專利名稱：污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于污水處理領(lǐng)域技術(shù)，尤其涉及一種污水處理出水水質(zhì)軟測 量在線智能檢測儀表。
背景技術(shù)：
在污水處理過程中存在著過程參數(shù)時變、產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)難以在線實(shí)時檢測 或檢測時間嚴(yán)重滯后，因而不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時閉環(huán)控制、不易保證產(chǎn)品質(zhì)量的難題。
為了對污水處理過程出水質(zhì)量的主要指標(biāo)COD (Chemical Oxygen Demand 化學(xué)需氧量)和BOD (Biochemical Oxygen Demand生物化學(xué)需氧量)這類變量 進(jìn)行實(shí)時檢測和控制，人們已開始研究采用間接測量的方法，利用易于獲取的 其它測量信息，通過數(shù)學(xué)建模的方法利用這些信息來實(shí)現(xiàn)對被檢測量的估計。
軟測量是隨著控制理論、智能科學(xué)發(fā)展和計算機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng)用，從九十 年代起得到了普遍關(guān)注和迅速發(fā)展，被認(rèn)為是進(jìn)行工業(yè)過程監(jiān)測、優(yōu)化、控制 的重要方法。軟測量是目前檢測和過程控制研究發(fā)展的重要方向。
過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)是一種效果較好的軟測量建模方法，它具有聯(lián)想記憶，自 學(xué)習(xí)，高度容錯，快速處理，能逼近高度復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的特點(diǎn)，適合于非 線性、時變的工程系統(tǒng)。如何更好的利用該過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對污水 處理出水水質(zhì)的軟測量是業(yè)內(nèi)人士努力尋求的目標(biāo)。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提供一種污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀 表，其可以實(shí)現(xiàn)對出水水質(zhì)的主要技術(shù)指標(biāo)的測試及顯示，測出結(jié)果可以用于
對出水水質(zhì)的實(shí)時控制。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取以下設(shè)計方案 一種污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表，它包括一組用于采集輸入量的前端傳感器；
一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將前端傳感器采集的模擬輸入量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號量； 一 CPU中心處理器，內(nèi)嵌基于P顧過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及改進(jìn)算法編制的 軟測量程序模塊；
一鍵盤輸入設(shè)備； 一組輸出設(shè)備；
所述的一組前端傳感器的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸 出端接CPU中心處理器的串行外圍接口；鍵盤輸入接于通用輸入/輸出接口； CPU中心處理器的控制輸出端接一組輸出設(shè)備的輸入。
所述一組前端傳感器可以是采集總有機(jī)碳含量T0C、溶解氧D0、氧化還原電 位0RP和酸堿度pH值的一組傳感器。亦可以是采集總有機(jī)碳含量T0C、溶解氧D0 和污泥濃度MLSS值的一組傳感器。
所述的一組輸出設(shè)備是顯示設(shè)備、打印設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和聲音輸出設(shè)備 中的至少一種設(shè)備。
所述的CPU中心處理器為51系列單片機(jī)、AVR系列單片機(jī)或ARM系列單片機(jī)。
所述的總有機(jī)碳含量T0C(Total Organic Carbon)是指在排水中構(gòu)成有機(jī) 物的碳的總量，可作為測定污染程度的重要指標(biāo)。其單位一般表示為"毫克/升"。
所述的溶解氧D0(Dissolved Oxygen)是水體環(huán)境質(zhì)量的一項(xiàng)極其重要的 綜合性表觀指標(biāo)，它直接反映水體受有機(jī)物、微生物、藻類等物質(zhì)污染的程度， 在環(huán)境水質(zhì)監(jiān)測中被廣泛采用，D0值的變化主要由曝氣量所影響，監(jiān)測D0可 以優(yōu)化調(diào)節(jié)曝氣量，控制用電量，進(jìn)而可以控制污水處理成本。其單位一般表 示為"毫克/升"。
所述的氧化還原電位0RP (Oxidation Reduction Potential)是指溶液的氧 化還原電位。ORP值是水溶液氧化還原能力的測量指標(biāo)，其單位是毫升。
所述的污泥濃度MLSS系指曝氣池中單位體積混合液所含懸浮固體的重量 (常以MLSS表示)，單位用"克/升"或"毫克/升"。污泥濃度MLSS的大小 間接地反映混合液中所含微生物的量。為了保證曝氣池的凈化效率，必須在池內(nèi)維持一定量的污泥濃度。 一般來說，對于普通活性污泥法，曝氣池內(nèi)污泥濃
