水廠加礬自動(dòng)化控制系統(tǒng)及其控制算法調(diào)研報(bào)告

1、水廠加磯自動(dòng)化控制系統(tǒng)及其控制算法調(diào)研報(bào)告5月11日至5月17日，水技術(shù)研究中心和 XX水廠一行三人赴武漢水務(wù)集 團(tuán)琴斷口水廠、平湖門水廠及長沙水司第一制水有限公司實(shí)地考察以上三水廠智 能加研系統(tǒng)，并就相關(guān)技術(shù)問題分別與江漢大學(xué)測(cè)量與控制技術(shù)研究所所長楊曉 林教授、中南大學(xué)自動(dòng)化系陳德池教授進(jìn)行了座談，現(xiàn)將詳細(xì)情況匯報(bào)如下。 一、本次調(diào)研的目的：1考察水廠加研自動(dòng)化系統(tǒng)中數(shù)學(xué)模型的建立；2混凝投藥的投加方式、工作原理及在實(shí)際中的應(yīng)用； 3沉淀池出水濁度信號(hào)的滯后對(duì)整個(gè)加研系統(tǒng)的影響； 4原水水質(zhì)（溫度、濁度、PH值等）、原水流量對(duì)藥劑投加量的影響； 5考察水廠加研系統(tǒng)水處理設(shè)施和自動(dòng)化控制設(shè)備

2、。二、本次調(diào)研中三個(gè)水廠加研基本情況介紹1、平湖門水廠武漢水務(wù)集團(tuán)平湖門水廠位于武昌區(qū)司門口，始建于 1933年，是一座有76 年供水歷史的老廠，平湖門水廠以長江為水源，日供水能力20萬噸，供武昌區(qū)40萬居民生產(chǎn)生活使用。長江水通過暗管進(jìn)入水廠，進(jìn)水暗管上加裝電磁流量 計(jì)和哈希在線濁度儀對(duì)水廠進(jìn)水流量和原水濁度進(jìn)行在線測(cè)量并將這兩種信號(hào) 變換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)后送入 PAC （ programmable automation controller ,可編程 自動(dòng)控制器）控制器，濾前水濁度信號(hào)作為反饋信號(hào)通過哈希在線濁度儀采集后 進(jìn)入PAC控制器，PAC空制器為江漢大學(xué)測(cè)量與控制技術(shù)研究所進(jìn)行自主開發(fā)與

3、 研究，PAC空制器通過對(duì)原水流量、原水濁度及濾前水濁度等信號(hào)進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 智能處理后精確控制加藥計(jì)量泵的行程與頻率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)加磯量的控制，目前該水廠加研控制室已經(jīng)移入水廠中心調(diào)度室，在加磯間已無工人值班。關(guān)于該水廠的自動(dòng)加研系統(tǒng)控制流程圖及現(xiàn)場(chǎng)儀表照片，如下圖1至圖4所示：源前水泡 度設(shè)定值圖1計(jì)量泵加磯的控制流程圖圖2原水濁度儀表頭圖3原水流量表頭圖4計(jì)量泵變頻控制柜2、琴斷口水廠武漢水務(wù)集團(tuán)琴斷口水廠以漢江為水源，日供水能力20萬噸，負(fù)責(zé)漢陽地區(qū)40萬居民的生產(chǎn)生活用水。該水廠同樣在進(jìn)水暗管上加裝電磁流量計(jì)和哈希 在線濁度儀，在濾前用哈希在線濁度儀對(duì)原水流量、原水濁度、濾前水濁度等加

4、研控制系統(tǒng)必須采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。 該廠采用的控制器也是由江漢大學(xué)測(cè) 量與控制技術(shù)研究所開發(fā)的PAC控制器，和平湖門水廠自動(dòng)化加研不同的是該廠 的加研模式為重力加磯。PAC空制器對(duì)進(jìn)水流量、進(jìn)水濁度和濾前水濁度進(jìn)行智 能處理以后控制開度調(diào)節(jié)閥的開度，并且用電磁流量計(jì)對(duì)實(shí)際加研量進(jìn)行計(jì)量并 將該流量信號(hào)反饋給PAC控制器，從而來達(dá)到對(duì)加研量準(zhǔn)確控制的目的。關(guān)于該水廠的自動(dòng)加研系統(tǒng)控制流程圖及執(zhí)行機(jī)構(gòu)照片，如下圖5至圖8所示：濾前水濁 度設(shè)定值圖5重力加磯模式下控制開度調(diào)節(jié)閥的控制流程圖圖6加磯控制現(xiàn)場(chǎng)開度調(diào)節(jié)閥圖7測(cè)量實(shí)際加磯量的電磁流量計(jì)圖8江漢大學(xué)自主開發(fā)的上位機(jī)軟件3、長沙水司第一制水

