等级的控制系统和控制方式并存。大部分新建污水厂开 始采用计算机集散式控制系统，但在大量的污水厂中控制系统仍然延续着巡检和 人工方式 2 硕士学位论文 ( 2 ) 开始大量采用可靠性高、维护简便的各种检测仪表和在线水质分析仪表， 为进一步提高污水厂自动控制水平提供了基础条件。但目前使用的大多是进口仪 器、仪表，在使用和维护方面仍存在许多问题。 ( 3 ) 各种新的污水处理工艺不断出现，单元控制系统，如混凝剂投加控制、 生物滤池控制、曝气控制，己逐渐开始采用自动控制方式，各种控制理论开始得 到广泛应用。 ( 4 ) 污水处理厂控制系统的监控和通讯功能在硬件和软件开发利用方面存在 极大不足，妨碍了处理过程的高效、经济运行。许多控制系统的设计和实际工艺 不相符，软件汉化也比较差，给系统正常运行造成困难。 ( 5 ) 国产自控系统、仪表、设备的质量、成套和系列化急需进一步提高，特 别是国内一些复杂高效新工艺的出现，对相应的自动控制设备提出了更高的要求。 从国内城市污水处理厂计算机控制系统的现状来看，目前还没有能够实现工 艺过程全部自动控制的范例。造成这种情况的原因一方面因为国内污水处理工艺 和生产管理水平不高：另一方面是由于控制系统完全进口，在软件修改、计算机 联网上存在困难，影响了系统的合理性和统一性。因此，在吸收国外先进经验和 充分了解研究对象工艺过程的基础上，设计和开发适合本地区生活污水处理厂的 实际情况，同时兼性能价格比较高的计算机自动控制系统是本文的主要工作。其 中：控制参数条件( 控制输入) 以大量在线仪表的检测实时输入，如溶解氧d o 、p h 值、混合液浓度m l s s 、化学好氧量c o d 、生化好氧量b o d 等：控制对象( 控制 输出1 根据系统实时处理结果通讯执行机构，如变频控制水泵，曝气机，投药装置 实时调整：同时系统具备应急能力，紧急状况可以报警并关闭相应工位的电磁阀。 1 3 城市污水处理的控制策略现状 在污水处理系统中采用先进的控制技术，不仅可以提高系统的性能、产率、 可靠性，而且还可以增加系统的稳定性、降低操作成本、加快启动过程等。人工 控制策略在污水处理过程中的应用已经有比较长的历史，早在2 0 世纪3 0 年代，芝 加哥就已经使用了常规的控制技术来控制污泥回流比。随后，最优控制策略逐步 在污水处理过程控制中得到应用：智能控制策略目前虽然使用范围不广，但由于 其独有的智能化优势，它势必将成为今后污水处理的过程控制策略中的主要方向。 1 3 1 常规控制策略 常规的控制策略，其控制手段主要有p i d 控制、比例控制、开关控制、最优 控制等。在污水处理发展的相当长一段时期内，常规控制策略是个污水处理厂的 主要手段，即使各国的污水处理技术取得了长足的进步，一些常规技术仍是相当 多的工艺环节的控制的基本组成部分： 基于a r m 的智能污水处理系统的研究 ( 1 ) 常规p i d 控制：p i d 控制器由比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 三个 单元组成。控制器根据系统误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。 p i d 控制使用灵活、用途广泛，使用中只需设定三个参数( k p 、k i 和k a ) 即可。 p i d 的三个基本元素都各有独特的个性，同时也能很好的合作。如果能很好地理 解它们间的相互作用，就能轻松地调节整个回路。p i d 控制是最早发展起来的控 制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控 制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。 ( 2 ) 比值控制系统：实现两个或两个以上参数符合一定的比例关系的控制系 统。比值控制系统就是要实现副流量与主流量成一定的比值关系。