專利名稱:自適應控制投藥設備及其方法
所屬技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為凈水廠自動控制投藥系統(tǒng)中控制加藥量投加的一種設備及其最佳投加量控制方法。
背景技術(shù)：
混凝劑最佳投加量控制，是凈水廠工藝控制的關(guān)鍵。它直接關(guān)系到凈化效果與制水成本。由于影響混凝效果的因素很多，情況復雜，加之整個混凝、沉淀過程時間長，給自動加藥的控制帶來很大困難。目前，比較流行的控制方式1、流動電流儀(SCD)單因子控制系統(tǒng)水中膠體粒子穩(wěn)定度可用膠體電位來描述，膠體電位越高，穩(wěn)定性越大，加藥量就要越多。利用流動電流儀(SCD)可間接定量檢測膠體電位值，用以反映水中膠體粒子穩(wěn)定度。因此用SCD組成單一檢測參數(shù)的簡單調(diào)節(jié)系統(tǒng)，也叫單因子控制系統(tǒng)。
該系統(tǒng)控制原理簡單可靠，但使用效果并不理想，主要有以下幾個原因(1)水中雜質(zhì)、有機物吸附在SCD探頭上，引起檢測信號減弱或失真；(2)由于是單因子控制，SCD設定值大小，就決定了混凝效果。但SCD設定值應隨著原水濁度、流量、溫度、PH值等參數(shù)的變化而改變，這就給SCD的使用帶來很大困難；(3)SCD儀表靈敏度較低，變化范圍小，當水質(zhì)、流量等因素在較小范圍變化時，SCD值甚至反應不出其變化，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。從加藥反應到沉淀出水時間較長，一般需1.5～2.0小時，對于濁度、溫度等參數(shù)變化反應滯后大，因此水質(zhì)變化時控制偏差大；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)學模型，實現(xiàn)自動控制考慮原水流量與水質(zhì)的瞬時變化，又考慮到凈水工藝中混凝沉淀、過濾工藝中水利條件與各參數(shù)的變化對凈水效果的影響，利用大量(幾百組)投藥統(tǒng)計數(shù)據(jù)，用多元線性回歸法，推導出前饋與反饋數(shù)學模式。但這種方式存在著以下缺點，(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數(shù)學模式，而這種數(shù)學模式的建立，就是專門從事計算數(shù)學的專家，也需要大量時間通過計算機去計算；(2)數(shù)學模式非常復雜，涉及條件、參數(shù)很多，各水廠條件參數(shù)不一樣，數(shù)學模式不能通用；(3)數(shù)學模式一旦建立就不能更改，但隨著時間的推移，即使是同一條河流、同一個水庫里的原水水質(zhì)也會發(fā)生變化。此時，根據(jù)以前水質(zhì)參數(shù)建立的數(shù)學模式就變得不準確。
所以這種方法不能普遍推廣，實際中也很少應用。
4、其它控制方法的應用除了上述的加藥控制系統(tǒng)外，還有一些工程上應用較少，處于實驗室階段的加藥控制方法。如模擬沉淀池或濾池法。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有的自動加藥控制存在的不足，本發(fā)明提出一種新型的自動投藥控制方式---自適應控制投藥方式。設備特點是具有自學習功能，能夠自動學習、記錄、積累最佳混凝效果時的單位投加量，并連同相關(guān)季節(jié)、濁度、溫度等狀態(tài)值一并存儲到數(shù)據(jù)庫中，當自適應控制投藥設備運行在自適應控制方式時，系統(tǒng)根據(jù)當時的季節(jié)、溫度、濁度狀態(tài)，在數(shù)據(jù)庫中選取相關(guān)單位投加量，再根據(jù)原水流量大小進行修正，系統(tǒng)就輸出合適投藥量達到最佳混凝效果。本說明書所提最“最佳混凝效果”的含義滿足沉淀后濁度要求而投藥量最低。隨著水質(zhì)的變化，設備語音系統(tǒng)自動提示操作人員對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫相關(guān)參數(shù)進行修正、完善。自適應控制投藥設備具有自學習功能，能夠不斷改善數(shù)據(jù)庫內(nèi)容，滿足不同地區(qū)、不同水質(zhì)水廠，達到自適應作用。
