智能化水處理過程中的自動(dòng)化控制策略優(yōu)化與探討

張克乾

（中交三公局華中建設(shè)有限責(zé)任公司）

1 引言

水處理是城市環(huán)境衛(wèi)生維護(hù)與水資源高效利用的重要環(huán)節(jié)，城市日常運(yùn)行產(chǎn)生的龐大污水量給水處理的效率與質(zhì)量提出了較高的要求[1]。智能化水處理是依托傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)對(duì)水處理過程進(jìn)行智能化改造，提高水處理效率與處理效果，切實(shí)降低水處理的能耗，實(shí)現(xiàn)水處理過程的自動(dòng)化、智能化控制。

2 智能化水處理系統(tǒng)

2.1 智能化水處理系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1.1 設(shè)備工藝系統(tǒng)

設(shè)備工藝系統(tǒng)是智能化水處理系統(tǒng)中用于過濾、凈化污水的設(shè)備裝置，常見的設(shè)備工藝系統(tǒng)包括活性炭、高壓泵、消毒設(shè)備、閥門等，設(shè)備工藝系統(tǒng)的凈水或?yàn)V水裝置設(shè)備需根據(jù)污水情況以及處理目標(biāo)加以優(yōu)化設(shè)計(jì)確定，是污水處理廠或污水處理站中處理污水的核心系統(tǒng)。

2.1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是智能化水處理系統(tǒng)中用于控制處理設(shè)備運(yùn)行與處理工藝實(shí)施過程的設(shè)備裝置，其基本構(gòu)成包括可進(jìn)行編程的管理控制器、變頻器，在可進(jìn)行編程的管理控制器中嵌入開發(fā)模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等，用于智能化控制與決策設(shè)備工藝系統(tǒng)中各類凈水、濾水設(shè)備的工作狀態(tài)與工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水處理過程的智能化控制。

2.1.3 信號(hào)收集系統(tǒng)

信號(hào)收集系統(tǒng)是智能化水處理系統(tǒng)中用于采集各類凈水、濾水設(shè)備工作參數(shù)以及污水水質(zhì)、流量等數(shù)據(jù)的系統(tǒng)裝置，信號(hào)收集系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘與分析，以便控制系統(tǒng)根據(jù)水質(zhì)情況、水泵工作頻率等數(shù)據(jù)智能化調(diào)整水處理工藝與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)[2]。

2.1.4 保護(hù)系統(tǒng)

保護(hù)系統(tǒng)是智能化水處理系統(tǒng)中的重要構(gòu)成，是處理與應(yīng)對(duì)水處理系統(tǒng)異常工況頻發(fā)的重要環(huán)節(jié)。智能化水處理系統(tǒng)依托信號(hào)收集系統(tǒng)在線收集水處理系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，一旦水處理系統(tǒng)出現(xiàn)故障、運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)異常，保護(hù)系統(tǒng)可啟動(dòng)工作控制凈水介質(zhì)排放，有效保護(hù)智能化水處理系統(tǒng)不受異常工況影響而出現(xiàn)故障損壞問題[3]。

2.1.5 人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)是面向用戶的終端系統(tǒng)，用于遠(yuǎn)程連接用戶與水處理過程，污水處理廠工作人員可依托人機(jī)交互系統(tǒng)對(duì)水處理設(shè)備工藝系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，提高水處理效率與質(zhì)量。

2.2 智能化水處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 PLC

PLC 為可編程邏輯控制器，是控制系統(tǒng)嵌入式開發(fā)的重要技術(shù)，通過模塊化設(shè)計(jì)將模糊控制算法、專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)、推理機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等嵌入到控制系統(tǒng)中，根據(jù)信號(hào)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)在線收集的水質(zhì)參數(shù)、水泵工作參數(shù)等，優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制策略，智能化調(diào)動(dòng)設(shè)備工藝系統(tǒng)運(yùn)行。相較于布線控制邏輯，PLC 可擴(kuò)展性更優(yōu)，穩(wěn)定性與可靠性良好，因可編程性可對(duì)控制邏輯進(jìn)行靈活調(diào)整，滿足日益復(fù)雜的水處理設(shè)備工藝系統(tǒng)控制需要[4]。

