智能控制在凈水廠混凝投藥過程中的應用研究

李成

成都市自來水有限責任公司，四川成都，610000

0 引言

凈水廠的混凝投藥工作是凈水工作的重要環節，是凈水工作現代化的標志，關系到凈水水質、投藥成本，以及凈水廠利潤等方面，凈水廠混凝投藥發展的關鍵問題是在保證出廠水質質量的情況下，降低混凝劑的使用量，這是凈水行業一直以來亟待解決的問題。目前常用的混凝投藥的改進方式主要針對工藝和控制方式這兩個方面。由于凈水工作涉及的因素較多，純人工控制是難以達到最佳效果，很難對水的渾濁程度和劑量的把控達到一個精確無誤的程度，因此，建議使用智能控制系統對混凝投藥進行改進，這種方法與BP神經網絡相比，在收斂速度、泛化能力等方面具有一定的優勢，但是要使智能控制系統達到一個穩定的狀態還需要更多的努力，因此文本介紹了一種更加符合實際應用的智能控制系統，致力于實現凈水藥劑成本的控制，促進凈水廠的長遠發展。

1 智能控制在凈水廠混凝投藥應用的概述

在社會的不斷發展過程當中，人民的生活水平不斷地上升，對水質的要求也越來越高，智能化的生產手段開始融入凈水廠的發展中來，能夠實現對混凝投藥的快速穩定的控制。智能控制系統在相近輸入實現相近輸出方面具有獨特的優勢，在泛化能力、結構參數、控制程度以及收斂方面都有一定的優勢。智能控制系統對相對不確定的、無法建立起標準模型的問題有更好的實用性[1]。

凈水工藝的主要流程包含五個方面，包括預處理、混凝投藥、沉淀、過濾以及消毒。預處理操作指的是首先將原水通過提水泵送達配水井當中，再進行加氯操作，這個步驟是為了去除大顆粒懸浮雜質，殺死水中的病毒和致病菌，達到初步消毒的作用，同時還能夠氧化二價鐵離子，有利于形成Fe(OH)3膠體，方便助凝，去除水中的異味，也可以為下一步的凝結做好準備。投藥環節是主要步驟，在水中加入混凝劑，產生強烈的吸附作用，將水中的雜質和細小的顆粒凝結成絮狀漂浮物，在重力的作用下，漂浮物經過一段時間開始下沉，可以很大程度上凈化水質。過濾階段是指使用吸附性較強的石英砂或者是礦石對凝結的絮狀物進行機械的過濾和吸附，將大的雜質排出水源[2]。消毒步驟是凈水的關鍵一步，要在水中加入氯，加入氯的劑量是一個復雜的工作，不同的季節和溫度對氯的劑量要求是不同的，必須掌控在合格的范圍之內，最終以出廠水中游離余氯不少于 0.3mg/L為合格。在整個凈水的操作過程中，存在一些不穩定因素，溫度、pH值、流量的大小等等都會影響混凝劑劑量的變化，例如pH值代表著水源的酸堿度，而酸堿度對混凝劑的使用劑量影響就很大，因為酸性堿性大的水源會影響混凝劑的降解速度，拉長了混凝絮狀物的沉淀速度，從而影響了凈水工作的效率。水的溫度過低，水中的雜質尤其是細小的顆粒很難混凝形成絮狀物，而水溫過高的話則會使混凝劑失效，也不利于形成絮狀物，進而影響沉淀效果。同時常常也會因為因素的變化而影響操作造成嚴重的浪費，同時也影響水質，其中沉淀系統是一個耗費時間較長的步驟，具有一定的延時性和滯后性[3]。