度MLSS常控制在2 — 3克/升之間。
本實(shí)用新型污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表用于污水處理出 水水質(zhì)軟測量方法中，主要為解決因B0D和C0D化學(xué)方法檢測的大滯后帶來的 在線檢測問題，故選用總有機(jī)碳含量TOC、溶解氧D0、污泥濃度MLSS值作為一 組或選用總有機(jī)碳含量T0C、溶解氧D0、氧化還原電位ORP和酸堿度pH值作 為一組采集的輸入二次變量，將B0D:，和C0D作為控制輸出的主導(dǎo)變量，由檢測 儀的CPL!中心處理器基于PNN過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及改進(jìn)算法可快速地計算推 導(dǎo)出B0D:， (BOD變量中的一常用表示指標(biāo)，為五天生物化學(xué)需氧量)或C0D值 并輸出，從而可以將得到的結(jié)果數(shù)據(jù)適時地用于污水處理的實(shí)時閉環(huán)控制，以 保證出水達(dá)標(biāo)并節(jié)省電能。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是本實(shí)用新型污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測 儀表測出的結(jié)果滯后時間短，誤差小，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，成本相對較低，可操 作性強(qiáng)，使用方便；為實(shí)現(xiàn)實(shí)時閉環(huán)控制、保證產(chǎn)品質(zhì)量打下堅實(shí)基礎(chǔ)。


圖1為本實(shí)用新型污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表一實(shí)施例構(gòu) 成原理示意圖。
圖2為本實(shí)用新型污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表的另一實(shí)施 例構(gòu)成原理示意圖。
圖3為圖1所示實(shí)施例中基于PNN過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)建模結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為圖2所示實(shí)施例中基于P麗過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)建模結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為軟測量程序的方框流程圖。
圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例中微處理器、蜂鳴器和復(fù)位電路單元的電原理圖。
圖7為本實(shí)用新型實(shí)施例中模數(shù)轉(zhuǎn)換部分電路單元的電原理圖。
圖8為本實(shí)用新型實(shí)施例中多電壓供給電源部分電路單元的電原理圖。
圖9為本實(shí)用新型實(shí)施例中按鍵輸入部分電路單元的電原理圖。
圖10為本實(shí)用新型實(shí)施例中LCD顯示部分電路單元的電原理圖。
圖11為本實(shí)用新型實(shí)施例中打印機(jī)輸出部分電路單元的電原理圖。圖12a為本實(shí)用新型實(shí)施例中時鐘部分電路單元的電原理圖。 圖12b為本實(shí)用新型實(shí)施例中在線燒錄電路單元的電原理圖。 圖13a為本實(shí)用新型實(shí)施例中數(shù)據(jù)存儲部分電路單元的電原理圖。 圖13b為本實(shí)用新型實(shí)施例中中文字符庫存儲部分電路單元的電原理圖。
具體實(shí)施方式

如圖l、圖2所示，本實(shí)用新型污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀 表主要包括 一組用于采集輸入量的前端傳感器； 一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將前端傳 感器采集的模擬輸入量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號量；一CPU中心處理器，內(nèi)嵌基于PNN 過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及改進(jìn)算法編制的軟測量程序模塊； 一鍵盤輸入設(shè)備；一 組輸出設(shè)備。 一組前端傳感器的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的 輸出端接CPU中心處理器的串行外圍接口；鍵盤輸入接于通用輸入/輸出接口； CPU中心處理器的控制輸出端接一組輸出設(shè)備的輸入。
所述一組前端傳感器可以是釆集總有機(jī)碳含量T0C、溶解氧D0、氧化還原電 位ORP和酸堿度pH值的一組傳感器(如圖1所示)。亦可以是采集總有機(jī)碳含量 T0C、溶解氧DO和污泥濃度MLSS值的一組傳感器(如圖2所示)。
所述的CPU中心處理器中內(nèi)嵌基于P麗過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及改進(jìn)算法編 制的軟測量程序模塊，該軟測量程序是本申請的發(fā)明人依據(jù)基于P麗過程神經(jīng) 元網(wǎng)絡(luò)建立起的一個用于污水處理出水水質(zhì)軟測量方法的網(wǎng)絡(luò)模型及在原算 法的基礎(chǔ)上研究的改進(jìn)算法后編制的軟件程序。
