智能控制在凈水廠混凝投藥過程中的應(yīng)用研究

李成

成都市自來水有限責(zé)任公司，四川成都，610000

0 引言

凈水廠的混凝投藥工作是凈水工作的重要環(huán)節(jié)，是凈水工作現(xiàn)代化的標(biāo)志，關(guān)系到凈水水質(zhì)、投藥成本，以及凈水廠利潤等方面，凈水廠混凝投藥發(fā)展的關(guān)鍵問題是在保證出廠水質(zhì)質(zhì)量的情況下，降低混凝劑的使用量，這是凈水行業(yè)一直以來亟待解決的問題。目前常用的混凝投藥的改進(jìn)方式主要針對工藝和控制方式這兩個方面。由于凈水工作涉及的因素較多，純?nèi)斯た刂剖请y以達(dá)到最佳效果，很難對水的渾濁程度和劑量的把控達(dá)到一個精確無誤的程度，因此，建議使用智能控制系統(tǒng)對混凝投藥進(jìn)行改進(jìn)，這種方法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，在收斂速度、泛化能力等方面具有一定的優(yōu)勢，但是要使智能控制系統(tǒng)達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)還需要更多的努力，因此文本介紹了一種更加符合實際應(yīng)用的智能控制系統(tǒng)，致力于實現(xiàn)凈水藥劑成本的控制，促進(jìn)凈水廠的長遠(yuǎn)發(fā)展。

1 智能控制在凈水廠混凝投藥應(yīng)用的概述

在社會的不斷發(fā)展過程當(dāng)中，人民的生活水平不斷地上升，對水質(zhì)的要求也越來越高，智能化的生產(chǎn)手段開始融入凈水廠的發(fā)展中來，能夠?qū)崿F(xiàn)對混凝投藥的快速穩(wěn)定的控制。智能控制系統(tǒng)在相近輸入實現(xiàn)相近輸出方面具有獨特的優(yōu)勢，在泛化能力、結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制程度以及收斂方面都有一定的優(yōu)勢。智能控制系統(tǒng)對相對不確定的、無法建立起標(biāo)準(zhǔn)模型的問題有更好的實用性[1]。

凈水工藝的主要流程包含五個方面，包括預(yù)處理、混凝投藥、沉淀、過濾以及消毒。預(yù)處理操作指的是首先將原水通過提水泵送達(dá)配水井當(dāng)中，再進(jìn)行加氯操作，這個步驟是為了去除大顆粒懸浮雜質(zhì)，殺死水中的病毒和致病菌，達(dá)到初步消毒的作用，同時還能夠氧化二價鐵離子，有利于形成Fe(OH)3膠體，方便助凝，去除水中的異味，也可以為下一步的凝結(jié)做好準(zhǔn)備。投藥環(huán)節(jié)是主要步驟，在水中加入混凝劑，產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附作用，將水中的雜質(zhì)和細(xì)小的顆粒凝結(jié)成絮狀漂浮物，在重力的作用下，漂浮物經(jīng)過一段時間開始下沉，可以很大程度上凈化水質(zhì)。過濾階段是指使用吸附性較強(qiáng)的石英砂或者是礦石對凝結(jié)的絮狀物進(jìn)行機(jī)械的過濾和吸附，將大的雜質(zhì)排出水源[2]。消毒步驟是凈水的關(guān)鍵一步，要在水中加入氯，加入氯的劑量是一個復(fù)雜的工作，不同的季節(jié)和溫度對氯的劑量要求是不同的，必須掌控在合格的范圍之內(nèi)，最終以出廠水中游離余氯不少于 0.3mg/L為合格。在整個凈水的操作過程中，存在一些不穩(wěn)定因素，溫度、pH值、流量的大小等等都會影響混凝劑劑量的變化，例如pH值代表著水源的酸堿度，而酸堿度對混凝劑的使用劑量影響就很大，因為酸性堿性大的水源會影響混凝劑的降解速度，拉長了混凝絮狀物的沉淀速度，從而影響了凈水工作的效率。水的溫度過低，水中的雜質(zhì)尤其是細(xì)小的顆粒很難混凝形成絮狀物，而水溫過高的話則會使混凝劑失效，也不利于形成絮狀物，進(jìn)而影響沉淀效果。同時常常也會因為因素的變化而影響操作造成嚴(yán)重的浪費，同時也影響水質(zhì)，其中沉淀系統(tǒng)是一個耗費時間較長的步驟，具有一定的延時性和滯后性[3]。