5、有限公司長沙水司第一制水有限公司原名河?xùn)|水廠，位于湘江東岸，于 1951年10 月正式建成，目前日供水能力為 20萬噸，以湘江地表水為水源。該水廠也是在 進(jìn)水暗管上加裝電磁流量計(jì)和哈希在線濁度儀， 在濾前用哈希在線濁度儀對(duì)原水 流量、原水濁度、濾前水濁度等加研控制系統(tǒng)必須采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，在PAC空制器對(duì)原水流量、原水濁度、濾前水濁度等數(shù)據(jù)計(jì)算過以后得出相應(yīng)加藥 量控制計(jì)量泵加藥。表面上看和武漢水司平湖門水廠的加磯自動(dòng)化情況類似，但PAC®制器的控制方式和武漢水司有很大差別，具體差別將在第三部分做詳細(xì)介 紹。圖9至圖11為該水廠自動(dòng)加研控制系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)圖片圖9長沙一水廠加磯計(jì)量泵控

6、制現(xiàn)場(chǎng)圖10長沙一水廠自動(dòng)控制系統(tǒng)圖11由長沙華博科技有限公司自主研發(fā)的PAC控制器（較PLC具有外形結(jié)構(gòu)靈活小巧、擴(kuò)展功能強(qiáng)大、數(shù)據(jù)處理速度快等特點(diǎn)）三、兩水司加研系統(tǒng)控制方式與算法介紹1、武漢水務(wù)集團(tuán)與江漢大學(xué)楊曉林教授合作開發(fā)的加磯系統(tǒng)江漢大學(xué)測(cè)量與控制技術(shù)研究所楊曉林教授給武漢水務(wù)集團(tuán)做的項(xiàng)目為“自來水加研人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)控制系統(tǒng)”。該項(xiàng)目由基于工業(yè)以太網(wǎng)的兩級(jí)計(jì)算機(jī) 控制系統(tǒng)組成，低層為可編程自動(dòng)化控制器 PAG完成檢測(cè)和控制的相關(guān)任務(wù)，上層工業(yè)計(jì)算機(jī)完成人機(jī)對(duì)話、數(shù)據(jù)記錄和查詢以及加研算法等功能。加研系統(tǒng)檢測(cè)的數(shù)據(jù)既可以通過 OPC標(biāo)準(zhǔn)從計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)獲取，也可以由 PAC通過RS48

7、5 或模擬量輸入進(jìn)行檢測(cè)。加研算法軟件能夠自動(dòng)學(xué)習(xí)人工的操作經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)各個(gè)參數(shù)的變化調(diào)整加研量。該項(xiàng)目所用的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法實(shí)際上是一個(gè)時(shí)間跨度為三天的滑窗 程序。在計(jì)算機(jī)程序中設(shè)計(jì)一個(gè)先進(jìn)先出的堆棧， 該堆棧內(nèi)存儲(chǔ)近三天加研系統(tǒng) 的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括原水流量、原水濁度、濾前水濁度、實(shí)際加藥量等，然后將這 些記錄和當(dāng)前采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，得出近三天加研系統(tǒng)的各條記錄對(duì)當(dāng)前 加磯量指導(dǎo)的權(quán)重系數(shù)；通過對(duì)近三天加研量權(quán)重的計(jì)算及相應(yīng)的修正算法得到 合理的藥劑投加量。修正算法的基本思想是：若濾前水濁度高于設(shè)定值，則微調(diào) 增大加藥量；若濾前水濁度低于設(shè)定值，則微調(diào)降低加藥量。采用逐次逼近的控 制思

