水厂加矾自动化控制系统及其控制算法调研报告

1、水厂加矶自动化控制系统及其控制算法调研报告5月11日至5月17日，水技术研究中心和 XX水厂一行三人赴武汉水务集 团琴断口水厂、平湖门水厂及长沙水司第一制水有限公司实地考察以上三水厂智 能加研系统，并就相关技术问题分别与江汉大学测量与控制技术研究所所长杨晓 林教授、中南大学自动化系陈德池教授进行了座谈，现将详细情况汇报如下。 一、本次调研的目的：1考察水厂加研自动化系统中数学模型的建立；2混凝投药的投加方式、工作原理及在实际中的应用； 3沉淀池出水浊度信号的滞后对整个加研系统的影响； 4原水水质（温度、浊度、PH值等）、原水流量对药剂投加量的影响； 5考察水厂加研系统水处理设施和自动化控制设备

2、。二、本次调研中三个水厂加研基本情况介绍1、平湖门水厂武汉水务集团平湖门水厂位于武昌区司门口，始建于 1933年，是一座有76 年供水历史的老厂，平湖门水厂以长江为水源，日供水能力20万吨，供武昌区40万居民生产生活使用。长江水通过暗管进入水厂，进水暗管上加装电磁流量 计和哈希在线浊度仪对水厂进水流量和原水浊度进行在线测量并将这两种信号 变换为标准信号后送入 PAC （ programmable automation controller ,可编程 自动控制器）控制器，滤前水浊度信号作为反馈信号通过哈希在线浊度仪采集后 进入PAC控制器，PAC空制器为江汉大学测量与控制技术研究所进行自主开发与

3、 研究，PAC空制器通过对原水流量、原水浊度及滤前水浊度等信号进行神经网络 智能处理后精确控制加药计量泵的行程与频率，从而实现对加矶量的控制，目前该水厂加研控制室已经移入水厂中心调度室，在加矶间已无工人值班。关于该水厂的自动加研系统控制流程图及现场仪表照片，如下图1至图4所示：源前水泡 度设定值图1计量泵加矶的控制流程图图2原水浊度仪表头图3原水流量表头图4计量泵变频控制柜2、琴断口水厂武汉水务集团琴断口水厂以汉江为水源，日供水能力20万吨，负责汉阳地区40万居民的生产生活用水。该水厂同样在进水暗管上加装电磁流量计和哈希 在线浊度仪，在滤前用哈希在线浊度仪对原水流量、原水浊度、滤前水浊度等加

4、研控制系统必须采集的信号进行数据采集。 该厂采用的控制器也是由江汉大学测 量与控制技术研究所开发的PAC控制器，和平湖门水厂自动化加研不同的是该厂 的加研模式为重力加矶。PAC空制器对进水流量、进水浊度和滤前水浊度进行智 能处理以后控制开度调节阀的开度，并且用电磁流量计对实际加研量进行计量并 将该流量信号反馈给PAC控制器，从而来达到对加研量准确控制的目的。关于该水厂的自动加研系统控制流程图及执行机构照片，如下图5至图8所示：滤前水浊 度设定值图5重力加矶模式下控制开度调节阀的控制流程图图6加矶控制现场开度调节阀图7测量实际加矶量的电磁流量计图8江汉大学自主开发的上位机软件3、长沙水司第一制水

5、有限公司长沙水司第一制水有限公司原名河东水厂，位于湘江东岸，于 1951年10 月正式建成，目前日供水能力为 20万吨，以湘江地表水为水源。该水厂也是在 进水暗管上加装电磁流量计和哈希在线浊度仪， 在滤前用哈希在线浊度仪对原水 流量、原水浊度、滤前水浊度等加研控制系统必须采集的信号进行数据采集，在PAC空制器对原水流量、原水浊度、滤前水浊度等数据计算过以后得出相应加药 量控制计量泵加药。表面上看和武汉水司平湖门水厂的加矶自动化情况类似，但PAC®制器的控制方式和武汉水司有很大差别，具体差别将在第三部分做详细介 绍。图9至图11为该水厂自动加研控制系统现场图片图9长沙一水厂加矶计量泵控