2 凈水廠混凝投藥的現(xiàn)狀分析

混凝投藥環(huán)節(jié)是凈水工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在工藝改造方面，凈水過程中常出現(xiàn)低溫度低濁度、枯水期間凈水的問題，經(jīng)過現(xiàn)代工藝的改造已經(jīng)得到了一定的緩解，從傳統(tǒng)工藝出發(fā)，對現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的分析，在隱孢子蟲的去除問題上還存在一定的不足，還有消毒的殘留問題、復(fù)雜藻類的去除問題，也是近年來凈水工作的難題。經(jīng)過技術(shù)的不斷發(fā)展，專家提出了超濾膜新技術(shù)，可以大幅度增加過濾效果，有效解決過濾滯后性的問題，是一項全新的技術(shù)，但是此技術(shù)沒有大范圍的使用，因為在實際的使用過程中出現(xiàn)了濾膜污染的問題，而且該產(chǎn)品的濃度較差，會增加使用的劑量，對凈水廠混凝凈水的成本造成一定的負(fù)擔(dān)，還需要專家進(jìn)行進(jìn)一步的研究[4]。我國部分地區(qū)進(jìn)行了凈水廠混凝投藥凈水的實驗，對試驗基地的水質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和記錄，并且錄入了智能控制系統(tǒng)，建立了數(shù)據(jù)庫。再結(jié)合中國現(xiàn)在凈水工藝的實際情況進(jìn)行分析，考慮先進(jìn)工藝技術(shù)的可行性和經(jīng)濟(jì)適用性，最終提出了一種可行性的方案，就是經(jīng)過常規(guī)的凈水操作以后，再疊加一種強(qiáng)化處理，使用臭氧生物活性炭進(jìn)行聯(lián)合處理，這種方法可以提高凈水的效果，為我國智能控制在凈水混凝投藥系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了一個典范。近年來國家相關(guān)部門出臺了水質(zhì)的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，從飲用水質(zhì)的渾濁度、pH值、顏色以及各種微生物、微量元素的含量作出了嚴(yán)格的規(guī)定，這就意味著對凈水廠的凈水工作提出了更高的要求，為了保障人民的生活質(zhì)量，我國各個地區(qū)的凈水廠都在進(jìn)行深入的研究，對凈水工藝進(jìn)行革新，針對各個地區(qū)的具體問題設(shè)計了具有針對性的方案，為我國的凈水工作作出了貢獻(xiàn)。但是仍存在很多不足需要繼續(xù)探索，例如化學(xué)沉淀物的處理問題、過濾時間較長的問題、不同季節(jié)混凝藥物的使用劑量的把控問題。本文對智能控制在凈水混凝投藥系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了具體的研究和改造，并對以上問題提出了一種更加符合實際操作的模式，能夠確保凈水質(zhì)量符合國家提出的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，并且能夠大幅度降低混凝藥物的使用量，降低企業(yè)的發(fā)展成本，增加經(jīng)濟(jì)效益，而且為我國的水資源節(jié)約作出貢獻(xiàn)。近年來，我們對我原水的投藥量進(jìn)行了一定的研究，如表1所示。

