（环境工程专业论文）基于多传感器信息融合的活性污泥过程控制研究.pdf

学位论文版毅使精爱投书 本学经沦文 事者完全了解学校有关傈留、霞鬻学藏论文憝麓定，同纛学谴镰 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被巍阅和借 阕。零a 授较江苏大学可苏将搴学位论文静垒帮癌窖域帮劳内容编a 有关数据痒 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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不缣囊啄。 学位论文作者躲旆铱 o 。丫年6 胃 日 指导教师签名 2 一 p 年0 月w 目 本人郑重声鳃：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。s a 完 全意识到本声明的法待结果由本人承担。 学位论文作者签名 竹懈、 i 日期：2 r 畔年易月f r 目 江苏大学硕士研究生学位论文 摘要 现有活性污泥法污水处理系统控制是针对一些可直接测量的物理化 学指标进行的，这些指标往往不能直接表征系统或过程状况，因此基于这 些指标的直接控制也就带有盲目性活性污泥是降解污染物的主体，只有 将这种污泥降解底物过程以及污泥活性等信息作为依据，才能做到该系统 准确控制，才能对污泥活性的各种扰动做出准确、及时的应对。 通过详细的实验，分析了常用传感器( p h 、d o 、o r p 、电导率等) 所蕴含的活性污泥降解底物过程和降解活性信息。数据分析表明，每种传 感器都能部分地反映相关信息，并且其适用情况和表达的重点各有不同。 活性污泥呼吸速率在降解底物过程和降解活性的表达上具有十分重 要的意义。通过对呼吸速率测定原理的详细探讨，建立了呼吸速率软测量 模型。通过这种软测量方法，实现了呼吸速率的在线测量，在此基础上也 实现了底物浓度b o d 的在线软测量。 研究表明，各种传感信息所构成的关联能够反映出活性污泥系统的过 程信息，结合呼吸速率，底物浓度b o d 的软测量信息，可以准确判断反 应终点，根据微生物的需要恰当地控制曝气流量，实现其他一些应急状况 的控制。 针对序批式活性污泥法( s b r ) ，建立了模糊控制模型，采用模糊规 则实现信息的关联。通过对几种不同控制策略的实验分析，我们可以清楚 地看到基于微生物活性控制策略的优越性。 另外，根据我们的研究和控制要求，建立自动控制及数据采集实验平 台。该实验平台的整体结构设计具有较强的柔性化特点；硬件上采用i p c 工控机和p c l 系列a d 、d a 板卡，满足了高实时性、高精确性、连续工 作、快速响应等要求；软件上充分利用m a t l a b s i m u l i n k 强大的数据处理和 建模能力，建立实时软测量模型和控制模型，以上的研究都是在此平台上 进行。 关键词：活性污泥、实时控制、信息融合、呼吸速率、微生物活性、软测量 江苏大学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s sc o n t r o lo fa c t i v a t e ds l u d g ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e m ，t h e c o m m o nc o n t r o ls t r a t e g yi sb a s e do nt h ep h y s i c a la n dc h e m i c a ls i g n a l s s u c h s t r a t e g yi s n t s u i tf o rt h em i c r o o r g a n i s mp r o c e s s ，a n di ti sd i f f i c u l tt om a k e s o m ec h a n g ei nt h es t r a t e g yw h e ne n c o u n t e rw i t hs o m ed i s t u r b a n c e e x p r e s s e s t h es u b s t r a t er e m o v a l p r o c e s sa n db i o m a s sa c t i v i t y f r o mt h ep o i n to f m i c r o o r g a n i s m ，w ec a n c o n t r o lt h es y s t e mp r o p e r l y t h i sp a p e rt a l k sa b o u tt h ep r o c e s sc o n t r o lf r o mt h ep o i n to fv i e wo f m i c r o o r g a n i s m b yt h em e t h o do fm u l t i s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o n ，w ee x p r e s s