1、理論依據(jù)給水處理理論和實踐證實“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。且隨著時間的推移，每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會發(fā)生變化?！痹谟绊懗恋沓氐某鏊疂岫戎T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；同時考慮到沉淀池加藥量不儀與原水水質(zhì)因素有關(guān)，也與進入沉淀池原水流量有關(guān)，不同的運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，因此在模式中運用投藥單耗這一參數(shù)。
2、自適應控制投藥原理自適應控制投藥方法采用參數(shù)對照進行加藥控制。在控制器(如可編程控制器PLC)的存儲單元(如E2PROM)中預置有單位投加量數(shù)據(jù)庫----不同季節(jié)原水的濁度、溫度對應最佳混凝效果的單位投加量。原水流量對加藥量的影響可在控制單元中計算，統(tǒng)一輸出信號給變頻器控制加藥泵的投加量；或控制單元單獨輸出原水流量控制信號給加藥泵自動沖程調(diào)節(jié)器控制加藥泵沖程大小，與自適應控制信號構(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)在同一水廠各個季節(jié)參數(shù)基本固定，因此對每個季節(jié)不同濁度、溫度投藥量設定時對氨氮、亞硝酸鹽、溶解氧等參數(shù)的影響作了補償。自適應控制投藥思想類似專家建立前饋反饋數(shù)學模型，均考慮濁度、水質(zhì)參數(shù)對投加量的影響，但專家建立前饋反饋數(shù)學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，達不到最佳投藥量。自適應控制投藥具有自學習功能，自動將符合本地水質(zhì)、季節(jié)、溫度的最佳單位投加量記錄到數(shù)據(jù)庫中，并且隨著水質(zhì)變化，自適應控制投藥設備可自動提示操作人員對數(shù)據(jù)庫參數(shù)修改，因此自適應控制投藥設備適合各種不同地域、不同水質(zhì)特點的水廠。在自學習狀態(tài)下，通過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，并且數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容隨著水質(zhì)的變化不斷得到修正。在自適應控制狀態(tài)下，系統(tǒng)能夠選取合適投藥量，得到最佳混凝效果。
3、自適應控制投藥設備組成及作用自適應控制投藥設備由二大部分組成，分別為自適應控制單元和計量投加單元。自適應控制單元包括控制器1，人機界面2，語音提示系統(tǒng)3，運行方式選擇面板4；計量投加單元包括變頻器5，投藥泵6(1)自適應控制單元作用接收溫度、濁度信號；錄入、存儲、修改數(shù)據(jù)庫；運行方式選擇；輸出投藥控制信號。
控制器1作用儲存數(shù)據(jù)庫；進行數(shù)據(jù)庫的自動補充、修正，更新；接收濁度、溫度信號，進行判斷比較；控制變頻器。
人機界面2作用監(jiān)視現(xiàn)場水質(zhì)參數(shù)、投加參數(shù)；顯示數(shù)據(jù)庫參數(shù)值；錄入數(shù)據(jù)庫參數(shù)及水質(zhì)參數(shù)。
語音提示系統(tǒng)3向操作員進行語音提示，指導操作員進行數(shù)據(jù)庫錄入和修正工作。
運行方式選擇面板4自適應控制投藥設備設三種運行方式手動運行方式、自學習運行方式、自適應運行方式。
(2)計量投加單元作用為自適應控制單元的執(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，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、自適應控制投藥設備運行方式自適應控制投藥設備初運行時，首先進入自學習運行控制方式，由有經(jīng)驗操作員手動對投藥控制，自適應控制投藥設備自動把現(xiàn)在投藥量與數(shù)據(jù)庫中相關(guān)投藥量進行比較，如果數(shù)據(jù)庫中無此數(shù)據(jù)或與現(xiàn)投加藥量相差一定范圍，語音系統(tǒng)就會提示操作員確定最佳投藥量。經(jīng)過有經(jīng)驗的操作員觀察或?qū)嶒炇以囼灪螅僮鲉T確認現(xiàn)投藥量為此工況下的最佳投藥量，控制器自動修正投藥數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，就這樣自適應控制投藥設備控制單元不斷補充、更新數(shù)據(jù)庫。操作員也可隨時調(diào)出數(shù)據(jù)庫查看，經(jīng)過一年的運行積累，自適應控制投藥設備將數(shù)據(jù)庫全部修正完善，可以將此設備投入自適應運行狀態(tài)?？刂破鞲鶕?jù)不同濁度、溫度，對應不同季節(jié)，經(jīng)過在數(shù)據(jù)庫中查詢判斷，選擇合適的單位投加量，具有了自適應功能。
