磁分離藥劑智能投加控制系統(tǒng)設計與應用

黃光華，王哲曉，肖 波，楊治清，吉青青，楊 濤

(中建環(huán)能科技股份有限公司，四川 成都 610045)

磁分離水處理技術以投加藥劑的方式實現(xiàn)水質凈化，投加的介質包括混凝劑、助凝劑和磁種，混凝劑使得水體中的膠體脫穩(wěn)，在助凝劑的網捕作用下形成以磁種為“核”的磁性絮體，然后通過磁場作用力實現(xiàn)快速分離。由于進水存在一定的波動性，如何讓藥劑更加準確投放，既不影響出水水質，又不浪費藥劑，成為當前的研究熱點。目前，工程應用均采用手動調節(jié)方式，參考依據主要為進水水質、出水要求和經驗數據。通常為了獲得理想的出水水質，會采取過量投加的方式，這使得藥劑存在浪費和殘留的風險。因此，應從藥劑投加的控制方法和水質監(jiān)測儀表的選擇入手，合理設計PID(proportion，integral，differential)水質閉環(huán)控制系統(tǒng)，開展磁分離藥劑智能控制系統(tǒng)設計與研究，從而達到低成本、高效率、智能化的目的[1]。

1 藥劑投加控制方法設計

藥劑投加控制方法較多，常見的控制方法有燒杯試驗法、經驗投加法、數值模擬法、PID閉環(huán)控制法等。這幾種控制方法的優(yōu)缺點見表1。

表1 控制方法對比表

2 在線檢測儀表設計

2.1 水質檢測儀表

要實現(xiàn)藥劑的自動控制，離不開各種在線檢測儀表，而儀表的穩(wěn)定性、連續(xù)性、可靠性尤其關鍵。在線儀表有流動電流檢測儀、透光率脈動檢測儀、在線pH儀、在線懸浮物檢測儀/在線濁度儀等[2-4]，它們的優(yōu)缺點見表2。

表2 儀表對比表

濁度是表征水質的重要參數，能夠直觀表示水質感觀的差異，低濁度意味著水體透明，水質較好。在線濁度儀可提供穩(wěn)定、連續(xù)、及時的信號且成本較低，因此得到了廣泛應用。本文將濁度作為水質控制目標，選擇具有自動清洗功能的在線濁度儀作為水質檢測儀表檢測系統(tǒng)進出水參數。進水濁度參數作為計算初始加藥量的重要依據，結合進水流量可以計算系統(tǒng)初始加藥量；出水濁度參數作為PID控制系統(tǒng)反饋量，通過PID控制算法調整系統(tǒng)加藥量[5]。

2.2 電磁流量計

基于法拉第電磁感應定律的電磁流量計應用廣泛，可以設計成多種形式，其中法蘭式電磁流量計作為水處理常用流量計，具備安裝方便、結構緊湊、測量準確、信號傳輸穩(wěn)定等優(yōu)點。在系統(tǒng)中，流量計檢測進水流量，作為系統(tǒng)計算加藥量的基礎參數。

2.3 圖像處理系統(tǒng)

圖像處理系統(tǒng)由工業(yè)攝像機和圖像處理軟件組成，在系統(tǒng)中主要用于絮凝效果的拍攝和分析，分析結果作為加藥量控制調節(jié)和絮凝體去除能力的判定依據，圖像處理系統(tǒng)可以提高生產的柔性和自動化程度。

3 磁分離智能控制系統(tǒng)設計

3.1 磁分離反饋自控系統(tǒng)設計

磁分離水處理系統(tǒng)中藥劑投加是最重要的一環(huán)。將進水流量、進水濁度、出水濁度數據實時傳輸到可編程邏輯控制器(PLC)，根據磁分離系統(tǒng)投藥量的模擬計算，對進、出水濁度在線檢測值與設定值進行比較，將比較結果經PLC輸出為控制信號，PLC發(fā)出的控制信號控制混凝劑加藥泵、助凝劑加藥泵及磁種投加泵的頻率，從而實現(xiàn)藥劑隨水質、水量的變化自動投加。其控制系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

圖1 磁分離反饋控制系統(tǒng)結構圖

3.2 磁分離系統(tǒng)PID控制器設計

目前，PID控制是一種應用最為廣泛的控制系統(tǒng)，通過給定與反饋信號的偏差進行比例(P)、積分(I)和微分(D)運算控制。其PID運算公式為：

(1)

式中：Ge(s)為傳遞函數，其中e為偏差；s為時間，s；Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數；Ki為積分系數，Ki=Kp/Ti；Kd為微分系數，Kd=KpTd。