8、想，使加藥效果最終達(dá)到理想效果。2、長沙水司與中南大學(xué)陳德池教授合作開發(fā)的加磯系統(tǒng)中南大學(xué)陳德池教授給長沙水司第一制水有限公司做的加研自動(dòng)化系統(tǒng)是長沙市自來水公司863/CZ-CIMS應(yīng)用示范工程項(xiàng)目中的一個(gè)子課題，CIMS是國家863計(jì)劃自動(dòng)化領(lǐng)域兩大主題之一。該水廠加研自動(dòng)化系統(tǒng)的控制方式為專家 控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人工智能相結(jié)合的方式，在PAC的程序內(nèi)建立模擬的控制方式切 換開關(guān)。當(dāng)濾前水濁度的實(shí)際值和設(shè)定值的差值較大時(shí)，切換開關(guān)切換到專家控 制的方式；當(dāng)濾前水濁度的實(shí)際值和設(shè)定值的差值較小時(shí)， 切換開關(guān)切換到人工 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方式。兩種控制方式相互配合，相互補(bǔ)充，從而達(dá)到系統(tǒng)的快速響 應(yīng)和快

9、速收斂的效果。該系統(tǒng)通過分析以前加研系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)建立專家控制 表，該表記錄了加研系統(tǒng)所需的原水流量、 原水濁度以及濾前水濁度和加藥量的 關(guān)系，并且通過不斷優(yōu)化更新專家控制表內(nèi)的數(shù)據(jù)來保障對(duì)加藥量的準(zhǔn)確指導(dǎo)。在系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制過程中同樣采用滑動(dòng)窗口和逐次逼近的控制思想，但和江漢大學(xué)楊曉林教授做的系統(tǒng)有不同之處，陳德池教授對(duì)系統(tǒng)加藥量的微調(diào)經(jīng)過了 三次修改：第一次修改：根據(jù)BP (Back Propagation )神經(jīng)算法預(yù)測(cè)的濾前水濁度值和設(shè) 定值的差值大小來修改當(dāng)前加藥量，BP算法是1986年由Rumelhart和McCelland 為首的科學(xué)家小組提出，是一種按誤差逆?zhèn)鞑ニ惴ㄓ?xùn)練的多層

10、前饋網(wǎng)絡(luò)，是目前應(yīng)用最廣泛的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型之一。BP網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存貯大量的輸入-輸出模式映輸入層隱層輸出層射關(guān)系，而無需事前揭示描述這種映射關(guān)系的數(shù)學(xué)方程。它的學(xué)習(xí)規(guī)則是使用最 速下降法，通過反向傳播來不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值， 使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最 小。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括輸入層(input )、隱層(hide layer)和輸出 層(output layer) ；第二次修改：設(shè)目前采樣的濾前水濁度值與設(shè)定值的差值為 A,前一采樣周期采 樣的濾前水濁度值與設(shè)定值的差值為 B,則令C=A-B在程序中判斷C值的大小 來調(diào)整加藥量。實(shí)際上C值表示的是系統(tǒng)誤差變化的方向， 表示誤差是變大還是

11、變小，誤差變化的發(fā)展趨勢(shì)是向正方向還是向負(fù)方向變化；第三次修改：對(duì)誤差值C求采樣時(shí)間T的微分，根據(jù)微分值的大小來調(diào)整加藥量， 實(shí)際上該微分值的大小表示了誤差變化的快慢，也表示系統(tǒng)收斂或者發(fā)散的速 度。借助上面三次修改過程中計(jì)算的相關(guān)數(shù)據(jù) (包括預(yù)測(cè)值和設(shè)定值的差值、實(shí) 際誤差值以及實(shí)際誤差值對(duì)時(shí)間的微分值) 還可以判斷當(dāng)前加磯自控系統(tǒng)的斂散 性，對(duì)系統(tǒng)的斂散性進(jìn)行判斷有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：1、如果系統(tǒng)是收斂的，且收斂的速度比較快，則說明前期加藥量過多，則可以 微調(diào)降低加藥量；如果系統(tǒng)是發(fā)散的，則可以微調(diào)加大加藥量使系統(tǒng)趨于收斂。 從而通過對(duì)系統(tǒng)斂散性的判斷進(jìn)一步指導(dǎo)加藥量以期達(dá)到加磯沉淀的最好效果。2、