在工业应用中， 比例技术为基本策略之一，尤其是最近5 0 年，随着电液比例技术应用比例技术更 是取得了突飞猛进的成绩，技术水平也取得了实质的提高，同时人们也在注重数 字式比例器件的开发，数字式比例元件将会是未来比例技术发展的一个重要分支。 ( 3 ) 开关控制：在双位控制系统中，执行机构一般只有通和断两个固定位置， 它将系统的控制作用维持在其极限值上而且不断地从一个极限值切换到另一个极 限值构成一种最大力量的控制。开关控制在工业控制中具有非常广泛的应用，控 制方式简单，系统实现难度小。对于自动化程度不高的污水处理厂而言，开关控 制是污水处理的主要控制手段，我国成立较早的许多污水处理厂都大量采用手动 开关装置。 ( 4 ) 最优控制理论：最优控制理论是5 0 年代中期在空间技术的推动下开始 形成和发展起来的。从数学上看，确定最优控制问题可以表述为：在运动方程和 允许控制范围的约束下，对以控制函数和运动状态为变量的性能指标函数( 称为 泛函) 求取极值( 极大值或极小值) 解决最优控制问题的主要方法有古典变分法 ( 对泛函求极值的一种数学方法) 、极大值原理和动态规划。最优控制已被应用于 综合设计最速控制系统、最省燃料控制系统、最小能耗控制系统、线性调节器等。 西安北石桥污水净化中心是西安市区重要的污水处理厂之一，该厂在系统控 制方面非常典型。使用p i d 控制作为污水处理系统的主要控制策略，同时大量采 用开关控制，比例控制，并且应用最优理论来实现污水处理流量的计算。污水处 理效率比西安建设较早的污水处理厂大为提高。但该厂运行中也存在一些问题， 例如污水流量运用最优理论来计算，最优理论针对污水水质变化的情况，实时调 整算法能力不足，人工调整后污水处理效果明显滞后：而在开关控制环节中，电 路中存在感性元件，当开关器件关断时，感应出很高的尖峰电压，易造成击穿电压； 开关器件在很高的电压下开通时，存储在开关器件结电容中的能量将全部耗散在 该器件内，引起过热损坏：二极管由导通变为截止时，存在着反向恢复期，此时 二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易产生很大的冲击 电流。因此，常规控制策略简单易操作，但是其缺点同样很明显，城市污水处理 4 硕士学位论文 技术的改进过程中，使用智能控制策略来实现系统控制是大势所趋，并对污水处 理技术的发展具有深远意义。 1 3 2 智能控制策略 随着科技的发展，许多工程系统于过程变得越来越复杂，其共同特点是多变 量、非线性、时变性和随机性。这样的过程变化使系统具有高度的不稳定性和模 糊性，以致难于建立精确的数学模型，因而也无法根据传统的控制理论进行有效 的控制。智能控制就是利用计算机模拟人脑的思维进行控制，它是人工智能和控 制论的交叉。2 0 世纪8 0 年代以后，智能控制理论与应用得到迅猛发展，智能决策、 专家控制、学习控制、模糊控制、神经网络控制、主动视觉控制、智能规划、和 故障诊断系统等已被应用于各类工业过程控制系统、智能机器人系统和智能化生 产制造系统。模糊控制是智能控制系统的重要分支之一，在实际工程中得到广泛 应用，并且取得了非常好的控制效果。 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言 变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统。因此，模糊控制特别适用于 数学模型未知的、复杂的非线性系统的控制。正是基于模糊控制这些特点，近年 来它已成为污水处理系统的应用热点。1 9 8 0 年t o n g 等首次将模糊控制应用到污水 处理中，将出水b o d ，s s ，曝气池m l s s ，d o 及出水氨氮浓度、回流污泥量等监 测数据作为输入变量输入该系统，“模糊化一以后再与“规则集进行匹配，随 后确定相应的控制手段，最后通过反模糊化得到量化的具体信号来实施控制【4 j 。 