t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si n f o r m a t i o nc l e a r l ya n dr o u n d l y ，d e p e n do n t h i s ，w ec a nj u d g et h et e r m i n a t i o no ft h er e a c t i o n ，c o n t r o la d e q u a t ea e r a t i o n i n t e n s i t y ，a n dh a v et h ea b i l i t yo f a l a r ma n dc o n t r o li ne m e r g e n c y a i ma to u rr e s e a r c h ，w eb u i l dt h es u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m f i tf o rd i f f e r e n tw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s ，t h es t r u c t u r eo ft h e p l a t f o r mi sf l e x i b l ea n dt h es o f t w a r es y s t e mi se x t e n s i v e u s et h ei p ca n dp c l ， t h es y s t e mh a v ea b i l i t yo fc o n t i n u o u sr u n n i n ga n dk e e pa c c u r a c y w eb u i l dt h e c o n t r o lm o d e lb yt h er e a l - t i m ew o r k s h o pt o o l b o xo fm a t l a b t h r o u g ht h e e x p e r i m e n to fs i n g l es e n s o rw ef i n dt h eb e s ti n f o r m a t i o nt oe x p r e s st h ep r o c e s s o fs u b s t r a t ed e g r a d a t i o na n dm i c r o o r g a n i s ma c t i v i t y r e s p i r a t o r yr a t eo ft h e b i o m a s si sa ni m p o r t a n ts i g n a lt oe x p r e s st h ep r o c e s so fd e g r a d a t i o na n d m i c r o o r g a n i s ma c t i v i t y w es t u d yt h ep r i n c i p l e so fr e s p i r o m e t r yi na c t i v a t e d s l u d g ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，a n db u i l dt h es o f tm e a s u r i n gm o d e lo fr e s p i r a t o r y r a t e b yt h em e t h o do fs o f tm e a s u r i n g ，w er e c e i v e dt h eo n l i n es i g n a lo f m i c r o b i a lr e s p i r a t o r yr a t e i nt h ee n d ，w er e a l i z ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s c o n t r o lb a s e do nm u l t i - s e n s o ri n f o r m a t i o nf u s i o n a n db u i l dt h ec o n t r o lm o d e l t h r o u g ht h ee x p e r i m e n to fd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g y ，w ec a nr e a l i z et h e a d v a n t a g eo ft h es t r a t e g yb a s e do nm i c r o o r g a n i s ma c t i v i t y k e yw o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g e 、r e a l - t i m ec o n t r o l 、i n f o r m a t i o nf u s i o n 、 r e s p i r a t o r yr a t e 、m i c r o o r g a n i s ma c t i v i t y 、s o f tm e a s u r i n g 2 - 江苏大学硕士研究生学位论文 第一章序言 1 1 研究背景 随着我国国民经济的发展和城市化进程的加速，各种污水处理厂不断 新建和扩建，在这些现有的城市污水处理厂和工业污水处理厂中，好氧微 生物处理法占了很大的比例【1 1 1 2 i 。