本申請的發(fā)明人對該P(yáng)NN過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型中的參數(shù)選取也做了大量的 研究工作，得出以下技術(shù)方案在生活污水處理中，只要對BOD5和C0D進(jìn)行 軟測量就可實(shí)現(xiàn)對出水水質(zhì)的實(shí)時控制。需要確定的是與BOD5和C0D測量密 切相關(guān)的可測輸入量的個數(shù)。確立機(jī)碳含量TOC、溶解氧D0、污泥濃度MLSS、 PH值和氧化還原電位ORP等均可測量且與BOD5密切相關(guān)，尤其是進(jìn)水水質(zhì) 與出水水質(zhì)關(guān)系直接。DO值的變化主要由曝氣量所影響，監(jiān)測DO可以優(yōu)化 調(diào)節(jié)曝氣量，控制用電量，進(jìn)而可以控制污水處理成本。根據(jù)當(dāng)前流行的SBR 工藝過程分析及對實(shí)時檢測的數(shù)據(jù)分析，以及現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，結(jié)合部分資料調(diào) 研，選用進(jìn)水TOC、 DO、 MLSS、 ORP和pH值作為輸入的二次變量，軟測量 技術(shù)主要解決BOD5滯后檢測問題，所以將BOD5作為輸出的主導(dǎo)變量。根據(jù)上面的分析確定了圖3及圖4所示的過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)軟測量模型結(jié)
構(gòu)，并在基于正交基展開算法的基函數(shù)種類、閾值調(diào)整的方法基礎(chǔ)上，提出有 動量項(xiàng)調(diào)整的權(quán)值、閾值調(diào)整方法或同時具有動量項(xiàng)和自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率的共軛 梯度法的權(quán)值、閾值調(diào)整的算法，后者為佳。
依據(jù)上述的用于污水處理出水水質(zhì)軟測量方法的網(wǎng)絡(luò)模型及改進(jìn)算法，將 其計算機(jī)程序化而固化在出水水質(zhì)軟測量用網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)系統(tǒng)中。該程序的方框
流程圖可參見圖5。
所述的一組輸出設(shè)備可以是顯示設(shè)備、打印設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和聲音輸出 設(shè)備中的至少一種設(shè)備。其中存儲設(shè)備接于CPU中心處理器的SPI串行外圍接 口；顯示器接于CPU中心處理器的打印終端接口；微型打印機(jī)接于CPU中心處 理器的通用異步接收/發(fā)送裝置接口；下載數(shù)據(jù)線接于CPU中心處理器的ISP 接口；聲音輸出設(shè)接通用輸入/輸出接口。
圖6至圖13給出了本實(shí)用新型污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表
一實(shí)施例具體構(gòu)成的全部電路。其中
圖6為CPU中心處理器、蜂鳴器和復(fù)位電路，CPU中心處理器采用AVR系 列單片機(jī)ATMEGA1280，通過SPI接口實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和Flash存儲，通過 LPT接口實(shí)現(xiàn)LCD顯示驅(qū)動，通過GPIO接口實(shí)現(xiàn)聲音輸出和按鍵輸出，通過 ISP接口實(shí)現(xiàn)上位數(shù)據(jù)下載，通過UART接口實(shí)現(xiàn)微型打印機(jī)打印輸出，同時， 圖中還給出了蜂鳴器、外部晶振和復(fù)位部分電路。
圖7為高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換部分電路。該電路包括四個部分模擬信號輸入、 高精度ADC轉(zhuǎn)換、外部時鐘和基準(zhǔn)電源，其中模擬信號輸入部分共提供四組(或 三組)傳感器輸入，分別連接采集DO、 T0C、 0RP和pH值(或D0、 T0C和MLSS) 的傳感器信號輸出端；高精度ADC轉(zhuǎn)換部分特別地采用24位轉(zhuǎn)換芯片 AD77188RU，從而滿足了儀表系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)精度的要求；外部時鐘和基準(zhǔn)電 源電路為AD77188RU芯片提供了時鐘信號和基準(zhǔn)電源。
圖8為多電壓供給電源部分電路，分別提供3. 3V、 5V、 9V和12V電壓輸出， 以滿足不同設(shè)備對電源的要求。圖9為按鍵輸入部分電路。該電路分為兩個部分板載按鍵和外接按鍵接 口，其中板載按鍵包括五個按鍵確定、取消、上方向、下方向和水平方向， 另外為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載，在軟件上設(shè)置了組合鍵功能，以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩? 外接按鍵接口提供8個按鍵輸入，屬于擴(kuò)展接口。
圖10為LCD顯示部分電路，其中采用芯片74HC125和74LVC245作為緩沖 器，以保證圖像的正確顯示。
圖11為打印機(jī)輸出部分電路，其中采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，因此 提供標(biāo)準(zhǔn)串口連接功能，可以與以串口作為通信接口的打印機(jī)進(jìn)行連接；