j f e r r e r 等采用模糊逻辑控制对曝气过程的节能进行了研究，开发出一种基于模糊 逻辑的曝气控制系统 3 1 ，并在中试规模的b a r d e n p h o 工艺中的主曝气池进行了 试验，与普通的控制器相比可节省能量4 0 。m a n e s i s 等人对一个前置反硝化污水 处理厂进行了模糊控制系统研究【6 】。他们以反应器中氨氮、硝态氮、d o 、温度、 m s s 和二沉池进出水b o d 的差值作为模糊控制系统的输入变量，以曝气区供氧 速率、好氧区向缺氧区的回流速率以及二沉池向反应器的污泥回流速率作为输出 变量，以处理厂操作人员的经验建立模糊控制规则，并在希腊p a t r a s 污水处理厂进 行了仿真，取得了较好的结果。彭永臻等对生物电极脱氮法应用模糊控制，取得 了较好的控制效果【j 丌。在生物电极脱氮反应器中，既有电化学反应，又有微生物 推进的生化反应，很难应用传统的控制理论进行有效地控制。而采用在线模糊控 制器具有构造简单、可行性好、可靠性高和稳定性好，对进水硝态氮负荷变化的 适应性强等优点，有利于避免过量的投加有机物并尽可能节省运行费用。高景峰 等研究了s b r 法的在线模糊控制系统，总结了s b r 法在去除有机物、脱氮除磷过 程中的d o ，o r p 和p h 值变化规律，并在此基础上建立t s b r 法去除有机物和脱氮 的模糊控制器【8 l 。陆杰研究了模糊控制在三沟式氧化沟中的应用，主要对转刷电 基于a r m 的智能污水处理系统的研究 机进行间歇式和组合控制，以此来改变三沟中的充氧量，另外还建立了模糊控制 专家系统【9 l 。吴建辉研究了仿人智能模糊控制在污水处理中的应用，指出该系统 具有较强的鲁棒性和自适应性等优点，但模糊控制的总控制表要经过严格的实践 检验并反复修改才会有满意的控制效果i l 们。 2 0 世纪9 0 年代国外就有学者开始研究采用模糊控制技术来实现污水处理的自 动控制，并取得了有效成果f 1 1 。1 引。施汉昌等人开发了一个用于诊断城市污水处理 厂日常运行故障的模糊控制系统【l3 1 ，该系统采用了正反向混合推理机制，并采用 故障树的形式将知识库中的知识组织形式向用户公开，便于用户使用和对系统的 维护。现已用于北京某污水处理厂中。模糊控制在污水处理系统中的应用研究主 要存在以下方式： ( 1 ) 对污水处理过程中某单一参数( 如p h 值、溶解氧、污泥回流率、n h 4 一n 等) 的控制； ( 2 ) 对污水处理过程中某一反应器( 如厌氧消化器、主曝气池等) 而非污水处 理全过程的控制： ( 3 ) 对污水处理的模糊控制，只使用模糊控制单一控制，没有使用其他智能 手段弥补模糊控制的不足。 但是模糊控制也存在其不足方面，控制精度不高、自适应能力有限、存在稳 态误差、可能引起振荡，缺乏有效的学习机制。照搬模糊控制到污水处理工程中， 将会导致控制效果不理想，不能有效克服模糊控制的缺点。将模糊控制与其他控 制策略结合起来应用到城市污水处理上，并根据工程实际情况提高模糊控制的在 线调整能力，改良模糊规则表，成为充分发挥模糊控制优点的有效解决方向。本 文将模糊控制与常规p i d 结合起来，作为设计污水系统的控制策略。 1 4 本课题的内容和任务 根据绪论部分对城市污水自控系统、控制策略的介绍及比较，论文工作主要 有三部分组成： 第一、分析论述城市污水处理工艺，根据对西安市邓家村污水处理厂生产工 艺现状的分析，提出改进污水处理自控系统来解决常规工艺问题的具体方案。 第二、使用目前较为主流的s 3 c 4 4 b o x 作为系统的中央控制器，同时应用实 时操作系统uc o s - 1 i 作为嵌入式操作系统。通过实时调节各个电动调节阀、电磁 阀、变频器来调整污水处理控制系统的生产过程，提高污水处理效率。 第三、根据污水处理实际情况，采用更接近污水模型的模糊p i d 控制策略来 实现系统决策，建立模糊控制规则表，模糊推理方式，并进行系统仿真比较。 