但是，由于运行过程中的自动化水平低下， 控制手段贫乏，控制策略落后，这些污水处理厂的处理能力、处理效果和 处理费用往往与国外同类污水处理厂相比有着定的差距。近阶段的研究 表明，在污水处理厂实现自动控制，可以节省大量人力和物力。而在此基 础上的污水处理过程的优化控制，能够在更大程度上提高污水处理系统的 处理能力和处理效果，节省运行成本，其经济效益相当可观l ”。 另一方面，如何通过对污水处理系统的优化控制保持反应器中的微生 物菌群有较高的处理能力；在进水组分与负荷变化的情况下，采用何种控 制策略维持系统处理的稳定性与运行的经济性，这些问题在活性污泥法应 用以来一直困扰着操作与研究人员。其焦点在于反应器中的微生物生态系 统和微生物反应过程的复杂性，这就给广大工作者了解微生物状态，找出 相应的在线控制变量带来了很大的难度1 1 捌州。 在传统的控制策略中，往往都是采用一些不能反映微生物状态的物理 或化学信息来控制反应过程p i l l i 。基于这些控制变量的控制策略在控制过程 中必然将脱离微生物的状态，其控制过程也是相对盲目的。比如在传统的 s b r 工艺中，一般使用固定的时间来控制反应终点。相对于非稳态的进水 组分及负荷，这种终点控制方法是毫无根据的另外，在曝气强度的控制 上，离开了微生物对底物降解过程与降解活性的表达，其控制过程也是十 分困难的。其他的一些变量，例如：溶解氧、p h 值虽然与微生物有着较为 直接的关系，但是其也只能在一个侧面反应微生物的生长环境，并不能全 面地反映微生物处理污水的整体过程。 因此，在这样的背景下，迫切需要有一些能够反映微生物状态的在线 变量作为控制变量。通过这类的控制变量来实现从微生物活性角度的控 制。只有这样的针对微生物活性状态的在线信号，才能从微生物的角度反 映出微生物对底物的降解过程和降解活性。 5 江苏大学硕士研究生学位论文 1 2 研究目的和意义 现阶段对于污水处理系统的控制策略一般是针对一些易测信息，这些 易测信息可以通过一些现有的传感器进行实时测量。因此，这样的控制策 略应用十分广泛。但是这些简单的，不能反映运行过程中微生物状态的物 理量往往不能正确地反映出微生物降解废水过程中的底物的状态，不能确 切地标识出反应的终点，不能适当地控制曝气量。对于微生物系统出现中 毒、死亡等异常情况也不能在第一时间做出警报。 在这里，我们希望能实现针对微生物活性的污水处理过程控制。这样 的过程控制，是建立在对微生物状态、微生物对底物降解过程的正确表达 的基础上。只有获得了从微生物活性角度的在线信息，将其作为控制变量， 才能实现这样的基于微生物活性的过程控制。 因此，本研究的目的有两个层次：首先，通过软测量的方法，实现对 一些能反映微生物状态的物理量的在线表达。其次，在此基础上进行多传 感器信息融合，实现基于微生物活性的污水处理过程控制。 本次研究在好氧微生物呼吸速率在线测定方法的研究，基于微生物活 性的控制，以及在污水处理过程控制的实际应用中都有十分重要的意义。 通过对呼吸速率理论的细致研究，实现了对呼吸速率的在线软测量。这样 的对呼吸速率的软测量方法能实时得到呼吸速率的在线测量信息，可以应 用于实际污水处理过程控制中在基于微生物活性的控制中，通过从微生 物角度表达出污水处理过程中对底物的降解过程和降解活性，可以更准确 地把握污水处理过程中微生物的状态，对污水处理的反应终点做出更准确 地判断。同时，也可以通过微生物对底物降解过程中的微生物活性信息， 更准确地实现对溶解氧水平的控制，达到在反应速率和经济效益上的双重 目标。另外，通过综合判断我们还可以在第一时间对微生物的中毒或者污 泥的异常状态发出警报，以供用户及时采取应对措施【7 l i s l “。因此，基于微 生物活性的控制策略，将实现对污水处理过程更深层、更智能化的控制， 以求得到能耗最低、出水达标、系统稳定的效果。 6 江苏大学硕士研究生学位论文 1 3 研究内容 首先，这一切的研究必须要在一个高实时性、高精确性、连续工作、 快速响应的实验平台上进行，所以构建一个污水处理的自动控制及数据采 集平台是一切研究工作的基础。只有依靠这样的实验平台，我们的实验才 能顺利进行，并且将实验数据完整的采集下来，以进行详细分析。 基于多传感器信息融合的微生物活性研究，是建立在对单个易测信息 研究的基础上的，因此首先要弄清一些常用的易测信息的内在含义，以及 其在微生物对底物的降解过程中所能表达的活性信息。另一方面，也要找 出这些物理量的变化对微生物生长过程的影响，也就是对微生物的底物降 解能力的影响。 微生物的呼吸速率很大程度上可以表达出微生物的生长和代谢活性， 在信息融合过程中也是一个十分重要的信息。但是现在国内外对呼吸速率 的在线测量技术还处于刚起步阶段，因此如何得到在线的微生物呼吸速率 的测量值是本次研究中的难点。 