濁度、溫度及原水流量參數(shù)既可以通過現(xiàn)場一次檢測儀表自動輸入到控制器內(nèi)，也可通過人機界面將三個參數(shù)全部或部分手動錄入控制器內(nèi)，因此對沒有濁度、溫度、原水流量一次檢測儀表的老舊或小型水廠，也很容易利用自適應控制投藥設備實現(xiàn)自適應控制投藥，節(jié)省水廠改造或建設投資。
本發(fā)明的有益效果是由于自適應控制投藥設備具有自學習、自適應特性，適用任何地域、不同水質(zhì)的水廠；利用新穎、簡便的方法達到實用、有效的投藥控制；在自適應控制投藥設備處于手動控制方式時，不需要濁度儀、溫度計、流量計等一次檢測儀表，節(jié)省設備投入成本。



下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。
圖1自適應控制投藥設備控制邏輯圖圖2自適應控制投藥設備組成框圖圖3自適應控制投藥設備數(shù)據(jù)庫表格圖4、圖5為圖3自適應控制投藥設備數(shù)據(jù)庫表格的內(nèi)容表格。
圖6、SCD單因子控制系統(tǒng)圖圖7、由流量及濁度組成的前饋反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)圖在圖2中，1.控制器，2.人機界面，3.語音提示系統(tǒng)，4.運行方式選擇面板，5.變頻器，6.加藥泵具體實施方式
圖1為自適應控制投藥設備控制邏輯圖在圖2中，控制器1，人機界面2，語音提示系統(tǒng)3，運行方式選擇面板4組成投藥控制單元；變頻器5，投藥泵6組成計量投加單元；投藥控制單元與計量投加單元通過電纜、管道連接組成自適應控制投藥設備。
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。且隨著時間的推移，每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會發(fā)生變化?！边@一理論建立的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫既可用表格的方法建立，也可用曲線圖法、矩陣法、數(shù)學表達式等數(shù)據(jù)處理方法建立。本發(fā)明采用表格法舉例說明。
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。
自適應控制投藥設備及方法用于原水處理過程舉例說明具體實施例1在某水廠自適應控制投藥設備初運行時，操作員首先把自適應控制投藥設備設置到自學習控制方式。在春季某一時刻，原水水溫8℃、濁度26NTU時，操作員觀察到加藥泵投加量為28g/m3，語音提示系統(tǒng)提示操作員補充或修正數(shù)據(jù)庫，由有經(jīng)驗操作員觀察或?qū)嶒炇以囼灤_認沉淀池的出水水質(zhì)最好，經(jīng)操作員確認后，本設備自動將此時的工況點及單位投加量錄入到控制器數(shù)據(jù)庫。經(jīng)過一年的運行積累，自適應控制投藥設備將數(shù)據(jù)庫全部錄入完善。之后，即將自適應控制加藥設備設置到自適應控制方式，在第二年的春季某一時刻，自適應控制加藥設備投加單元加藥泵投加量為20g/m3。當控制單元接受到水溫、濁度變化信號，改變?yōu)樵疁?℃、濁度26NTU時，控制單元中的控制器自動把現(xiàn)在的投藥量與數(shù)據(jù)庫中相關(guān)投藥量進行比較?？刂破鹘?jīng)過在數(shù)據(jù)庫中查表判斷，在圖4(1#表)中查得春季原水水溫8℃、濁度26NTU時，投藥量應為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。若自學習控制方式和自適應控制方式發(fā)生故障不能運行時，則切換到手動方式運行，使用手動方式控制加藥泵投加量。
具體實施例2自適應控制投藥設備設置到自適應控制方式時，在夏季某一時刻，自適應控制投藥設備投加單元加藥泵投加量為20g/m3。當控制單元接受到水溫、濁度變化信號，改變?yōu)樵疁?℃、濁度26NTU時，控制單元中的控制器自動把現(xiàn)在的投藥量與數(shù)據(jù)庫中相關(guān)投藥量進行比較，控制器經(jīng)過在數(shù)據(jù)庫中查表判斷，在圖5(2#表)中查得夏季原水水溫8℃、濁度26NTU時，投藥量應為16g/m3。因為“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。且隨著時間的推移，每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會發(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