最后对设计污水处理系统进行软硬件联调，进行实验分析，总结本污水处理 系统的优点及不足之处。 6 硕士学位论文 第二章污水处理工艺分析 2 1 污水处理指标 城市污水、生活污水、生产污水或经过工业企业局部处理后的生产污水是城 市污水的主要来源。这些污水除含有碳水化合物、蛋白质、氨基酸、动植物脂肪、 尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。 经处理后的污水，最后出路有三种：排放水体、灌溉田地、重复使用。在工程实际 中，污水水质状况采用以下的几个综合污染指标来表述1 1 4 1 ： ( 1 ) 生化需氧量( b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，b o d ) ，m g l 。表示在有氧条 件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的游离态氧的数量。一般 常用生化需氧量来表示有机物的含量。生物需氧量的测定一般定为2 0 ，现有测定 标准时间为五天或者2 0 天，测定结果为五日或二十日生化需氧量，用b o d s 和 b o d 2 0 表示。 ( 2 ) 化学需氧量( c h m i c a lo x y g e nd e m a n d c o d ) ，m g l 。化学需氧量( c o d ) 表示用化学氧化剂氧化单位体积水所消耗的氧量，能够准确表示出污水中有机物 含氧量。 ( 3 ) 悬浮物( s u s p e n d e ds o l i d s ，s s ) ，m g l 。指不能通过过滤器( 滤纸或滤膜) 的固体物质。污水及水体中悬浮物由水面的漂浮物质、沉于水底的可沉物质和悬 浮于水中的悬浮物质三部分组成。悬浮物采用过滤法测定。 ( 4 ) 浊度是对水的光传导性能的一种测量，其值可表征废水中胶体和悬浮物 的含量。 ( 5 ) p h 值：酸碱污染物主要由工业废水排放的酸碱以及酸雨带来，水质标 准中以p h 值来反映其含量水平。酸碱污染物使水体的p h 值发生变化，破坏自然 缓冲作用，抑制微生物生长，妨碍水体自净，使水质恶化，土壤酸化。工业废水 p h 值一般控制在6 - - 9 的范围内。 ( 6 ) 溶解氧d o ( d i s s o l v e do x y g e n ) 的控制，溶解氧的水平不足会抑制生物对 有机物的降解，产生污泥膨胀；反之，若它的水平太高会增加能耗，导致悬浮固 体沉降性变差。因此，溶解氧的控制很重要，它是通过对输入的空气量( 或氧气量) 的控制，使曝气池中的d o 浓度保持在一定的范围之内( 1 5 - - , - 2 o m g l ) 。 虽然b o d 2 0 精确地描述污水的生化需氧量，但其测定的时间太长需2 0 天。在 2 0 0 c 温度下，污水五日生化需氧量( b o d 5 ) ，约占b o d 2 0 的7 0 - - 8 0 ：化学需氧量 c o d 的特点是能够精确的表示污水中有机物的含量，并且测定时间短，作为在线 测量控制指标；同时，d o 控制的在线测量控制也具有可实现性，已有国外成功应 7 基于a r m 的智能污水处理系统的研究 用先例，可以做在线测量控制指标。因此本文以b o d 5 、c o d 、d o 作为系统控制 过程检测参数，并在相关工艺环节进行控制。 2 2 污水处理工艺分析及相关工位改造方案 2 2 1 污水处理工艺分析 城市污水处理工艺按处理程度大体上可以划分为预处理、一级处理、二级处 理、深度处理和污泥处理。预处理：粗格栅、细格栅、沉砂池；一级处理：初沉 池；二级处理：生物滤池、曝气池和二沉池：深度处理：通用的工艺有混凝沉淀 和过滤，主要目的是为了满足高标准受纳水体要求或会用于工业等特殊用途；污 泥处理：主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋【1 5 l 。