專利名稱：自適應(yīng)控制投藥設(shè)備及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為凈水廠自動(dòng)控制投藥系統(tǒng)中控制加藥量投加的一種設(shè)備及其最佳投加量控制方法。
該系統(tǒng)控制原理簡(jiǎn)單可靠，但使用效果并不理想，主要有以下幾個(gè)原因(1)水中雜質(zhì)、有機(jī)物吸附在SCD探頭上，引起檢測(cè)信號(hào)減弱或失真；(2)由于是單因子控制，SCD設(shè)定值大小，就決定了混凝效果。但SCD設(shè)定值應(yīng)隨著原水濁度、流量、溫度、PH值等參數(shù)的變化而改變，這就給SCD的使用帶來(lái)很大困難；(3)SCD儀表靈敏度較低，變化范圍小，當(dāng)水質(zhì)、流量等因素在較小范圍變化時(shí)，SCD值甚至反應(yīng)不出其變化，使系統(tǒng)抗干擾能力降低。
2、原水流量與沉淀池濁度組成的前饋反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)這是一個(gè)前饋反饋控制系統(tǒng)，沉淀池出水濁度作為反饋量，原水流量作為前饋量控制。從加藥反應(yīng)到沉淀出水時(shí)間較長(zhǎng)，一般需1.5～2.0小時(shí)，對(duì)于濁度、溫度等參數(shù)變化反應(yīng)滯后大，因此水質(zhì)變化時(shí)控制偏差大；原水流量參與控制只有比例調(diào)節(jié)，所以二個(gè)參量控制都屬于有差調(diào)節(jié)，精度差。
3、建立前饋與反饋數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制考慮原水流量與水質(zhì)的瞬時(shí)變化，又考慮到凈水工藝中混凝沉淀、過(guò)濾工藝中水利條件與各參數(shù)的變化對(duì)凈水效果的影響，利用大量(幾百組)投藥統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，用多元線性回歸法，推導(dǎo)出前饋與反饋數(shù)學(xué)模式。但這種方式存在著以下缺點(diǎn)，(1)需要根據(jù)生產(chǎn)資料中歷史數(shù)據(jù)，用非線性回歸法推導(dǎo)數(shù)學(xué)模式，而這種數(shù)學(xué)模式的建立，就是專門從事計(jì)算數(shù)學(xué)的專家，也需要大量時(shí)間通過(guò)計(jì)算機(jī)去計(jì)算；(2)數(shù)學(xué)模式非常復(fù)雜，涉及條件、參數(shù)很多，各水廠條件參數(shù)不一樣，數(shù)學(xué)模式不能通用；(3)數(shù)學(xué)模式一旦建立就不能更改，但隨著時(shí)間的推移，即使是同一條河流、同一個(gè)水庫(kù)里的原水水質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。此時(shí)，根據(jù)以前水質(zhì)參數(shù)建立的數(shù)學(xué)模式就變得不準(zhǔn)確。
所以這種方法不能普遍推廣，實(shí)際中也很少應(yīng)用。
4、其它控制方法的應(yīng)用除了上述的加藥控制系統(tǒng)外，還有一些工程上應(yīng)用較少，處于實(shí)驗(yàn)室階段的加藥控制方法。如模擬沉淀池或?yàn)V池法。
1、理論依據(jù)給水處理理論和實(shí)踐證實(shí)“投藥單耗與原水濁度、溫度密切相關(guān)，原水水質(zhì)與季節(jié)有固定關(guān)系。且隨著時(shí)間的推移，每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。”在影響沉淀池的出水濁度諸因素中，投藥量與原水濁度、水溫關(guān)系密切，而氨氮、亞硝酸鹽、溶解氧等參數(shù)在一年內(nèi)變化很小，不是影響投藥量的主要因素；同時(shí)考慮到沉淀池加藥量不僅與原水水質(zhì)因素有關(guān)，也與進(jìn)入沉淀池原水流量有關(guān)，不同的運(yùn)行水量將影響絮凝結(jié)果，原水流量參數(shù)與投藥量成正比，因此在模式中運(yùn)用投藥單耗這一參數(shù)。
2、自適應(yīng)控制投藥原理自適應(yīng)控制投藥方法采用參數(shù)對(duì)照進(jìn)行加藥控制。在控制器(如可編程控制器PLC)的存儲(chǔ)單元(如E2PROM)中預(yù)置有單位投加量數(shù)據(jù)庫(kù)—不同季節(jié)原水的濁度、溫度對(duì)應(yīng)最佳混凝效果的單位投加量。原水流量對(duì)加藥量的影響可在控制單元中計(jì)算，統(tǒng)一輸出信號(hào)給變頻器控制加藥泵的投加量；或控制單元單獨(dú)輸出原水流量控制信號(hào)給加藥泵自動(dòng)沖程調(diào)節(jié)器控制加藥泵沖程大小，與自適應(yīng)控制信號(hào)構(gòu)成雙參數(shù)，控制加藥泵的投加量。由于氨氮、亞硝酸鹽、溶解氧等參數(shù)在同一水廠各個(gè)季節(jié)參數(shù)基本固定，因此對(duì)每個(gè)季節(jié)不同濁度、溫度投藥量設(shè)定時(shí)對(duì)氨氮、亞硝酸鹽、溶解氧等參數(shù)的影響作了補(bǔ)償。