自来水投矾神经网络自动控制系统

自来水混凝投矾安全生产自动控制系统漆为民1杨晓林1陈长雄2袁曲2（1，江汉大学测量与控制技术研究所，武汉，430056；2武汉水务集团有限公司制水部）摘要：自来水投矾具有非线性、大滞后、多输入因子等特点，传统处理工艺难以达到满意效果。本文对自来水混凝投矾实现自动化的系列创新，如投矾控制算法、矾流量检测、执行机构的创新、构建安全系统和系统的集成化产品化进行了论述。该系统对于自来水厂投矾工艺的自动化改造和设计具有重要的参考价值。关键词：混凝投矾投矾控制算法矾流量检测执行机构创新Auto-controlSysteminWaterCoagulationCastingAlumSafetyProductionQiWei-min1,YangXiao-lin1,ChenChangxiong2,YuanQu2(1MeasurementandControltechnologyInstitute;JianghanUniversity;Wuhan430056;China2WaterprocessingofWuhanWatergroupCo.,LTD;Wuhan430034;China)Abstract:Controlsystemforcastingaluminwaterworkshavethepropertiesofnonlinear,largetime-delay,multi-inputfactor.Itisdifficulttogetthesatisfiedresultfortraditionaltechnology.Thepaperdiscussedseriesinnovationofwatercoagulationcastingalum,suchascastingalumcontrolalgorithm,alumflowmeasuring,innovationofactuator,buildingsecuritysystemandproductintegration.Thesystemhastheimportantreferencevalueforcastingalumautomationreconstructionanddesigninwaterplant.Keywords:castingalum;castingalumcontrolalgorithm;alumflowmeasuring;innovationofactuator1引言自来水混凝投矾工艺是自来水厂生产的主要和核心工艺之一。混凝投矾是一个复杂的工业生产过程，它具有非线性、大滞后，多输入因子（进水流量、进水浊度和温度、PH值、矾浓度等），不确定性、时变性、模糊性和个异性等特点。以江河为水源的水厂的水源进水参数随季节变化十分大，更给投矾实现自动化的实现增加了难度。混凝投矾还是一个开放的系统，除了有限的几个可测参数外，许多不可测的因素也会直接影响投矾控制的效果，如上游排污、沉淀池排泥前后的混凝效果、沉淀池超负荷运行、持续暴雨、矾种和矾浓度变化等。要在这样一个开放的系统中间实现闭环控制，其难度是相当大的。作为制水工业的核心工艺—投矾控制，虽然经过行业内外众多科技人员的多年的攻关，始终没有突破性的进展，几乎没有一个真正在现场长期运行的、符合用户实际需要的、完整的控制系统面市，致使这个关键工艺仍然处于人工控制的比较落后的状态下。随着人民生活水平的提高。对于饮水质量要求也相应提高；国家对于城市制水质量的强制标准的推行，对于自来水制水工业提出更高的要求，现代信息技术的发展也为突破该技术的难点提供了良好的开发平台，制水的核心工艺——投矾的自动化摆到了议事日程。江汉大学测控技术研究所与武汉水务集团有限公司制水部密切合作，利用多种现代信息技术的结合，完成了从控制算法到执行机构创新等实现投矾自动化的系列难题的攻关，尤其是将人工神经网络的理论运用于投矾算法的研究，实现了投矾的自动化控制，突破了水工业投矾自动化控制的瓶颈。