表1 原水投藥量表

3 凈水廠混凝投藥的系統(tǒng)模型

凈水廠混凝投藥的系統(tǒng)模型的建立對于凈水工作具有重要的意義，建立之前需要對凈水廠的具體情況進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查，搜集可靠的數(shù)據(jù)信息，包括原水的溫度、流量、pH值、進(jìn)水量、出水量等等。通過對凈水工藝的研究和分析可以得出，投藥是凈水工作的最主要的環(huán)節(jié)，是自動化智能控制的重要體現(xiàn)。混凝投藥效果受到原水各樣因素的影響，其中pH值和溫度對混凝效果的影響趨勢呈現(xiàn)相同的變化趨勢。數(shù)值適中時，混凝沉淀的效果較好，這時需要投入的混凝劑的劑量也就較少，可以節(jié)約成本。當(dāng)溫度過高過低或者是pH值過高或者過低時，混凝效果較差，混凝劑的使用數(shù)量則較多。另一個因素原水的渾濁程度的影響是建立在溫度和酸堿度的基礎(chǔ)之上的，低渾濁度下混凝劑的投入劑量呈現(xiàn)一種非線性關(guān)系，渾濁度達(dá)到一定的程度后，將會呈現(xiàn)線性關(guān)系。進(jìn)水量和出水量的數(shù)值與混凝劑的劑量也呈現(xiàn)一種相關(guān)的線性關(guān)系，因此混凝劑劑量的使用可以根據(jù)原水的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，計算出需要的劑量。通過對以上因素的分析，在了解各因素特性的前提下，再對凈水廠的實際發(fā)展情況進(jìn)行分析，借鑒以往使用的混凝劑投入模型，進(jìn)行對比分析，對模型的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計回歸分析，最終確定凈水廠實際使用的混凝投藥模型，為凈水廠的凈水工作構(gòu)建良好的發(fā)展模式[5]。

4 凈水廠混凝投藥控制系統(tǒng)的設(shè)計

在實際的凈水廠的混凝凈水工作中，不僅僅要對水質(zhì)嚴(yán)格把控，還要對投藥的殘留劑量進(jìn)行控制。經(jīng)過不斷深入研究，混凝投藥是一個變化性強(qiáng)、非線性發(fā)展的過程。而且在實際的操作過程中，沉淀步驟耗費了大量的時間，大致要在40分鐘以后才能夠?qū)λ|(zhì)的渾濁度進(jìn)行測試，具有嚴(yán)重的滯后性，因此要加大對前預(yù)測系統(tǒng)的判斷，盡可能地解決滯后性的問題。

4.1 專家控制系統(tǒng)

凈水工作的專家控制系統(tǒng)指的是將專業(yè)人員的知識和經(jīng)驗運用到凈水工作的實際監(jiān)控當(dāng)中，制作成一份相近的資料，然后通過實際的凈水模型的計算得出實際的投藥量，還要將得出的數(shù)據(jù)與專家的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如果有不相符的地方，要再次進(jìn)行分析，確認(rèn)無誤后完善專家的經(jīng)驗資料，做出正確的調(diào)整，以便積累更多的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，為實際操作員工的工作作出指導(dǎo)。保證正常的凈水工作的進(jìn)行，減少錯誤的概率，一定程度上不斷降低沉淀的滯后性問題。

4.2 智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

凈水工作的混凝投藥系統(tǒng)融入智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，能夠通過關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算將問題細(xì)化分解，對凈水工作的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，找出影響混凝投藥效果的關(guān)鍵因素，原水的溫度、渾濁度是主要的因素，因此要根據(jù)實際情況對原水的溫度進(jìn)行分級。劃分0～15度、15～20度、20～28度、28度以上這四個區(qū)間，在這四個區(qū)間分別建立不同的智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的模型，不斷地完善和細(xì)化凈水模型。在樣本選取上，要保證一定的隨機(jī)性，樣本的大前提是保證水質(zhì)合格，水質(zhì)的渾濁程度也要在飲用的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，然后再對渾濁度進(jìn)行隨機(jī)選擇，可以選擇比較理想的混凝投藥系數(shù)較大的數(shù)據(jù)作為參考樣本，保證樣本的容錯率，也能在實際的操作中及時應(yīng)對不穩(wěn)定因素的影響，保證凈水工作的效率。同時還要注意智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的具體算法的操作，保證將離線訓(xùn)練數(shù)值用于實際的混凝投藥操作當(dāng)中，絕對不可以理論化的研究，多次在實際的過程當(dāng)中模擬投藥的比例操作，保證混凝投藥智能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，降低錯誤率[6]。

