城市污水系统的实时控制技术

第23卷第2期哈尔滨商业大学学报(自然科学版)Vol. 23 No.22007年4月Journal of Harbin University of Commerce ( Natural Sciences Edition )Apr.2007城市污水系统的实时控制技术赵晨红彭永臻魏齐(北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复重点实验室,北京100022 )摘要回顾了城市污水系统的实时控制技术在世界各国的应用和发展;阐述了城市污水系统实时控制的概念并对相关专业术语做出精确定义介绍了城市污水系统中常用的传感器、执行器、控制器;总结了决定控制策略的控制设备、控制目标和控制方法对控制类型进行了分类介绍了对一个给定系统如何建立控制程序的方法论对城市污水系统实时控制技术未来的发展作了展望.关键词城市污水系统;实时控制;传感器;执行器;控制器;控制程序中图分类号:X701文献标识码A文章编号: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在过去的30年中,国外的学者针对如何实RTC系统”现在正在筹备完成集成控制系统”.现城市污水系统的实时控制( Real Time Control ,以在欧洲,RTC项目的建设要稍落后于北美但也在下简称RTC)和根据污水系统改善了的特性和效1980年之后在法国的巴黎等8个主要城市、德国率评价RTC潜在的益处”,已进行过多次研的汉堡等7个城市陆续将RTC技术应用于当地究1-6]并对北美和欧洲各国的多个城市污水系的城市污水系统中.此外瑞典、瑞士、丹麦、奥地利统开发应用了实时控制技术.自20世纪70年代等国家的主要城市目前也纷纷将RTC系统的建设起美国的芝加哥等9个城市就开始积极筹建城市列入市政建设项目的规划之中.通过RTC系统在污水系统实时控制项目而在加拿大蒙特利尔市,品实践中的应用发现对城市污水系统也于20世纪80年代早期建成了污水系统的局部进MH中国煤化工的可以改善整个城控制站从1999年开始又运行了”全局最优预测市CNM H G厂的出水乃至受纳水收稿日期2006 -04 - 10.资助项目”: 863计划”国家重:大科技专项项目C 2004AA601020 )作者简介赵晨红( 1974- )博士教师研究方向污水的生物处理及其智能控制.第2期赵晨红等城市污水系统的实时控制技术159.体的水质大大节省了污水管道系统基建投资和污量槽、 超声波流量计、电磁流量计等.水厂运行、维护管理费用.因此对其开展广泛而深水质测量仪如测有机污染物TOC、易生物降人的研究有着十分深远的意义.解COD )的传感器、测营养物(总氮、氨氮NO3 -、P )的传感器、测生物量(浊度或呼吸量)的传感器、1城市污水系统实时控制技术测毒性(借助呼吸仪)的传感器等1.1城市污水系统实时控制的概念和控制回路这些传感器能提供高价值信息但同时对它们Manfred Schitze等人7首次明确提出城市污的运行和维护能力也提出较高的要求.实际工程中水系统的实时控制概念并对有关专业术语进行了经常使用更简单却更坚固耐用的设备去代替真实定义,便于在RTC系统未来的发展过程中与其相变量的测量包括测定pH值电导率、ORP、UV和关的不同学科领域的专家和学者能够更好地合作.IR吸光度的传感器.这样就需要创造翻译单元”对一个城市污水系统,假如在污水流动过程将原传感器的输出信号转换成所需求的信息.中,过程变量(如水位流量、污染物浓度等)被监1.3城市污水系统中的执行器测,同时执行器在运行就认为该系统在受实时控城市污水系统中经常使用的执行器主要包括:制.其过程控制可通过图1所示的控制回路原理图泵(轴流泵或螺旋泵)恒速或变速的;表示.该控制回路通过硬件部分实现各硬件及其阀门I(闸阀辐向或滑动的);所起作用是:①传感器一监测过程发展;②执行溢流堰(溢水孔或排水孔) ,如对合流制污水器一-影响过程发展③控制器一调整执行器,使被管道要采取溢流措施 ;控制的过程变量取得离设定点的最小偏差值④数曝气设备是大部分污水处理厂最基本和决定据传输系统一在不同的设备间传输数据.运行费用的设备氧气对C0D、氨氮等污染物质的生物去除过程是必须的;化学投加设备如向池子中投加碳源以提高反也一十过程心一→硝化作用、投碱以促进硝化过程的进行、投加聚合物以提高生物絮凝体的沉降作用等等.过1.4城市污水系统中的控制器执行器前面所定义的控制回路是任何实时控制系统的基本要素.在反馈回路控制中根据控制过程离设定点的测量偏差执行命令.如果没有偏差,反馈控制器控制器不执行命令.前馈控制器使用过程模型预测这些偏差的立即未来值,它提前激活控制避免偏差.反馈-前馈控制器是这2种类型控制器的结合.设定值用于连续变量执行器设定值的标准控制器是”比例积分微商PID -控制器”(它的简化是P、PI图1前馈( 干扰测量)和反馈(过程测量)或PD ).它给执行器的信号是测量变量和设定点之控制回路间的差别函数.假如控制器没有配备自动调节设1.2城市污水系统中的传感器备则此函数中的参数必须被校准.一般经微分方城市污水系统的实时控制对传感器提出很严程分析、实际或模拟实验完成校准.