6、制现场图10长沙一水厂自动控制系统图11由长沙华博科技有限公司自主研发的PAC控制器（较PLC具有外形结构灵活小巧、扩展功能强大、数据处理速度快等特点）三、两水司加研系统控制方式与算法介绍1、武汉水务集团与江汉大学杨晓林教授合作开发的加矶系统江汉大学测量与控制技术研究所杨晓林教授给武汉水务集团做的项目为“自来水加研人工神经网络自动控制系统”。该项目由基于工业以太网的两级计算机 控制系统组成，低层为可编程自动化控制器 PAG完成检测和控制的相关任务，上层工业计算机完成人机对话、数据记录和查询以及加研算法等功能。加研系统检测的数据既可以通过 OPC标准从计算机网络获取，也可以由 PAC通过RS48

7、5 或模拟量输入进行检测。加研算法软件能够自动学习人工的操作经验，根据各个参数的变化调整加研量。该项目所用的人工神经网络控制算法实际上是一个时间跨度为三天的滑窗 程序。在计算机程序中设计一个先进先出的堆栈， 该堆栈内存储近三天加研系统 的相关数据，包括原水流量、原水浊度、滤前水浊度、实际加药量等，然后将这 些记录和当前采集的相关数据进行比对，得出近三天加研系统的各条记录对当前 加矶量指导的权重系数；通过对近三天加研量权重的计算及相应的修正算法得到 合理的药剂投加量。修正算法的基本思想是：若滤前水浊度高于设定值，则微调 增大加药量；若滤前水浊度低于设定值，则微调降低加药量。采用逐次逼近的控 制思

8、想，使加药效果最终达到理想效果。2、长沙水司与中南大学陈德池教授合作开发的加矶系统中南大学陈德池教授给长沙水司第一制水有限公司做的加研自动化系统是长沙市自来水公司863/CZ-CIMS应用示范工程项目中的一个子课题，CIMS是国家863计划自动化领域两大主题之一。该水厂加研自动化系统的控制方式为专家 控制和神经网络人工智能相结合的方式，在PAC的程序内建立模拟的控制方式切 换开关。当滤前水浊度的实际值和设定值的差值较大时，切换开关切换到专家控 制的方式；当滤前水浊度的实际值和设定值的差值较小时， 切换开关切换到人工 神经网络控制方式。两种控制方式相互配合，相互补充，从而达到系统的快速响 应和快

9、速收敛的效果。该系统通过分析以前加研系统的历史数据建立专家控制 表，该表记录了加研系统所需的原水流量、 原水浊度以及滤前水浊度和加药量的 关系，并且通过不断优化更新专家控制表内的数据来保障对加药量的准确指导。在系统的神经网络控制过程中同样采用滑动窗口和逐次逼近的控制思想，但和江汉大学杨晓林教授做的系统有不同之处，陈德池教授对系统加药量的微调经过了 三次修改：第一次修改：根据BP (Back Propagation )神经算法预测的滤前水浊度值和设 定值的差值大小来修改当前加药量，BP算法是1986年由Rumelhart和McCelland 为首的科学家小组提出，是一种按误差逆传播算法训练的多层

10、前馈网络，是目前应用最广泛的神经网络模型之一。BP网络能学习和存贮大量的输入-输出模式映输入层隐层输出层射关系，而无需事前揭示描述这种映射关系的数学方程。它的学习规则是使用最 速下降法，通过反向传播来不断调整网络的权值和阈值， 使网络的误差平方和最 小。BP神经网络模型拓扑结构包括输入层(input )、隐层(hide layer)和输出 层(output layer) ；第二次修改：设目前采样的滤前水浊度值与设定值的差值为 A,前一采样周期采 样的滤前水浊度值与设定值的差值为 B,则令C=A-B在程序中判断C值的大小 来调整加药量。实际上C值表示的是系统误差变化的方向， 表示误差是变大还是