4.3 混凝投藥系統(tǒng)的仿真分析

LabVIEW系統(tǒng)是一種利用圖形化語言進(jìn)行編程的虛擬工具，可以對凈水工作的混凝投藥進(jìn)行仿真分析，可以充分地了解實際工作中存在的問題，例如實驗設(shè)備的差距、實際的生產(chǎn)成本、智能操作系統(tǒng)的誤差等等。系統(tǒng)主要分為三個部分：第一是前面板設(shè)計，主要的功能是詳細(xì)記錄混凝投藥智能控制系統(tǒng)的溫度、混住讀、進(jìn)出水量的實際變化趨勢，進(jìn)行實時的監(jiān)控。還可以錄入相關(guān)凈水工作的參數(shù)，包含專家經(jīng)驗數(shù)據(jù)，還有原水的初始值，做好詳盡的記錄和分析；第二部分是程序框圖設(shè)計，主要包括混凝投藥智能操控模型的建立、樣本庫的建立、投藥數(shù)據(jù)的分析計算以及智能系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能；第三部分是仿真結(jié)果分析，通過以一系列的數(shù)據(jù)比對，能夠更好地得出仿真數(shù)據(jù)，將實際操作的具體數(shù)值控制在一個合理的范圍之內(nèi)，提升數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，不斷促進(jìn)混凝投藥技術(shù)的發(fā)展，節(jié)約凈水廠的工作成本，為企業(yè)制造更多的經(jīng)濟(jì)效益，同時還可以最大程度上降低失誤的出現(xiàn)，節(jié)約了人力成本，促進(jìn)企業(yè)走在市場發(fā)展的前端。

5 智能控制在凈水廠混凝投藥過程的具體應(yīng)用

5.1 建立數(shù)據(jù)庫

從實際的操作過程中采集數(shù)據(jù)，制成混凝投藥實際控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，包含采集時間、進(jìn)出水量、渾濁度等等方面。設(shè)置具體的參數(shù)，達(dá)到最完美的運行效果，同時也要將結(jié)果數(shù)據(jù)記錄下來，形成完整的數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的操作奠定基礎(chǔ)。

5.2 設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)

在基礎(chǔ)的參數(shù)設(shè)置完成后，可以進(jìn)行系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)，控制面板中對采樣周期、學(xué)習(xí)周期以及控制周期進(jìn)行監(jiān)控，以求達(dá)到最完美的運行效果。監(jiān)控系統(tǒng)還包含歷史發(fā)展曲線的查詢，可以對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，通過開始時間和終止時間，并在變量的選擇中選擇要查詢的變量，就可以看到完整的變量分布情況，以便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對，為實際的操作提供參考[7]。

5.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

智能控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法能夠每隔一段時間記錄一次數(shù)據(jù)，以不同的線條顯示，對不同的因素會使用不同的表達(dá)方式，得出不同的曲線，在發(fā)現(xiàn)水質(zhì)渾濁后及時進(jìn)行調(diào)整，保證凈水質(zhì)量。

6 結(jié)語

根據(jù)歷年來專家對智能控制在凈水混凝投藥系統(tǒng)的研究，再借鑒國外的先進(jìn)的專家控制模式，對智能控制系統(tǒng)在凈水工作中的應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化改造，設(shè)計出了一份更加符合凈水混凝投藥工作的模式，能夠很好地解決凈水工作在傳統(tǒng)模式下效率低下、精準(zhǔn)度不高、資源浪費的問題，為智能控制凈水混凝投藥工作開辟了新的發(fā)展方向，值得深入討論。智能控制在凈水混凝投藥系統(tǒng)中的突出特點是能夠在實際的凈水工作中，無需過多的實際分析就可以得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，可以利用現(xiàn)場能夠得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，還能夠保證操作的精準(zhǔn)度。相對于傳統(tǒng)的企業(yè)采用的專家操控模式，智能控制系統(tǒng)具有更高的精準(zhǔn)度，通過在模型的計算中加入了前向計算和反向修正，提高了系統(tǒng)的靈敏度，相對于傳統(tǒng)的模式泛化能力更強(qiáng)，對實際的操作也更有利，能夠促進(jìn)混凝投藥工作的穩(wěn)定度，有效改善沉淀滯后性的問題，精準(zhǔn)地預(yù)測數(shù)值，有利于系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。