基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水處理投藥系統(tǒng)自動控制研究

西安市自來水有限公司南郊水廠　張　苗西安市自來水有限公司水質(zhì)管理部　羅衛(wèi)國太原科技大學(xué)　張軼東

基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水處理投藥系統(tǒng)自動控制研究

西安市自來水有限公司南郊水廠張苗
西安市自來水有限公司水質(zhì)管理部羅衛(wèi)國
太原科技大學(xué)張軼東

目前我國地表水處理廠藥劑投加自動控制系統(tǒng)現(xiàn)有的集散控制系統(tǒng)僅可以根據(jù)程序完成邏輯順序控制，不具有分析非線性系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的智能化能力。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)嵌入集散系統(tǒng)，用于藥劑投加量、水處理效果預(yù)測，不但可以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理能力，實(shí)現(xiàn)智能藥劑投加量控制，而且還可以結(jié)合PLC完成對系統(tǒng)設(shè)備的優(yōu)化控制。

混凝劑投加；BP網(wǎng)絡(luò)；集散控制系統(tǒng)

1　概述

隨著城市的發(fā)展、科技水平不斷提高，城市對自來水品質(zhì)的要求也不斷提高，水處理系統(tǒng)現(xiàn)代化程度、自動化程度也將會是社會現(xiàn)代化程度的主要標(biāo)志之一。目前我國水處理投藥系統(tǒng)自動化程度還比較低，國內(nèi)水處理一般采用集中監(jiān)控管理、分散控制的控制系統(tǒng)，簡稱集散系統(tǒng)。這種控制方法缺點(diǎn)是其控制目標(biāo)需要提前設(shè)置好，不能根據(jù)現(xiàn)場情況、設(shè)備狀況、季節(jié)變化隨時(shí)調(diào)整藥劑投加量。需大量依靠人工經(jīng)驗(yàn)，不能實(shí)現(xiàn)自動控制智能化。

在不改變原有系統(tǒng)硬件設(shè)備基礎(chǔ)上，將控制系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合，在集散系統(tǒng)中增加嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)的分析、最優(yōu)值運(yùn)算、輸出處理交給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，PLC將根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出量控制現(xiàn)場設(shè)備動作，以完成藥劑投加。

2　嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1集散控制系統(tǒng)

西安市某日產(chǎn)50萬m3/日自來水廠，水處理過程自動控制系統(tǒng)為-集散控制系統(tǒng)，由管理控制層、現(xiàn)場控制層及現(xiàn)場設(shè)備層組成。

集散系統(tǒng)雖提高了控制水平，但是不具有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、系統(tǒng)評價(jià)，不能根據(jù)原水水質(zhì)、目標(biāo)控制要求得到投加量的非線性輸出，不能自動調(diào)整或建議調(diào)整投加量的智能控制要求。也不具有結(jié)構(gòu)合理的設(shè)備、水質(zhì)變量數(shù)據(jù)庫，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用及共享。

2.2嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

如果在現(xiàn)有的集散系統(tǒng)內(nèi)嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將傳感器檢測到的水質(zhì)、沉淀池末端出水濁度信號輸入訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可預(yù)測得到藥劑投加量。同時(shí)預(yù)測沉后水末端出水濁度變化趨勢，并在異常情況下報(bào)警。藥劑投加量、沉淀池末端出水濁度的值在誤差允許范圍內(nèi)時(shí)，PLC執(zhí)行原有控制程序，當(dāng)水質(zhì)發(fā)生重大變化，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測出新的投加量控制時(shí)，PLC將優(yōu)先響應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出。服務(wù)器上建立數(shù)據(jù)庫，收集水質(zhì)數(shù)據(jù)、藥劑投加數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和輸出信號變化數(shù)據(jù)，用以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)、歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用和對比、網(wǎng)絡(luò)共享等。嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自控系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1　嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自控系統(tǒng)流程圖

3　模擬藥劑投加量控制的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型搭建

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠從樣本中直接獲取知識，實(shí)現(xiàn)結(jié)果和原因之間的非線性映射。本文研究采用一種BP算法的改進(jìn)算法Levenberg-Marquardt法。這種算法具有低于抽取和逼近這種非線性輸入變量做復(fù)雜的相關(guān)假定的能力。不依靠專家經(jīng)驗(yàn)，只利用觀察到的數(shù)據(jù)，可以從訓(xùn)練過程中通過學(xué)習(xí)來抽取和逼近隱含的輸入和輸出的非線性關(guān)系。

