一、需求背景
2017 年年初，國家發(fā)改委發(fā)布了《“互聯(lián)網(wǎng) + ”綠色生態(tài)三年行動實(shí)施方案》的通知，文中明確提出了“大力發(fā)展智慧環(huán)保”要求，這是智慧環(huán)保概念的首次提出。“智慧水務(wù)”是“智慧環(huán)保”概念具體到水務(wù)領(lǐng)域的體現(xiàn)，以更加精細(xì)和動態(tài)的方式管理水系統(tǒng)，具有可靠性高、功率小、運(yùn)行成本低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn)，有助于規(guī)范管理、節(jié)能降耗、減員增效。
我國水處理行業(yè)在經(jīng)歷了上世紀(jì)八十年代的打基礎(chǔ)階段以及新世紀(jì)前后的自動化階段后，已基本實(shí)現(xiàn)了城鎮(zhèn)污水全處理（截止 2016 年底，全國城鎮(zhèn)污水處理率達(dá) 96% 以上），水處理廠均建設(shè)了設(shè)備自動化控制系統(tǒng)，大幅解放了勞動力。目前，行業(yè)正處于智能化轉(zhuǎn)型階段，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和 3/4G 網(wǎng)絡(luò)，搭建水處理企業(yè)的數(shù)字化業(yè)務(wù)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，大大提高了信息存儲、查詢和回溯的效率，初步實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)管理的信息化，突破了水處理企業(yè)原有各工藝、各系統(tǒng)環(huán)節(jié)間的“數(shù)據(jù)孤島”，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)“一張圖”、“一張表”。然而，從信息化到智能化仍然存在較大差距，例如，缺少對水處理工藝環(huán)節(jié)的智能控制，絕大部分過程控制仍然依靠人工決策，難以將數(shù)據(jù)與精細(xì)化管理充分結(jié)合。
以混凝工藝為例，這是最常見、應(yīng)用最廣泛的一種水處理工藝。其原理是通過向水中投加化學(xué)藥劑，破壞水中懸浮污染物電荷穩(wěn)定性，促使其團(tuán)聚形成礬花后從水中沉淀去除。整個(gè)混凝反應(yīng)過程受多種因素影響，包括水體污染程度、水中電荷分布、流場情況、溫度情況等等，并且反應(yīng)過程存在滯后性，整個(gè)反應(yīng)過程難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，造成目前仍以人工巡檢為主要控制方式，存在人力投入大、藥劑浪費(fèi)、水質(zhì)波動等問題。濁度 （ SS ） 反映水中懸浮顆粒物的濃度 ， 是反映水質(zhì)的重要因素 ? 也是決定混凝劑投加量的重要因素。當(dāng)原水遭遇洪峰或其他擾動影響時(shí) ， 原水濁度變化較大 ， 濁度增加 ， 投藥量加大。另外混凝池在不同的濁度下 ? 混凝反應(yīng)效果也不同。水溫影響混凝劑溶解速度 ? 水溫越低 ? 膠體運(yùn)動速度越小 ， 混凝反應(yīng)效果不好 ， 不利于混凝 ? 因此水溫對耗藥量也較大影響。處理水的 PH 值不同對混凝有不同的影響 ? 混凝劑投入后水解產(chǎn)物直接受 PH 值影響 ? PH 值影響水解產(chǎn)物的存在狀態(tài)。只有在一定的 PH 值范圍內(nèi) ? 混凝劑 才 能發(fā)揮最佳效果。
在污水處理系統(tǒng)中，為了除去或降低水中懸浮物，使其產(chǎn)生大顆粒的凝聚體，加快水中雜質(zhì)和污泥沉降速度，一般在污水處理的沉降部分加入一定濃度的絮凝劑。用于含油污水處理的絮凝劑包括無機(jī)絮凝劑、有機(jī)絮凝劑和復(fù)合絮凝劑 3 大類。為了保證加藥濃度、減輕工人勞動強(qiáng)度和降低藥劑成本，應(yīng)用絮凝劑自動加藥工藝技術(shù)。
智能加藥系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)時(shí)控制理念、數(shù)值模擬分析技術(shù)及動態(tài)控制，按需加藥，實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，優(yōu)化污水處理廠運(yùn)行，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)與節(jié)能降耗。
二、智能加藥系統(tǒng)構(gòu)成
智能加藥系統(tǒng)像人類大腦一樣具備接收、存儲、分析信息等功能，基安云智能加藥系統(tǒng)采用 “前饋 + 反饋”的閉環(huán)控制模式。