自適應(yīng)控制投藥思想類似專家建立前饋反饋數(shù)學(xué)模型，均考慮濁度、水質(zhì)參數(shù)對(duì)投加量的影響，但專家建立前饋反饋數(shù)學(xué)模型需要大量原始可靠參數(shù)，很多水廠不具備條件；尤其前饋反饋數(shù)學(xué)模型一旦建立固定不變，水質(zhì)改變后模型的參數(shù)不能隨著改變，達(dá)不到最佳投藥量。自適應(yīng)控制投藥具有自學(xué)習(xí)功能，自動(dòng)將符合本地水質(zhì)、季節(jié)、溫度的最佳單位投加量記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且隨著水質(zhì)變化，自適應(yīng)控制投藥設(shè)備可自動(dòng)提示操作人員對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)修改，因此自適應(yīng)控制投藥設(shè)備適合各種不同地域、不同水質(zhì)特點(diǎn)的水廠。在自學(xué)習(xí)狀態(tài)下，通過(guò)熟練操作人員操作就能建立起可靠的水質(zhì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，并且數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容隨著水質(zhì)的變化不斷得到修正。在自適應(yīng)控制狀態(tài)下，系統(tǒng)能夠選取合適投藥量，得到最佳混凝效果。
3、自適應(yīng)控制投藥設(shè)備組成及作用自適應(yīng)控制投藥設(shè)備由二大部分組成，分別為自適應(yīng)控制單元和計(jì)量投加單元。自適應(yīng)控制單元包括控制器1，人機(jī)界面2，語(yǔ)音提示系統(tǒng)3，運(yùn)行方式選擇面板4；計(jì)量投加單元包括變頻器5，投藥泵6(1)自適應(yīng)控制單元作用接收溫度、濁度信號(hào)；錄入、存儲(chǔ)、修改數(shù)據(jù)庫(kù)；運(yùn)行方式選擇；輸出投藥控制信號(hào)。
控制器1作用儲(chǔ)存數(shù)據(jù)庫(kù)；進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的自動(dòng)補(bǔ)充、修正，更新；接收濁度、溫度信號(hào)，進(jìn)行判斷比較；控制變頻器。
人機(jī)界面2作用監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)水質(zhì)參數(shù)、投加參數(shù)；顯示數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)值；錄入數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)及水質(zhì)參數(shù)。
語(yǔ)音提示系統(tǒng)3向操作員進(jìn)行語(yǔ)音提示，指導(dǎo)操作員進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)錄入和修正工作。
運(yùn)行方式選擇面板4自適應(yīng)控制投藥設(shè)備設(shè)三種運(yùn)行方式手動(dòng)運(yùn)行方式、自學(xué)習(xí)運(yùn)行方式、自適應(yīng)運(yùn)行方式。
(2)計(jì)量投加單元作用為自適應(yīng)控制單元的執(zhí)行部分，將適量的藥劑投加到管道里。
變頻器5作用接收控制器輸出信號(hào)，控制加藥泵的投藥量。
加藥泵6作用將一定壓力的藥劑投加到管道里。
4、自適應(yīng)控制投藥設(shè)備運(yùn)行方式自適應(yīng)控制投藥設(shè)備初運(yùn)行時(shí)，首先進(jìn)入自學(xué)習(xí)運(yùn)行控制方式，由有經(jīng)驗(yàn)操作員手動(dòng)對(duì)投藥控制，自適應(yīng)控制投藥設(shè)備自動(dòng)把現(xiàn)在投藥量與數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)投藥量進(jìn)行比較，如果數(shù)據(jù)庫(kù)中無(wú)此數(shù)據(jù)或與現(xiàn)投加藥量相差一定范圍，語(yǔ)音系統(tǒng)就會(huì)提示操作員確定最佳投藥量。經(jīng)過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的操作員觀察或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)后，操作員確認(rèn)現(xiàn)投藥量為此工況下的最佳投藥量，控制器自動(dòng)修正投藥數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，就這樣自適應(yīng)控制投藥設(shè)備控制單元不斷補(bǔ)充、更新數(shù)據(jù)庫(kù)。操作員也可隨時(shí)調(diào)出數(shù)據(jù)庫(kù)查看，經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行積累，自適應(yīng)控制投藥設(shè)備將數(shù)據(jù)庫(kù)全部修正完善，可以將此設(shè)備投入自適應(yīng)運(yùn)行狀態(tài)。控制器根據(jù)不同濁度、溫度，對(duì)應(yīng)不同季節(jié)，經(jīng)過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢判斷，選擇合適的單位投加量，具有了自適應(yīng)功能。
