自來(lái)水廠混凝投藥控制系統(tǒng)分析

朱志強(qiáng)

（深圳市布吉供水有限公司 廣東 深圳 518114）

0 引言

在水廠供水中，一般以地表水作為供水水源，在水凈化處理中，混合、絮凝以及沉淀均是十分重要的工藝?；炷端幜繒?huì)對(duì)混凝效果產(chǎn)生較大影響，但是水凈化處理工藝具有一定的滯后性，而在混凝過(guò)程中會(huì)發(fā)生一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，水廠一般應(yīng)用固定程序?qū)炷端庍M(jìn)行自動(dòng)化控制，導(dǎo)致混凝投藥控制效果很難滿足實(shí)際需要。通過(guò)應(yīng)用人工智能控制技術(shù)，可對(duì)水廠混凝投藥過(guò)程進(jìn)行智能化控制，因此，對(duì)自來(lái)水廠混凝投藥控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究意義重大。

1 自來(lái)水廠混凝投藥控制概述

混凝投藥是水廠水質(zhì)凈化的關(guān)鍵工序之一，在混凝投藥控制中，要求根據(jù)水質(zhì)參數(shù)，對(duì)混凝投藥量進(jìn)行有效控制，進(jìn)而達(dá)到良好的混凝效果。在水質(zhì)凈化中，在投入混凝劑后，混凝作用是一種具有滯后性的非線性過(guò)程，容易受到各類因素的影響，包括水體溫度、流量、堿度、pH值等，而水體沉淀后的濁度可反映出水質(zhì)凈化效果。因此，在混凝投藥控制中，如果應(yīng)用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型法，則投入量比較大，并且建模過(guò)程復(fù)雜，亟需采用一種可靠的人工智能控制系統(tǒng)。

現(xiàn)如今，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，水廠混凝投藥控制技術(shù)越來(lái)越完善，同時(shí)水廠生產(chǎn)工藝也逐漸朝向自動(dòng)化、管理便捷化等方向發(fā)展?；炷端幦斯た刂浦校蟾鶕?jù)以往的工作經(jīng)驗(yàn)確定混凝投藥量，但是這種控制方式比較之后，無(wú)法保證水質(zhì)穩(wěn)定性。因此，在自來(lái)水廠混凝投藥控制中，應(yīng)積極利用自動(dòng)化控制系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的人工控制方式。

在自來(lái)水廠混凝投藥控制中，智能化控制系統(tǒng)要求將傳統(tǒng)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，并應(yīng)用人工智能技術(shù)，進(jìn)而構(gòu)建出具有推理能力、判斷能力以及決策能力的智能化控制器。在各類混凝控制系統(tǒng)中，為了達(dá)到智能控制要求，應(yīng)解決一下兩個(gè)問(wèn)題：①根據(jù)水質(zhì)情況確定混凝投藥量的設(shè)定值；②提升混凝投藥控制系統(tǒng)使用性能。

2 基于CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混凝劑投加控制系統(tǒng)

混凝劑的投入量與原水水質(zhì)有一定關(guān)聯(lián)，通過(guò)對(duì)原水水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)分析，可根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)混凝劑投入量進(jìn)行有效控制。

在數(shù)學(xué)建模中，如果采用傳統(tǒng)建模方式，則數(shù)學(xué)模型不具有學(xué)習(xí)能力，只能應(yīng)用于固定的環(huán)境條件下，對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)性比較差，如果環(huán)境條件發(fā)生較大變化，則模型準(zhǔn)確性以及可靠性均會(huì)降低。現(xiàn)如今，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論越來(lái)越完善，其具有良好的自學(xué)習(xí)性特征，并且適應(yīng)性比較強(qiáng)，可學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)，進(jìn)而構(gòu)建出水質(zhì)參數(shù)與混凝投藥量之間的預(yù)測(cè)控制模型，隨著新數(shù)據(jù)的不斷產(chǎn)生，其可自我學(xué)習(xí)并修正，可有效適應(yīng)自來(lái)水廠水質(zhì)變化形式，保證模型準(zhǔn)確性以及可靠性。據(jù)此可構(gòu)建自來(lái)水廠混凝投藥量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)分析模型，輸入?yún)?shù)包括原水的溫度、pH值、流量、濁度等。

通過(guò)上述分析可見(jiàn)，通過(guò)應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論構(gòu)建自來(lái)水廠混凝投藥量預(yù)測(cè)模型，該模型具有良好的學(xué)習(xí)性以及適應(yīng)性，通過(guò)豐富訓(xùn)練樣本，能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行在線訓(xùn)練，由于其具有自我學(xué)習(xí)能力，因此預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性也比較高。在上述模型的基礎(chǔ)上，還可構(gòu)建出水水質(zhì)預(yù)測(cè)模型，該模型輸入?yún)?shù)包括原水水質(zhì)參數(shù)、預(yù)測(cè)混凝投藥量，而輸出參數(shù)則指的是出水水質(zhì)指標(biāo)，如圖1所示。在這一混凝投藥控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，需將自來(lái)水廠近幾年的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為依據(jù)，需要注意，該控制方式還存在一些弊端，在自來(lái)水廠發(fā)展中還需不斷完善。