圖12a、圖12b為在線燒錄和時鐘部分電路，其中采用了 SD2098A作為實(shí)時 時鐘芯片，該芯片內(nèi)置時鐘精度數(shù)字調(diào)整功能，可以在很寬的范圍內(nèi)校正時鐘 的偏差(分辨力3ppm)，通過外置的溫度傳感器可設(shè)定適應(yīng)溫度變化的調(diào)整值， 實(shí)現(xiàn)在寬溫范圍內(nèi)高精度的計時功能，因此提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性能。
圖13a、圖13b為數(shù)據(jù)存儲部分電路，其中包括兩個部分?jǐn)?shù)據(jù)存儲(圖 13a所示)和中文字符存儲(圖13b所示)，前者用來存儲軟測量過程中的歷 史數(shù)據(jù)，后者則存儲中文字符庫，以滿足儀表的中文操作需求，另外兩者都采 用74HC125芯片作為緩沖器、AT26F004作為存儲芯片(SPI接口 Flash芯片)。 本實(shí)用新型污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表能夠?qū)崿F(xiàn)BOD或 COD的在線快速檢測。該儀表以AVR單片機(jī)系列的Atmegal280為主控制器， 它可配有128K字節(jié)的FLASH存貯器，支持ISP、 IAP編程，因此可以將污水處 理出水水質(zhì)軟測量方法通過編程予以實(shí)現(xiàn)。主控制器設(shè)計有時鐘電路，可以周 期地控制前端采樣儀采樣現(xiàn)場的TOC、 D0、 ORP和pH值實(shí)時數(shù)據(jù)，通過ADC芯 片轉(zhuǎn)換為計算機(jī)可以識別的數(shù)字信號，結(jié)合基于PNN理論的軟測量程序快速計 算得到B0D或COD值。另外，該儀表還可配備有鍵盤和液晶顯示屏，能方便 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置和信息顯示，還具備有數(shù)據(jù)統(tǒng)計和報表打印功能。
上述各實(shí)施例可在不脫離本實(shí)用新型的范圍下加以若干變化，故以上的說 明所包含及附圖中所示的結(jié)構(gòu)應(yīng)視為例示性，而非用以限制本實(shí)用新型的申請 專利范圍。
權(quán)利要求1、一種污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表，其特征在于它包括一組用于采集輸入量的前端傳感器；一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將前端傳感器采集的模擬輸入量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號量；一CPU中心處理器，內(nèi)嵌基于PNN過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及改進(jìn)算法編制的軟測量程序模塊；一鍵盤輸入設(shè)備；一組輸出設(shè)備；所述的一組前端傳感器的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端接CPU中心處理器的串行外圍接口；鍵盤輸入接于通用輸入/輸出接口；CPU中心處理器的控制輸出端接一組輸出設(shè)備的輸入。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表，其特征在于所述一組前端傳感器為采集總有機(jī)碳含量T0C、溶解氧D0、氧化還原電位0RP和酸堿度pH值的傳感器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表，其特征在于所述一組前端傳感器為采集總有機(jī)碳含量T0C、溶解氧DO和污泥濃度MLSS值的傳感器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表，其特征在于所述的一組輸出設(shè)備是顯示設(shè)備、打印設(shè)備、數(shù)據(jù)存儲設(shè)備和聲音輸出設(shè)備中的至少一種設(shè)備。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表，其特征在于所述的CPU中心處理器為51系列單片機(jī)、AVR系列單片機(jī)或ARM系列單片機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種污水處理出水水質(zhì)軟測量在線智能檢測儀表，它包括一組用于采集輸入量的前端傳感器；一模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于將前端傳感器采集的模擬輸入量轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號量；一CPU中心處理器，內(nèi)嵌基于PNN過程神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及改進(jìn)算法編制的軟測量程序模塊；一鍵盤輸入設(shè)備；一組輸出設(shè)備；所述的一組前端傳感器的輸出端接模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸入端，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的輸出端接CPU中心處理器的串行外圍接口；鍵盤輸入接于通用輸入/輸出接口；CPU中心處理器的控制輸出端接一組輸出設(shè)備的輸入。其可以實(shí)現(xiàn)對出水水質(zhì)的主要技術(shù)指標(biāo)的測試及顯示，測出結(jié)果可以用于對出水水質(zhì)的實(shí)時控制。
文檔編號G01N33/18GK201392338SQ20092010606
公開日2010年1月27日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者劉載文, 崔莉鳳, 斌 楊, 王小藝, 肖平波, 許繼平, 連曉峰 申請人:北京工商大學(xué)