12、對(duì)系統(tǒng)斂散性的判斷將大大縮短系統(tǒng)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的時(shí)間。因?yàn)橄到y(tǒng)發(fā)散狀態(tài)下的數(shù)據(jù)都可以直接剔除，無須再進(jìn)入滑窗程序，系統(tǒng)學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)都是收斂 狀態(tài)下的數(shù)據(jù)。四、本次調(diào)研學(xué)習(xí)的結(jié)論及建議通過本次調(diào)研學(xué)習(xí)，水技術(shù)研究中心和柿園水廠的相關(guān)技術(shù)人員收獲頗豐， 達(dá)到了預(yù)期的調(diào)研目的，現(xiàn)將本次調(diào)研學(xué)習(xí)的結(jié)論與建議總結(jié)如下：1、就水廠加研自動(dòng)化系統(tǒng)來說，由于系統(tǒng)干擾因素比較多（包括原水溫度、PH值、氨氮含量等等），導(dǎo)致很難建立諸多干擾因素和加藥量之間準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型， 所以兄弟水司大多采用專家經(jīng)驗(yàn)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能控制模式對(duì)水廠加 磯實(shí)施自動(dòng)控制，這對(duì)我公司柿園水廠加研自動(dòng)化改造有一定借鑒意義。2、本次所考

13、察的三個(gè)水廠中的進(jìn)廠原水都采用暗管輸送，在原水輸送管道上加 裝流量和濁度檢測(cè)儀表準(zhǔn)確的計(jì)量原水流量和原水濁度，而我公司柿園水廠進(jìn)廠 原水輸送方式除暗管以外，還有大部分靠明渠輸送，自動(dòng)化儀表無法準(zhǔn)確計(jì)量原 水的進(jìn)水流量成為制約加磯自動(dòng)化改造的瓶頸問題， 建議設(shè)計(jì)建造一段符合電子 流量檢測(cè)儀表要求的圓形管道或者在明渠加裝巴歇爾槽來準(zhǔn)確計(jì)量進(jìn)水流量。3、通過前期查閱大量技術(shù)文獻(xiàn)得知，目前國內(nèi)水廠加研方式大多為計(jì)量泵投藥 或者重力投藥。采用計(jì)量泵投藥方式，加藥量可以得到準(zhǔn)確控制，無須增加藥劑 流量測(cè)量儀器，但是設(shè)備所需維護(hù)量相對(duì)較大； 而重力投藥設(shè)備維護(hù)量較小，只 需控制開度調(diào)節(jié)閥，但在控制方式上增加

14、了對(duì)藥劑流量的檢測(cè)以及流量負(fù)反饋閉 環(huán)環(huán)節(jié)，控制方式相對(duì)較復(fù)雜。對(duì)兩種方式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合我公司柿園水廠原有 的加研工藝，得出結(jié)論：實(shí)行重力加研比較合適。4、在我們此次考察兄弟水司加研自動(dòng)化系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)他們用的中央控制器已經(jīng) 不是傳統(tǒng)意義上的PLC而全部都是自主開發(fā)的PAG PAC控制器有其自身優(yōu)點(diǎn)， 如制作成本低、功能可以自我完善、外形結(jié)構(gòu)靈活小巧、擴(kuò)展功能強(qiáng)大、數(shù)據(jù)處 理速度快等，在當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中， PACE逐步占據(jù)重要地位。建議我公 司在培養(yǎng)PLC空制器程序設(shè)計(jì)人員的同時(shí)應(yīng)該注重培養(yǎng) PACM件電路和軟件編程 設(shè)計(jì)人員。5、人工智能控制的控制思想在水行業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作

15、用，在國 內(nèi)部分水廠已經(jīng)得到應(yīng)用，但目前我公司對(duì)該領(lǐng)域的研究還是空白。 建議開展對(duì) 人工智能控制（包括專家控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）的研究工作，并引進(jìn)相關(guān)技術(shù)人才， 逐步壯大我公司在自控方面的技術(shù)實(shí)力，為我公司做強(qiáng)做大儲(chǔ)備力量。6、長沙水司和武漢水司在加研自動(dòng)化系統(tǒng)中做出的成就都是由供水企業(yè)和具有 較強(qiáng)科技研發(fā)實(shí)力的大中專院校相互結(jié)合的產(chǎn)物，湖南華博科技有限公司是長沙 水司中南大學(xué)合作建立的三產(chǎn)企業(yè)，自主開發(fā)水處理領(lǐng)域的自動(dòng)控制裝置和軟 件，并承擔(dān)國家863計(jì)劃科研項(xiàng)目和科技部重大專項(xiàng)，獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和 社會(huì)效益。本次調(diào)研的兩個(gè)水司均采用校企強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合的方式做科研項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)值 得我公司借鑒。7、根據(jù)本次調(diào)研