PID控制器在不同環(huán)節(jié)中可實現(xiàn)不同的功能。在PID控制中，比例控制是最基本的控制，為切實滿足控制指標的各種實際要求，需要結合現(xiàn)實情況將積分控制或微分控制引入到系統(tǒng)中。當前常用的控制方式主要有比例-積分控制、比例-微分控制等[6]。

本文方案中PID控制系統(tǒng)實際上使用的是一個單閉環(huán)反饋的PID調節(jié)控制方法，其原理如圖2所示。

圖2 PID控制原理圖

圖中：SP為出水濁度設定值；PV為濁度實測值；ε1為實測值與設定值ε的偏差，也就是ε1=PV-SP。用于PID指令的方程式實際上是一個能夠自行選擇獨立增益或相關增益的位置方程，本文選擇的是獨立增益，它的比例、積分、微分只對其相匹配的分項產生影響，具體公式如下：

(2)

式中：CV為PID控制的輸出；E為輸入后的語言變量；BIAS為輸出偏差；KP為比例增益；KI為積分增益；KD為微分增益。KP，KI，KD3個參數在設置時以PID指令為主要依據。

3.3 圖像處理系統(tǒng)的設計

目前，對判斷絮體類型的方法研究不多，其中采用顆粒影像法(即通過高清攝像頭實時拍攝磁性絮體生長情況)能直觀評判絮體生長的好壞，但是由于攝像頭所處環(huán)境復雜，會受到周圍噪聲、粉塵、潮氣等影響，因此傳輸出來的圖像需要進行增益和去噪。高質量的圖片是能夠實現(xiàn)圖像精準識別的基礎[7]。由于高清攝像頭拍攝的圖像數據量大，若直接進行圖像計算，其處理速度將會變得極為緩慢。因此對于磁性絮體圖像來說，為了壓縮特征計算速度和處理時間，圖像灰度化是十分必要的。磁性絮體原始圖經最值法、均值法、加強均值法灰度化處理后的效果如圖3所示。

圖3 磁性絮體圖像灰度化

1)最值法，即按照圖像某位置像素的RGB三分量中最大值作為當前像素的灰度值：

G(x,y)=max(R,G,B)

(3)

式中：G(x,y)為某圖像像素位置的灰度值，其中(x,y)為某圖像像素位置；R為紅色(Red)灰度值；G為綠色(Green)灰度值；B為藍色(Blue)灰度值。

2)均值法，平均值是將圖像某位置像素的RGB三分量求和后再求三者平均值，作為當前像素的灰度值：

G(x,y)=(R,G,B)/3

(4)

3)加強均值法，圖像某位置像素按照RGB三分量加權求和作為當前像素灰度。其中人類眼睛對綠色的敏感度最高、對藍色的敏感度最低，所以加權平均值的數學表達式為：

G(x,y)=0.114B+0.587G+0.299R

(5)

3.4 智能控制系統(tǒng)硬件設計

磁分離智能控制系統(tǒng)的硬件主要由PLC、工控機、執(zhí)行機構以及人機接口單元等幾部分組成。

1)PLC。

從系統(tǒng)特點以及PLC功能匹配性方面考慮，本文選用的型號為西門子S7-1200。該型號PLC能夠滿足自動化工程各種場合中的檢測、監(jiān)測和控制需求，易于實現(xiàn)分布式的配置，具有良好的可擴展性以及強大的指令功能，可以應用在復雜的自動化控制系統(tǒng)中。這使得它在很多領域中實施各種控制任務時，成為一種既經濟又切合實際的解決方案。

2)工控機。

由于現(xiàn)場環(huán)境較為復雜，圖像的采集和處理對CPU要求高，因而選擇工業(yè)控制計算機(工控機)作為上位機。在本文設計的系統(tǒng)中，工控機用于對生產過程的絮凝效果圖像進行采集、處理和分析，對其他數據進行采集處理和分析，控制數據計算等工作。工控機相對于通用計算機來說，具有實時性好、可靠性高、系統(tǒng)擴展性好、環(huán)境適應性強等特點。

3)執(zhí)行機構。

磁分離系統(tǒng)需要投加3種介質，包括混凝劑、助凝劑和磁種，3種介質需要選擇相應的執(zhí)行機構?？蛇x的執(zhí)行機構包括軟管泵、轉子泵、隔膜泵、螺桿泵等?；炷齽┮话銥樗嵝裕x用隔膜泵或軟管泵；助凝劑黏度較大，選用隔膜泵或螺桿泵；磁種有研磨性，選用軟管泵或螺桿泵。由于這幾類泵均屬于容積泵，可通過調節(jié)泵的頻率控制流量，因此只需要增加一組變頻器控制電機轉速從而調節(jié)泵的流量，即可實現(xiàn)流量調節(jié)。

4)人機接口單元。

人機接口單元由觸摸屏、打印機、報警機構等組成。本文采用的西門子SIMATIC HMI系列觸摸屏，具有體積小、安裝方便、不需裝載操作系統(tǒng)和外接設備等特點,開機即可進行觸屏操作，使用方便。