濁度、溫度及原水流量參數(shù)既可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)一次檢測(cè)儀表自動(dòng)輸入到控制器內(nèi)，也可通過(guò)人機(jī)界面將三個(gè)參數(shù)全部或部分手動(dòng)錄入控制器內(nèi)，因此對(duì)沒(méi)有濁度、溫度、原水流量一次檢測(cè)儀表的老舊或小型水廠，也很容易利用自適應(yīng)控制投藥設(shè)備實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制投藥，節(jié)省水廠改造或建設(shè)投資。
本發(fā)明的有益效果是由于自適應(yīng)控制投藥設(shè)備具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)特性，適用任何地域、不同水質(zhì)的水廠；利用新穎、簡(jiǎn)便的方法達(dá)到實(shí)用、有效的投藥控制；在自適應(yīng)控制投藥設(shè)備處于手動(dòng)控制方式時(shí)，不需要濁度儀、溫度計(jì)、流量計(jì)等一次檢測(cè)儀表，節(jié)省設(shè)備投入成本。
圖3、圖4、圖5是根據(jù)“投藥單耗與原水濁度、溫度密切相關(guān)，原水水質(zhì)與季節(jié)有固定關(guān)系。且隨著時(shí)間的推移，每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化?！边@一理論建立的數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)既可用表格的方法建立，也可用曲線圖法、矩陣法、數(shù)學(xué)表達(dá)式等數(shù)據(jù)處理方法建立。本發(fā)明采用表格法舉例說(shuō)明。
圖6、圖7為背景技術(shù)中傳統(tǒng)控制技術(shù)所使用的邏輯框圖。
自適應(yīng)控制投藥設(shè)備及方法用于原水處理過(guò)程舉例說(shuō)明具體實(shí)施例1在某水廠自適應(yīng)控制投藥設(shè)備初運(yùn)行時(shí)，操作員首先把自適應(yīng)控制投藥設(shè)備設(shè)置到自學(xué)習(xí)控制方式。在春季某一時(shí)刻，原水水溫8℃、濁度26NTU時(shí)，操作員觀察到加藥泵投加量為28g/m3，語(yǔ)音提示系統(tǒng)提示操作員補(bǔ)充或修正數(shù)據(jù)庫(kù)，由有經(jīng)驗(yàn)操作員觀察或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)確認(rèn)沉淀池的出水水質(zhì)最好，經(jīng)操作員確認(rèn)后，本設(shè)備自動(dòng)將此時(shí)的工況點(diǎn)及單位投加量錄入到控制器數(shù)據(jù)庫(kù)。經(jīng)過(guò)一年的運(yùn)行積累，自適應(yīng)控制投藥設(shè)備將數(shù)據(jù)庫(kù)全部錄入完善。之后，即將自適應(yīng)控制加藥設(shè)備設(shè)置到自適應(yīng)控制方式，在第二年的春季某一時(shí)刻，自適應(yīng)控制加藥設(shè)備投加單元加藥泵投加量為20g/m3。當(dāng)控制單元接受到水溫、濁度變化信號(hào)，改變?yōu)樵疁?℃、濁度26NTU時(shí)，控制單元中的控制器自動(dòng)把現(xiàn)在的投藥量與數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)投藥量進(jìn)行比較?？刂破鹘?jīng)過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查表判斷，在圖4(1#表)中查得春季原水水溫8℃、濁度26NTU時(shí)，投藥量應(yīng)為28g/m3，于是，控制器控制變頻器5改變頻率，從而改變投藥泵6的投藥量為28g/m3。若自學(xué)習(xí)控制方式和自適應(yīng)控制方式發(fā)生故障不能運(yùn)行時(shí)，則切換到手動(dòng)方式運(yùn)行，使用手動(dòng)方式控制加藥泵投加量。
