一种新型农村生活污水处理系统控制装置及其应用

摘要

本发明公开了一种新型农村生活污水处理系统控制装置及其应用，这种装置提供一种基于统计特性的测量值修正算法和一种分段阀值和分时、分季阀值可变的控制技术。即，将测量值通过初始多值平均、运行加权平均和去噪来提高参数的测量精度，将不同的分段阀值和分时、分季阀值可变的电机控制策略用于不同用途电机的精细控制，并引入网络接口和视频接口为网络管理和视频监控提供支持，以此使农村生活污水处理的质量得到大大提高，同时还能节约电能、降低建设成本和运行成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型农村生活污水处理电气控制技术，具体地说是多传感器检测下的农 村生活污水处理系统智能控制技术。

背景技术

农村生活污水造成的环境污染严重危害到农村的生存和发展，如何有效处理农村生活污 水已成为各级环保部门迫切解决的问题，但是农村污水的排放特点不同于城市，农村人口密 度小，居住分散，不利于生活污水的集中处理。因此，国内农村生活污水处理目前普遍采用 分散式生活污水系统，这种污水处理系统着眼于生态、投资小、运行成本低，为农村生活污 水处理开辟了一条科学、经济、实用可行的道路。然而这种投资小、运行成本低的优点是建 立在系统小的基础之上的，一个小型农村生活污水处理系统一般只用于一个行政村的生活污 水处理，如果要全面解决农村生活污水处理的问题，则需要每个行政村建一个这样的小型农 村生活污水处理系统，因此，如何能够使每一个小系统实现高效、节能成了技术焦点。实现 高效、节能的有效办法就是采用先进、科学、智能、结构简单的系统控制装置，控制装置设 计的水平直接影响到农村生活污水处理的质量，影响到系统运行的成本和建设成本，影响到 动力能源的有效利用。

发明内容

为改进当前农村生活污水处理系统控制装置粗犷式控制，使其实现本质的高效、节能控 制，本发明提供一种基于统计特性的测量值修正算法和一种分段阀值和分时、分季阀值可变 的控制技术。即，将测量值通过初始多值平均、运行加权平均和去噪来提高参数的测量精度， 将不同的分段阀值和分时、分季阀值可变的电机控制策略用于不同用途电机的精细控制，并 引入网络接口和视频接口为网络管理和视频监控提供支持，以此使农村生活污水处理的质量 得到大大提高，同时还能节约电能、降低运行成本和建设成本。

本发明提供的生活污水处理系统控制装置包括传感器、采样电阻、电压跟随器、A/D 转换电路、ARM9处理器及电极；传感器输出的电流信号i_in通过采样电阻、电压跟随器、A/D 转换电路后输出电压数字量V_in，V_in通过I²C接口传输给ARM9处理器；ARM9输出信号控 制提升泵、污泥回流泵、曝气机电机的工作。

本发明的工作原理为：ARM9处理器在开机时先连续读取50个转换后的电压数字量V_in， 计算其统计平均值作为系统的第一个测量值V_out(0)；其后每次测得的电压数字量V_in首先与上 一次测量值V_out(j)比较，如果V_in偏离大于10％，则判定为干扰信号，直接忽略本次测量值， 如果V_in偏离小于10％，则把上次测量值V_out(j)乘于权重90％和本次测得的电压数字量V_in乘 于权重10％作为本次测量值V_out(j+1)输出；之后再将测量值通过标定算法将V_out(j+1)除于 相应的修正比例系数k_p，再加上偏差修正量δ，分别得到DO、ORP、PH、温度和液位的实际 值，输出的实际值作为测量显示和电机控制的输入信号。

在传感器电极上加上精密电阻，将电流信号转换为电压信号，通过在A/D转换之前加入 电压跟随器，消除输入阻抗对测量的影响。利用农村生活污水检测值(DO、ORP、PH、温 度)随时间缓慢变化的特点，采用绝对偏离判定器，对于采样值偏离均值较大(这里取10％) 的采样值做删除处理。初始测量将连续50次的测量值取统计平均值，作为第一个测量值，从 而有效消除开机瞬间传感器不稳定、电路不稳定造成的测量误差。在正常运行期间，采用加 权平均公式对输出电压值进行修正，即，上次已修正的测量值的权重为90％，而当前有效采 样值的权重只有10％，从而减小当前误差对电压测量结果的影响。最后通过测量值的标定得 到实际检测参数(DO、ORP、PH、温度)的真值，提供液晶屏显示，并通过网络发送到服 务器，永久保存在数据库中。