并在多个水厂具有数年长期运行的成功案例。2控制算法的原理2.1控制算法的构架目前，投矾控制都是人工控制的，由有较丰富操作经验的操作员操作，其通常的操作方法是当源水的参数如流量、浊度等变化很大时，及时修改投矾量，使滤前水浊度控制在一定的范围内，再用反馈的方法，根据设定和检测的差值进行细调。因此，实现自动化控制算法的关键是采用人工智能控制算法的方法来学习和模拟人工的操作方法，其方法就是采用了一种多因子前馈和模糊控制反馈相结合的控制算法。传统控制理论有一种经典的前馈和反馈相结合的控制方案。前馈是根据某个与控制结果关联性很强的参数的扰动，提前采取措施补偿扰动可能产生的不良影响，再结合调节偏差进行反馈控制的方案。前馈－反馈控制一般采用PID方式进行控制。经典的前馈－反馈控制系统是一个单因子，单反馈环的传统控制系统。而投矾控制是一个多因子，非线性，长滞后，开放的大系统，如果对于投矾控制的特点了解不够透彻，企图套用前馈－反馈的模式对投矾进行控制，是无法实现自动化运行的。本算法采用的方法是采用人工神经网络来学习和识别多个因子对于投矾效果的影响和内在规律，在这些因子发生突变扰动时能够根据前面大量的运行参数的学习，感知最佳的对应投矾量，及时地调整投矾量，相当于对多因子前馈粗调；而根据设定的滤前水浊度与实际的检测值之差进行的调整为细调，这个控制方法采用模糊控制方法。与经典的前馈－反馈控制最大的不同是，所有与投矾有关的输入入量和输出量全部要进入人工神经网络，它不仅是一个多因子的前馈环节，而且它又是一个控制结果的反馈环节，它将前馈和反馈的结果综合起来进行学习，其学习的结果还要影响模糊控制的策略，因此这种控制方法可定义为多因子前馈－双反馈环控制，无论控制策略还是采用的运算方法都对经典的控制理论进行了创新。2.2控制算法如何适应开放系统对于一个开放的系统，如果采用某种固定模式的控制方案都无法适应其变化。本控制算法是如何适应开放系统一些未知参数对控制效果的影响呢？假设沉淀池很久未排泥，这时在源水参数不变的条件下，滤前水浊度会因为沉淀池效率降低而缓慢上升，人工神经网络学习系统和反馈系统都能够同时学习和检测到这个现象，它们的运算结果都是要通过控制系统指挥执行机构略增加投矾量，使滤前水浊度经过一段时间又回落到设定值附近，反之亦然。2.3控制算法的运行效果和适应性本控制算法先后在以长江和汉水为水源的多个水厂具有多年运行的业绩。经历了一年四季源水参数和气候变化对控制算法的考验；尤其是汉水，平时进水浊度可以低到10度以下，而洪峰来时进水浊度高至上千度，在这种源水参数剧烈变化的条件下系统仍能够成功控制滤前水浊度在设定的范围内，充分证明该控制算法的适应性和成熟度。3.以矾流量为直接调节参数的投矾控制系统模糊控制策略反馈进水流量进水温度进水浊度矾浓度人工神经网络＋－给定多因子非线性扰动图1人工神经网络控制系统方框图3.1矾流量检测意义投矾工艺最大的生产事故是断矾，一但发生，将使成品库的所有清水变混，整个水厂面临停产减压的重大安全事故。但由于源水参数随着季节的变化，投矾量可以从几十l/h到几千l/h，如此大的流量变化尤其是微小流量检测使得矾流量检测成为一个行业难题。近年来，全国各地水厂由于断矾产生的生产事故时有发生。本系统利用高性能D/A电路将传统的电磁流量计的低频矩形波改为梯形波励磁方式，在软件上采用相关分析的方法进行数据处理，成功将DN25口径的电磁流量计的检测范围扩大到10l/h~2000l/h。目前，国内多数地级市以上的城市水厂大都采用计量泵进行投矾流量控制，以计量泵的频率和行程作为矾流量控制的间接控制参数，但据实测，计量泵的频率和行程与理论流量之间存在严重的非线性，当计量泵的隔膜劣化后，流量还将大大降低，危及生产安全。就武汉有好几个水厂先后出现计量泵被卡而断矾的重大生产事故。完成了矾流量检测，为将投矾从间接参数控制向投矾量的直接参数控制成为可能。