1.一種自適應控制投藥設備，由控制單元及計量投加單元組成，控制單元由控制器，人機界面，語音提示系統(tǒng)，運行方式選擇面板組成；計量投加單元由變頻器，投藥泵組成，其特征是設備分為自學習和自適應兩種運行狀態(tài)，在自學習狀態(tài)下，控制器累計正確的人工經(jīng)驗——不同季節(jié)、不同溫度、濁度下的投藥數(shù)據(jù)建立投藥控制數(shù)據(jù)庫；在自適應狀態(tài)下，控制器通過現(xiàn)場溫度、濁度信號，并根據(jù)季節(jié)時間等條件與其投藥控制數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行比較，根據(jù)相應的數(shù)據(jù)輸出信號控制變頻器，調(diào)節(jié)投藥泵的投藥量；人機界面顯示控制器的各種參數(shù)，并可把數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫；語音提示系統(tǒng)自動指導操作人員的操作方式；運行方式選擇面板可使自適應控制投藥設備選擇自學習、自適應和手動等運行方式。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的自適應控制加藥設備，其特征是加藥控制方式采取數(shù)據(jù)庫查詢法，在控制單元的控制器中預置有單位投加量數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫根據(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，且隨著時間的推移，每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會發(fā)生變化”這一理論建立，數(shù)據(jù)庫可以采用參數(shù)表、曲線圖、矩陣、數(shù)學表達式方法處理數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的自適應控制加藥設備，其特征是加藥控制方式采用了語音提示功能，操作員可以通過語音提示方式進行補充、修正或更新數(shù)據(jù)庫，而此被修正了的數(shù)據(jù)庫能適應變化了的原水水質(zhì)。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的自適應控制回藥設備，其特征是加藥控制方式具有手動運行方式、自學習運行方式和自適應運行方式，并可通過運行方式選擇面板上手動/自學習/自適應轉(zhuǎn)化開關(guān)切換。
專利摘要
一種自適應控制投藥設備，由自適應控制單元(由控制器、人機界面、語音提示系統(tǒng)、運行方式選擇面板組成)與計量投加單元(由變頻器，加藥泵組成)組成。加藥控制方式采取數(shù)據(jù)庫查詢法，數(shù)據(jù)庫根據(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，且隨著時間的推移，每年相同季節(jié)的原水水質(zhì)也會發(fā)生變化”這一理論建立，數(shù)據(jù)庫可以參數(shù)表等數(shù)據(jù)處理方法處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)反應了最佳投藥量與季節(jié)及原水水質(zhì)的關(guān)系。設備具有語音輔助的自學習能力，對不同地區(qū)、不同水質(zhì)以及隨著水質(zhì)、季節(jié)的變化，可自動學習最佳投藥控制規(guī)律，存放到動態(tài)數(shù)據(jù)庫中。設備在自適應控制狀態(tài)時，自動根據(jù)水質(zhì)及環(huán)境狀態(tài)查詢數(shù)據(jù)庫選擇最佳投藥量，自動適應環(huán)境因素和水質(zhì)狀況，具有自適應控制功能。
文檔編號G05B13/02GKCN1270219SQ02115323
公開日2006年8月16日 申請日期2002年6月3日
發(fā)明者葉昌明, 武俊德, 賈春科 申請人:深圳市清泉水系統(tǒng)工程設備有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan