自适应控制投药设备及其方法 所属技术领域
本发明为净水厂自动控制投药系统中控制加药量投加的一种设备及其最佳投加量控制方法。背景技术
混凝剂最佳投加量控制，是净水厂工艺控制的关键。它直接关系到净化效果与制水成本。由于影响混凝效果的因素很多，情况复杂，加之整个混凝、沉淀过程时间长，给自动加药的控制带来很大困难。目前，比较流行的控制方式：
1、流动电流仪(SCD)单因子控制系统
水中胶体粒子稳定度可用胶体电位来描述，胶体电位越高，稳定性越大，加药量就要越多。利用流动电流仪(SCD)可间接定量检测胶体电位值，用以反映水中胶体粒子稳定度。因此用SCD组成单一检测参数的简单调节系统，也叫单因子控制系统。
该系统控制原理简单可靠，但使用效果并不理想，主要有以下几个原因：(1)水中杂质、有机物吸附在SCD探头上，引起检测信号减弱或失真；(2)由于是单因子控制，SCD设定值大小，就决定了混凝效果。但SCD设定值应随着原水浊度、流量、温度、PH值等参数的变化而改变，这就给SCD的使用带来很大困难；(3)SCD仪表灵敏度较低，变化范围小，当水质、流量等因素在较小范围变化时，SCD值甚至反应不出其变化，使系统抗干扰能力降低。
2、原水流量与沉淀池浊度组成的前馈反馈调节系统
这是一个前馈反馈控制系统，沉淀池出水浊度作为反馈量，原水流量作为前馈量控制。从加药反应到沉淀出水时间较长，一般需1.5～2.0小时，对于浊度、温度等参数变化反应滞后大，因此水质变化时控制偏差大；原水流量参与控制只有比例调节，所以二个参量控制都属于有差调节，精度差。
3、建立前馈与反馈数学模型，实现自动控制
考虑原水流量与水质的瞬时变化，又考虑到净水工艺中混凝沉淀、过滤工艺中水利条件与各参数的变化对净水效果的影响，利用大量(几百组)投药统计数据，用多元线性回归法，推导出前馈与反馈数学模式。但这种方式存在着以下缺点，(1)需要根据生产资料中历史数据，用非线性回归法推导数学模式，而这种数学模式的建立，就是专门从事计算数学的专家，也需要大量时间通过计算机去计算；(2)数学模式非常复杂，涉及条件、参数很多，各水厂条件参数不一样，数学模式不能通用；(3)数学模式一旦建立就不能更改，但随着时间的推移，即使是同一条河流、同一个水库里的原水水质也会发生变化。此时，根据以前水质参数建立的数学模式就变得不准确。
所以这种方法不能普遍推广，实际中也很少应用。
4、其它控制方法的应用
除了上述的加药控制系统外，还有一些工程上应用较少，处于实验室阶段的加药控制方法。如：模拟沉淀池或滤池法。发明内容
为了解决现有的自动加药控制存在的不足，本发明提出一种新型的自动投药控制方式—自适应控制投药方式。设备特点是具有自学习功能，能够自动学习、记录、积累最佳混凝效果时的单位投加量，并连同相关季节、浊度、温度等状态值一并存储到数据库中，当自适应控制投药设备运行在自适应控制方式时，系统根据当时的季节、温度、浊度状态，在数据库中选取相关单位投加量，再根据原水流量大小进行修正，系统就输出合适投药量达到最佳混凝效果。本说明书所提最“最佳混凝效果”的含义：满足沉淀后浊度要求而投药量最低。随着水质的变化，设备语音系统自动提示操作人员对系统数据库相关参数进行修正、完善。自适应控制投药设备具有自学习功能，能够不断改善数据库内容，满足不同地区、不同水质水厂，达到自适应作用。
1、理论依据
给水处理理论和实践证实：“投药单耗与原水浊度、温度密切相关，原水水质与季节有固定关系。且随着时间地推移，每年相同季节的原水水质也会发生变化。”在影响沉淀池的出水浊度诸因素中，投药量与原水浊度、水温关系密切，而氨氮、亚硝酸盐、溶解氧等参数在一年内变化很小，不是影响投药量的主要因素；同时考虑到沉淀池加药量不仅与原水水质因素有关，也与进入沉淀池原水流量有关，不同的运行水量将影响絮凝结果，原水流量参数与投药量成正比，因此在模式中运用投药单耗这一参数。