被测参数的标定和修正采用触摸屏实现，通过触摸屏等步长增加或减小比例系数和偏移 量，采用标定和修正公式将测得的电压值转化为实际的测量值。同时将比例系数和偏移量保 存到闪存中，并通过网络发送到服务器。

提升泵、污泥回流泵和曝气机电机控制将采用上下阀值(或分段阀值)和分时、分季阀 值可变的控制方法，根据农村生活污水排放的分时、分季特性，制定科学的时变的阀值控制 策略，通过当前日期和时间查表得到季节系数和时段系数，再分别计算出上下阀值(或分段 阀值)，阀值控制通过阀值判断器分级控制电机的转速和起停。

使用本发明提供的生活污水处理系统控制装置在降低传感器要求，降低设备投入成本的 前提下，仍能确保各被测参数的测量精度；通过对执行机构采用结构简单而算法精细的控制 方式，使系统建设成本低，系统运行更高效、更节能。

附图说明

下面结合附图所示的一个实施例对本发明进一步说明。

附图1农村生活污水处理系统控制框图。

1.1是(DO、ORP、PH、温度)传感器，1.2是采样电阻，1.3是电压跟随器，1.4是 A/D转换电路，1.5是初始均值算法，1.6是去噪算法，1.7是加权平均算法，1.8是触摸 屏，1.9是测量标定修正算法，1.10是电机控制算法，1.11是电机驱动电路，1.12是执行 机构电机。

附图2测量值标定方法框图。

2.1是参数的标定和修正用触摸屏，2.2是比例系数步进按键功能，2.3是偏移量步进 按键功能，2.4是标定和修正算法

附图3提升泵和污泥回流泵电机控制策略框图。

3.1是季节系数和时段系数表，3.2是上下阀值算法，3.3是阀值判断器，3.4是电机 驱动电路，3.5是污水提升泵或污泥回流泵电机。

附图4曝气机电机控制策略框图。

4.1是季节系数和时段系数表，4.2是分段阀值计算算法，4.3是分段阀值判断器，4.4 是电机驱动电路，4.5是曝气机电机。

附图5农村污水处理工艺流程图。

5.1是格栅池，5.2是厌氧池，ORP、PH、温度和液位传感器安装在厌氧池中，5.3是 生物接触氧化池，DO传感器和曝气泵安装在氧化池中，5.4是沉淀池，污泥回流泵安装 在沉淀池中，5.5是多级虑床强化流人工湿地，5.6是污水提升泵，5.7是射流曝气机，5.8 是污泥回流泵。

附图6控制装置硬件框图。

6.1是(ORP、PH、DO、温度和液位)传感器6.2是I/V变换电路，6.3是电压跟随 电路，6.4是A/D转换电路，6.5是触摸屏，6.6是闪存，6.7是网络接口，6.8是视频接口， 6.9是ARM9处理器，6.10是电机驱动电路，6.11是污水提升泵，6.12是射流曝气泵，6.13 是污泥回流泵。

附图7电压跟随和A/D转换电路。

R01是250欧精密电阻，LM324是运算放大器，AD1100AI是带I²C的A/D转换器， R02和R03是上拉电阻，SCL和SDA分别是I²C的时钟端和数据端。

附图8视频接口电路。

SAA7113是视频解码芯片，它可以输入2路模拟视频信号，通过内部寄存器的不同配置 可以对2路输入进行转换，C33、C34、C35、C36、C37、C38是隔直流电容，R66、R67 是上拉电阻，其它器件是标配器件。

附图9网络接口电路。

DM9000是完全集成的和符合成本效益的单芯片快速以太网MAC控制器，SD0-SD15 为16为数据总线，X6是25M晶振，C31、C32是晶振的负载电容，其它器件是标配器 件。

具体实施方式

在附图1所示的农村生活污水处理系统控制框图中：将各类传感器输出的电流信号i_in通 过采样电阻转化为电压信号，再通过电压跟随器、A/D转换电路后输出电压数字量V_in，通过 I²C输出给ARM9微处理器；ARM9微处理器在开机时先连续读取50个测量值，计算其统计 平均值作为系统的第一个测量值V_out(0)；其后每次测得的电压数字量V_in首先与上一次测量值 比较，如果偏离大于10％，则判为干扰信号，不计算新的测量值，如果偏离小于10％，则把 上次测量值V_out(j)乘于权重90％和本次测得的电压数字量V_in乘于权重10％作为本次测量 值V_out(j+1)输出，分别得到DO、ORP、PH、温度和液位的实际值，输出的实际值作为测量显 示和电机控制的输入信号。电机控制将采用分段阀值和分时、分季阀值可变的阀值控制方法， 根据相应算法的到的阀值，控制电机的快慢和起停，其阀值的设定过程由上位机通过网络接 口完成，其设定值同时保存在上位机的数据库和下位机的闪存中；网络接口通过3G或Wi-Fi 还实现测量数据、故障信息的实时上传和接收上位机下载的控制参数和控制策略；装置还提 供了视频接口，用于现场视频监控。