西安市地處北方地區(qū)，飲用水源主要為秦嶺北麓的水庫水和部分地表徑流，濁度隨季節(jié)變化明顯。在秋冬季，水質(zhì)具有溫度低、濁度低、堿度低、水的粘度大等特點(diǎn)。春夏季進(jìn)入汛期，水質(zhì)特點(diǎn)是溫度高、濁度變化幅度大、微生物及藻類含量高等，且還有因暴雨突發(fā)超過100NTU高濁水。

用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行凈水藥劑投加量預(yù)測，依靠水質(zhì)參數(shù)四季變化的規(guī)律，在進(jìn)行投藥系統(tǒng)控制研究必須有歷年四季完整的水質(zhì)數(shù)據(jù)及投加量數(shù)據(jù)作為樣本訓(xùn)練。并且因原水水質(zhì)隨季節(jié)變化有顯著特征，季節(jié)也是影響水質(zhì)的因素之一。考慮到現(xiàn)場儀表能夠連續(xù)讀取的參數(shù)，設(shè)計(jì)的輸入變量有原水量、原水濁度、原水PH、原水溫度、月份、混凝劑投加量，共6維向量，由于現(xiàn)場堿度儀工作不穩(wěn)定，而堿度又和月份水質(zhì)有對應(yīng)關(guān)系，所以不單獨(dú)設(shè)計(jì)堿度變量。目標(biāo)向量就是一定水質(zhì)下混凝劑投加量、沉淀池末端出水濁度，共2維向量。建立BP網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

所設(shè)計(jì)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)先經(jīng)過訓(xùn)練，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)精度達(dá)到要求以后，認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)達(dá)到投入使用要求。使用時(shí)網(wǎng)絡(luò)讀取輸入變量的在線數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算得到目標(biāo)輸出量混凝劑投加量和沉后水濁度預(yù)測值。

4　網(wǎng)絡(luò)仿真

本文取西安某水廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例，取2014年1月至2014年12月數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，用2015年12月進(jìn)行檢驗(yàn)預(yù)測結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過訓(xùn)練誤差達(dá)到要求以后用于仿真應(yīng)用。

將2015年12月投加量、沉后水濁度在原集散系統(tǒng)中控制的實(shí)際值和仿真神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測值進(jìn)行比較如圖3所示。

圖3　2015年12月混凝劑投加量、沉后水預(yù)測比較

5　結(jié)論

通過對2015年12月水廠投加量、沉后水濁度預(yù)測，可以看出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真水處理的預(yù)測投藥量和沉后濁度值的變化和實(shí)際生產(chǎn)變化有較強(qiáng)的契合性，同時(shí)又能避免人工經(jīng)驗(yàn)帶來的藥劑、濁度大幅波動。這說明，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測，沉后水預(yù)測值反饋給投加量作為修正依據(jù)，修正后投加量也可以控制沉后水，這樣形成了一個(gè)很好的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)分析，嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的集散控制系統(tǒng)在水質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，能及時(shí)、合理的給出控制指令，避免了經(jīng)驗(yàn)投加的不確定性，以及不可預(yù)見操作帶來的調(diào)節(jié)震蕩。并且由于預(yù)測了投加量和沉后水濁度，使系統(tǒng)控制平穩(wěn)，減少了設(shè)備負(fù)荷沖擊，有利于延長設(shè)備壽命。可見嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)水處理藥劑投加控制系統(tǒng)的智能化，也可以減少設(shè)備損耗、節(jié)約藥劑，有著較大的實(shí)用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

［1］白樺，李圭白.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混凝投藥系統(tǒng)預(yù)測模型［J］.中國給水排水，2002，18：46-47.

［2］李勇，孫艷萍，孫海波等.用故障預(yù)測的BP網(wǎng)絡(luò)模型及改進(jìn)［J］.東北電力學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，3：27-32.

［3］鄭新志，樊育，鄭兆生.PLC電梯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組態(tài)監(jiān)控［J］.山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，9：37-39.

［4］張苗，雷洪利.一種BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)誤差函數(shù)優(yōu)化算法［J］.教育科研，2007，11.

張苗（1977—），女，陜西西安人，碩士，工程師，研究方向：電力電子與電力傳動。