2 凈水廠混凝投藥的現狀分析

混凝投藥環節是凈水工作的關鍵環節，在工藝改造方面，凈水過程中常出現低溫度低濁度、枯水期間凈水的問題，經過現代工藝的改造已經得到了一定的緩解，從傳統工藝出發，對現狀進行了詳細的分析，在隱孢子蟲的去除問題上還存在一定的不足，還有消毒的殘留問題、復雜藻類的去除問題，也是近年來凈水工作的難題。經過技術的不斷發展，專家提出了超濾膜新技術，可以大幅度增加過濾效果，有效解決過濾滯后性的問題，是一項全新的技術，但是此技術沒有大范圍的使用，因為在實際的使用過程中出現了濾膜污染的問題，而且該產品的濃度較差，會增加使用的劑量，對凈水廠混凝凈水的成本造成一定的負擔，還需要專家進行進一步的研究[4]。我國部分地區進行了凈水廠混凝投藥凈水的實驗，對試驗基地的水質進行了詳細的分析和記錄，并且錄入了智能控制系統，建立了數據庫。再結合中國現在凈水工藝的實際情況進行分析，考慮先進工藝技術的可行性和經濟適用性，最終提出了一種可行性的方案，就是經過常規的凈水操作以后，再疊加一種強化處理，使用臭氧生物活性炭進行聯合處理，這種方法可以提高凈水的效果，為我國智能控制在凈水混凝投藥系統中的應用提供了一個典范。近年來國家相關部門出臺了水質的衛生標準，從飲用水質的渾濁度、pH值、顏色以及各種微生物、微量元素的含量作出了嚴格的規定，這就意味著對凈水廠的凈水工作提出了更高的要求，為了保障人民的生活質量，我國各個地區的凈水廠都在進行深入的研究，對凈水工藝進行革新，針對各個地區的具體問題設計了具有針對性的方案，為我國的凈水工作作出了貢獻。但是仍存在很多不足需要繼續探索，例如化學沉淀物的處理問題、過濾時間較長的問題、不同季節混凝藥物的使用劑量的把控問題。本文對智能控制在凈水混凝投藥系統中的應用進行了具體的研究和改造，并對以上問題提出了一種更加符合實際操作的模式，能夠確保凈水質量符合國家提出的衛生標準，并且能夠大幅度降低混凝藥物的使用量，降低企業的發展成本，增加經濟效益，而且為我國的水資源節約作出貢獻。近年來，我們對我原水的投藥量進行了一定的研究，如表1所示。

表1 原水投藥量表

3 凈水廠混凝投藥的系統模型

凈水廠混凝投藥的系統模型的建立對于凈水工作具有重要的意義，建立之前需要對凈水廠的具體情況進行詳細的調查，搜集可靠的數據信息，包括原水的溫度、流量、pH值、進水量、出水量等等。通過對凈水工藝的研究和分析可以得出，投藥是凈水工作的最主要的環節，是自動化智能控制的重要體現。混凝投藥效果受到原水各樣因素的影響，其中pH值和溫度對混凝效果的影響趨勢呈現相同的變化趨勢。數值適中時，混凝沉淀的效果較好，這時需要投入的混凝劑的劑量也就較少，可以節約成本。當溫度過高過低或者是pH值過高或者過低時，混凝效果較差，混凝劑的使用數量則較多。另一個因素原水的渾濁程度的影響是建立在溫度和酸堿度的基礎之上的，低渾濁度下混凝劑的投入劑量呈現一種非線性關系，渾濁度達到一定的程度后，將會呈現線性關系。進水量和出水量的數值與混凝劑的劑量也呈現一種相關的線性關系，因此混凝劑劑量的使用可以根據原水的流量進行調節，計算出需要的劑量。通過對以上因素的分析，在了解各因素特性的前提下，再對凈水廠的實際發展情況進行分析，借鑒以往使用的混凝劑投入模型，進行對比分析，對模型的各項數據進行統計回歸分析，最終確定凈水廠實際使用的混凝投藥模型，為凈水廠的凈水工作構建良好的發展模式[5]。

4 凈水廠混凝投藥控制系統的設計

在實際的凈水廠的混凝凈水工作中，不僅僅要對水質嚴格把控，還要對投藥的殘留劑量進行控制。經過不斷深入研究，混凝投藥是一個變化性強、非線性發展的過程。而且在實際的操作過程中，沉淀步驟耗費了大量的時間，大致要在40分鐘以后才能夠對水質的渾濁度進行測試，具有嚴重的滯后性，因此要加大對前預測系統的判斷，盡可能地解決滯后性的問題。

4.1 專家控制系統

凈水工作的專家控制系統指的是將專業人員的知識和經驗運用到凈水工作的實際監控當中，制作成一份相近的資料，然后通過實際的凈水模型的計算得出實際的投藥量，還要將得出的數據與專家的原始數據進行對比，如果有不相符的地方，要再次進行分析，確認無誤后完善專家的經驗資料，做出正確的調整，以便積累更多的精準數據，為實際操作員工的工作作出指導。保證正常的凈水工作的進行，減少錯誤的概率，一定程度上不斷降低沉淀的滯后性問題。

