智能控制在净水厂混凝投药过程中的应用研究

李成

成都市自来水有限责任公司，四川成都，610000

0 引言

净水厂的混凝投药工作是净水工作的重要环节，是净水工作现代化的标志，关系到净水水质、投药成本，以及净水厂利润等方面，净水厂混凝投药发展的关键问题是在保证出厂水质质量的情况下，降低混凝剂的使用量，这是净水行业一直以来亟待解决的问题。目前常用的混凝投药的改进方式主要针对工艺和控制方式这两个方面。由于净水工作涉及的因素较多，纯人工控制是难以达到最佳效果，很难对水的浑浊程度和剂量的把控达到一个精确无误的程度，因此，建议使用智能控制系统对混凝投药进行改进，这种方法与BP神经网络相比，在收敛速度、泛化能力等方面具有一定的优势，但是要使智能控制系统达到一个稳定的状态还需要更多的努力，因此文本介绍了一种更加符合实际应用的智能控制系统，致力于实现净水药剂成本的控制，促进净水厂的长远发展。

1 智能控制在净水厂混凝投药应用的概述

在社会的不断发展过程当中，人民的生活水平不断地上升，对水质的要求也越来越高，智能化的生产手段开始融入净水厂的发展中来，能够实现对混凝投药的快速稳定的控制。智能控制系统在相近输入实现相近输出方面具有独特的优势，在泛化能力、结构参数、控制程度以及收敛方面都有一定的优势。智能控制系统对相对不确定的、无法建立起标准模型的问题有更好的实用性[1]。

净水工艺的主要流程包含五个方面，包括预处理、混凝投药、沉淀、过滤以及消毒。预处理操作指的是首先将原水通过提水泵送达配水井当中，再进行加氯操作，这个步骤是为了去除大颗粒悬浮杂质，杀死水中的病毒和致病菌，达到初步消毒的作用，同时还能够氧化二价铁离子，有利于形成Fe(OH)3胶体，方便助凝，去除水中的异味，也可以为下一步的凝结做好准备。投药环节是主要步骤，在水中加入混凝剂，产生强烈的吸附作用，将水中的杂质和细小的颗粒凝结成絮状漂浮物，在重力的作用下，漂浮物经过一段时间开始下沉，可以很大程度上净化水质。过滤阶段是指使用吸附性较强的石英砂或者是矿石对凝结的絮状物进行机械的过滤和吸附，将大的杂质排出水源[2]。消毒步骤是净水的关键一步，要在水中加入氯，加入氯的剂量是一个复杂的工作，不同的季节和温度对氯的剂量要求是不同的，必须掌控在合格的范围之内，最终以出厂水中游离余氯不少于 0.3mg/L为合格。在整个净水的操作过程中，存在一些不稳定因素，温度、pH值、流量的大小等等都会影响混凝剂剂量的变化，例如pH值代表着水源的酸碱度，而酸碱度对混凝剂的使用剂量影响就很大，因为酸性碱性大的水源会影响混凝剂的降解速度，拉长了混凝絮状物的沉淀速度，从而影响了净水工作的效率。水的温度过低，水中的杂质尤其是细小的颗粒很难混凝形成絮状物，而水温过高的话则会使混凝剂失效，也不利于形成絮状物，进而影响沉淀效果。同时常常也会因为因素的变化而影响操作造成严重的浪费，同时也影响水质，其中沉淀系统是一个耗费时间较长的步骤，具有一定的延时性和滞后性[3]。

