城市污水系統的實(shí)時(shí)控制技術(shù)

第23卷第2期哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol. 23 No.22007年4月Journal of Harbin University of Commerce ( Natural Sciences Edition )Apr.2007城市污水系統的實(shí)時(shí)控制技術(shù)趙晨紅彭永臻魏齊(北京工業(yè)大學(xué)北京市水質(zhì)科學(xué)與水環(huán)境恢復重點(diǎn)實(shí)驗室,北京100022 )摘要回顧了城市污水系統的實(shí)時(shí)控制技術(shù)在世界各國的應用和發(fā)展;闡述了城市污水系統實(shí)時(shí)控制的概念并對相關(guān)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)做出精確定義介紹了城市污水系統中常用的傳感器、執行器、控制器;總結了決定控制策略的控制設備、控制目標和控制方法對控制類(lèi)型進(jìn)行了分類(lèi)介紹了對一個(gè)給定系統如何建立控制程序的方法論對城市污水系統實(shí)時(shí)控制技術(shù)未來(lái)的發(fā)展作了展望.關(guān)鍵詞城市污水系統;實(shí)時(shí)控制;傳感器;執行器;控制器;控制程序中圖分類(lèi)號:X701文獻標識碼A文章編號:1672 - 0946( 2007 )02 -0158 -04Study on real time control of urban wastewater systemsZHAO Chen-hong , PENG Yong-zhen , WEI Qi .( Key Laboratory of Beijing W ater Quality Science and W ater EnvironmentRecovery , Bejjing University of Technology , Beijing 100022 , China )Abstract : This paper presents a review of the application and development of real time con-trol ( RTC ) of urban wastewater systems in the world. The concept of RTC of urbanwastewater systems and some concise definitions of terms are outlined. Main sensors , actua-tors , controllers used in urban wastewater systems are introduced. Some of the measures andobjectives of control as well as methods that can be applied to determine control strategies aresummarized. Control types are classified. Methodologies of how to derive a control procedurefor a given system are put forward.Key words lrban wastewater system ; real time control ;sensor ; actuator ; controller ; controlprocedure在過(guò)去的30年中,國外的學(xué)者針對如何實(shí)RTC系統”現在正在籌備完成集成控制系統”.現城市污水系統的實(shí)時(shí)控制( Real Time Control ,以在歐洲,RTC項目的建設要稍落后于北美但也在下簡(jiǎn)稱(chēng)RTC)和根據污水系統改善了的特性和效1980年之后在法國的巴黎等8個(gè)主要城市、德國率評價(jià)RTC潛在的益處”,已進(jìn)行過(guò)多次研的漢堡等7個(gè)城市陸續將RTC技術(shù)應用于當地究1-6]并對北美和歐洲各國的多個(gè)城市污水系的城市污水系統中.此外瑞典、瑞士、丹麥、奧地利統開(kāi)發(fā)應用了實(shí)時(shí)控制技術(shù).自20世紀70年代等國家的主要城市目前也紛紛將RTC系統的建設起美國的芝加哥等9個(gè)城市就開(kāi)始積極籌建城市列入市政建設項目的規劃之中.