2.2.2 變頻器

變頻器高度集成微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)，是智能化水處理系統(tǒng)中保護(hù)系統(tǒng)的重要技術(shù)。作為反滲透設(shè)備的水泵開啟設(shè)備，變頻器可根據(jù)工作人員在人機(jī)交互系統(tǒng)中設(shè)置的指令調(diào)節(jié)與控制設(shè)備工藝系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)與工作參數(shù)，如膜的壓力提升速率，配合控制系統(tǒng)的控制指令優(yōu)化智能化水處理過程。

2.2.3 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)是在信號(hào)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，依托各類智能化算法如模糊控制算法、專家推理機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等對(duì)實(shí)時(shí)采集的水質(zhì)、流量、流速、溫度等數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化分析與推演，綜合處理成效、處理成本等給出更加適宜的水處理工藝控制策略，自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制設(shè)備工藝系統(tǒng)中各類設(shè)備裝置的運(yùn)行參數(shù)，如回流比、曝氣量、投加劑量等，以更低的處理能耗與處理成本提高出水質(zhì)量。

3 智能化水處理過程中自動(dòng)化控制策略

3.1 在線監(jiān)測(cè)

在線監(jiān)測(cè)是智能化水處理系統(tǒng)的信息采集模塊，通過在智能化水處理系統(tǒng)的各類凈水設(shè)備裝置、進(jìn)水口、出水口等部位布設(shè)傳感器或監(jiān)測(cè)儀器，實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)出水口水質(zhì)參數(shù)如溫度、流量、溶解氧、總磷、氨氮、pH 值以及各類凈水設(shè)備裝置運(yùn)行狀態(tài)如開啟、關(guān)閉、曝氣量、回流比、投加劑量等的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，為控制策略優(yōu)化與智能決策、智能化水處理系統(tǒng)優(yōu)化管理提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 智能控制與優(yōu)化

智能控制與優(yōu)化是在信號(hào)采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)時(shí)在線采集的進(jìn)出口水質(zhì)數(shù)據(jù)、凈水裝置運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析，利用遺傳算法、模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、專家推理機(jī)等對(duì)不同場(chǎng)景（設(shè)備工藝系統(tǒng)工作狀態(tài)）下污水處理情況進(jìn)行模擬、分析、評(píng)價(jià)、優(yōu)化，優(yōu)選最佳的污水處理方案以及設(shè)備工藝系統(tǒng)中各設(shè)備裝置的最優(yōu)工作組合作為智能決策結(jié)果，基于此結(jié)果控制污水處理系統(tǒng)各設(shè)備裝置執(zhí)行操作指令，提高出水質(zhì)量達(dá)標(biāo)率，降低水處理能源消耗與處理成本。

1）模糊控制系統(tǒng)

模糊控制系統(tǒng)是當(dāng)前智能化水處理系統(tǒng)中常見的智能控制優(yōu)化方法，其本質(zhì)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語(yǔ)言形式的知識(shí)表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。將模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于智能化水處理自動(dòng)控制策略優(yōu)化中，利用模糊算法模擬水處理系統(tǒng)各變量之間的復(fù)雜線性關(guān)系，構(gòu)建系統(tǒng)變量與水處理結(jié)果的模糊關(guān)系模型，基于模糊關(guān)系模型分析不同水處理工藝方案下的水處理結(jié)果，經(jīng)反復(fù)模擬與推演給出最優(yōu)水處理控制方案，使得水處理結(jié)果（水處理成本、水處理質(zhì)量等）達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)[6]。例如，對(duì)于污水處理廠中常用的生物電極法，可應(yīng)用模糊控制系統(tǒng)對(duì)此工藝進(jìn)行自動(dòng)化控制測(cè)量?jī)?yōu)化改進(jìn)，將生物電極法中的藥劑投放量等作為處理工藝的可控變量，將污水脫氮指標(biāo)等作為表達(dá)水處理質(zhì)量的變量，根據(jù)可控變量與結(jié)果變量的非模糊化處理結(jié)果構(gòu)建模糊控制規(guī)則，以此規(guī)則分析并推演出自可控變量至結(jié)果變量的計(jì)算公式，分析不同藥劑投放量下的污水脫氮指標(biāo)變化情況，得到最優(yōu)結(jié)果變量下的藥劑投放量數(shù)據(jù)，保證在脫氮指標(biāo)達(dá)標(biāo)前提下盡可能減少藥劑投放量，降低生物電極法處理污水的成本。