3 基于模糊邏輯推理的透光率脈動(dòng)混凝控制系統(tǒng)

在混凝投藥檢測(cè)中，透光率脈動(dòng)檢測(cè)技術(shù)要求對(duì)絮體粒徑變化情況進(jìn)行檢測(cè)分析，進(jìn)而確定水體懸浮物質(zhì)絮凝程度，可將其作為水廠混凝投藥控制因子。在水廠混凝投藥控制中，不同水體的水質(zhì)參數(shù)有一定的區(qū)別，為了達(dá)到良好的混凝效果，對(duì)于透光率脈動(dòng)檢測(cè)值R，應(yīng)根據(jù)水質(zhì)變化實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。通常情況下，在常規(guī)濁度水范圍內(nèi)，修正量的變化幅度比較大，可為基準(zhǔn)值的及百分之幾甚至幾倍，對(duì)此，必須對(duì)透光率脈動(dòng)混凝控制系統(tǒng)進(jìn)行改良優(yōu)化，妥善解決控制系統(tǒng)設(shè)定值自修正問(wèn)題?；谏鲜鰞?nèi)容，可根據(jù)模糊邏輯推理內(nèi)容創(chuàng)建透光率脈動(dòng)混凝投藥智能控制系統(tǒng)，可對(duì)設(shè)定值進(jìn)行在線修正，而通過(guò)應(yīng)用模糊控制系統(tǒng)，能夠?qū)λ畯S混凝投藥量進(jìn)行有效調(diào)整。

圖1 投藥量神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)

自來(lái)水廠混凝劑投加透光率脈動(dòng)檢測(cè)智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，如果水體濁度處于常規(guī)范圍內(nèi)，則不會(huì)對(duì)系統(tǒng)設(shè)定值產(chǎn)生較大影響，同時(shí)原水濁度量可體現(xiàn)出原水濁度的實(shí)際變化情況。在對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行修正時(shí)，要求將原水濁度變化量作為參數(shù)。另外，透光率脈動(dòng)檢測(cè)值R指的是一無(wú)量綱的相對(duì)值，如果水質(zhì)條件形同，則利用兩臺(tái)儀器能夠檢測(cè)出不同的結(jié)果，這就要求在對(duì)設(shè)定值修正量進(jìn)行調(diào)整時(shí)，需將儀器檢測(cè)值作為依據(jù)。這就要求在確定智能決策系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，將原水濁度、濁度變化量以及透光率脈動(dòng)檢測(cè)變化量作為輸入?yún)?shù)，通過(guò)理論分析，即可創(chuàng)建出透光率脈動(dòng)控制系統(tǒng)投藥量校正規(guī)則庫(kù)，并應(yīng)用Takagi_Sugeno模糊推理方式，在推理過(guò)程中即可進(jìn)行非模糊化處理，進(jìn)而確定適宜的設(shè)定值修正量。

圖2 混凝劑投加透光率脈動(dòng)檢測(cè)智能控制系統(tǒng)

為了保證沉淀出水指標(biāo)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可將沉淀出水變化作為系統(tǒng)參考輸入。在混凝劑投加透光率脈動(dòng)檢測(cè)智能控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，能夠有效解決系統(tǒng)運(yùn)行中設(shè)定值自我修正問(wèn)題，如果水質(zhì)變化比較復(fù)雜，則需對(duì)系統(tǒng)設(shè)定值進(jìn)行技術(shù)調(diào)整，對(duì)混凝投藥量進(jìn)行優(yōu)化控制，進(jìn)而保證水質(zhì)合格，同時(shí)避免出現(xiàn)混凝投藥量浪費(fèi)問(wèn)題，即使自來(lái)水廠混凝投藥系統(tǒng)模型的變化情況比較復(fù)雜，但是依然保持良好的控制性能。另外，該系統(tǒng)的設(shè)備應(yīng)用量比較少，無(wú)需較多控制參數(shù)，可被廣泛應(yīng)用于水廠混凝投藥控制中。

4 基于CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混凝劑投加控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

4.1 工程實(shí)施

本文以某自來(lái)水廠為研究對(duì)象，該水廠占地面積為9.6hm2，處理量為30×104m3/d，采用加藥混合-絮凝-沉淀-過(guò)濾-加氯消毒的常規(guī)給水處理工藝。由凈水混凝投藥的實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲知其原水濁度一般在0NTU～30NTU范圍內(nèi)波動(dòng)，在雨季汛期時(shí)其波動(dòng)范圍較大一般為40NTU～100NTU，特殊情況下會(huì)出現(xiàn)幾百NTU甚至更高。由于該凈水廠采用湖庫(kù)型水源，其原始濁度一般在0NTU～30NTU范圍變化，因此選取量化等級(jí)S=60，泛化常數(shù)C=3，0～30NTU混凝投藥模型非線性段進(jìn)行控制。凈水控制系統(tǒng)由三層結(jié)構(gòu)組成，即工藝控制流程層、基礎(chǔ)自動(dòng)化層和過(guò)程控制層，如圖3所示。