通過(guò)RTC系統在污水系統實(shí)時(shí)控制項目而在加拿大蒙特利爾市,品實(shí)踐中的應用發(fā)現對城市污水系統也于20世紀80年代早期建成了污水系統的局部進(jìn)MH中國煤化工的可以改善整個(gè)城控制站從1999年開(kāi)始又運行了”全局最優(yōu)預測市CNM H G廠(chǎng)的出水乃至受納水收稿日期2006 -04 - 10.資助項目”: 863計劃”國家重:大科技專(zhuān)項項目C 2004AA601020 )作者簡(jiǎn)介趙晨紅( 1974- )博士教師研究方向污水的生物處理及其智能控制.第2期趙晨紅等城市污水系統的實(shí)時(shí)控制技術(shù)159.體的水質(zhì)大大節省了污水管道系統基建投資和污量槽、 超聲波流量計、電磁流量計等.水廠(chǎng)運行、維護管理費用.因此對其開(kāi)展廣泛而深水質(zhì)測量?jì)x如測有機污染物TOC、易生物降人的研究有著(zhù)十分深遠的意義.解COD )的傳感器、測營(yíng)養物(總氮、氨氮NO3 -、P )的傳感器、測生物量(濁度或呼吸量)的傳感器、1城市污水系統實(shí)時(shí)控制技術(shù)測毒性(借助呼吸儀)的傳感器等1.1城市污水系統實(shí)時(shí)控制的概念和控制回路這些傳感器能提供高價(jià)值信息但同時(shí)對它們Manfred Schitze等人7首次明確提出城市污的運行和維護能力也提出較高的要求.實(shí)際工程中水系統的實(shí)時(shí)控制概念并對有關(guān)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)進(jìn)行了經(jīng)常使用更簡(jiǎn)單卻更堅固耐用的設備去代替真實(shí)定義,便于在RTC系統未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中與其相變量的測量包括測定pH值電導率、ORP、UV和關(guān)的不同學(xué)科領(lǐng)域的專(zhuān)家和學(xué)者能夠更好地合作.IR吸光度的傳感器.這樣就需要創(chuàng )造翻譯單元”對一個(gè)城市污水系統,假如在污水流動(dòng)過(guò)程將原傳感器的輸出信號轉換成所需求的信息.中,過(guò)程變量(如水位流量、污染物濃度等)被監1.3城市污水系統中的執行器測,同時(shí)執行器在運行就認為該系統在受實(shí)時(shí)控城市污水系統中經(jīng)常使用的執行器主要包括:制.其過(guò)程控制可通過(guò)圖1所示的控制回路原理圖泵(軸流泵或螺旋泵)恒速或變速的;表示.該控制回路通過(guò)硬件部分實(shí)現各硬件及其閥門(mén)I(閘閥輻向或滑動(dòng)的);所起作用是:①傳感器一監測過(guò)程發(fā)展;②執行溢流堰(溢水孔或排水孔) ,如對合流制污水器一-影響過(guò)程發(fā)展③控制器一調整執行器,使被管道要采取溢流措施 ;控制的過(guò)程變量取得離設定點(diǎn)的最小偏差值④數曝氣設備是大部分污水處理廠(chǎng)最基本和決定據傳輸系統一在不同的設備間傳輸數據.運行費用的設備氧氣對C0D、氨氮等污染物質(zhì)的生物去除過(guò)程是必須的;化學(xué)投加設備如向池子中投加碳源以提高反也一十過(guò)程心一→硝化作用、投堿以促進(jìn)硝化過(guò)程的進(jìn)行、投加聚合物以提高生物絮凝體的沉降作用等等.過(guò)1.4城市污水系統中的控制器執行器前面所定義的控制回路是任何實(shí)時(shí)控制系統的基本要素.在反饋回路控制中根據控制過(guò)程離設定點(diǎn)的測量偏差執行命令.如果沒(méi)有偏差,反饋控制器控制器不執行命令.前饋控制器使用過(guò)程模型預測這些偏差的立即未來(lái)值,它提前激活控制避免偏差.反饋-前饋控制器是這2種類(lèi)型控制器的結合.設定值用于連續變量執行器設定值的標準控制器是”比例積分微商PID -控制器”(它的簡(jiǎn)化是P、PI圖1前饋( 干擾測量)和反饋(過(guò)程測量)或PD ).它給執行器的信號是測量變量和設定點(diǎn)之控制回路間的差別函數.假如控制器沒(méi)有配備自動(dòng)調節設1.2城市污水系統中的傳感器備則此函數中的參數必須被校準.一般經(jīng)微分方城市污水系統的實(shí)時(shí)控制對傳感器提出很?chē)莱谭治?、?shí)際或模擬實(shí)驗完成校準.