11、变小，误差变化的发展趋势是向正方向还是向负方向变化；第三次修改：对误差值C求采样时间T的微分，根据微分值的大小来调整加药量， 实际上该微分值的大小表示了误差变化的快慢，也表示系统收敛或者发散的速 度。借助上面三次修改过程中计算的相关数据 (包括预测值和设定值的差值、实 际误差值以及实际误差值对时间的微分值) 还可以判断当前加矶自控系统的敛散 性，对系统的敛散性进行判断有两个优点：1、如果系统是收敛的，且收敛的速度比较快，则说明前期加药量过多，则可以 微调降低加药量；如果系统是发散的，则可以微调加大加药量使系统趋于收敛。 从而通过对系统敛散性的判断进一步指导加药量以期达到加矶沉淀的最好效果。2、

12、对系统敛散性的判断将大大缩短系统自学习、自适应的时间。因为系统发散状态下的数据都可以直接剔除，无须再进入滑窗程序，系统学习的数据都是收敛 状态下的数据。四、本次调研学习的结论及建议通过本次调研学习，水技术研究中心和柿园水厂的相关技术人员收获颇丰， 达到了预期的调研目的，现将本次调研学习的结论与建议总结如下：1、就水厂加研自动化系统来说，由于系统干扰因素比较多（包括原水温度、PH值、氨氮含量等等），导致很难建立诸多干扰因素和加药量之间准确的数学模型， 所以兄弟水司大多采用专家经验控制和神经网络等人工智能控制模式对水厂加 矶实施自动控制，这对我公司柿园水厂加研自动化改造有一定借鉴意义。2、本次所考

13、察的三个水厂中的进厂原水都采用暗管输送，在原水输送管道上加 装流量和浊度检测仪表准确的计量原水流量和原水浊度，而我公司柿园水厂进厂 原水输送方式除暗管以外，还有大部分靠明渠输送，自动化仪表无法准确计量原 水的进水流量成为制约加矶自动化改造的瓶颈问题， 建议设计建造一段符合电子 流量检测仪表要求的圆形管道或者在明渠加装巴歇尔槽来准确计量进水流量。3、通过前期查阅大量技术文献得知，目前国内水厂加研方式大多为计量泵投药 或者重力投药。采用计量泵投药方式，加药量可以得到准确控制，无须增加药剂 流量测量仪器，但是设备所需维护量相对较大； 而重力投药设备维护量较小，只 需控制开度调节阀，但在控制方式上增加

14、了对药剂流量的检测以及流量负反馈闭 环环节，控制方式相对较复杂。对两种方式进行对比，结合我公司柿园水厂原有 的加研工艺，得出结论：实行重力加研比较合适。4、在我们此次考察兄弟水司加研自动化系统中，发现他们用的中央控制器已经 不是传统意义上的PLC而全部都是自主开发的PAG PAC控制器有其自身优点， 如制作成本低、功能可以自我完善、外形结构灵活小巧、扩展功能强大、数据处 理速度快等，在当今工业自动控制系统中， PACE逐步占据重要地位。建议我公 司在培养PLC空制器程序设计人员的同时应该注重培养 PACM件电路和软件编程 设计人员。5、人工智能控制的控制思想在水行业自动控制领域发挥越来越大的作

15、用，在国 内部分水厂已经得到应用，但目前我公司对该领域的研究还是空白。 建议开展对 人工智能控制（包括专家控制和神经网络）的研究工作，并引进相关技术人才， 逐步壮大我公司在自控方面的技术实力，为我公司做强做大储备力量。6、长沙水司和武汉水司在加研自动化系统中做出的成就都是由供水企业和具有 较强科技研发实力的大中专院校相互结合的产物，湖南华博科技有限公司是长沙 水司中南大学合作建立的三产企业，自主开发水处理领域的自动控制装置和软 件，并承担国家863计划科研项目和科技部重大专项，获得了很好的经济效益和 社会效益。本次调研的两个水司均采用校企强强联合的方式做科研项目的经验值 得我公司借鉴。7、根据本次调研