本文以西安市邓家村 污水处理厂为研究对象，分析城市污水处理流程。 ( 1 ) 格栅g 污水进入提升泵站之前，要通过现有两套背耙式粗格栅，格栅间 隙为2 5 m m ，宽度1 5 m ，栅渣由螺旋输送器和压渣泵送至地面。螺旋输送机长4 5 m , 流量4 i n 3 d 一台，栅渣压送泵长1 6 m ，流量3 m 3 h ，配电机功率1 5 5 k w 一台。粗 格栅的运行是根据时间来控制。为去除污水中漂浮物质，以保证后续处理构筑物 正常运行。细格栅间建在单管出水井与曝气沉砂池之间，长1 0 6 m ，宽8 0 m 共两 层，一层为彭风机间( 供沉砂池曝气用) 和电气控制间，二层安装d n 5 3 型弧型格 栅共5 台，每台宽度1 0 5 m ，栅条间隙1 0 m m ，自动清渣，配电机功率0 5 5 k w 。 另外，二层还设有事故平板格栅l 台，宽度1 5 m ，手动清渣，间隙5 0 m m ，无轴 螺旋输送机l 台，全长1 1 8 m ，直径2 8 5 m m ，电机功率2 2 k w ，除渣能力5 m 3 d ， 用于将栅渣送出池外。细格栅的运行由时间来控制。 ( 2 ) 污水提升泵房：共计6 台水泵，单台流量为2 0 2 0 m 3 h ，扬程1 3 m ，4 用 2 备。水泵的运转由操作人员根据水池中的液位计数值来手动控制。 ( 3 ) 沉砂池：沉砂池l 座2 格，每格长2 4 0 m ，宽3 3 m ，有效水深3 3 m ： 水力停留时间：平均流量时6 m i n ，高峰流量时4 m i n 。沉砂池上设有长度6 4 m 桥 式除砂机l 台，桥上配有淹没式吸砂泵2 台，流量1 1 0 l s ，功率1 3 k w ，将池底 沉砂抽送入贮砂槽，经砂水分离器( o 7 5 k w ) 脱水后装槽车运出。 ( 4 ) 初沉池：初次沉淀池是一级污水处理厂的主体处理构筑物。处理的对象 是悬浮物质( 约可去除4 0 5 5 以上) 1 6 1 ，同时可去除部分b o d 5 ( 五天生物需氧 量) ，可改善生物处理构筑物的运行条件并降低其b o d 5 负荷。污水经过初次沉淀 处理后，基本可以达到国家规定的城市污水直接排入级水体标准。初沉池共计 2 座，每座直径4 5 m ，旱季流量时水力停留时为2 5 h ，高峰流量时停留时间为1 7 i l 。 ( 5 ) 厌氧池：厌氧缺氧生物滤池是一种内部装有滤料的厌氧缺氧生物反应 器，该厂采用 2 0 ( 厌氧一缺氧一好氧生物脱氮除磷工艺处理工艺) ，该工艺包括 8 硕士学位论文 预反硝化池( 预反硝化回流污泥中的氮) 、用于控制丝状菌生长的选择池以及增强 生物除磷脱氮的内循环过程。a 2 o 系统出水经砂滤池进行最终净化，砂滤池分为 两组，共分1 2 格，每格尺寸为5 5 m 4 3 5 m 。滤料为单层，顶层为砂层，其它支 持层为一定级配的砾石和碎石，滤料的组成如下：项层厚1 2 0 m ，砂层，粒径1 7 2 2 m m ：第二层厚0 1 0 m ，砾石，粒径3 5 m m ：第三层厚0 1 0 m ，碎石，粒径5 8 m m ；第四层厚0 1 0 m ，碎石，粒径1 8 - - , 2 5 m m ：第五层厚0 1 5 m ，碎石，粒径 2 5 - - 3 5 m m ：合计总厚度1 6 5 m 。滤池采用气水反冲洗，主要设计参数：平均表面 负荷9 5 m 3 ( m 2 - h ) ，最高为l o m 3 ( m 2 - h ) ，气冲强度6 0 m 3 ( m 2 h ) 水冲强度 4 0 m 3 ( m 2 h ) 。当砂滤池水位达到一定液位，反冲洗过程即开始，液位计传输必要 的信号，每次只反冲洗一格，每格滤池每天反冲洗一次。反冲洗操作分为三个步 骤：首先是气冲5 1 0 m i n ，然后是大泵开启水反冲洗5 - 7 m i n ，最后是气水联合 反冲，其中气冲3 - - 5 r a i n ，小泵水反冲洗5 7 m i n 。