格的要求如測量的準確性、可靠性、適合連續記錄兩點(diǎn)控制或開(kāi)/關(guān)控制是離散控制方式中最簡(jiǎn)和遠程傳輸等.城市污水系統中經(jīng)常使用的傳感器單和應用最多的一-種.它只有2個(gè)位置打開(kāi)/關(guān)如下.閉.以水泵兩點(diǎn)控制池子的進(jìn)水為例泵在低液位雨量器(表) ,如稱(chēng)量表、傾卸桶、雨點(diǎn)計數器下中國煤化工液位之間的地帶是不等雨量的測量也可通過(guò)氣象雷達進(jìn)行短期下雨預工仆| YHCNMH在堰等執行器的控制經(jīng)測得到.常用到三點(diǎn)控制器.在控制器的中間位置輸出信水準儀(用于液位測量)如浮子式比重計、擴號保持它以前的狀態(tài),在其他2個(gè)位置分別假定散器、壓力傳感器、聲音傳感器等.是最大或最小. .流量計如轉子流量計、渦輪式流量計、靶式計近年來(lái)數字可編程邏輯控制器( PLC )已代替160哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第23卷了模擬控制器PLC對整個(gè)系統的控制和協(xié)調功能時(shí)可采用集成控制.集成控制是污水管道系統和包括采集測試數據預處理檢查狀態(tài)功能和極污水處理廠(chǎng)(也可能有受納水體)的同時(shí)和協(xié)調控限,暫時(shí)數據存儲控制行為計算從中心臺接收或制.這種控制便于定量和定性分析廢水控制受納報告數據等.在控制房間中監控控制和數據采集水體的環(huán)境條件.集成控制包括兩方面:目標集成系統處理所有輸人和輸出數據數據的傳輸可通過(guò)和信息集成.目標集成是指- -個(gè)子系統的控制目標專(zhuān)用電話(huà)線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)通訊系統、網(wǎng)絡(luò )系統或衛星通訊是建立在其他子系統測量標準的基礎上比如,在設備實(shí)現.污水管道系統中泵的運行要考慮使得受納水體中氧的消耗取得最小值.信息集成是指一-個(gè)子系統采2城市污水系統的控制要素用的控制決定可能是建立在其它子系統狀態(tài)信息城市污水系統作為一個(gè)城市的市政基礎設施，的基礎上比如,在污水管道系統中泵的運行要考是一個(gè)復雜的大系統,由污水管道、污水處理廠(chǎng)和慮建立在污水處理廠(chǎng)的進(jìn)水數據基礎上.受納水體三個(gè)子系統組成.對城市污水系統的實(shí)時(shí)4建立控制程序的方法論控制不僅要考慮污水管道系統而且要考慮污水處理廠(chǎng)和受納水體.表1對決定城市污水系統控制策當開(kāi)發(fā)一個(gè)城市污水實(shí)時(shí)控制系統時(shí)核心任略的控制設備、控制目標和控制方法作了總結8].務(wù)就是要建立正確的控制程序.控制程序也稱(chēng)控表1城市污水系統的控制要素制算法”或控制策略”,這里是指在RTC系統中所有執行器設定點(diǎn)的時(shí)間順序.控制程序可由判子系統設備目標方法泵預防洪水直觀(guān)推斷決矩陣”表示矩陣中的每一一個(gè)元素代表對給定的污水管溢流口減少溢流頻率體積負荷)自學(xué)習專(zhuān)家系統狀態(tài)變量和輸入變量而必須執行的控制行為判決道系統閥門(mén)矩陣使控制程序能夠快速地在線(xiàn)執行.判決矩陣也污水處溢流堰 閥門(mén)維持出水標準在線(xiàn)最優(yōu)化可以簡(jiǎn)化成判決樹(shù)”是- -套ifthen-else" 語(yǔ)句.里廠(chǎng)回流污泥泵過(guò)程維持基于模型控制開(kāi)發(fā)控制程序的最常用的方法是人工試錯方剩余污泥泵污泥容積取得最小控制理論的應用法是在系統模擬模型基礎.上建立-一個(gè)迭代程序,曝氣設備取得最低的費用內回流泵然后通過(guò)評價(jià)一些模擬運行的結果、測試一些策略不斷地進(jìn)行試算來(lái)改善得到的程序,直到建立受納水溢水口改善水質(zhì)體洪水防護最優(yōu)程序為止.應用此方法對污水管道系統進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,溢流體積減少的上界很容易靠模擬得到4].3城市污水系統實(shí)時(shí)控制的類(lèi)型此外數學(xué)最優(yōu)化方法也已被成功地應用于控RTC的控制類(lèi)型根據自動(dòng)化程度可分為手動(dòng)制程序的開(kāi)發(fā).最優(yōu)化方法又可分為在線(xiàn)最優(yōu)化和的、監控的和自動(dòng)的三類(lèi).