最后，将对单个在线传感器所能表达的活性信息通过梳理和约简表 达为模糊规则的形式。使用m a t l a b 的f u z z y l o g i c 工具【1 1 12 1 ，通过模糊融 合的方法，实现基于微生物活性的污水处理过程控制策略。然后将其用于 对活性污泥的过程控制中去，与传统控制策略的进行比较，做出相应的过 程分析。 1 4 相关研究的国内外现状 在国内，对于这样的采用多传感器信息融合的方法获得活性污泥活性 方面的信息，并进行基于微生物活性信息的控制策略的研究，尚未见报道。 在国内的其他一些研究中，使用了某些单个指标来表示微生物活性i 】j j i l l 1 6 1 ，用这些常见的物化指标来控制生物过程，并未从微生物的角度进行研 究。也使用了一些方法进行呼吸速率的测量，在一些领域中已经取得了一 些成果【1 4 1 l ”| b 9 l ，但是很多实验都没有从实际污水处理过程控制的角度进行 分析，研制的呼吸速率测定仪不能从完全意义上得到在线数据，很难应用 到现有的污水处理控制中在另外的研究中，从生物污泥模型出发，采用 纯经验的表达式，其结构与酶催化反应动力学模型结构一致i m l l ”】，使用 ， 江苏大学硕士研究生学位论文 这种稳态的模型来代替实际的非稳态生物过程显然有片面的地方。 国外学者一直致力于控制变量选取的研究。k r i s tg e m a e y 等，已开始 研究类似的多传感器对硝化反硝化过程的控制1 2 3 i i “1 。p e t e rv a n r o l l e g h e m 等， 在活性污泥在线实时控制，以及呼吸仪的相关研究已相当详尽1 2 5 1 2 6 】【2 7 1 2 8 1 1 2 9 1 在活性表达上，也有人进行了相关的研究，但是他们基本上都是使 用了单一呼吸过程来表征活性，还是有很多问题需要进行深入探讨1 3 0 1 i 。 另一方面，由于微生物的呼吸速率在微生物活性含义的表达上的特殊的地 位，国外在基于呼吸仪的研究上发展也十分迅速，这方面的研究主要集中 在下面几个问题上：l ，关于呼吸速率测量的背景基础研究【3 2 1 【3 3 】【3 4 i 。2 ，呼吸 速率测量原理1 2 5 l f ”m 1 17 i 。3 ，基于呼吸速率的控制策略1 2 6 1 1 2 9 1 1 3 ” 3 9 1 1 4 0 1 。4 ，基于 呼吸实验的模拟合动力学参数估计1 4 1 1 1 4 2 1 1 1 0 1 1 4 3 1 。5 ，基于呼吸的有毒物质的监 测f 7 s 】1 9 h ”1 。6 ，其他一些研究内容1 1 4 5 1 1 4 6 1 ，如废水的可生物降解性等。 1 5 本研究的创新之处 l ，根据研究的要求构建污水处理自动控制与数据采集平台。在软件平 台上，充分利用了m a t l a b 强大的科学计算能力和建模能力；硬件上，选用 了i p c 和p c l 系列板卡，组建了十分适合于科学研究的自动控制和数据采 集系统。该实验平台模块化特点清晰，组合性强；实时数据采集能力突出， 连续运行能力强；控制方式灵活，科学研究的实验性很强。 2 ，通过对单个传感器信号的细致的实验研究，找出这些单个信号在反 映微生物活性以及底物降解过程中的内涵信息。研究传感器适合表达的活 性的范围和适用情况，以获得最全面的信息融合。 3 ，仔细研究呼吸速率测量原理，使用软测量的方法，提出了对活性污 泥呼吸速率的在线软测量。在对呼吸速率软测量的基础上，实现了对b o d 的在线软测量，这样的对微生呼吸速率和底物浓度的在线软测量，对于基 于微生物活性的控制具有很大的意义 4 ，使用多传感器信息融合的方法，将上述的软测量信息和其它的在线 传感器的信息实现模糊融合。得到基于微生物活性的控制策略，并实现对 污水处理的智能控制。这样的将信息融合技术应用到污水处理领域，并且 取得了具有实际价值的研究，对于我国的污水处理过程控制的发展具有一 定的意义。 8 江苏大学硕士研究生学位论文 第二章污水处理自动控制及数据采集实验平台的建立 在本次研究中，需要仔细分析和研究单个传感信号所能表达的活性信 息；需要针对好氧微生物在不同的底物负荷下，微生物对底物的降解过程 和降解活性的研究，需要提出对微生物活性的表达方法，研究适合当时微 生物状态的控制策略。从事这一系列的研究，对实验平台的要求很高，需 要有高实时性、高精确性、连续工作、快速响应等特点。同时，我们需要 组合不同类型的污水处理工艺，并逐步探讨对其控制方法的优化。因此， 需要建立具有柔性工艺、实时数据采集并且可以做出相应的自动控制的实 验系统平台。 2 1 自动控制及数据采集系统的意义 国内外污水处理厂自动控制技术的应用已经相当广泛，特别是近年来， 伴随工业自动化技术、系统控制设备和机电仪表设备的发展，污水处理厂 的整体自动控制系统在国内( 尤其是大中型城市) 也正迅速地形成。从自动控 制机构的组网结构来看，由中央管理微机作为主站，现场p l c 或i p c 作为 从站，组成的两层分布式监控系统为国内污水处理自动化系统的主导形式。 由现场p l c 或i p c 直接对各类传感器、变送器进行数据采集，对执行机构 发出控制信号，而中央管理微机主站则起到数据管理，以及各从站之间的 数据通讯和总体协调调度的作用。