4.2 智能神經網絡控制系統

凈水工作的混凝投藥系統融入智能神經網絡控制系統，能夠通過關聯系數的計算將問題細化分解，對凈水工作的實際數據進行綜合分析，找出影響混凝投藥效果的關鍵因素，原水的溫度、渾濁度是主要的因素，因此要根據實際情況對原水的溫度進行分級。劃分0～15度、15～20度、20～28度、28度以上這四個區間，在這四個區間分別建立不同的智能神經網絡控制系統的模型，不斷地完善和細化凈水模型。在樣本選取上，要保證一定的隨機性，樣本的大前提是保證水質合格，水質的渾濁程度也要在飲用的衛生標準范圍內，然后再對渾濁度進行隨機選擇，可以選擇比較理想的混凝投藥系數較大的數據作為參考樣本，保證樣本的容錯率，也能在實際的操作中及時應對不穩定因素的影響，保證凈水工作的效率。同時還要注意智能神經網絡控制系統的具體算法的操作，保證將離線訓練數值用于實際的混凝投藥操作當中，絕對不可以理論化的研究，多次在實際的過程當中模擬投藥的比例操作，保證混凝投藥智能系統的穩定性和有效性，降低錯誤率[6]。

4.3 混凝投藥系統的仿真分析

LabVIEW系統是一種利用圖形化語言進行編程的虛擬工具，可以對凈水工作的混凝投藥進行仿真分析，可以充分地了解實際工作中存在的問題，例如實驗設備的差距、實際的生產成本、智能操作系統的誤差等等。系統主要分為三個部分：第一是前面板設計，主要的功能是詳細記錄混凝投藥智能控制系統的溫度、混住讀、進出水量的實際變化趨勢，進行實時的監控。還可以錄入相關凈水工作的參數，包含專家經驗數據，還有原水的初始值，做好詳盡的記錄和分析；第二部分是程序框圖設計，主要包括混凝投藥智能操控模型的建立、樣本庫的建立、投藥數據的分析計算以及智能系統的自學習功能；第三部分是仿真結果分析，通過以一系列的數據比對，能夠更好地得出仿真數據，將實際操作的具體數值控制在一個合理的范圍之內，提升數據的精準度，不斷促進混凝投藥技術的發展，節約凈水廠的工作成本，為企業制造更多的經濟效益，同時還可以最大程度上降低失誤的出現，節約了人力成本，促進企業走在市場發展的前端。

5 智能控制在凈水廠混凝投藥過程的具體應用

5.1 建立數據庫

從實際的操作過程中采集數據，制成混凝投藥實際控制系統的數據庫，包含采集時間、進出水量、渾濁度等等方面。設置具體的參數，達到最完美的運行效果，同時也要將結果數據記錄下來，形成完整的數據庫，為后續的操作奠定基礎。

5.2 設置監控系統

在基礎的參數設置完成后，可以進行系統的自學習，控制面板中對采樣周期、學習周期以及控制周期進行監控，以求達到最完美的運行效果。監控系統還包含歷史發展曲線的查詢，可以對歷史數據進行查詢，通過開始時間和終止時間，并在變量的選擇中選擇要查詢的變量，就可以看到完整的變量分布情況，以便于對數據進行分析比對，為實際的操作提供參考[7]。

5.3 神經網絡算法

智能控制的神經網絡控制算法能夠每隔一段時間記錄一次數據，以不同的線條顯示，對不同的因素會使用不同的表達方式，得出不同的曲線，在發現水質渾濁后及時進行調整，保證凈水質量。

6 結語

根據歷年來專家對智能控制在凈水混凝投藥系統的研究，再借鑒國外的先進的專家控制模式，對智能控制系統在凈水工作中的應用進行了優化改造，設計出了一份更加符合凈水混凝投藥工作的模式，能夠很好地解決凈水工作在傳統模式下效率低下、精準度不高、資源浪費的問題，為智能控制凈水混凝投藥工作開辟了新的發展方向，值得深入討論。智能控制在凈水混凝投藥系統中的突出特點是能夠在實際的凈水工作中，無需過多的實際分析就可以得出準確的數據，可以利用現場能夠得到的數據進行操作，還能夠保證操作的精準度。相對于傳統的企業采用的專家操控模式，智能控制系統具有更高的精準度，通過在模型的計算中加入了前向計算和反向修正，提高了系統的靈敏度，相對于傳統的模式泛化能力更強，對實際的操作也更有利，能夠促進混凝投藥工作的穩定度，有效改善沉淀滯后性的問題，精準地預測數值，有利于系統的平穩運行。