手動(dòng)的指系統的執行器脫機最優(yōu)化兩種.在線(xiàn)最優(yōu)化方法是建立-一個(gè)在線(xiàn)由操作員調節;監控的指執行器由自動(dòng)控制器操模擬模型對其執行在線(xiàn)校正被校正的模型能夠作其中的設定值由操作員或監控系統指定自動(dòng)測試系統的當前狀態(tài)并對系統的未來(lái)狀態(tài)進(jìn)行預是指由控制器以完全自動(dòng)的方式實(shí)現控制.測.計算時(shí)間在此方法中是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題取決于RTC的控制類(lèi)型根據控制范圍可分為3類(lèi)局所使用模型的復雜性.大量潛在的不同控制行為和部控制、全局控制和集成控制.假如過(guò)程測量是在它們對污水系統的影響要求在相當短的時(shí)間內被執行器所在地點(diǎn)直接進(jìn)行而不是在- -個(gè)控制房間評價(jià)所以在線(xiàn)方法要求對城市污水系統及其相關(guān)中遠程操作則認為該系統是在局部控制水平下運過(guò)程的描述充分詳細卻足以簡(jiǎn)單為了最大限度的行.通常系統在只有一個(gè)執行器的情況下采用局部降低計算機運行時(shí)間,有必要對系統描述進(jìn)行簡(jiǎn)控制.如果系統比較復雜要求2個(gè)或2個(gè)以上的化MH中國煤化工化方法中可以克服以執行器必須聯(lián)合運行這時(shí)采用全局控制即傳感上門(mén)CNMHG進(jìn)行很詳盡的系統描器與位于系統其它地點(diǎn)的執行器相互傳遞數據由.述可以評價(jià)在較長(cháng)的時(shí)間段內的控制行為和它們中央控制房間接收所有局部傳感器的測量數據以對污水 系統的影響.模型可以相當復雜不必考慮-種協(xié)調的方式在中心控制執行器的運行.當局部計算時(shí)間問(wèn)題.控制和全局控制都不能改善城市污水系統的特性線(xiàn)性化是對實(shí)時(shí)控制系統特性的嚴格簡(jiǎn)化當第2期趙晨紅等城市污水系統的實(shí)時(shí)控制技術(shù)161.系統在污水處理廠(chǎng)和受納水體中包括復雜的過(guò)程.量系統、執行器)軟件應用(開(kāi)發(fā)新的控制策略和時(shí)線(xiàn)性化提供的控制策略在理論.上是最優(yōu)的,但.程序)建模方法、最優(yōu)化技術(shù)方面仍有待進(jìn)- - 步在實(shí)際中卻是次最優(yōu)的.為此,Wolfgang Rauch 9提高和改進(jìn)以不斷增強其安全性、可靠性、適應性等人開(kāi)發(fā)出將遺傳算法作為城市污水系統的實(shí)時(shí)和靈活性使其逐步走向成熟和完善.控制的最優(yōu)程序此方法可直接根據水質(zhì)參數而使國內關(guān)于城市污水系統RTC技術(shù)的應用雖尚系統最優(yōu)是一種非線(xiàn)性模型預測控制的脫機應未見(jiàn)報道但隨著(zhù)我們國家經(jīng)濟和科技的飛速發(fā)用.系統的流動(dòng)規則的最優(yōu)時(shí)間順序由有各種約束展掌握水處理、計算機、通信、自動(dòng)控制等綜合學(xué)條件的目標函數的最大值或最小值確定.例如受科知識的復合型人才不斷地壯大相信RTC系統納水體缺氧對水生生物和生態(tài)系統帶來(lái)的有害影在我國污水處理界未來(lái)的應用具有光明的前景和響取決于溶解氧濃度和在該濃度下持續的時(shí)間.生無(wú)限的潛力.物處于恒定的、對其有害的較低溶解氧濃度的環(huán)境參考文獻:中的時(shí)間越短其死亡率越低.此問(wèn)題轉化成數學(xué)最優(yōu)問(wèn)題就成為:限定持續時(shí)間為約束條件,目標[ 1 ] SCHILING W. Real - Time Control of Urban Drainage Systems是確定溶解氧的最小值.對特定河流斷面i在時(shí)刻[ C]/ The State -of - the - ar. IAWPRC Task Group on RealTime Control of Urban Drainage System , London , 1989.t時(shí)的氧氣平均濃度為DO,;這里DO,;=[ DO( t)[2] SCHILLING W. Smart sewer systems improved performance by+D0(1-1 )+...D0,(1-h+1 )]/h其中i(i=1 ,real time contro[J] Eur. Water Pollut Control. 