第2章ICA的发展历程40个模拟输出。值得一提的是过去30多年发生的计算机革命，作者在1970年以1SEK（=0.12美元或0.11欧元）每比特（主存储器）买了一个计算机。在2004年每兆比特才1SEK，价格降了近800万倍。和摩尔定律相比很有趣，因为在这期间正如摩尔所预测的容量增加2238.4×106，对磁盘存储同样正确。2.1.2克莱蒙森1974年1974年9月，在美国的克莱蒙森（Clemson）举办了一次讨论会，主题为“需要进行污水处理厂自动化的研究”。该工作报告由美国环保局（USEPA）发起，这次报告可以作为污水处理系统ICA早期发展的一个里程碑。克莱蒙森大学的JohnF.Andrews、HeinrichO.Buhr和ThomasM.Keinath组织了这次报告。许多应邀者来自政府管理和研究部门、大学、水处理系统的运行工程师和管理者、咨询工程公司人员和仪表制造商。在这次会上各工作团队就各种主题做了正式报告。参加者有104人：其中102人来自美国，2人来自欧洲（本书作者就是其中之一）。毫无疑问，这次会议对随后ICA的研究具有重要的影响。环保局主任WillianRosenkranz宣布了这次工作报告的主题，他说“处理系统不再是水污染控制设施的边缘，而是作为污水净化或革新的生产设施”。同时他认为ICA技术缺少动力学行为、控制策略、组件可靠性、ICA费用效益分析和自动化对设计影响等方面的基本知识。20世纪60年代中期，DC）传感器已经可以应用到清水中，把DO传感器放置在污水处理厂这种恶劣环境看来是不可接受的，但不久就变为现实。Nevada的Reno污水处理厂从1966年就已应用DO控制。这次大会的参加者对美国50多个污水处理厂进行了调查，发现12%的污水处理厂已应用自动的DO在线控制。这次大会确定了许多研究方向，其中一些研究方向如下：（1）开发高效可靠的传感器。主要变量包括流量、污泥层液位、沉降速率、呼吸速率、SS、短期BOD、氨氮、硝酸盐、磷酸盐。（2）收集和处理仪器测试信息的设备，这样的设备将会很有用。（3）指导用户开发传感器和仪表的性能规范。（4）应用最新获得的数据，开发单个过程的动态数学模型。一个重要的长期目标是把单个工艺模型纳入污水处理厂整个数学模型中。（5）开发基于计算机模拟应用数学模型建立的控制策略。12
2.1污水处理系统ICA会议（6）在中试水平评价控制策略，并选择在实际污水厂运行最具前景的策略，包括费用/效益分析。（7）控制策略扩展，包括液体和固体过程的相互关系，暴雨和卓季流量的控制和处理，以及污水处理整个区域。这些想法还未变为事实，因此仍然有大量工作可做。JohnAndrews教授（现为得克萨斯州波士顿莱斯大学的名誉教授）认识到需要在各个水平进行教育，他说“在天部分化学工程专业已开设过程动力学和控制的课程，建议在环境工程专业开设污水处理系统动力学和控制的课程。”现已开设这样的课程，但是把JohnAndrews的想法变为现实：仍然需要较长的时间。2.1.3伦敦/斯德哥尔摩1977年1977年在英国伦敦召开了IAWPR仪表和控制会议，并参观了斯德哥尔摩市计算机控制的kappala污水处理厂。这次会议由CarrnanGuarino（美国费城水部门）、TonyDrake（英国的泰士水务局）、LarsHall（瑞典的Kappalaforbundat）主办，RenBriggs（水研究中心，英国）、JohnAndrews（波土士顿大学，美国）和GustafOlsson（瑞典的隆德技术大学）组织了这次会议，共收录了95篇文章。控制发展的主要障碍仍是经济评价的问题。JoeRoesler和他的同事指出，应用：个微处理器就可使中心数字控制应用到1MGD（44L/s）的污水处理厂。仪表已获得发展，IO和pH传感器可靠性大大提高，从而大大促进它们在监测和控制中的应用。