2 净水厂混凝投药的现状分析

混凝投药环节是净水工作的关键环节，在工艺改造方面，净水过程中常出现低温度低浊度、枯水期间净水的问题，经过现代工艺的改造已经得到了一定的缓解，从传统工艺出发，对现状进行了详细的分析，在隐孢子虫的去除问题上还存在一定的不足，还有消毒的残留问题、复杂藻类的去除问题，也是近年来净水工作的难题。经过技术的不断发展，专家提出了超滤膜新技术，可以大幅度增加过滤效果，有效解决过滤滞后性的问题，是一项全新的技术，但是此技术没有大范围的使用，因为在实际的使用过程中出现了滤膜污染的问题，而且该产品的浓度较差，会增加使用的剂量，对净水厂混凝净水的成本造成一定的负担，还需要专家进行进一步的研究[4]。我国部分地区进行了净水厂混凝投药净水的实验，对试验基地的水质进行了详细的分析和记录，并且录入了智能控制系统，建立了数据库。再结合中国现在净水工艺的实际情况进行分析，考虑先进工艺技术的可行性和经济适用性，最终提出了一种可行性的方案，就是经过常规的净水操作以后，再叠加一种强化处理，使用臭氧生物活性炭进行联合处理，这种方法可以提高净水的效果，为我国智能控制在净水混凝投药系统中的应用提供了一个典范。近年来国家相关部门出台了水质的卫生标准，从饮用水质的浑浊度、pH值、颜色以及各种微生物、微量元素的含量作出了严格的规定，这就意味着对净水厂的净水工作提出了更高的要求，为了保障人民的生活质量，我国各个地区的净水厂都在进行深入的研究，对净水工艺进行革新，针对各个地区的具体问题设计了具有针对性的方案，为我国的净水工作作出了贡献。但是仍存在很多不足需要继续探索，例如化学沉淀物的处理问题、过滤时间较长的问题、不同季节混凝药物的使用剂量的把控问题。本文对智能控制在净水混凝投药系统中的应用进行了具体的研究和改造，并对以上问题提出了一种更加符合实际操作的模式，能够确保净水质量符合国家提出的卫生标准，并且能够大幅度降低混凝药物的使用量，降低企业的发展成本，增加经济效益，而且为我国的水资源节约作出贡献。近年来，我们对我原水的投药量进行了一定的研究，如表1所示。

表1 原水投药量表

3 净水厂混凝投药的系统模型

净水厂混凝投药的系统模型的建立对于净水工作具有重要的意义，建立之前需要对净水厂的具体情况进行详细的调查，搜集可靠的数据信息，包括原水的温度、流量、pH值、进水量、出水量等等。通过对净水工艺的研究和分析可以得出，投药是净水工作的最主要的环节，是自动化智能控制的重要体现。混凝投药效果受到原水各样因素的影响，其中pH值和温度对混凝效果的影响趋势呈现相同的变化趋势。数值适中时，混凝沉淀的效果较好，这时需要投入的混凝剂的剂量也就较少，可以节约成本。当温度过高过低或者是pH值过高或者过低时，混凝效果较差，混凝剂的使用数量则较多。另一个因素原水的浑浊程度的影响是建立在温度和酸碱度的基础之上的，低浑浊度下混凝剂的投入剂量呈现一种非线性关系，浑浊度达到一定的程度后，将会呈现线性关系。进水量和出水量的数值与混凝剂的剂量也呈现一种相关的线性关系，因此混凝剂剂量的使用可以根据原水的流量进行调节，计算出需要的剂量。通过对以上因素的分析，在了解各因素特性的前提下，再对净水厂的实际发展情况进行分析，借鉴以往使用的混凝剂投入模型，进行对比分析，对模型的各项数据进行统计回归分析，最终确定净水厂实际使用的混凝投药模型，为净水厂的净水工作构建良好的发展模式[5]。

4 净水厂混凝投药控制系统的设计

在实际的净水厂的混凝净水工作中，不仅仅要对水质严格把控，还要对投药的残留剂量进行控制。经过不断深入研究，混凝投药是一个变化性强、非线性发展的过程。而且在实际的操作过程中，沉淀步骤耗费了大量的时间，大致要在40分钟以后才能够对水质的浑浊度进行测试，具有严重的滞后性，因此要加大对前预测系统的判断，尽可能地解决滞后性的问题。

4.1 专家控制系统

净水工作的专家控制系统指的是将专业人员的知识和经验运用到净水工作的实际监控当中，制作成一份相近的资料，然后通过实际的净水模型的计算得出实际的投药量，还要将得出的数据与专家的原始数据进行对比，如果有不相符的地方，要再次进行分析，确认无误后完善专家的经验资料，做出正确的调整，以便积累更多的精准数据，为实际操作员工的工作作出指导。保证正常的净水工作的进行，减少错误的概率，一定程度上不断降低沉淀的滞后性问题。

