DSP在污水處理溶解氧控制方面的應用

摘要：針對連續循環(huán)曝氣系統(CCAS)污水處理中溶解氧濃度控制存在的實(shí)時(shí)性差、溶解氧濃度波動(dòng)范圍偏大、運行費用較高等問(wèn)題，建立溶解氧DO環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成三閉環(huán)的系統模式，達到對溶解氧的穩定控制。以TMS320LF2812作為主控芯片，通過(guò)對風(fēng)機施以FOC的矢量變頻調速控制以控制風(fēng)機的鼓風(fēng)量；同時(shí)對溶解氧施以Smith預估補償控制，消除對溶解氧控制的滯后，提高系統的魯棒性。在不同階段溶解氧參數穩定效果好，出水水質(zhì)指標明顯提高。系統具有良好的動(dòng)態(tài)性能，系統硬件電路簡(jiǎn)單經(jīng)濟、性?xún)r(jià)比高，有較高的實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：連續循環(huán)曝氣系統(CCAS)；溶解氧；Smith預估器；磁場(chǎng)定向控制(FOC)；矢量變頻調速

當前隨著(zhù)水資源的不斷減少，水質(zhì)污染日益嚴重，人類(lèi)生存受到嚴重威脅。污水處理與再循環(huán)利用已成為解決該危機的有效手段之一。目前。國內外城市污水處理廠(chǎng)處理工藝大都采用一級處理和二級處理。一級處理是采用物理方法，主要通過(guò)格柵攔截、沉淀等手段去除廢水中大塊懸浮物和砂粒等物質(zhì)。二級處理則是采用生化方法，主要通過(guò)微生物的生命運動(dòng)等手段來(lái)去除廢水中的懸浮性，溶解性有機物以及
氮、磷等營(yíng)養鹽。連續循環(huán)曝氣系統(Continuous Cycle Aeration System，CCAS)工藝，它是現階段在污水處理工藝中一種較先進(jìn)的處理工藝，是一種連續進(jìn)水式SBR曝氣系統，其生物處理核心是CCAS反應池，除磷、脫氮、降解有機物及懸浮物等功能均在該池內完成；它要求反應池分別工作于好氧、缺氧、厭氧3種不同的時(shí)段，使污水在“好氧一缺氧”的反復中完成去碳、脫氮，并在“好氧-厭氧”的反復中完成除磷。由于其曝氣設備一般為羅茨風(fēng)機和鼓風(fēng)機，這樣也就使風(fēng)機根據好氧、缺氧、厭氧3種不同時(shí)段溶解氧DO濃度的需要，起起停停，造成風(fēng)機頻繁的起動(dòng)停車(chē)，致使設備運行費用高；同時(shí)，由于CCAS反應池存在純滯后特征，易使系統控制產(chǎn)生振蕩，致使反應池內溶解氧DO濃度忽高忽低，嚴重影響了出水的質(zhì)量。
采用TMS320LF2812型DSP作為主控芯片。充分利用它所具有的實(shí)時(shí)運算能力，豐富電機控制外圍電路和接口資源，對羅茨風(fēng)機電機實(shí)行轉子磁場(chǎng)定向矢量的變頻控制。使電機能根據溶解氧DO的需要工作于不同的轉速，確保溶解氧DO的濃度恒定；同時(shí)，在系統中引入Smith預估控制，從而保證出水水質(zhì)的要求。

1 污水處理中溶解氧DO的控制原理
污水處理中溶解氧DO的大小是由鼓風(fēng)機的鼓風(fēng)量的大小決定的，而鼓風(fēng)量的大小與風(fēng)機葉片旋轉的快慢有關(guān)，這樣就可以根據反應池中的溶解氧DO的需要控制風(fēng)機的轉速，通過(guò)建立溶解氧DO環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)組成三閉環(huán)的系統模式，實(shí)現對溶解氧DO的恒定控制。
速度環(huán)和電流環(huán)作為內環(huán)主要用于對風(fēng)機電機的轉速和電流進(jìn)行控制，以適應溶解氧DO環(huán)的需要，風(fēng)機電機一般采用三相交流異步電動(dòng)機，在此采用轉子磁鏈定向的矢量變頻控制，其控制原理如圖1所示。

只要保持is與d軸垂直，電機的轉矩方程為：

式中，pm為轉子磁極對數，ψr為轉子磁場(chǎng)在定子上的耦合磁鏈，isd、isq為定子電流矢量is在d、q軸的分量；通過(guò)控制isq來(lái)控制轉矩，實(shí)現對電機轉速的變頻控制。
溶解氧DO環(huán)作為外環(huán)主要完成對CCAS反應池內的溶解氧DO的大小進(jìn)行無(wú)靜差控制，由于CCAS反應池屬于大滯后慣性環(huán)節，為提高系統的動(dòng)態(tài)性能，為此引入改進(jìn)的Smith預估控制環(huán)節，其原理圖如圖2所示。