会议同时提到容积和总流量的测定，另外在线TOC和COD传感器也投人使用。“BioMonitor”系统的应用可以提供冲击负荷的早期预警，提高仪表可靠性仍是这次会议的主要话题，“一个95%的时间可工作但获得70%最优结果的仪表比一个70%的时间可工作但获得95%最优结果的仪表更有效”。正如RonBriggs（英国）所说，“设备状态（如泵和自动设备的温度、过滤器堵塞水平）的测定方法和获取一个满意的自动控制系统一样重要”。自动控制的重要性近些年已获得认。“已有的事后必再有；已行的事，后必再行。”（Ecclestiastesl：9）。这次会议首次提出了单元过程的动态模型，以及较精确的数据获得系统。另外，工艺的时间序列模型已成为控制设计的依据。当时计算机仍不能满足控制的需求，主存储器的字节为16～32k，13
第2章ICA的发展历程一个纸带阅读器，15ch/s的打印机和1.5min的名义跨度时间，因此通常数百个信号连接到计算机。在伦敦会议上，还介绍了欧洲6个污水处理厂计算机的安装情况：德国Berlin-Marienfelde，Karkbrook/Ostholstein和Hamrnover-Herrenhausen，瑞典Lidingo市（外Stockholm区）的Kappala，英国诺里奇的Whitlingham和法国巴黎的Acheres，计算机基本上用来获取数据，另外控制系统也取得进展。ThomasGillblad和GustafOlsson实际上应用计算机（PDP11/04，56kb字节存储和软驱磁盘）在瑞典的一个中型污水厂进行了几项研究：DO、回流污泥控制和溢流控制。通过测定好氧区的DO浓度曲线，可估计比耗氧速率值，根据该估计值和污水厂进水负荷可以控制回流污泥量，并应用模糊逻辑推理算法来确定应用那种回流污泥控制器，估计是否有必要溢流。会议对于控制结构的讨论较多，一方面应用直接数字控制（DDC），另一方面应用数字计算机来规定传统模拟控制器的设定值。计算机和DDC设施对计算机的故障很敏感。由于具有较好的稳定性，通常优先考虑设定值控制。另外可应用双计算机系统，但是由于费用较高，这样的系统在大型污水厂中应用才经济。在伦敦会议上提出了污水厂综合控制问题，但并未获得这方面的成果。在这次会议上邀请了一些专家对阻碍自动化进展的因素进行了评论。CaremenGuarino认为存在以下限制因素：公共所有制、缺少传感器、过程动力学知识不充分、经费。20世纪70年代，水污染控制行动和大的项目促进了中型或大型污水厂仪表和自动化的发展。CarmenGuarino预测，由于ICA建造速度快而没有时间进行革新，将出现一些大的错误。2.1.4幕尼黑/罗马1981年，休斯敦/丹佛1985年，京都/横滨1990年20世纪80年代ICA取得了诸多进展。仪表的可靠性不断提高，小型计算机已被微型计算机代替，但是ICA的进展仍比期望的慢。1980年的慕尼黑会议（包括对罗马的一次短程旅行）的主要议题有：（1）暴雨的监测和控制，进水量的预测：（2）DO控制节约能量；（3）DO曲线控制；14
2.1污水处理系统ICA会议（4）比需氧量和比呼吸速率作为控制中的运行参数：（5）硝化和反硝化活性污泥工艺的计算机控制（Biodenitro工艺）。慕尼黑研讨会是到目前最大的会议，收录了112篇大会文章，这次会议强调了仪表测试的需求，并建议在美国建立一个自动和仪表设备的测试协会，河流管理和水质也是这次会议的一个主题（共有14篇关于该方向的文章），但随后成为Watermatex会议的组成部分。有8篇关于工业污水处理系统控制和自动化的文章，很遗撼在以后的仪表和控制会议上，并没有关于该主题的文章。1985年在得克萨斯州休斯敦召开了又一届ICA会议，这次会议参观了科罗拉多州的丹佛市污水处理厂。很明显ICA在环境工程领域获得广泛关注，实际上“ICA”这一术语已普遍应用。IAWPR也加人“控制”一词，变为IAWPRC。