1994 ,4( 5):... NS )表示河流斷面的空間離散化,NS表示河流24 -31.斷面的數量k表示在離散時(shí)間階躍中相應的持續[3] CAMPISANO A ,MODICAC. Moderm technologies for real time時(shí)間長(cháng)度1處于[ to +k-1 1o0 + T, ]時(shí)間間隔中.control of wastewater system[ C ]// Proceedings of 16th Europe-an Junior Scientist w orkshop Real Time Control and Measure-因而最優(yōu)問(wèn)題就成為:求目標函數Z=minimumment in Urban Drainage Systems ，Valle dei Margi ，Gram-. [ DO,; ]YS ]oth- 1的最小值.michele , Catania , Italy ,7 - 10 Novermber 2002.[4] EINFALT T , STOLTING B. Real - time control for two commu-5結語(yǔ)nities - technical and administrational aspectC[ C ]// Ninth Inter-對城市污水系統進(jìn)行實(shí)時(shí)控制可以減小該系national Conference on Urban Drainage , Portland/Oregon ,USA ,September 2002.統對環(huán)境的不利影響降低基建和運行維護管理費[5] MEIRLAEN J, VAN ASSEL J , VANROLLEGHEM P A. Real用是改善其性能的有益方式.由于RTC系統中設ime control of the integrated urban wastewater system using sim-備、方法論和工具的巨大改善即使在過(guò)去表現出ultaneously simulating surrogale models[ J ] Water Sci. Tech-不能從RTC獲益的城市污水系統也有了實(shí)時(shí)控制nology. 2002 A5(3) :109-116.的潛力.但仍應該看到RTC尚處于發(fā)展中階段許[6] SCHEER M , NUSCH s. Optimum performance of a sewer andtreatment system by application of real time contro[ C ]// Inter-多知識空白仍然存在比如在城市污水系統的設計national Conference on Sewer Processes and Networks , Paris ,15和運行的水質(zhì)評價(jià)中水質(zhì)變量和水量變量之間的-17 April 2002.關(guān)系如何等另外由于操作員的水平有限、部門(mén)之[7] MANFRED s. Real time control of urban wastewater system -間存在競爭和缺乏協(xié)調、工程設計和運行管理的矛where do we stand [ J ] Jourmal of Hydrology , 2004 ,299( 3-盾、污水管道系統和污水處理廠(chǎng)的矛盾等這些因4) 335 - 348.8] DAVID B. Integraing simulation models with a view to optimal素也影響了RTC的發(fā)展.control of urban wastewater system[J] 2005 ,20( 4 ):415 -由于近30年來(lái)計算機和信息技術(shù)在處理容量、人機對話(huà)界面、可訪(fǎng)問(wèn)性、堅固性、可靠性等方[9] WOLFGANG R , POUL H. Geneic algorithms in real time con-面有了飛躍發(fā)展,同時(shí)也促進(jìn)了城市污水系統ol applied to minimize transient pollution from urban wastewaterRTC技術(shù)的發(fā)展但未來(lái)RTC在新硬件技術(shù)(如測systems.[J]199933(5)1265-1277.中國煤化工YHCNMHG