2、自适应控制投药原理
自适应控制投药方法采用参数对照进行加药控制。在控制器(如可编程控制器PLC)的存储单元(如E2PROM)中预置有单位投加量数据库—不同季节原水的浊度、温度对应最佳混凝效果的单位投加量。原水流量对加药量的影响可在控制单元中计算，统一输出信号给变频器控制加药泵的投加量；或控制单元单独输出原水流量控制信号给加药泵自动冲程调节器控制加药泵冲程大小，与自适应控制信号构成双参数，控制加药泵的投加量。由于氨氮、亚硝酸盐、溶解氧等参数在同一水厂各个季节参数基本固定，因此对每个季节不同浊度、温度投药量设定时对氨氮、亚硝酸盐、溶解氧等参数的影响作了补偿。自适应控制投药思想类似专家建立前馈反馈数学模型，均考虑浊度、水质参数对投加量的影响，但专家建立前馈反馈数学模型需要大量原始可靠参数，很多水厂不具备条件；尤其前馈反馈数学模型一旦建立固定不变，水质改变后模型的参数不能随着改变，达不到最佳投药量。自适应控制投药具有自学习功能，自动将符合本地水质、季节、温度的最佳单位投加量记录到数据库中，并且随着水质变化，自适应控制投药设备可自动提示操作人员对数据库参数修改，因此自适应控制投药设备适合各种不同地域、不同水质特点的水厂。在自学习状态下，通过熟练操作人员操作就能建立起可靠的水质参数数据库，并且数据库的内容随着水质的变化不断得到修正。在自适应控制状态下，系统能够选取合适投药量，得到最佳混凝效果。
3、自适应控制投药设备组成及作用
自适应控制投药设备由二大部分组成，分别为自适应控制单元和计量投加单元。自适应控制单元包括：控制器1，人机界面2，语音提示系统3，运行方式选择面板4；计量投加单元包括：变频器5，投药泵6
(1)自适应控制单元作用：接收温度、浊度信号；录入、存储、修改数据库；运
行方式选择；输出投药控制信号。
控制器1作用：储存数据库；进行数据库的自动补充、修正，更新；接收浊
度、温度信号，进行判断比较；控制变频器。
人机界面2作用：监视现场水质参数、投加参数；显示数据库参数值；录入
数据库参数及水质参数。
语音提示系统3：向操作员进行语音提示，指导操作员进行数据库录入和修正
工作。
运行方式选择面板4：自适应控制投药设备设三种运行方式：手动运行方式、
自学习运行方式、自适应运行方式。
(2)计量投加单元作用：为自适应控制单元的执行部分，将适量的药剂投加到管
道里。
变频器5作用：接收控制器输出信号，控制加药泵的投药量。
加药泵6作用：将一定压力的药剂投加到管道里。
4、自适应控制投药设备运行方式
自适应控制投药设备初运行时，首先进入自学习运行控制方式，由有经验操作员手动对投药控制，自适应控制投药设备自动把现在投药量与数据库中相关投药量进行比较，如果数据库中无此数据或与现投加药量相差一定范围，语音系统就会提示操作员确定最佳投药量。经过有经验的操作员观察或实验室试验后，操作员确认现投药量为此工况下的最佳投药量，控制器自动修正投药数据库数据，就这样自适应控制投药设备控制单元不断补充、更新数据库。操作员也可随时调出数据库查看，经过一年的运行积累，自适应控制投药设备将数据库全部修正完善，可以将此设备投入自适应运行状态。控制器根据不同浊度、温度，对应不同季节，经过在数据库中查询判断，选择合适的单位投加量，具有了自适应功能。