这次会议的主要组织者仍然是TonyDrake（随后从英国泰晤士水务局退休）和JohnAndrews（得克萨斯州休斯敦），共收录了65篇大会论文和56篇墙报。在这次会议上DO和SS传感器已普遍应用，另外GustafOisson第一次报导了在实际规模污水厂进行自调整DO控制的研究。自从这次会议，IAWPRC建立了一个在线测定仪表的研究小组。1984年，非营利性质的TTS（仪表测试服务）公司在北美建立，主席是RonBiggs。当时在污水工业已建立较好的计算机控制系统。例如在德国，从1974年的第一个计算机系统，到1985年已在污水处理厂安装了150个。在美国的西雅图，开发了一个规模较大的综合网络系统，从而实现过程控制、实验室自动化、维护管理和信息管理，英国水务局也报道了电缆和通讯系统。计算机的安装并不意味会使使用者满意：“控制系统在0.88m/s（20MGD）的污水厂从未起到作用，因为在安装时它就已陈旧，制造商也未对其关注，另外维护人员未受过训练，因此从未实现计算机控制”，CarmenGuarino认为这是系统安装复杂造成的。1990年京都ICA会议是IAWPRC第15届2年一次会议的一个组成部分，这次ICA会议共收录51篇大会论文和45篇墙报。这次会议之前，已在横滨举办了ICA专题学术讨论会，发表了些不同国家关于ICA的综述文章。会议由东京大学M.Hiraoka教授组织。微型计算机和通讯技术是先进控制的主要推动力。根据电化学、光学和电光学开发了一些新的传感器技术，在材料上也获得巨大进步，比如为了固定活15
第2章ICA的发展历程性物种，为了投加试剂和标准，生产了需要的选择性膜。这次会议提出了改进的动态模型，开发了关于沉淀池动态模型的有意义方法，提出了替代的控制方法如模糊控制、神经网络和知识基系统，强调了营养物去除（N和P）的控制，而不是有机物去除的控制，开发了硝化反硝化过程详细的动态模型，开发了应用在闭环控制中监测氨氮、硝酸盐和磷酸盐的自动控制系统。20世纪70年代，模拟作为控制设计的一部分已经应用。然而，随着交互模拟器的出现，模拟变得更灵活。GustafOlsson在休斯敦展示了交互模拟的模型图书馆，Gillespatry和ImreTakacs设计了一个商业模拟软件包GPSXTM，它基于面向对象思想，应用图形编辑器可以在屏幕上直接模拟工艺流量表。2.1.5汉密尔顿/班夫郡1993年，哥本哈根1995年，布赖顿1997年1993年IAWPRC已变为IAWQ，在英国汉密尔顿ICA会议上共介绍了16个国家ICA技术的进展情况，这次会议参观了班夫郡污水处理厂，并确定了ICA的限制和促进因素，GustafOlsson做了自动控制进展的特邀报告。当时的一一些限制性因素仍然是当前的限制因素，如立法（在线测定仍未被规章制定部门接受）、教育和培训、经济（非盈利的产业）、污水处理厂的限制（污水处理厂不灵活，缺少合适的执行器）、软件的标准化。污水处理厂复杂程度不断增加是ICA发展的重要推动力。在这次会议污水厂运行模型已经建立，成功开发了营养物和呼吸仪现场在线传感器，计算机也不再是限制因素。当时已经预测到，评估分析和早期预警系统的应用将大大增加。动态模型和模拟软件在开发控制策略和污水厂性能优化方面发挥了巨大作用。不过仍需要提醒的是，数据丰富并不等于信息丰富。新的控制方法，比如神经网络和模糊控制已变得很普通，把控制融合到全厂控制中也获得快速发展，甚至区域模拟器已经集合到污水处理厂运行中。半自动化运行污水处理厂也有报道，同时重点强调人为因素的重要性。在整个污水厂规划和运行过程中，如果人员不尽职尽责的话，将不会获得任何进展。除汉密尔顿会议上有关于水需求预测和水资源网络分布规划的文章。在随后的几次ICA会议上，给水处理和管网输配未获得大家的关注，在20世纪70年代和80年代召开的会议上，对给水处理和输配的16