格的要求如测量的准确性、可靠性、适合连续记录两点控制或开/关控制是离散控制方式中最简和远程传输等.城市污水系统中经常使用的传感器单和应用最多的一-种.它只有2个位置打开/关如下.闭.以水泵两点控制池子的进水为例泵在低液位雨量器(表) ,如称量表、倾卸桶、雨点计数器下中国煤化工液位之间的地带是不等雨量的测量也可通过气象雷达进行短期下雨预工仆| YHCNMH在堰等执行器的控制经测得到.常用到三点控制器.在控制器的中间位置输出信水准仪(用于液位测量)如浮子式比重计、扩号保持它以前的状态,在其他2个位置分别假定散器、压力传感器、声音传感器等.是最大或最小. .流量计如转子流量计、涡轮式流量计、靶式计近年来数字可编程逻辑控制器( PLC )已代替160哈尔滨商业大学学报(自然科学版)第23卷了模拟控制器PLC对整个系统的控制和协调功能时可采用集成控制.集成控制是污水管道系统和包括采集测试数据预处理检查状态功能和极污水处理厂(也可能有受纳水体)的同时和协调控限,暂时数据存储控制行为计算从中心台接收或制.这种控制便于定量和定性分析废水控制受纳报告数据等.在控制房间中监控控制和数据采集水体的环境条件.集成控制包括两方面:目标集成系统处理所有输人和输出数据数据的传输可通过和信息集成.目标集成是指- -个子系统的控制目标专用电话线、无线通讯系统、网络系统或卫星通讯是建立在其他子系统测量标准的基础上比如,在设备实现.污水管道系统中泵的运行要考虑使得受纳水体中氧的消耗取得最小值.信息集成是指一-个子系统采2城市污水系统的控制要素用的控制决定可能是建立在其它子系统状态信息城市污水系统作为一个城市的市政基础设施，的基础上比如,在污水管道系统中泵的运行要考是一个复杂的大系统,由污水管道、污水处理厂和虑建立在污水处理厂的进水数据基础上.受纳水体三个子系统组成.对城市污水系统的实时4建立控制程序的方法论控制不仅要考虑污水管道系统而且要考虑污水处理厂和受纳水体.表1对决定城市污水系统控制策当开发一个城市污水实时控制系统时核心任略的控制设备、控制目标和控制方法作了总结8].务就是要建立正确的控制程序.控制程序也称控表1城市污水系统的控制要素制算法”或控制策略”,这里是指在RTC系统中所有执行器设定点的时间顺序.控制程序可由判子系统设备目标方法泵预防洪水直观推断决矩阵”表示矩阵中的每一一个元素代表对给定的污水管溢流口减少溢流频率体积负荷)自学习专家系统状态变量和输入变量而必须执行的控制行为判决道系统阀门矩阵使控制程序能够快速地在线执行.判决矩阵也污水处溢流堰 阀门维持出水标准在线最优化可以简化成判决树”是- -套ifthen-else" 语句.里厂回流污泥泵过程维持基于模型控制开发控制程序的最常用的方法是人工试错方剩余污泥泵污泥容积取得最小控制理论的应用法是在系统模拟模型基础.上建立-一个迭代程序,曝气设备取得最低的费用内回流泵然后通过评价一些模拟运行的结果、测试一些策略不断地进行试算来改善得到的程序,直到建立受纳水溢水口改善水质体洪水防护最优程序为止.应用此方法对污水管道系统进行实时控制,溢流体积减少的上界很容易靠模拟得到4].3城市污水系统实时控制的类型此外数学最优化方法也已被成功地应用于控RTC的控制类型根据自动化程度可分为手动制程序的开发.最优化方法又可分为在线最优化和的、监控的和自动的三类.手动的指系统的执行器脱机最优化两种.在线最优化方法是建立-一个在线由操作员调节;监控的指执行器由自动控制器操模拟模型对其执行在线校正被校正的模型能够作其中的设定值由操作员或监控系统指定自动测试系统的当前状态并对系统的未来状态进行预是指由控制器以完全自动的方式实现控制.测.计算时间在此方法中是一个关键问题取决于RTC的控制类型根据控制范围可分为3类局所使用模型的复杂性.大量潜在的不同控制行为和部控制、全局控制和集成控制.假如过程测量是在它们对污水系统的影响要求在相当短的时间内被执行器所在地点直接进行而不是在- -个控制房间评价所以在线方法要求对城市污水系统及其相关中远程操作则认为该系统是在局部控制水平下运过程的描述充分详细却足以简单为了最大限度的行.通常系统在只有一个执行器的情况下采用局部降低计算机运行时间,有必要对系统描述进行简控制.如果系统比较复杂要求2个或2个以上的化MH中国煤化工化方法中可以克服以执行器必须联合运行这时采用全局控制即传感上门CNMHG进行很详尽的系统描器与位于系统其它地点的执行器相互传递数据由.述可以评价在较长的时间段内的控制行为和它们中央控制房间接收所有局部传感器的测量数据以对污水 系统的影响.模型可以相当复杂不必考虑-种协调的方式在中心控制执行器的运行.当局部计算时间问题.控制和全局控制都不能改善城市污水系统的特性线性化是对实时控制系统特性的严格简化当第2期赵晨红等城市污水系统的实时控制技术161.系统在污水处理厂和受纳水体中包括复杂的过程.量系统、执行器)软件应用(开发新的控制策略和时线性化提供的控制策略在理论.上是最优的,但.程序)建模方法、最优化技术方面仍有待进- - 步在实际中却是次最优的.为此,Wolfgang Rauch 9提高和改进以不断增强其安全性、可靠性、适应性等人开发出将遗传算法作为城市污水系统的实时和灵活性使其逐步走向成熟和完善.