給水處理廠混凝投藥中無模型自適應控制系統的應用

史 靚，顏一青

(上海市自來水市北有限公司閘北水廠，上海 200438)

城鎮供水是現代化城市建設的基礎。常規給水處理工藝包括混凝、沉淀、過濾、消毒，其中，混凝、沉淀的效果直接影響后續工藝和出廠水質。影響混凝效果的因素較多，如進水流量、原水濁度、水溫、pH等。目前，給水處理中加藥大部分仍采用人工控制的方式。由于受到原水水質、進水流量和氣候等多種因素的影響，故會對加藥的合理性、準確性和穩定性帶來一定的困難，嚴重時可能會影響水質，同時造成藥劑的浪費。

隨著水處理技術的發展，自動投藥系統的形式多種多樣，包括數學模型法、模擬沉淀池法、流動電流法、絮凝控制法以及基于模型的模糊控制法等。數學模型法理論上能夠準確控制加礬沉淀過程，但是，建模過程、建成后的模型質量以及維護，必須投入大量的人力、物力。模擬沉淀池法要根據一個微縮沉淀池的出水濁度來控制加礬量。由于混凝沉淀過程較為復雜，用微縮沉淀池出水濁度來決定加礬量不夠全面，所以實際處理效果不太理想。流動電流法是檢測原水在投藥后的流動電流與ξ電位相關的混凝本質參數，并以此為依據確定加礬量。絮凝控制法可分為脈動法、圖像法。礬劑加入原水后，流動擴散形成礬花，礬花的大小可以直接反映混凝沉淀的效果，通過水下攝像記錄礬花的形狀大小，再經圖像分析裝置得到礬花粒徑、密度等參數，并通過控制器去控制加礬量［1-5］。雖然這些方法具有一定成效，但是仍然存在建模難、投資大、適應性差、不宜于維護和操作等問題，因而無法廣泛應用。此外，自動投藥系統的推廣受以下原因制約，包括我國原水水源保護不嚴格、原水水質變化大且易突變等。因此，采用新技術研發適應實際工況的自動加藥系統，對推廣凈水工藝自動化、提高水質、節約藥耗具有重要的現實意義［6］。

為了確保“安全生產、優質供水”的目標，節省勞動資源，國內給水處理廠積極探索混凝沉淀過程自動投藥的方法，希望直接以沉淀池出口濁度實測值為控制目標，進行閉環自動加礬控制。上海市自來水市北有限公司閘北水廠在混凝沉淀中采用無模型自適應(Model-Free Adaptive，MFA)控制器進行自動加礬，MFA控制器在水廠生產運行中取得了良好的控制效果，本文將針對MFA控制器的應用情況進行分析說明。

1 給水處理工藝

常規給水處理工藝如圖1所示，其中，混凝投藥是保證混凝效果、凈化水質及節省藥劑的重要工序。將配制好的混凝劑加入進水管道，與原水混合后流入沉淀池，礬劑在水中流動擴散形成礬花，將水中的膠體顆粒和雜質等懸浮物凝聚沉淀，降低濁度，提高出水水質，礬花在水中混凝的反應時間約20～30 min。在一定的工況條件下，混凝效果由混凝劑的投加量決定。若投加量過小，則達不到除濁目的;若投加量過大，則會影響除濁效果和人體健康，同時增加制水成本。如前文所述，影響混凝投藥的因素很多，故控制加藥量便成為實際生產中的一大難題。

圖1 常規給水處理工藝Fig．1 Regular Water Treatment Process

閘北水廠設計日供水量為28萬t，主要采用長江原水(原水濁度10～40 NTU)，出廠水濁度控制在0．10 NTU以下。制水系統分為20萬t制水系統和8萬t制水系統，均采用靜態混合器和折板反應池，但沉淀方式各不相同，其中20萬t制水系采用斜管沉淀(1#、2#沉淀池)，8萬t制水系統采用平流式沉淀(3#沉淀池)。不同的沉淀設備，原水處理時間有較大不同。原水從進入沉淀池開始，經過混凝沉淀過程，直到沉淀池出口，采用斜管沉淀池整個流程約需1．5 h，采用平流式沉淀池整個流程約需2 h。

2 無模型自適應控制系統的應用

2．1 MFA 技術

眾所周知，PID控制技術被廣泛應用于常規控制過程。然而，由于混凝沉淀過程存在大滯后、時變性等特點，PID控制很難保證系統的長期穩定性。相比之下，MFA具有較強的穩定性，在過程參數變化較大的情況下，仍能保持控制系統的穩定性與較好的控制性能［7］。因此，閘北水廠在先后采用了SCM及FCD等控制系統，但效果均不理想的情況下，通過對無模型自適應過程控制技術MFA調研，結合生產實際，決定采用MFA技術作為我廠自動加礬系統的控制器。

圖2 MFA控制技術核心結構Fig．2 Core Structure of MFA Control Technique

MFA控制技術的核心結構如圖2所示［6］，關鍵部件是一個多層感知神經元網絡，含有一個有“記憶”能力的輸入層、N個神經元的隱含層和一個神經元的輸出層。在這個神經網絡中有一組可以根據需要而改變的權重因子(Wij和hi)，從而對控制器的行為進行調整。更新權重因子的算法是以縮小設定值與過程變量之間的偏差為目標。由于其效果與控制目標是一致的，因此，采用權重因子能幫助控制器在過程動態特性發生變化的時候減小偏差。此外，基于人工神經網絡的MFA控制器保存了一部分歷史數據，為了解過程動態特性提供有價值的信息。也就是說MFA控制器是根據被控過程的動態特性數據來對過程施加控制的，而過程特性的變化又無須調整MFA控制器參數，所以控制器具有強大的自適應控制能力。

MFA是一種無需建立過程模型的自適應控制技術，具有如下特征:(1)無需精確的過程定量知識;(2)不含過程辨識機制;(3)不需要針對某一過程進行控制器設計;(4)不需要繁復的控制器參數整定;(5)具有閉環系統穩定性分析和判據，確保系統的穩定性［8］。

2．2 MFA自動投藥控制方案

閘北水廠采用的是帶前饋抗滯后的MFA自動加礬控制系統:以沉淀池出口濁度為被控對象，礬劑投加量為調節手段，進水流量和原水濁度為前饋，構成以出口濁度值為負反饋的閉環控制系統。影響混凝效果的因素很多，較為主要的是原水濁度和進水流量。為了及時克服這種擾動，MFA控制系統將原水濁度和進水流量作為控制器前饋并結合比例控制方法對過程進行控制。至于水溫、pH等因素，由于其在長時間內變化較小，故其變化造成的水質波動由控制系統自行修正。

如圖3所示，MFA控制系統以沉淀池出口濁度控制回路為主回路，加藥流量控制回路為子回路組成串級閉環控制系統，原水濁度和進水流量作為控制器前饋參與控制。

圖3 帶前饋抗滯后MFA控制系統圖Fig．3 MFA Control System Diagram

2．3 MFA控制系統應用效果

自2003年起，閘北水廠便開始探索MFA控制系統在混凝沉淀過程中的應用。探索初期，為檢驗該系統運行效果，由于1#、2#沉淀池均為斜管沉淀池，設計參數、投加設備相同，故將1#、2#沉淀池作為試驗組，分別采用自動和人工控制方式，出口濁度控制范圍為(3．0±0．2)NTU，運行情況對比如表1所示(2003年數據)。可以發現，1#沉淀池出口濁度中心范圍出現頻次較2#沉淀池高，即水質比2#沉淀池穩定;且礬劑投加量小于2#沉淀池。