3.5 智能控制系統(tǒng)軟件設計

1)控制系統(tǒng)功能實現(xiàn)。

針對磁分離自動加藥控制系統(tǒng)的功能要求，本文采用穩(wěn)定可靠的傳感器。智能投加系統(tǒng)由在線濁度檢測系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、PLC自動加藥系統(tǒng)組成。本文開發(fā)的PLC控制程序軟件，包括控制軟件和監(jiān)控軟件，其中控制軟件使用西門子STEP7編程軟件開發(fā)。該編程軟件是用于SIMATICPLC組態(tài)及編程的標準軟件包，包括功能強大的、能用于多任務自動化的S7-1200系統(tǒng)程序。

本系統(tǒng)程序所要實現(xiàn)的功能有：①根據進水流量和進水濁度的變化，將出水水質穩(wěn)定在一個相對恒定的狀態(tài)；②PLC通過控制各加藥泵電機的頻率，控制藥劑投加量；③與上位機通信，接收來自上位機的命令并執(zhí)行相應的動作，最后將處理結果傳輸給上位機。

2)組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)功能實現(xiàn)。

系統(tǒng)上位機監(jiān)控軟件是使用西門子WinCC V7.5開發(fā)的，用于實現(xiàn)對超磁分離的實時數據進行采集、存儲、處理及調整等功能。這是工業(yè)控制領域中功能較為完善的一種組態(tài)軟件，其采用高性能的圖形編輯器對圖形進行組態(tài)，把對整個系統(tǒng)的設備進行操作和控制的信號傳給PLC，同時對整個生產過程進行監(jiān)控、報警，提供各種直觀的畫面。

一臺工控機需要同時具備流程監(jiān)控、設備啟停、藥劑投加、數據存儲等功能。磁分離藥劑智能投加控制系統(tǒng)操作畫面如圖4所示。

圖4 磁分離藥劑智能投加控制系統(tǒng)操作畫面

4 運行數據與分析

4.1 濁度與懸浮物關系

由于懸浮物(suspended solids，SS)是排放標準之一，而濁度并未列入，因此需要建立濁度與SS在數值上的關系。試驗數據表明，濁度與SS值呈線性關系y=Kx(x為濁度的絕對值，y為SS的絕對值，K為常數)。由表3數據可看出，SS的絕對數值是濁度的1.2～2.0倍。

表3 濁度與SS的關系表

4.2 智能控制投加藥劑量的變化

在低濃度SS為100～300 mg/L條件下，選取某污水廠進行試驗。由圖5可知，隨著進水SS濃度的增加，混凝劑聚合氯化鋁(poly aluminum chloride，PAC)投加量呈逐漸增加趨勢，人工投加時藥劑在一段時間內為一恒定值，而通過自動投加則能及時對藥劑投加量進行修正，從而節(jié)省部分藥劑成本。

圖5 PAC藥劑投加量的變化圖

4.3 智能控制時進水和出水SS的變化

增加智能控制系統(tǒng)后，加藥量隨著進水流量和出水濁度的變化而變化，實現(xiàn)了藥劑的智能投加，如圖6所示。在進水水量和進水SS變化較大的情況下，出水SS始終穩(wěn)定在10～15 mg/L，不僅保證了磁分離設備的穩(wěn)定運行，還節(jié)省了藥劑。

圖6 智能投加系統(tǒng)進水和出水SS的變化

4.4 智能控制藥劑成本的變化

工程試驗運行1個月，處理規(guī)模為1×104m3/d，原系統(tǒng)PAC投加量為292 t/a、PAM投加量為7.300 t/a，采用智能投加后PAC為219 t/a、PAM為5.475 t/a，在保證出水水質的前提下，節(jié)約PAC73 t、PAM1.825 t，節(jié)省藥劑約20%。

5 結束語

本文采用濁度控制為主、圖像控制為輔的智能投加方式是可行的，在線濁度儀能實時反饋信號，快速調節(jié)藥劑投加量，圖像處理系統(tǒng)則能實時微調藥劑投加量，實現(xiàn)了藥劑的智能投加。

智能控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，在降低工人勞動強度的同時節(jié)省了運行成本，但對于不同水質存在的差異性還未研究成熟，需要建立不同水質的數據庫以適應更多的水質要求。

隨著在線檢測技術的不斷進步，具有良好連續(xù)性、穩(wěn)定性、實時性的傳感器不斷出現(xiàn)，為實現(xiàn)磁分離智能化投加的工業(yè)級應用奠定了基礎。藥劑智能投加控制系統(tǒng)可逐步應用于初期雨水的在線實時處理、雨水調蓄處理、應急截污處理等場景。