浊度、温度及原水流量参数既可以通过现场一次检测仪表自动输入到控制器内，也可通过人机界面将三个参数全部或部分手动录入控制器内，因此对没有浊度、温度、原水流量一次检测仪表的老旧或小型水厂，也很容易利用自适应控制投药设备实现自适应控制投药，节省水厂改造或建设投资。
本发明的有益效果是：由于自适应控制投药设备具有自学习、自适应特性，适用任何地域、不同水质的水厂；利用新颖、简便的方法达到实用、有效的投药控制；在自适应控制投药设备处于手动控制方式时，不需要浊度仪、温度计、流量计等一次检测仪表，节省设备投入成本。附图说明下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。图1自适应控制投药设备控制逻辑图图2自适应控制投药设备组成框图图3自适应控制投药设备数据库表格图4、图5为图3自适应控制投药设备数据库表格的内容表格。图6、SCD单因子控制系统图图7、由流量及浊度组成的前馈反馈调节系统图在图2中，1.控制器，2.人机界面，3.语音提示系统，4.运行方式选择面板，5.变频器，6.加药泵具体实施方式
图1为自适应控制投药设备控制逻辑图
在图2中，控制器1，人机界面2，语音提示系统3，运行方式选择面板4组成投药控制单元；变频器5，投药泵6组成计量投加单元；投药控制单元与计量投加单元通过电缆、管道连接组成自适应控制投药设备。
图3、图4、图5是根据“投药单耗与原水浊度、温度密切相关，原水水质与季节有固定关系。且随着时间的推移，每年相同季节的原水水质也会发生变化。”这一理论建立的数据库。数据库既可用表格的方法建立，也可用曲线图法、矩阵法、数学表达式等数据处理方法建立。本发明采用表格法举例说明。
图6、图7为背景技术中传统控制技术所使用的逻辑框图。
自适应控制投药设备及方法用于原水处理过程举例说明：
具体实施例1：在某水厂自适应控制投药设备初运行时，操作员首先把自适应控制投药设备设置到自学习控制方式。在春季某一时刻，原水水温8℃、浊度26NTU时，操作员观察到加药泵投加量为28g/m3，语音提示系统提示操作员补充或修正数据库，由有经验操作员观察或实验室试验确认沉淀池的出水水质最好，经操作员确认后，本设备自动将此时的工况点及单位投加量录入到控制器数据库。经过一年的运行积累，自适应控制投药设备将数据库全部录入完善。之后，即将自适应控制加药设备设置到自适应控制方式，在第二年的春季某一时刻，自适应控制加药设备投加单元加药泵投加量为20g/m3。当控制单元接受到水温、浊度变化信号，改变为原水水温8℃、浊度26NTU时，控制单元中的控制器自动把现在的投药量与数据库中相关投药量进行比较。控制器经过在数据库中查表判断，在图4(1#表)中查得春季原水水温8℃、浊度26NTU时，投药量应为28g/m3，于是，控制器控制变频器5改变频率，从而改变投药泵6的投药量为28g/m3。若自学习控制方式和自适应控制方式发生故障不能运行时，则切换到手动方式运行，使用手动方式控制加药泵投加量。
具体实施例2：自适应控制投药设备设置到自适应控制方式时，在夏季某一时刻，自适应控制投药设备投加单元加药泵投加量为20g/m3。当控制单元接受到水温、浊度变化信号，改变为原水水温8℃、浊度26NTU时，控制单元中的控制器自动把现在的投药量与数据库中相关投药量进行比较，控制器经过在数据库中查表判断，在图5(2#表)中查得夏季原水水温8℃、浊度26NTU时，投药量应为16g/m3。因为“投药单耗与原水浊度、温度密切相关，原水水质与季节有固定关系。且随着时间的推移，每年相同季节的原水水质也会发生变化”。在不同季节同一温度、同一浊度下的最佳投加量是不相同的。于是，控制器控制变频器5改变频率，从而改变投药泵6的投药量为16g/m3。