这样由p l c 、i p c 和s c a d a 软件组成的 控制系统是符合我国国情的，正在污水处理领域内迅速地发展并完善起来。 自动控制系统的高效率、高稳定性及其广阔的发展前途将对我国的污水处 理的发展有着重要意义i ”。 污水处理过程是一门涉及生物、化学、物理等多门学科的综合性技术， 其工艺机理复杂，尤其在生物法处理污水过程中，各种运行参数的调节将 直接影响微生物的生长情况，势必影响污水处理效果。对污水处理过程中 的各种反应参数( 温度、溶解氧浓度、氧化还原电位、p h 值、污泥浓度等) 的实时采集和分析，将对污水处理工作者了解、掌握和控制污水处理过程， 调节微生物的活性，合理控制好各种现场设备( 曝气机、水泵、污泥泵、 进出水阀等) 的复杂运作有着重大的意义。对于各种运行数据的采集过程， 则需要使用工业级的在线传感器。近些年来，传感器技术的发展，以及信 - 9 江苏大学硕士研究生学位论文 息融合方法、软测量思想的提出，使我们对实验过程的各种运行条件、物 理化学参数以及生物化学反应的进程都有了更深入的了解。通过各种数据 采集板卡的信号输入和保存，我们可以详细而又实时的记录实验数据和反 应状态，并同时采用相应的控制策略，对反应过程进行合理的控制。 对于高精度、长时间、连续性强的污水处理实验来讲，自动控制和数 据采集实验平台是不可缺少的。这也有利于实验过程和实际工程运行更加 接近，因此，无论对实际污水处理厂的运行和控制，还是对我们的研究过 程，构建这样的自动控制和数据采集系统有着十分重要的现实意义。 2 2 硬件实验平台的构建 2 2 1 硬件实验平台的柔性化设计 一个优秀的实验平台必须具有较强的柔性化特点，可以根据用户的需 要变换出不同的工艺流程。在好氧微生物法中，普通活性污泥法和序批式 活性污泥法是两种最基本的处理工艺，因此我们的实验平台以这两种工艺 为基础，同时可以灵活的组合出其他的一些污水处理工艺。 模块化设计是实现硬件平台柔性化设计的基本原则，整个试验系统按 照功能可以划分为两个子系统，分别是计算机监控与数据采集系统和污水 处理工艺系统；五大模块，分别是污水处理工艺系统单元( 反应器) 模块， 执行器单元模块，水质监测单元模块，i 0 模块和计算机网络模块。由于硬 件平台采用模块化设计的原则，因此可以方便地扩展各个模块的功能。例 如，根据研究对象的需要，通过改造和重新组合工艺系统单元的反应器， 就可构筑各种污水处理工艺流程，如：s b r ，c s t r ，a o 等工艺系统，而 与工艺相对应的执行器单元、监测单元和i o 模块也可根据工艺系统的需 要，进行调整和扩展。这样，就可以在这一柔性试验平台上实现多种污水 处理工艺实验系统的设计和运行( 见图2 1 ) 1 0 江苏大学硕士研究生学位论文 盘品县 c s t r 透气一 图2 1污水处理综合试验平台工艺系统 同时各个模块均遵循通用化接口设计原则，保证硬件之间进行连接的 良好兼容性，从而可以柔性地构筑不同的工艺系统和监控系统，实现不同 的系统功能。由于本课题研究的目的是以实验为手段，探索活性污泥活性 的在线表达方式，并且提出基于微生物活性的控制策略。我们希望实验研 究成果能应用于现代污水处理的工程实践中。因此，在硬件平台的设计过 程中，为了能够真实地反映实际污水处理系统的运行和操作控制的特点， 充分考虑实验工艺系统与实际工艺系统的相似性问题。具体作法如下：按 照工业过程集散式控制的思想构筑实验室污水处理s c a d a 系统，实验平台 的硬件采用符合工业过程控制标准的现场工艺设备，监测仪器仪表，i o 设 备和工业控制计算机系统。 江苏大学硕士研究生学位论文 2 2 2 实验平台的硬件选择 硬件平台上，在污水处理厂的实际应用中，一般都采用由中央管理微 机和现场p l c 组成的两层分布式监控系统，p l c 控制系统由于其高度稳定 性、可靠性以及快速的响应能力成为国内污水处理自动化系统应用的主导 形式。 但是p l c 控制系统对于科研性实验平台并不适合，其数据处理能力有 限、辅助性的计算能力较差、变化模型时需要修改程序，过程较为繁琐。 因此我们在这里选用了以i p c 为现场级控制站，通过a d 、d a 板卡实现 与现场控制元器件的通讯，使用科学计算能力强大的m a t l a b 的s i m u l i n k 工 具箱建立相应的数据采集和控制模型，实现这种基于i p c 的控制。这种控 制实现方法的优点在于把计算和数据处理等工作交给了计算机进行，合理 的利用了计算机及其软件的强大的计算能力。 2 2 3 自动控制系统设计 下面我们简要介绍污水处理控制系统的设计和实现。结合污水处理过 程的特点，实验室污水处理系统选用的设备、仪器仪表以及控制元器件都 具有较强的耐酸碱性和耐腐蚀性。污水处理工艺过程自动控制系统的硬件 构成由三部分组成： ( 1 ) 执行机构 执行机构是水处理系统工艺流程的基本构成和运行单元，包括各种泵、 风机、电磁阀、搅拌器、滗水器、气体流量控制器等。 ( 2 ) 在线水质监测单元 在线水质监测单元是检测工艺运行情况的单元，为满足系统自动控制 的要求，均选用高精度，性能稳定的在线监测仪器仪表。