2）專業(yè)系統(tǒng)控制

專業(yè)系統(tǒng)控制是一種依托專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行過程推理與智能決策的系統(tǒng)，其將行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化與規(guī)則化處理與轉(zhuǎn)換，構(gòu)建智能化水處理自動(dòng)控制策略優(yōu)化推理機(jī)。將信號(hào)采集系統(tǒng)在線采集的進(jìn)出口水質(zhì)數(shù)據(jù)、凈水裝置運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等輸入到推理機(jī)中，利用推理機(jī)中的專家知識(shí)與思考決策模式推演出最佳的水處理工藝方案[7]。專業(yè)控制系統(tǒng)高度集成專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，同時(shí)深度學(xué)習(xí)以往的污水處理工藝方案，提煉有價(jià)值的污水處理控制策略信息，提高推理機(jī)推理的合理性與科學(xué)性。通過將專家知識(shí)與實(shí)際案例映射為專家推理機(jī)中結(jié)構(gòu)化的知識(shí)規(guī)則，可以切實(shí)提高推理機(jī)的智能化水平，有效解決傳統(tǒng)污水處理中存在的專家經(jīng)驗(yàn)與歷史做法缺失的問題。

3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型控制是在水處理控制系統(tǒng)中嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)復(fù)雜非線性問題強(qiáng)大的處理與分析能力推演得到特定水質(zhì)條件與設(shè)備工藝系統(tǒng)工況下的最優(yōu)水處理工藝方案。當(dāng)前，智能化水處理系統(tǒng)中常見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、遺傳算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，上述算法通過對(duì)大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)與挖掘，提煉出水質(zhì)數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)與污水處理結(jié)果數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并基于訓(xùn)練模型實(shí)現(xiàn)污水處理工藝最優(yōu)方案輸出。例如，某智能化水處理系統(tǒng)采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為控制優(yōu)化系統(tǒng)，將信號(hào)采集系統(tǒng)在線采集的污水溶解氧、混合液懸浮固體濃度、氨氮、有機(jī)磷等數(shù)據(jù)作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練樣本，利用訓(xùn)練樣本集模擬不同設(shè)備工藝系統(tǒng)工藝工況下的污水處理結(jié)果（出水口水質(zhì)、曝氣量大小等），待卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練收斂后，構(gòu)建用于反演水質(zhì)參數(shù)、工況數(shù)據(jù)與出水口處理結(jié)果數(shù)據(jù)之間關(guān)系的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，精準(zhǔn)擬合不同工藝組合場(chǎng)景下的出水水質(zhì)情況，為設(shè)備工藝系統(tǒng)控制優(yōu)化提供決策支持[8]。

4）厭氧系統(tǒng)控制

厭氧系統(tǒng)控制需要掌握厭氧消化池的基本情況，對(duì)系統(tǒng)中污水含量(主要包括有機(jī)碳和揮發(fā)性濃酸度物質(zhì)等)采用軟測(cè)量方式進(jìn)行正確的測(cè)量，對(duì)產(chǎn)生堿度的事物和總堿度事物間的總比例進(jìn)行協(xié)調(diào)，并控制好該系統(tǒng)內(nèi)部有機(jī)負(fù)荷的波動(dòng)，進(jìn)而確保智能控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，成立專業(yè)生產(chǎn)操作系統(tǒng)，建立相應(yīng)的模糊邏輯診斷控制模型，準(zhǔn)確估算污水厭氧發(fā)酵狀況，從而確保整個(gè)智能化系統(tǒng)的有效控制[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的控制技術(shù)將模型控制作為基礎(chǔ)，通過建立已知模型、利用辨識(shí)得到污水處理控制策略。但是，污水處理系統(tǒng)是一個(gè)非常不穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)變化、非線性的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，僅僅利用傳統(tǒng)控制技術(shù)難以達(dá)到低能耗、高效能處理的目標(biāo)。智能控制技術(shù)的應(yīng)用，可以帶來人工成本降低、運(yùn)營(yíng)水平的改善、節(jié)能降耗、提高能源自給率，全方位提高污水處理廠的運(yùn)營(yíng)管理效率。此外在全球能源危機(jī)、氣候變化和資源緊缺背景下，發(fā)展低能耗、低物耗，在穩(wěn)定達(dá)標(biāo)前提下能源化、資源化、精細(xì)化的管理及控制的污水處理新模式，將已有技術(shù)和各種新技術(shù)，包括智能控制技術(shù)不斷融入污水處理工程中，未來污水處理的發(fā)展方向。