反冲洗水经砂滤池后水流入 反冲洗储水池，在满足反冲洗水量( 最大2 5 0 0 0 m 3 d ) 后，多余的水经溢流堰进入回 用水蓄水池。反冲洗水池中安装一大一小潜水泵，其中大泵为a f p 3 0 0 3 型，流量 为9 5 0 m 3 h ，扬程8 m ，配电机功率3 0 k w ：小泵为a f p l 5 4 3 型，流量为3 5 0 m 3 h ， 扬程8 m ，配电机功率1 6 k w 。另外设置b l s l o o 型罗兹鼓风机2 台，l 用l 备， 风量为1 4 5 0 m j h ，风压为0 1 m p a 。 ( 6 ) 曝气池及二沉池：曝气池是活性污泥反应器，是活性污泥系统的核心设 备，活性污泥系统的净化效果，在很大程度上取决于曝气池的功能是否能够正常 发挥。污水进入曝气池后，在鼓风曝气提供氧气的条件下，污水得到足够的溶解 氧并使活性污泥和污水充分接触。活性污泥是由细菌类、真菌类、原生动物、后 生动物等异种群体所组成的混和培养体，当污水和活性污泥充分接触后，附着在 活性污泥上的这些微生物在有氧的条件下，消耗污水中的有机物，达到去除污水 中有机物的目的，使污水净化。曝气池采用气水比为0 1 - - 0 2 ，b l s 8 0 型鼓风机 2 台，1 用1 备，额定风量6 6 8 m 3 h ，功率1 5 k w 。二次沉淀池是活性污泥系统重 要的组成部分，它的作用是泥水分离，使混合液澄清，浓缩和回流活性污泥。其 工作效果能够直接影响到活性污泥系统的出水水质和回流污泥的浓度。 ( 7 ) 污泥处理：污泥脱水机房平面尺寸为6 5 m 1 5 m ，安装k d l 0 型带式压 滤机2 台( 1 用l 备) ，每台带宽2 m ，处理能力为1 6 - - 2 1 i n 3 h ；国产w k y q a - 2 型 带式压滤机2 台，带宽2 m ，单台能力1 5 1 8 m 3 h ，脱水后污泥含水率小于8 0 。 脱水机房两班制工作，脱水泥饼约1 4 0 m 3 d 。其它附属设备包括：a 2 o 系统1 0 - 6 l 型螺杆泵3 台( 2 用1 备) ，流量为1 5 5 m 3 l l ，电机功率4 k w ，c r 8 8 0 型反冲洗 泵3 台( 2 用l 备) 流量为1 0 3 h ，扬程6 0 m ，电机功率3 0 k w 。中负荷系统n m 0 5 3 1 s 型螺杆泵3 台，流量为1 5 5 m 3 h ，电机功率3 k w ；反冲洗泵3 台( 2 用l 备) ，流量 8 o m 3 h ，扬程为6 9 m ，电机功率3 k w ：s v 3 型自动聚合物投加设备2 套，投加量 9 基于a r m 的智能污水处理系统的研究 为3 - 5 k g f r s s ：0 2 8 5 型无轴螺旋输送机4 台长度1 0 m ，分别与压滤机配套。 捧出 图2 1 原污水处理系统工艺流程图 2 2 2 污水处理流程改进方案 通过城市污水处理厂原工艺的分析，现有污水处理存在以下问题： ( 1 ) 污水处理系统自动化控制程度低，大量使用污水处理机械设备，但是全 厂没有统一的自动化控制系统，各工艺环节生产设备在污水处理过程中调整能力 差，某一环节出现故障，直接影响系统出水水质。 ( 2 ) 污水处理系统对工艺处理环节不能根据实际情况采取动作，对相关参数 的控制严重滞后，整个系统出水的水质不稳定，甚至污水处理效果不理想。 ( 3 ) 现有污水处理厂大多没有考虑处理水回用问题，处理后水质以污水排放 标准为目标，基本能够满足污水治理的要求，但是不能实现水资源循环使用。 ( 4 ) 系统应急机动能力差，一旦出现紧急状况，只能人工手动处理，控制效 果往往不理想，甚至会出现生产事故。 综上所述，本文设计基于a r m 的智能污水处理系统，采用t t c o s i i 作为污水 处理操作系统。污水处理系统将污水处理量作为污水处理系统的整体参数，通过 调整污水处理量来实现系统控制调节。具体的工艺环节本文又分别以d o 、c o d 、 液位高度为控制参数