包括；c o d 分析 仪，o r p 传感器，p h 传感器，d o 传感器，电导率传感器，温度传感器， 超声波液位仪，多功能水质监测仪等。 ( 3 ) 监控子系统( 控制和数据采集单元) 监控子系统是执行单元，负责对污水处理系统的运行情况，如：进出 水水质、水量情况的实时监测，以及对各种操控设备实施在线控制，该单 元主要包括下位机工作站，各种输入输出( i o ，i n p u t o u t p u t ) 模块、在线 水质监测仪器仪表和控制执行器。信号采集和处理单元是整个工艺过程自 动控制系统稳定运行的核心和关键，为保证系统连续稳定高效地运行，我 1 2 江苏大学硕士研究生学位论文 们选用一台i p c 6 1 0 研华工业级过程控制计算机作为工作站，它与安装在机 器上的i o 模块一起，构成系统的计算机监控和数据采集平台，即现场操作 站。 如表2 1 所示。 序号名称规格或型号数量备注 l工作站i p c 6 1 01研华 2 a d 卡 p c l 8 1 3 bl 研华 3i o 卡p c l 一8 1 2 p g4 研华 4d a s 卡 p c l l8 0 0l 研华 5接线柜l 自行研制 6 各种接线与端子板配套研华 表2 1系统工作站和i o 模块 该单元不仅负责采集各执行机构的状态信号( 开关量、流量、转速、温 度等) 与在线水质监测仪器信号( 电导率、p h 、d o 、c o d 等) ，同时还 负责将系统控制信号转化为数字量、模拟量信号，传输给执行单元进行相 应的开关、流量、温度、曝气量等控制，以及对整个系统进行连续控制。 2 2 4i ，o 模块的选择 由于真实的污水处理系统是对输入的响应滞后性较大，短则几分钟，长 则数小时。对于过程输入数据的采集，采样频率要高一些，而对于过程输 出数据的采样，频率可以低一些。选用一般的数据采集板卡就能满足要求。 关键之处在于板卡的性能与质量，及其与计算机软硬件的兼容性问题。在 这里，我们选用研华高速多通道数据采集板卡p c l 。8 1 2 p g 、p c l 8 1 3 b 和 p c l 1 8 0 0 作为数据采集和控制信号传输的i o 模块。具有以下优点： ( 1 ) 与现场控制层的下位机i p c 6 1 0 同属于研华公司的产品，不存在硬 件冲突的问题； ( 2 ) 板卡提供对m a t l a b s i m u l i n k 实时控制内核的支持； ( 3 ) 板卡具备光电隔离保护功能，可以有效地防止现场各种干扰信号 对于数据采集和传输的影响。 2 2 5 监控平台的配置 利用m a t l a b s i m u l i n k 的r e a l t i m ew o r k s h o p 工具箱咖1 编制具体工艺 流程的控制模型，通过i o 模块，实现对工艺现场的各种泵、电磁阀、气体 流量计、可调溢流器、搅拌器、滗水器和其他执行机构的控制和水质参数 的在线监测。 1 3 江苏大学硕士研究生学位论文 监控平台主要实现两个功能： ( 1 ) 起到虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的作用，对数据采集板卡输入 的各种数字量、模拟量信号进行处理，将工业标准0 4 2 0 m ad c 电流量和 o 5 vd c 电压量转化为工艺系统中各执行机构的状态参数和水质监测仪器 的测量值，从而实现系统的监测功能。 ( 2 ) 实现工艺系统的自动控制，将现场设备的控制参数转化为模拟量 或数字量电信号，通过i o 模块，写入被控设备的信号接口，从而实现工艺 系统的自动控制。 2 2 6 工艺系统数据采集的实现 现场采集的数据包括： ( 1 ) 执行机构的状态参数，如泵、风机、电磁阀的起停开关情况，计 量泵的流量，气体流量等。由于这些状态参数实际上也是被控参数，故对 于这些数据的采集工作亦可由上文中描述的自控过程完成，以达到节省i o 板卡数量的目的。 ( 2 ) 在线水质监测参数，如温度、p h 、d o 、电导率、o r p 、c o d 等， 二次仪表的信号输出为工业标准0 4 2 0 m a 模拟量电流信号。 这些信号可以分为两大类，即：数字量和模拟量电压电流信号。通过内 置在下位工控机上的数据采集板卡，具体采用研华p c l 8 1 2 p g 和 p c l 1 8 0 0 ，实现对以上信号的采集，如表2 2 所示。 d oo r p 电导率c o d 监测项目 p h ( m 刚) ( m v )( u s ，o n ) ( m g n ) g l i - e 3 3 a lg l i e 3 3 a lg l i e 3 3 a lg l i e 3 3 a 1l a r e l o 监测仪器 5 4 0 0r c l r 5 np c i r l n 3 7 0 0x 1 0 0 仪表数目 2l 2 l1 p c l 8 1 2 p gp c l 8 1 2 p gp c l 8 1 2 p gp c l 8 1 2 p gp c l s l 2 - p g i o 板卡 a da ，da ，da da d c h a i h e llc h a n n e l4 通道 c h a i n e l3c h a n n e l6c h a i n d7 c h a n n e | 2c h a n n e l5 表2 2在线水质监测仪器及数据采集通道 1 4 江苏大学硕士研究生学位论文 2 2 7 工艺过程自动控制的实现 s b r 污水处理工艺被控设备和被控量如表2 3 所示为实现系统优化后 的自动控制，根据工艺系统的具体运行情况，将被控量的参数值写入相应 的i o 板卡通道，即可实现s b rt 艺系统的自动控制。 