控制的最优程序此方法可直接根据水质参数而使国内关于城市污水系统RTC技术的应用虽尚系统最优是一种非线性模型预测控制的脱机应未见报道但随着我们国家经济和科技的飞速发用.系统的流动规则的最优时间顺序由有各种约束展掌握水处理、计算机、通信、自动控制等综合学条件的目标函数的最大值或最小值确定.例如受科知识的复合型人才不断地壮大相信RTC系统纳水体缺氧对水生生物和生态系统带来的有害影在我国污水处理界未来的应用具有光明的前景和响取决于溶解氧浓度和在该浓度下持续的时间.生无限的潜力.物处于恒定的、对其有害的较低溶解氧浓度的环境参考文献:中的时间越短其死亡率越低.此问题转化成数学最优问题就成为:限定持续时间为约束条件,目标[ 1 ] SCHILING W. Real - Time Control of Urban Drainage Systems是确定溶解氧的最小值.对特定河流断面i在时刻[ C]/ The State -of - the - ar. IAWPRC Task Group on RealTime Control of Urban Drainage System , London , 1989.t时的氧气平均浓度为DO,;这里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 )表示河流断面的空间离散化,NS表示河流24 -31.断面的数量k表示在离散时间阶跃中相应的持续[3] CAMPISANO A ,MODICAC. Moderm technologies for real time时间长度1处于[ to +k-1 1o0 + T, ]时间间隔中.control of wastewater system[ C ]// Proceedings of 16th Europe-an Junior Scientist w orkshop Real Time Control and Measure-因而最优问题就成为:求目标函数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结语nities - technical and administrational aspectC[ C ]// Ninth Inter-对城市污水系统进行实时控制可以减小该系national Conference on Urban Drainage , Portland/Oregon ,USA ,September 2002.统对环境的不利影响降低基建和运行维护管理费[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系统中设ime control of the integrated urban wastewater system using sim-备、方法论和工具的巨大改善即使在过去表现出ultaneously simulating surrogale models[ J ] Water Sci. Tech-不能从RTC获益的城市污水系统也有了实时控制nology. 2002 A5(3) :109-116.的潜力.但仍应该看到RTC尚处于发展中阶段许[6] SCHEER M , NUSCH s. Optimum performance of a sewer andtreatment system by application of real time contro[ C ]// Inter-多知识空白仍然存在比如在城市污水系统的设计national Conference on Sewer Processes and Networks , Paris ,15和运行的水质评价中水质变量和水量变量之间的-17 April 2002.关系如何等另外由于操作员的水平有限、部门之[7] MANFRED s. Real time control of urban wastewater system -间存在竞争和缺乏协调、工程设计和运行管理的矛where do we stand [ J ] Jourmal of Hydrology , 2004 ,299( 3-盾、污水管道系统和污水处理厂的矛盾等这些因4) 335 - 348.8] DAVID B. Integraing simulation models with a view to optimal素也影响了RTC的发展.control of urban wastewater system[J] 2005 ,20( 4 ):415 -由于近30年来计算机和信息技术在处理容量、人机对话界面、可访问性、坚固性、可靠性等方[9] WOLFGANG R , POUL H. Geneic algorithms in real time con-面有了飞跃发展,同时也促进了城市污水系统ol applied to minimize transient pollution from urban wastewaterRTC技术的发展但未来RTC在新硬件技术(如测systems.[J]199933(5)1265-1277.中国煤化工YHCNMHG