在工藝控制流程層中，由工藝設(shè)備、混凝投藥設(shè)備、沉淀池、濾池和清水池組成，傳遞的信息數(shù)據(jù)有D1（原水濁度、pH值、流量和溫度）、D2（投藥量）、D3（沉淀后濁度）、D4（濾后濁度）、D5（出廠水濁度），檢測(cè)儀表通過(guò)硬接線方式或網(wǎng)絡(luò)通訊方式將檢測(cè)信息D1、D3～D5與PLC系統(tǒng)傳遞模擬量信息數(shù)據(jù)，PLC根據(jù)投藥比例系數(shù)計(jì)算投藥量輸出模擬量信號(hào)D2給變頻泵。在基礎(chǔ)自動(dòng)化層中，由PLC控制系統(tǒng)、比例投藥控制PLC系統(tǒng)和上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成；在PLC控制系統(tǒng)中將檢測(cè)變量信息數(shù)據(jù)D1、D3～D5進(jìn)行濾波處理，并根據(jù)處理后D1數(shù)據(jù)信息，在比例投藥控制PLC系統(tǒng)中根據(jù)改進(jìn)CMAC控制原則輸出D2控制量；而在上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、報(bào)警和報(bào)表記錄，并通過(guò)通訊方式與PLC控制系統(tǒng)、比例投藥控制PLC系統(tǒng)和儀表校正系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞；數(shù)據(jù)信息包括D6（包含D1、D3～D5和改進(jìn)CMAC規(guī)則庫(kù)數(shù)據(jù)）、D7（采用OPC通訊方式與儀表校正系統(tǒng)交換的信息數(shù)據(jù)）。

圖3 凈水控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在過(guò)程控制層中，過(guò)程控制系統(tǒng)包含改進(jìn)CMAC控制系統(tǒng)模塊和自學(xué)習(xí)系統(tǒng)模塊以及儀表校正模塊；過(guò)程控制系統(tǒng)完成改進(jìn)CMAC規(guī)則自學(xué)習(xí)功能、重要參數(shù)調(diào)整和錄入（如滯后時(shí)間）、儀表校驗(yàn)、專家數(shù)據(jù)備份等重要功能；儀表校正系統(tǒng)根據(jù)基礎(chǔ)自動(dòng)化層送來(lái)的出廠水濁度、濾后濁度、沉淀后濁度三個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)相互之間的關(guān)系來(lái)校正濁度檢測(cè)儀，并將校正后的數(shù)值送自學(xué)習(xí)系統(tǒng)，自學(xué)習(xí)系統(tǒng)利用檢測(cè)數(shù)據(jù)信息，并再次濾波處理后利用自學(xué)習(xí)算法周期性修正改進(jìn)CMAC知識(shí)庫(kù)，將修正的數(shù)據(jù)信息傳遞給改進(jìn)CMAC控制系統(tǒng)；經(jīng)過(guò)信息更新的改進(jìn)CMAC控制系統(tǒng)將知識(shí)庫(kù)信息備份并下載給上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，最終傳遞到比例投藥控制PLC系統(tǒng)。

4.2 結(jié)果分析

在該凈水廠實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，只要將濾前濁度控制在1.7NTU～1.9NTU范圍內(nèi)，即可使出廠水濁度達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》。試運(yùn)行改進(jìn)CMAC控制器，并采集記錄原水濁度、濾前濁度、投藥系數(shù)信息，數(shù)據(jù)采集間隔為0.5h。對(duì)比改進(jìn)CMAC控制方式和常規(guī)處理方式。

由試運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，改進(jìn)CMAC控制器方式能夠?qū)V前濁度更加合理地控制在1.7NTU～1.9NTU范圍內(nèi)（平均值為1.76NTU），而所需平均投藥系數(shù)為1.89；在相同條件下，常規(guī)處理方式下的平均濾前濁度為1.66NTU，所需平均投藥系數(shù)為1.98。雖然改進(jìn)CMAC控制方式的平均濾前濁度值較常規(guī)處理方式的要高，但其控制準(zhǔn)確度高，能使之合理控制在1.7NTU～1.9NTU范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文主要對(duì)兩種自來(lái)水廠智能化混凝投藥控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)探究。在水廠水質(zhì)凈化中，合理應(yīng)用混凝劑至關(guān)重要，通過(guò)應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯推理構(gòu)建混凝控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自來(lái)水廠混凝投藥自動(dòng)化以及智能化控制。本文以某水廠為研究對(duì)象，對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在水廠混凝投藥自動(dòng)化智能化控制中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)探究，通過(guò)將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于水廠自動(dòng)化控制中，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)原水濁度變化情況，據(jù)此對(duì)混凝藥劑投加量進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，保證水質(zhì)安全。