在附图1所示的农村生活污水处理系统控制框图和附图2所示的测量值标定方法框图中： 采用触摸屏实现被测参数的标定和修正，先对几个标定值进行测量，显示并记录被测参数的 电压值和标准值，计算出相应的比例系数k_p和偏移量δ，通过触摸屏输入修正后的比例系数 k_p和偏移量δ，采用标定和修正公式y＝V_out(j)/k_p+δ，将测得的电压值转化为实际被测参数 的测量值，作为测量显示和电机控制的输入信号。同时将比例系数k_p和偏移量δ保存到闪存 中，并通过网络发送到服务器。

在附图1所示的农村生活污水处理系统控制框图和附图3所示的提升泵和污泥回流泵电 机控制策略框图中：通过读取系统当前日期和时间，采用查表法得到季节系数k_D和时段系数 k_T，再分别采用相应的计算公式计算出上阀值y_h和下阀值y_l；对于污泥回流泵，当实际测量 值y＞y_h时起动驱动电机，当实际测量值y＜y_l时停止电机运行；对于提升泵，当实际测量 值y＜y_l时起动驱动电机，当实际测量值y＞y_h时停止电机运行。

在附图1所示的农村生活污水处理系统控制框图和附图4所示的曝气机电机控制策略框 图中：通过读取系统当前日期和时间，采用查表法得到季节系数k_D和时段系数k_T，再分别计 算出分段阀值y_h、y₃、y₂和y_l，，当实际测量值y＞y_h时停止电机运行，当y_h＞实际测量值 y＞y₃时电机以最低速运行，当y₃＞实际测量值y＞y₂时电机以中速运行，当y₂＞实际测量值 y＞y_l时电机以准高速运行，当实际测量值y＜y_l时电机全速运行。

在附图5所示的农村污水处理工艺流程图中：经三级处理的农村生活污水流进入格栅池， 液位计安装在格栅池中，根据液位计测得的液位高低和提升泵的控制策略控制提升泵，当实 际测量值y＜y_l时起动驱动电机，将污水注入到厌氧池；当实际测量值y＞y_h时停止电机运 行；ORP、PH、温度传感器安装在厌氧池中，这几个参数只用于测量，并不用于对执行机构 的控制；通过厌氧处理后的污水流入生物接触氧化池，DO传感器和曝气泵安装在氧化池中； 经生物接触氧化池处理后进入沉淀池，污泥回流泵安装在沉淀池中；最后再经过多级虑床强 化流人工湿地后排放。

在附图6所示的控制装置硬件框图中：各传感器的电流信号经I/V变换电路、电压跟随 电路、A/D转换电路后输入ARM9处理器，实现ORP、PH、DO、温度的检测；网络接口模 块提供与服务器的网络连接，实现采集数据和视频监控数据的上传和控制策略参数和控制指 令的下达；视频接口用于现场视频监控，并通过网络接口实现远程监控；触摸屏用于测量数 据的显示、标定数据的输入和现场控制指令输入；闪存用于存放数据表和各种测量算法、控 制策略的相关参数；电机驱动模块实现对污水提升泵、射流曝气泵和污泥回流泵的控制和驱 动。

在附图7所示的电压跟随和A/D转换电路中：传感器输出的电流信号经过250欧精密电 阻R01，其输出为电压信号，作为电压跟随器的输入，电压跟随器由LM324实现，A/D转换 采用具有I²C接口的AD1100芯片，通信引脚SCL和SDA分别接上拉电阻R02和R03，通 过I²C与ARM9通信。

在附图8所示的视频接口电路中：采用SAA7113视频解码芯片，AI11和AI12为一对差分 输入接第一路模拟视频信号、AI21和AI22为另一对差分输入接第二路模拟视频信号，C33、 C34为隔直流电容，R56、R57、R58、R59、R60用于信号差分输入，VPO0-VPO7为8位数 据输出，R55、R61、R66、R67为上拉电阻，I²C接口用于对SAA7113初始化，通过内部 寄存器的不同配置可以对输入进行转换。

在附图9所示的网络接口电路中：采用完全集成的和符合成本效益的单芯片快速以太网 MAC控制器DM9000，SD0-SD15为16为数据总线，与ARM9相连，晶振X6和电容C31、 C32构成晶振电路，RX+、RX-为网络接收信号输入端，TX+、TX-为网络发送信号输出端， 通过网路变压器与网线相连。