3.2以矾流量为直接调节参数的投矾控制系统根据各地水厂的不同工艺和执行机构，本系统以矾流量检测和控制为核心，构建了多种控制方案，以适应不同水厂不同投矾工艺的需要，详见图2图2a是以滤前水浊度为被调参数，以矾流量为直接控制参数，通过自适应流量控制器，控制变频调速器的频率，来实现对矾流量的控制。这个方法屏蔽了计量泵的非线性和设备运行效率的下降，当流量控制达不到要求，系统就会报警，从而大大增加系统运行的安全性。根据需要，本系统还可以通过机电接口将计量泵的行程自动控制纳入系统控制范围。图2a采用计量泵的矾流量控制图2b采用离心泵的矾流量控制图2c采用重力自流的矾流量控制图2d采用水射器的矾流量控制图2采用矾流量直接控制的几种方案图2b是采用离心泵代替计量泵来实现投矾流量的控制，将在下文详细论述。图2c和图2d，是地级市以下水厂经常采用的投矾方式，本系统针对这些水厂现有设备的投矾自动化改造，提供了一个可靠易行的投矾流量控制方案。它们的核心部件是专门为投矾流量控制设计的不锈钢电子式流量调节阀，代替手阀实现流量的远程自动控制。该阀运行平稳，流量控制范围从35l/h到800l/h(根据需要可以扩大到1500l/h)，控制精度大大优于计量泵，安装方便、维护简单，维护成本低廉。该阀已经在武汉琴断口水厂和白鹤嘴水厂具有连续可靠运行数年的业绩。4.投矾执行机构的重大创新从上世纪90年代开始，水厂的投矾工艺改造过程中，计量泵逐渐代替手阀成为对投矾流量进行控制的执行机构。计量泵在长期运行的过程中间，也暴露了它的不足，如设备和备件昂贵、维修技术要求高、设备安装空间大、行程控制必须在现场，因此难以实现自动化、小流量控制困难等。上海杨树浦水厂率先在业界采用离心泵和调节阀的组合，代替计量泵实现了投矾执行机构的创新，并取得多年运行的业绩。本系统针对中小型水厂的需要，采用特别设计的电子式调节阀、矾流量计和流量控制器的组合进行矾流量控制，以微型进口不锈钢离心泵为液体输送机构，代替计量泵完成矾流量的自动控制。该系统将控制单元、机电部件和执行机构集成到一个控制柜内，具有可靠性高、安装简单方便、占用空间小、控制精度高、运行平稳和维修技术要求低等特点。本系统已于2010年10月在武汉控股白鹤嘴水厂成功投入运行，效果良好。该系统与计量泵的性能比较见下表表1调节阀加离心泵与计量泵的性能特性比较表特性及优缺点比较计量泵调节阀加离心泵控制方式间接，隔膜劣化导致流量偏小直接流量控制，安全性更高可控制流量大小通过变频调速和行程控制采用流量回路控制流量控制精度低高小流量控制困难能够精密控制35l/h的微小流量设备和维护费用高仅计量泵的十分之一是否能够手动可以可以是否会出现卡泵有可能不会维护工作量比较麻烦冲洗和维护十分简单每年维护费用更换隔膜几乎没有配件费用贵不需要生产安全性设备运行参数无法监测所有设备运行参数可以远程监测安装空间大大已经产品化集成化，安装简单5.投矾安全生产保障体系保证城市供水安全，是水厂生产的重中之重，而断矾是危及生产安全的最大生产故障。在成功实现矾流量检测后，本系统采用控制设备和执行机构的冗余化设计，即两套完整的设备（无论系统采用何种执行机构）一用一热备份的方式来保证生产的安全运行。当投矾流量被检测到严重偏离正常值，系统会立即自动启动备用系统运行，并语音报警。这个设计在武汉平湖门水厂运行的几年时间中，先后三次发现因为计量泵的卡泵事故出现断矾危险，成功启动备用系统避免的断矾事故的发生。本系统根据确保安全生产的要求，对水厂的运行工况和参数、所有运行设备的运行工况都纳入了计算机监控的范围，并设置了27个报警点，重要的参数除了屏幕显示报警外，还采用语音报警，构建了一个完善的生产安全保障体系。6.完整的投矾控制系统组成方案一个完整的投矾控制系统，包括参数检测和网络化传输、控制系统和执行机构一体化的智能投矾机和操作控制计算机三大部分组成。其组成原理图见图3。与投矾自动化控制相关的最低要求参数包括源水浊度、源水温度、源水流量、滤前水浊度，以及矾流量。这些检测参数通过通信或4~20mA信号上传到工厂内部的计算机网络，操作计算机用