具體實(shí)施例2自適應(yīng)控制投藥設(shè)備設(shè)置到自適應(yīng)控制方式時(shí)，在夏季某一時(shí)刻，自適應(yīng)控制投藥設(shè)備投加單元加藥泵投加量為20g/m3。當(dāng)控制單元接受到水溫、濁度變化信號(hào)，改變?yōu)樵疁?℃、濁度26NTU時(shí)，控制單元中的控制器自動(dòng)把現(xiàn)在的投藥量與數(shù)據(jù)庫(kù)中相關(guān)投藥量進(jìn)行比較，控制器經(jīng)過(guò)在數(shù)據(jù)庫(kù)中查表判斷，在圖5(2#表)中查得夏季原水水溫8℃、濁度26NTU時(shí)，投藥量應(yīng)為16g/m3。因?yàn)椤巴端巻魏呐c原水濁度、溫度密切相關(guān)，原水水質(zhì)與季節(jié)有固定關(guān)系。且隨著時(shí)間的推移，每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化”。在不同季節(jié)同一溫度、同一濁度下的最佳投加量是不相同的。于是，控制器控制變頻器5改變頻率，從而改變投藥泵6的投藥量為16g/m3。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)控制投藥設(shè)備，由控制單元及投加單元組成，控制單元由控制器(1)，人機(jī)界面(2)，語(yǔ)音提示系統(tǒng)(3)，運(yùn)行方式選擇面板(4)組成；計(jì)量投加單元由變頻器(5)，投藥泵(6)組成，其特征是控制器1存儲(chǔ)單元中預(yù)置的單位投加量數(shù)據(jù)庫(kù)，能自動(dòng)學(xué)習(xí)積累正確的人工經(jīng)驗(yàn)—可自動(dòng)記錄或修正補(bǔ)充不同季節(jié)、不同溫度、濁度下最佳混凝效果時(shí)的投藥單耗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制加藥設(shè)備，其特征是加藥控制方式采取數(shù)據(jù)庫(kù)查詢法，在控制單元的控制器中預(yù)置有單位投加量數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)“投藥單耗與原水濁度、溫度密切相關(guān)，原水水質(zhì)與季節(jié)有固定關(guān)系，且隨著時(shí)間的推移，每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化，”這一理論建立，數(shù)據(jù)庫(kù)可以采用參數(shù)表、曲線圖、矩陣、數(shù)學(xué)表達(dá)式等數(shù)據(jù)處理方法處理數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制加藥設(shè)備，其特征是加藥控制方式采用了語(yǔ)音提示功能，操作員可以通過(guò)語(yǔ)音提示方式進(jìn)行補(bǔ)充、修正或更新數(shù)據(jù)庫(kù)，而此被修正了的數(shù)據(jù)庫(kù)能適應(yīng)變化了的原水水質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自適應(yīng)控制加藥設(shè)備，其特征是加藥控制方式具有手動(dòng)運(yùn)行方式、自學(xué)習(xí)運(yùn)行方式和自適應(yīng)運(yùn)行方式，并可通過(guò)運(yùn)行方式選擇面板上手動(dòng)/自學(xué)習(xí)/自適應(yīng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換。
全文摘要
一種自適應(yīng)控制投藥設(shè)備，由自適應(yīng)控制單元(由控制器、人機(jī)界面、語(yǔ)音提示系統(tǒng)、運(yùn)行方式選擇面板組成)與計(jì)量投加單元(由變頻器，加藥泵組成)組成。加藥控制方式采取數(shù)據(jù)庫(kù)查詢法，數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)“投藥單耗與原水濁度、溫度密切相關(guān)，原水水質(zhì)與季節(jié)有固定關(guān)系，且隨著時(shí)間的推移，每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化”這一理論建立，數(shù)據(jù)庫(kù)可以參數(shù)表等數(shù)據(jù)處理方法處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)反應(yīng)了最佳投藥量與季節(jié)及原水水質(zhì)的關(guān)系。設(shè)備具有語(yǔ)音輔助的自學(xué)習(xí)能力，對(duì)不同地區(qū)、不同水質(zhì)以及隨著水質(zhì)、季節(jié)的變化，可自動(dòng)學(xué)習(xí)最佳投藥控制規(guī)律，存放到動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中。設(shè)備在自適應(yīng)控制狀態(tài)時(shí)，自動(dòng)根據(jù)水質(zhì)及環(huán)境狀態(tài)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)選擇最佳投藥量，自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境因素和水質(zhì)狀況，具有自適應(yīng)控制功能。
文檔編號(hào)G05B13/02GK1464346SQ0211532
公開(kāi)日2003年12月31日 申請(qǐng)日期2002年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月3日
發(fā)明者葉昌明, 武俊德, 賈春科 申請(qǐng)人:深圳市清泉水系統(tǒng)工程設(shè)備有限公司