專利名稱：一種新型農村生活污水處理系統(tǒng)控制裝置及其應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種新型農村生活污水處理電氣控制技術，具體地說是多傳感器檢測下的農村生活污水處理系統(tǒng)智能控制技術。
背景技術：
農村生活污水造成的環(huán)境污染嚴重危害到農村的生存和發(fā)展，如何有效處理農村生活污水已成為各級環(huán)保部門迫切解決的問題，但是農村污水的排放特點不同于城市，農村人口密度小，居住分散，不利于生活污水的集中處理。因此，國內農村生活污水處理目前普遍采用分散式生活污水系統(tǒng)，這種污水處理系統(tǒng)著眼于生態(tài)、投資小、運行成本低，為農村生活污水處理開辟了一條科學、經濟、實用可行的道路。然而這種投資小、運行成本低的優(yōu)點是建立在系統(tǒng)小的基礎之上的，一個小型農村生活污水處理系統(tǒng)一般只用于一個行政村的生活污水處理，如果要全面解決農村生活污水處理的問題，則需要每個行政村建一個這樣的小型農村生活污水處理系統(tǒng)，因此，如何能夠使每一個小系統(tǒng)實現高效、節(jié)能成了技術焦點。實現高效、節(jié)能的有效辦法就是采用先進、科學、智能、結構簡單的系統(tǒng)控制裝置，控制裝置設計的水平直接影響到農村生活污水處理的質量，影響到系統(tǒng)運行的成本和建設成本，影響到動力能源的有效利用。

發(fā)明內容
為改進當前農村生活污水處理系統(tǒng)控制裝置粗獷式控制，使其實現本質的高效、節(jié)能控制，本發(fā)明提供一種基于統(tǒng)計特性的測量值修正算法和一種分段閥值和分時、分季閥值可變的控制技術。即，將測量值通過初始多值平均、運行加權平均和去噪來提高參數的測量精度，將不同的分段閥值和分時、分季閥值可變的電機控制策略用于不同用途電機的精細控制，并引入網絡接口和視頻接口為網絡管理和視頻監(jiān)控提供支持，以此使農村生活污水處理的質量得到大大提高，同時還能節(jié)約電能、降低運行成本和建設成本。本發(fā)明提供的生活污水處理系統(tǒng)控制裝置包括傳感器、采樣電阻、電壓跟隨器、A/D轉換電路、ARM9處理器及電極；傳感器輸出的電流信號iin通過采樣電阻、電壓跟隨器、A/D轉換電路后輸出電壓數字量Vin，Vin通過I2C接口傳輸給ARM9處理器；ARM9輸出信號控制提升泵、污泥回流泵、曝氣機電機的工作。本發(fā)明的工作原理為ARM9處理器在開機時先連續(xù)讀取50個轉換后的電壓數字量Vin，計算其統(tǒng)計平均值作為系統(tǒng)的第一個測量值Vtjut(O);其后每次測得的電壓數字量Vin首先與上一次測量值Vwt (j)比較，如果Vin偏離大于10%，則判定為干擾信號，直接忽略本次測量值，如果Vin偏離小于10%，則把上次測量值Vtjut (j)乘于權重90 %和本次測得的電壓數字量Vin乘于權重10%作為本次測量值Vrat (j+1)輸出；之后再將測量值通過標定算法將V-U+l)除于相應的修正比例系數kp，再加上偏差修正量5，分別得到D0、0RP、PH、溫度和液位的實際值，輸出的實際值作為測量顯示和電機控制的輸入信號。在傳感器電極上加上精密電阻，將電流信號轉換為電壓信號，通過在A/D轉換之前加入電壓跟隨器，消除輸入阻抗對測量的影響。利用農村生活污水檢測值(DO、ORP、PH、溫度)隨時間緩慢變化的特點，采用絕對偏離判定器，對于采樣值偏離均值較大(這里取10%)的采樣值做刪除處理。初始測量將連續(xù)50次的測量值取統(tǒng)計平均值，作為第一個測量值，從而有效消除開機瞬間傳感器不穩(wěn)定、電路不穩(wěn)定造成的測量誤差。在正常運行期間，采用加權平均公式對輸出電壓值進行修正，即，上次已修正的測量值的權重為90%，而當前有效采樣值的權重只有10%，從而減小當前誤差對電壓測量結果的影響。最后通過測量值的標定得到實際檢測參數(DO、ORP、PH、溫度)的真值，提供液晶屏顯示，并通過網絡發(fā)送到服務器，永久保存在數據庫中。被測參數的標定和修正采用觸摸屏實現，通過觸摸屏等步長增加或減小比例系數和偏移量，采用標定和修正公式將測得的電壓值轉化為實際的測量值。同時將比例系數和偏移量保存到閃存中，并通過網絡發(fā)送到服務器。提升泵、污泥回流泵和曝氣機電機控制將采用上下閥值(或分段閥值)和分時、分季閥值可變的控制方法，根據農村生活污水排放的分時、分季特性，制定科學的時變的閥值控制策略，通過當前日期和時間查表得到季節(jié)系數和時段系數，再分別計算出上下閥值(或分段閥值)，閥值控制通過閥值判斷器分級控制電機的轉速和起停。使用本發(fā)明提供的生活污水處理系統(tǒng)控制裝置在降低傳感器要求，降低設備投入成本的前提下，仍能確保各被測參數的測量精度；通過對執(zhí)行機構采用結構簡單而算法精細的控制方式，使系統(tǒng)建設成本低，系統(tǒng)運行更高效、更節(jié)能。


下面結合附圖所示的一個實施例對本發(fā)明進一步說明。附圖I農村生活污水處理系統(tǒng)控制框圖。I. I是(D0、0RP、PH、溫度)傳感器，I. 2是采樣電阻，I. 3是電壓跟隨器，I. 4是A/D轉換電路，I. 5是初始均值算法，I. 6是去噪算法，I. 7是加權平均算法，I. 8是觸摸屏，I. 9是測量標定修正算法，I. 10是電機控制算法，I. 11是電機驅動電路，I. 12是執(zhí)行機構電機。附圖2測量值標定方法框圖。2. I是參數的標定和修正用觸摸屏，2. 2是比例系數步進按鍵功能，2. 3是偏移量步進按鍵功能，2. 4是標定和修正算法附圖3提升泵和污泥回流泵電機控制策略框圖。3. I是季節(jié)系數和時段系數表，3. 2是上下閥值算法，3. 3是閥值判斷器，3. 4是電機驅動電路，3. 5是污水提升泵或污泥回流泵電機。附圖4曝氣機電機控制策略框圖。4. I是季節(jié)系數和時段系數表，4. 2是分段閥值計算算法，4. 3是分段閥值判斷器，
4.4是電機驅動電路，4. 5是曝氣機電機。附圖5農村污水處理工藝流程圖。5. I是格柵池，5. 2是厭氧池，ORP、PH、溫度和液位傳感器安裝在厭氧池中，5. 3是生物接觸氧化池，DO傳感器和曝氣泵安裝在氧化池中，5. 4是沉淀池，污泥回流泵安裝在沉淀池中，5. 5是多級慮床強化流人工濕地，5. 6是污水提升泵，5. 7是射流曝氣機，5. 8是污泥回流泵。、
附圖6控制裝置硬件框圖。6. I是(0RP、PH、D0、溫度和液位)傳感器6. 2是I/V變換電路，6. 3是電壓跟隨電路，6. 4是A/D轉換電路，6. 5是觸摸屏，6. 6是閃存，6. 7是網絡接口，6. 8是視頻接口，6. 9是ARM9處理器，6. 10是電機驅動電路，6. 11是污水提升泵，6. 12是射流曝氣泵，6. 13是污泥回流泵。附圖7電壓跟隨和A/D轉換電路。ROl是250歐精密電阻，LM324是運算放大器，ADl 100AI是帶I2C的A/D轉換器，R02和R03是上拉電阻，SCL和SDA分別是I2C的時鐘端和數據端。附圖8視頻接口電路。SAA7113是視頻解碼芯片，它可以輸入2路模擬視頻信號，通過內部寄存器的不同配置可以對2路輸入進行轉換，C33、C34、C35、C36、C37、C38是隔直流電容，R66、R67是上拉電阻，其它器件是標配器件。附圖9網絡接口電路。DM9000是完全集成的和符合成本效益的單芯片快速以太網MAC控制器，SDO-SD15為16為數據總線，X6是25M晶振，C3UC32是晶振的負載電容，其它器件是標配器件。
具體實施例方式在附圖I所示的農村生活污水處理系統(tǒng)控制框圖中將各類傳感器輸出的電流信號iin通過采樣電阻轉化為電壓信號，再通過電壓跟隨器、A/D轉換電路后輸出電壓數字量Vin,通過I2C輸出給ARM9微處理器；ARM9微處理器在開機時先連續(xù)讀取50個測量值，計算其統(tǒng)計平均值作為系統(tǒng)的第一個測量值Vwt(O);其后每次測得的電壓數字量Vin首先與上一次測量值比較，如果偏離大于10 %，則判為干擾信號，不計算新的測量值，如果偏離小于10 %，則把上次測量值Vtjut (j)乘于權重90 %和本次測得的電壓數字量Vin乘于權重10 %作為本次測量值Vtjut (j+1)輸出，分別得到DO、ORP、PH、溫度和液位的實際值，輸出的實際值作為測量顯示和電機控制的輸入信號。電機控制將采用分段閥值和分時、分季閥值可變的閥值控制方法，根據相應算法的到的閥值，控制電機的快慢和起停，其閥值的設定過程由上位機通過網絡接口完成，其設定值同時保存在上位機的數據庫和下位機的閃存中；網絡接口通過3G或Wi-Fi還實現測量數據、故障信息的實時上傳和接收上位機下載的控制參數和控制策略；裝置還提供了視頻接口，用于現場視頻監(jiān)控。在附圖I所示的農村生活污水處理系統(tǒng)控制框圖和附圖2所示的測量值標定方法框圖中采用觸摸屏實現被測參數的標定和修正，先對幾個標定值進行測量，顯示并記錄被測參數的電壓值和標準值，計算出相應的比例系數1^和偏移量8，通過觸摸屏輸入修正后的比例系數kp和偏移量8，采用標定和修正公式y(tǒng) = Vout(j)/kp+ 6，將測得的電壓值轉化為實際被測參數的測量值，作為測量顯示和電機控制的輸入信號。同時將比例系數&和偏 移量S保存到閃存中，并通過網絡發(fā)送到服務器。在附圖I所示的農村生活污水處理系統(tǒng)控制框圖和附圖3所示的提升泵和污泥回流泵電機控制策略框圖中通過讀取系統(tǒng)當前日期和時間，采用查表法得到季節(jié)系數kD和時段系數卜，再分別采用相應的計算公式計算出上閥值yh和下閥值y1;對于污泥回流泵，當實際測量值y > yh時起動驅動電機，當實際測量值y < Y1時停止電機運行；對于提升泵，當實際測量值I < I1時起動驅動電機，當實際測量值I > Yh時停止電機運行。在附圖I所示的農村生活污水處理系統(tǒng)控制框圖和附圖4所示的曝氣機電機控制策略框圖中通過讀取系統(tǒng)當前日期和時間，采用查表法得到季節(jié)系數kD和時段系數kT，再分別計算出分段閥值yh、y3、y2和y”，當實際測量值y > yh時停止電機運行，當yh >實際測量值y > y3時電機以最低速運行，當y3 >實際測量值y > Y2時電機以中速運行，當y2 >實際測量值I > Y1時電機以準高速運行，當實際測量值I < Y1時電機全速運行。在附圖5所示的農村污水處理工藝流程圖中經三級處理的農村生活污水流進入格柵池，液位計安裝在格柵池中，根據液位計測得的液位高低和提升泵的控制策略控制提升泵，當實際測量值y < I1時起動驅動電機，將污水注入到厭氧池；當實際測量值y > yh時停止電機運行；0RP、PH、溫度傳感器安裝在厭氧池中，這幾個參數只用于測量，并不用于對執(zhí)行機構的控制；通過厭氧處理后的污水流入生物接觸氧化池，DO傳感器和曝氣泵安裝在氧化池中；經生物接觸氧化池處理后進入沉淀池，污泥回流泵安裝在沉淀池中；最后再經過多級慮床強化流人工濕地后排放。在附圖6所示的控制裝置硬件框圖中各傳感器的電流信號經I/V變換電路、電壓跟隨電路、A/D轉換電路后輸入ARM9處理器，實現ORP、PH、D0、溫度的檢測；網絡接口模塊提供與服務器的網絡連接，實現采集數據和視頻監(jiān)控數據的上傳和控制策略參數和控制指令的下達；視頻接口用于現場視頻監(jiān)控，并通過網絡接口實現遠程監(jiān)控；觸摸屏用于測量數據的顯示、標定數據的輸入和現場控制指令輸入；閃存用于存放數據表和各種測量算法、控制策略的相關參數；電機驅動模塊實現對污水提升泵、射流曝氣泵和污泥回流泵的控制和驅動。在附圖7所示的電壓跟隨和A/D轉換電路中傳感器輸出的電流信號經過250歐精密電阻R01，其輸出為電壓信號，作為電壓跟隨器的輸入，電壓跟隨器由LM324實現，A/D轉換采用具有I2C接口的ADllOO芯片，通信引腳SCL和SDA分別接上拉電阻R02和R03，通過I2C與ARM9通信。在附圖8所示的視頻接口電路中采用SAA7113視頻解碼芯片，AIll和AI12為一對差分輸入接第一路模擬視頻信號、AI21和AI22為另一對差分輸入接第二路模擬視頻信號，C33、C34為隔直流電容，R56、R57、R58、R59、R60用于信號差分輸入，VP00-VP07為8位數據輸出，R55、R61、R66、R67為上拉電阻，I2C接口用于對SAA7113初始化，通過內部寄存器的不同配置可以對輸入進行轉換。 在附圖9所示的網絡接口電路中采用完全集成的和符合成本效益的單芯片快速以太網MAC控制器DM9000，SDO-SD15為16為數據總線，與ARM9相連，晶振X6和電容C31、C32構成晶振電路，RX+、RX-為網絡接收信號輸入端，TX+、TX-為網絡發(fā)送信號輸出端，通過網路變壓器與網線相連。
權利要求
1.一種新型農村生活污水處理系統(tǒng)控制裝置，其特征在于包括傳感器、采樣電阻、電壓跟隨器、A/D轉換電路、ARM9處理器及電極；傳感器輸出的電流信號iin通過采樣電阻、電壓跟隨器、A/D轉換電路后輸出電壓數字量Vin，Vin通過I2C接口傳輸給ARM9處理器；ARM9輸出信號控制提升泵、污泥回流泵、曝氣機電機的工作。
2.根據權利要求I所述的生活污水處理系統(tǒng)控制裝置，其特征在于還可通過視頻接口電路連接觸摸屏實現被測參數的標定和修正；通過網絡接口電路實現網絡管理。
3.權利要求I所述污水處理系統(tǒng)控制裝置應用與污水檢測的方法，其特征在于包括如下步驟ARM9處理器在開機時先連續(xù)讀取50個轉換后的電壓數字量Vin，計算其統(tǒng)計平均值作為系統(tǒng)的第一個測量值Vwt(O);其后每次測得的電壓數字量Vin首先與上一次測量值Vout(J)比較，如果Vin偏離大于10%，則判定為干擾信號，直接忽略本次測量值，如果Vin偏離小于10%，則把上次測量值Vtjut (j)乘于權重90%和本次測得的電壓數字量Vin乘于權重10%作為本次測量值Vrat (j+1)輸出；之后再將測量值通過標定算法將Vwt (j+1)除于相應的修正比例系數kp，再加上偏差修正量S，分別得到DO、ORP、PH、溫度和液位的實際值，輸出的實際值作為測量顯示和電機控制的輸入信號。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于在A/D轉換之前加入的電壓跟隨器用以消除輸入阻抗對測量的影響；初始測量采用計數器k進行計數，并把每次采樣值Vin存入到數組V(k)中，當計數k達到50次時，將測量的統(tǒng)計平均值Vrat(O) =E V(k)/50作為第一個測量值，基本消除開機瞬間傳感器不穩(wěn)定、電路不穩(wěn)定造成的測量誤差。
5.根據權利要求4所述的方法，，其特征在于對于采樣值偏離均值較小的采樣值作為有效采樣值Vin，采用加權平均公式Vwt (j+1) =Vout(J) X0.9+VinX0. I對輸出電壓值進行修正。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種新型農村生活污水處理系統(tǒng)控制裝置及其應用，這種裝置提供一種基于統(tǒng)計特性的測量值修正算法和一種分段閥值和分時、分季閥值可變的控制技術。即，將測量值通過初始多值平均、運行加權平均和去噪來提高參數的測量精度，將不同的分段閥值和分時、分季閥值可變的電機控制策略用于不同用途電機的精細控制，并引入網絡接口和視頻接口為網絡管理和視頻監(jiān)控提供支持，以此使農村生活污水處理的質量得到大大提高，同時還能節(jié)約電能、降低建設成本和運行成本。
文檔編號C02F9/14GK102616989SQ20121008139
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月26日 優(yōu)先權日2012年3月26日
發(fā)明者倪丹, 徐衛(wèi)東, 顧楊 申請人:江蘇商達水務有限公司