被控设 进水计量 气体流量进水电进气电滗水器步 备名称 泵 排泥泵 控制器磁阀 磁阀 进电机 g a l a 0 2 0 0g a l a 0 2 0 型号 p p e 2 0 0 u a0 p p e 2 0 0 ud 0 7 - 9 c z mz c t s 1 5z c t s - 1 5z c t s 1 5 0 1 1 0 0 0a 0 1 1 0 0 0 电机转速 被控量流量流量流量 开关 开关 及方向 控制信数字量脉数字量脉0 5 v 模拟 数字量 数字量 数字量脉 开关信开关信 号冲信号冲信号量信号冲信号 号号 i o 板 p c l 一8 1 2 pp c l 8 1 2 p p c l 8 1 2 p c l 8 1 2p c l ，8 1 2 p gg p c i ，1 8 0 0 p gp gg 卡d | 丸 d od o d o d od 0 c h a n n e ic h a n n e l 通道 c h a n n e llc h a n n e l 3c h a n n e ilc h a n n e l 6 45 采样频 蛊 l k h zl l k h zl k h z l k h zl 舭 控制调 o 2 0o 2 00 r 1 0 0 o n o f fo n o f f - 3 0 h z 节范围 l r a i ni m i ni m i n3 0 h z 表2 3 $ b r 工艺自动控制系统 2 3 软件平台的选择 在软件平台的设计中，应该要与所选用的硬件结合起来考虑。对于一般 的p l c 系统，都有与之相配套的软件系统，来驱动相应的硬件。在这里， 对于我们使用的p c l 板卡，在m a t l a b 实时工作环境中已经提供了相应的驱 动程序，因此我们可以自行编写控制模型来和p c l 板卡进行通讯，实现数 据采集和数字量、模拟量的输出。 m a t l a b 是m a t h w o r k s 公司开发的一款功能强大的科学计算、建模和仿真 软件。m a t l a b 提供的动态系统建模和仿真工具s i m u l i n k ，则是众多建模和 仿真工具中功能最强大的、最优秀的一种1 4 7 1 “1 1 ”1 1 圳。其模块化的建模思想， 可视化的建模界面，功能丰富的工具箱给用户提供了非常简洁和强大的建 - 1 5 江苏大学硕士研究生学位论文 模和功能。同时，它也延续了m a t l a b 强大的数学运算功能。s i m u l i n k 的建 模过程是对动态系统的交互式建模，可以随意而又方便的改变模型的参数 并且马上就可以看到改变参数后的结果。m a t l a b 中的分析与可视化工具多 种多样并且易于操作，可以支持线性和非线性系统，连续和离散时间模型， 或者是两者的混合，系统还可以是多采样率的。 对于我们所用的实时控制系统，需要使用r e a l t i m ew o r k s h o p 工具箱， 它可以将s i m u l i n k 仿真或控制模型转化生成用户定义的、更优化、更高效 的程序代码，或者运行一个实时目标程序( r e a l t i m e t a r g e t p r o g r a m ) 。在 s i m u l i n k 的外部模式下，运行监视器与实时目标程序的工作方式有所不同， 可以在外部模式的人机界面上实现信号监测和参数调整的功能。 s i m u l i n k 实时工作环境( r e a l t i m ew o r k s h o p ) 自动地直接从s i m u l i n k 的 模块生成c 语言代码，这就允许连续、离散时间模型或者混合系统模型运 行于各种计算机平台，其中包括实时硬件1 4 7 1 1 4 s l ”1 1 5 1 1 。实时工作环境一般可以 起到以下的作用： ( 1 ) 快速建模：作为一个快速建模工具，实时工作环境使的用户可以 快速实现自己的设计，而不是用手工编写复杂的代码进行调试。控制、信 号处理和动态系统的算法可以通过开发图形化的s i m u l i n k 模块图，并且自 动生成c 语言源代码来实现。 ( 2 ) 嵌入式实时控制：一旦一个系统已经用s i m u l i n k 设计出来，就可 以生成实时控制器或数字信息处理器的代码，然后可对代码进行编译、链 接，最后装载到目标处理器中，实时工作环境支持p c l 板卡，嵌入式控制 器，以及各种多用户和商业开发的硬件 ( 3 ) 实时仿真：对循环中硬件仿真，可以为整个系统或指定的分系统 创建和执行代码。典型的应用包括训练仿真器，实时模型验证和测试 1 6 江苏大学硕士研究生学位论文 第三章单个传感器信号所能表达的活性信息 基于多传感器的活性污泥活性的研究，是建立在一些简单易测传感器信 号的基础之上。