DSP在污水處理溶解氧控制方面的應用

摘要：針對連續循環曝氣系統(CCAS)污水處理中溶解氧濃度控制存在的實時性差、溶解氧濃度波動范圍偏大、運行費用較高等問題，建立溶解氧DO環、速度環和電流環組成三閉環的系統模式，達到對溶解氧的穩定控制。以TMS320LF2812作為主控芯片，通過對風機施以FOC的矢量變頻調速控制以控制風機的鼓風量；同時對溶解氧施以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，出水水質指標明顯提高。系統具有良好的動態性能，系統硬件電路簡單經濟、性價比高，有較高的實用價值。
關鍵詞：連續循環曝氣系統(CCAS)；溶解氧；Smith預估器；磁場定向控制(FOC)；矢量變頻調速

當前隨著水資源的不斷減少，水質污染日益嚴重，人類生存受到嚴重威脅。污水處理與再循環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。二級處理則是采用生化方法，主要通過微生物的生命運動等手段來去除廢水中的懸浮性，溶解性有機物以及
氮、磷等營養鹽。連續循環曝氣系統(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的處理工藝，是一種連續進水式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機和鼓風機，這樣也就使風機根據好氧、缺氧、厭氧3種不同時段溶解氧DO濃度的需要，起起停停，造成風機頻繁的起動停車，致使設備運行費用高；同時，由于CCAS反應池存在純滯后特征，易使系統控制產生振蕩，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量。
采用TMS320LF2812型DSP作為主控芯片。充分利用它所具有的實時運算能力，豐富電機控制外圍電路和接口資源，對羅茨風機電機實行轉子磁場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，在系統中引入Smith預估控制，從而保證出水水質的要求。

1 污水處理中溶解氧DO的控制原理
污水處理中溶解氧DO的大小是由鼓風機的鼓風量的大小決定的，而鼓風量的大小與風機葉片旋轉的快慢有關，這樣就可以根據反應池中的溶解氧DO的需要控制風機的轉速，通過建立溶解氧DO環、速度環和電流環組成三閉環的系統模式，實現對溶解氧DO的恒定控制。
速度環和電流環作為內環主要用于對風機電機的轉速和電流進行控制，以適應溶解氧DO環的需要，風機電機一般采用三相交流異步電動機，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；通過控制isq來控制轉矩，實現對電機轉速的變頻控制。
溶解氧DO環作為外環主要完成對CCAS反應池內的溶解氧DO的大小進行無靜差控制，由于CCAS反應池屬于大滯后慣性環節，為提高系統的動態性能，為此引入改進的Smith預估控制環節，其原理圖如圖2所示。