4.2 智能神经网络控制系统

净水工作的混凝投药系统融入智能神经网络控制系统，能够通过关联系数的计算将问题细化分解，对净水工作的实际数据进行综合分析，找出影响混凝投药效果的关键因素，原水的温度、浑浊度是主要的因素，因此要根据实际情况对原水的温度进行分级。划分0～15度、15～20度、20～28度、28度以上这四个区间，在这四个区间分别建立不同的智能神经网络控制系统的模型，不断地完善和细化净水模型。在样本选取上，要保证一定的随机性，样本的大前提是保证水质合格，水质的浑浊程度也要在饮用的卫生标准范围内，然后再对浑浊度进行随机选择，可以选择比较理想的混凝投药系数较大的数据作为参考样本，保证样本的容错率，也能在实际的操作中及时应对不稳定因素的影响，保证净水工作的效率。同时还要注意智能神经网络控制系统的具体算法的操作，保证将离线训练数值用于实际的混凝投药操作当中，绝对不可以理论化的研究，多次在实际的过程当中模拟投药的比例操作，保证混凝投药智能系统的稳定性和有效性，降低错误率[6]。

4.3 混凝投药系统的仿真分析

LabVIEW系统是一种利用图形化语言进行编程的虚拟工具，可以对净水工作的混凝投药进行仿真分析，可以充分地了解实际工作中存在的问题，例如实验设备的差距、实际的生产成本、智能操作系统的误差等等。系统主要分为三个部分：第一是前面板设计，主要的功能是详细记录混凝投药智能控制系统的温度、混住读、进出水量的实际变化趋势，进行实时的监控。还可以录入相关净水工作的参数，包含专家经验数据，还有原水的初始值，做好详尽的记录和分析；第二部分是程序框图设计，主要包括混凝投药智能操控模型的建立、样本库的建立、投药数据的分析计算以及智能系统的自学习功能；第三部分是仿真结果分析，通过以一系列的数据比对，能够更好地得出仿真数据，将实际操作的具体数值控制在一个合理的范围之内，提升数据的精准度，不断促进混凝投药技术的发展，节约净水厂的工作成本，为企业制造更多的经济效益，同时还可以最大程度上降低失误的出现，节约了人力成本，促进企业走在市场发展的前端。

5 智能控制在净水厂混凝投药过程的具体应用

5.1 建立数据库

从实际的操作过程中采集数据，制成混凝投药实际控制系统的数据库，包含采集时间、进出水量、浑浊度等等方面。设置具体的参数，达到最完美的运行效果，同时也要将结果数据记录下来，形成完整的数据库，为后续的操作奠定基础。

5.2 设置监控系统

在基础的参数设置完成后，可以进行系统的自学习，控制面板中对采样周期、学习周期以及控制周期进行监控，以求达到最完美的运行效果。监控系统还包含历史发展曲线的查询，可以对历史数据进行查询，通过开始时间和终止时间，并在变量的选择中选择要查询的变量，就可以看到完整的变量分布情况，以便于对数据进行分析比对，为实际的操作提供参考[7]。

5.3 神经网络算法

智能控制的神经网络控制算法能够每隔一段时间记录一次数据，以不同的线条显示，对不同的因素会使用不同的表达方式，得出不同的曲线，在发现水质浑浊后及时进行调整，保证净水质量。

6 结语

根据历年来专家对智能控制在净水混凝投药系统的研究，再借鉴国外的先进的专家控制模式，对智能控制系统在净水工作中的应用进行了优化改造，设计出了一份更加符合净水混凝投药工作的模式，能够很好地解决净水工作在传统模式下效率低下、精准度不高、资源浪费的问题，为智能控制净水混凝投药工作开辟了新的发展方向，值得深入讨论。智能控制在净水混凝投药系统中的突出特点是能够在实际的净水工作中，无需过多的实际分析就可以得出准确的数据，可以利用现场能够得到的数据进行操作，还能够保证操作的精准度。相对于传统的企业采用的专家操控模式，智能控制系统具有更高的精准度，通过在模型的计算中加入了前向计算和反向修正，提高了系统的灵敏度，相对于传统的模式泛化能力更强，对实际的操作也更有利，能够促进混凝投药工作的稳定度，有效改善沉淀滞后性的问题，精准地预测数值，有利于系统的平稳运行。