活性污泥微生物在生长和降解底物过程中，有很多信息是 可以通过不同的传感器来捕获。这些单个传感器所捕获的信息或多或少地 可以从某些角度体现出微生物的活性情况，因此对这些常用传感器信号的 分析是十分重要的。通过对这些传感器的测量机理及传感器信号信息分析， 我们将提取在线信号中的深层次内涵，这正是组成模糊融合过程中的模糊 规则的经验性知识部分。 3 1 在线监测传感器发展 在现代化的污水处理厂中，实现计算机自动控制已成为必然的趋势，而 其控制策略的制定，及其控制变量是否能切实地反映污水处理过程，都需 要我们能及时准确地了解污水处理的状态。实际污水处理厂进水水质经常 产生变化，活性污泥处理过程中的生物化学反应过程复杂，微生物生长条 件要求较高。其过程势必需要高精度、高稳定性的在线测量传感器为污水 处理厂的全过程的各个阶段的许多基本参数提供精确可靠的测量，以实现 对其过程的监控。 传感器种类繁多，按信号的转换效应来分类，可分为物理型( 利用诸物 理效应) 、化学型( 利用诸化学效应) 、及生物型( 利用生物效应、微生 物、机体组织等) 传感器；而在应用中通常较多按用途来进行分类，如溶 解氧传感器、温度传感器、p h 传感器等等。我们的污水处理中使用的传感 器种类繁多，包含了物理型，化学型，及生物型的传感器。 污水处理过程中的主要对象是化学物质，因此电化学传感器是我们使用 的传感器的主要类型。其最基本的原理就是把化学量信号变换成电量信号。 比如我们使用的溶解氧传感器、p h 传感器、o r p 传感器都是属于电化学传 感器。 与其它分折方法相比较，在线传感器具有许多独特的优点。 ( 一) 在线传感器得到的实时信号，可以及时、准确的反映出工艺过程中 的监测变量，对于实时控制有着十分重要的意义 ( 二) 在线传感器是一种直接的、非破坏性的分析方法，它不受样品溶液 1 7 江苏大学硕士研究生学位论文 的颜色、浑浊、悬浮物或粘度的影响，对样品的采样量一般没有严格的要 求。 ( - - ) 在线传感器测定快，响应迅速。响应时间一般以秒记，在不利的条 件下测量也可以在2 分钟之内得到测量值 ( 四) 在线传感器通过二次仪表输出标准的电信号。因此比采用其他方法 更容易实现自动、连续测量及控制。 ( 五) 在线传感器测量的范围宽广，灵敏度也高，一般可达4 个、5 个或 6 个浓度数量级范围，而且电极的响应为对数特性因此在整个测量范围具有 同样的准确程度。 总的来说，各种各样的在线传感器在不同领域内的应用已经相当广泛， 其优越实时性能、准确的测定性能和优秀的适应恶劣工作环境的性能已经 被越来越多的工程人员所认识。同样，在污水处理领域的各种在线测量仪 表也已经有了很成熟的应用。 3 2 本次研究中所使用的在线传感器 随着离子选择电极和传感器技术的发展，国内外各种用于污水处理的在 线传感器层出不穷。对于我们的活性污泥过程控制中，其最常用的传感器 主要电化学传感器。我们使用的美国h a c h 公司的四种在线传感器中，p h 电极、o r p ( 氧化还原电势) 电极、d o ( 溶解氧) 电极都是属于电化学传 感器。另外c o n ( 电导率) 传感器属于利用物理原理的传感器。 3 2 1 所使用的传感器型号及简要测量原理 ( 1 ) p h 传感器 传感器基本参数：普通玻璃电极，型号p h m o d e lp c i r l n ，测量范围 o 1 4 ，传输距离3 0 5 m ，测量温度o 1 0 5 0 c ，测量压力( 0 6 9b a ra t1 0 0 0 c ) ， 测量流速0 - 2 m s ，测量误差不大于0 1 p h i 船1 。 p h 电极是一种非常成熟的离子选择电极，在污水处理中的应用非常广 泛。我们使用的g l i 的p h 玻璃电极是通过电势法测定溶液p h 的指示电极， 其顶端球状部分则是由一种特殊的p h 敏感的锂离子传导性玻璃。p h 敏感 玻璃的从结构上允许l i + 和e 一与水中的h + 进行交换，以形成水化层。在电 极内部的玻璃管装一定p h 值( 如p h7 ) 的缓冲溶液和插入a g a g c l 电极作为 1 8 江苏大学硕士研究生学位论文 内参比电极，形成内部水化层在与外部溶液接触的玻璃膜上形成外部水 化层，在两个水化层之间则是千玻璃层5 2 】。 水化层中的h + 与溶液中的h + 能进行交换。在交换过程中，水化层得到 或失去h + 都会影响水化层和溶液界面的电势。这种h + 的交换，在玻璃膜的 内外相界面上形成了双电层结构，产生两个相界电势。在内外两个水化层 与干玻璃层之间又形成两个扩散电势。若玻璃膜两侧的水化层性质完全相 同，则其内部形成的两个扩散电势大小相等。但符号相反，结果互相抵消。 因此玻璃膜的电势主要决定于内外两个水化层与溶液的相间电势： t p m = 9 1 t p 2 9 l 为外部溶解扩散电势，中2 为内部溶液扩散电势。 内充缓冲溶液组成一定时，甲2 的值是固定的，叩l 的值溶液中a ( h + ) 影响。 总的9 m 在2 5 时的方程表示为： 币m = 常数+ o 0 5 9 1 9 a ( h + ) = 常数一0 0 5 9 p h 图3 1p h 传感器内原理结构图 ( 2 ) 溶解氧传感器 传感器基本参数：克拉克极谱测量腔三电极技术