表1 1#、2#沉淀池運行情況對比Tab．1 Operation Comparision with 1#and 2#Sediment Tanks

自2011年4月起，我廠開始采用每年夏季(5月～10月)、冬季(11月～次年4月)不同水源進行給水處理。其中，夏季采用100%陳行原水，冬季采用70%青草沙原水、30%陳行原水的混合原水。如表2所示，夏季自動控制的加藥量低于人工控制;冬季由于低溫低濁、沉淀池出口濁度目標值的降低，故自動控制的加藥量有所上升。另外，雖然冬季原水類型發生了改變，但是 MFA控制系統能夠適用于不同原水水質，達到良好的控制效果。

表2 MFA控制系統試運行情況分析Tab．2 Operation Anylsis with MFA Control System

如下表3、表4所示，通過對比2013年、2014年冬季同期數據，可以發現MFA控制系統能夠較好地適應混合原水水質，在低溫低濁情況下，控制沉淀池礬劑投加量在6．5～7．9 ppm，確保沉淀池出口濁度為(目標值±0．2)NTU，達到良好的控制效果。

本品種與原種單竹Lingnania cerosissima的關鍵區別是：新品種全稈和部分竹枝具黃綠相間條紋，全稈被厚白粉，原種全稈和枝葉為綠色，被白粉相對較少。在稈的分枝習性、稈籜等特征上無區別。

表3 2013年冬季(混合原水)MFA控制系統試運行情況Tab．3 Operation Status of MFA Control System in Winter，2013

表4 2014年冬季(混合原水)MFA控制系統試運行情況Tab．4 Operation Status of MFA Control System in Winter，2014

另外，該系統試運行期間，分別對原水濁度、進水流量以及沉淀池出口濁度變化進行了試驗，同時對控制參數做出了相應調整，使系統工作狀態達到最佳。通過采集、整理、分析數據，可將該系統應用效果歸納為以下幾點:

(1)原水濁度擾動控制情況:如圖4所示，當原水濁度發生較大波動時，加礬流量根據當前沉淀池出口濁度反饋值并參照原水濁度變化自動進行調整，使出口濁度始終保持在設定值附近。

圖4 原水濁度擾動實時曲線Fig．4 Turbidity Interuption Curve

(2)進水流量擾動控制情況:如圖5所示當進水流量發生較大波動時，加礬流量根據當前沉淀池出口濁度反饋值并參照進水流量變化自動進行調整，使出口濁度始終保持在設定值附近。

圖5 進水流量擾動實時曲線Fig．5 Inflnent Interuption Curve

(3)控制目標值擾動控制情況:如圖6所示，當沉淀池出口濁度(目標值)發生一定波動時，加礬流量根據當前出口濁度反饋值變化自動進行調整，使出口濁度始終保持在設定值附近。

圖6 控制目標值擾動實時曲線Fig．6 Controlling Index Interuption Curve

3 結論

(1)MFA控制系統基本實現了以沉淀池出口濁度為控制目標變量的閉環控制，長期運行觀察沒有出現振蕩、失控等不穩定現象，出口濁度能穩定地控制在設定值附近，控制精度達到要求，進一步完善和提高了水廠生產自動化水平，確保安全生產、優質供水。

(2)當原水濁度和進水流量發生較大波動時，MFA控制系統能及時調節加礬量，有效地控制沉淀池出口濁度，使其保持在控制目標范圍內，控制系統運行穩定。

(3)MFA控制系統可以控制不同凈水工藝的出口濁度，適應性強，且混凝劑投加量較為節省。針對2套不同的制水工藝，只需對部分參數進行相應設置，MFA控制系統即能投入運行，且運行狀態穩定，說明MFA濁度閉環控制系統的適應能力強。

(4)MFA控制系統與廠內原有PLC設備兼容，實現了現場數據采集及歷史數據記錄功能。人機操作界面直觀，手/自動無擾動切換，操作簡便，降低了勞動強度，提高了工作效率。

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