首先通過前饋專家模型采集分析源水流量、濁度、 PH 值 等數(shù)據(jù)信息并快速建模，再利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對模型進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，通過多步預(yù)測、滾動優(yōu)化和反饋校正識別出加藥量和變量之間的對應(yīng)關(guān)系，最終得出最精準(zhǔn)的藥劑投加量。基安云智能加藥系統(tǒng)可通過軟件平臺對工藝過程進(jìn)行全自動監(jiān)控、診斷，投藥全程自動化控制，設(shè)備故障自動進(jìn)行切換控制；實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行、藥劑消耗、水質(zhì)監(jiān)控等方面進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷、數(shù)據(jù)分析、故障預(yù)測及報(bào)警 。
投加系統(tǒng)包括用于檢測進(jìn)水口水質(zhì)的進(jìn)水端 水質(zhì)監(jiān)測儀器 、用于檢測出水口水質(zhì)的 水質(zhì)監(jiān)測儀器 、用于根據(jù)進(jìn)水口水質(zhì)和出水口水質(zhì)計(jì)算投藥參數(shù)的控制裝置和用于根據(jù)投藥參數(shù)投藥的投藥裝置，進(jìn)水端 水質(zhì)監(jiān)測儀器 、出水端 水質(zhì)監(jiān)測儀器 和投藥裝置均與控制裝置連接。通過進(jìn)水端 水質(zhì)監(jiān)測儀器 檢測進(jìn)水口水質(zhì)，出水端 水質(zhì)監(jiān)測儀器 檢測出水口水質(zhì)，控制裝置根據(jù)進(jìn)水口的水質(zhì)實(shí)時(shí)計(jì)算出投藥參數(shù)；同時(shí)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定義的水質(zhì)指標(biāo)設(shè)定值和出水口水質(zhì)實(shí)時(shí)修正投藥參數(shù)；實(shí)現(xiàn)了基于前饋和反饋復(fù)合的污水處理藥劑投加控制，具有控制過程反應(yīng)迅速，投藥量調(diào)節(jié)精確的優(yōu)點(diǎn)，可以達(dá)到保證出水口水質(zhì)的同時(shí)節(jié)省藥劑，避免多余藥劑污染環(huán)境的效果。
裝置工作原理：干粉絮凝劑加入干粉料斗后，按設(shè)定的配比濃度，由螺桿給料機(jī)定量輸入溶解箱內(nèi)，與定量的清水混合，經(jīng)過攪拌器攪拌、熟化后，由計(jì)量泵將混合液外輸至加藥點(diǎn) 。
絮凝劑自動加藥工藝流程
設(shè)備包括浸潤器、溶藥攪拌器、加藥泵、稀釋裝置、儀表、管路、管路附件、控制柜。此控制柜既可手動按鈕控制，也可與 PLC控制柜聯(lián)動控制。
三、自動加藥裝置
加藥設(shè)備示意圖
基安云智能加藥系統(tǒng)采用基于 SS 負(fù)荷 、 PH 值 的前饋補(bǔ)償，結(jié)合出水 SS 濃度 、 PH 值 安全控制的綜合策略。安全控制環(huán)節(jié)根據(jù)出水出水 SS 濃度 、 PH 值 ，動態(tài)調(diào)節(jié)控制策略。前饋補(bǔ)償控制環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)監(jiān)測水質(zhì)水量和工藝運(yùn)行參數(shù)，利用尋優(yōu)模型算法，將采集數(shù)據(jù)與加藥量進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制，減少進(jìn)水負(fù)荷變化對出水 SS 濃度 、 PH 值 結(jié)果的干擾和影響，同時(shí)降低甚至停止不必要的藥劑投加 。
系統(tǒng)組成：
1. 在線監(jiān)測儀表主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測沉淀池等 SS 濃度 、 PH 值 ，作為控制信號發(fā)送到智能加藥系統(tǒng)；
2. 控制模塊包括數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、加藥控制模塊、人機(jī)交互等，實(shí)現(xiàn)藥劑投加過程的前饋補(bǔ)償與安全控制；
3. 配套軟件系統(tǒng)的主要功能為：遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警顯示、趨勢查詢、權(quán)限管理等。
生產(chǎn)采用的干粉絮凝劑為每袋 25kg 的有機(jī)高分子助凝劑。現(xiàn)場根據(jù)干粉稀釋濃度要求、加藥箱的容積、計(jì)量泵排量、每天加藥量，合理確定了外輸量、干粉加藥濃度等參數(shù)。
目前在污水處理過程中，一般采用反饋控制的方法，可抑制外部擾動的影響，確保過程的穩(wěn)定性，并優(yōu)化經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，反饋控制系統(tǒng)的組成包括被控過程、檢測器、變送器、控制器及執(zhí)行器。反饋控制具有對內(nèi)部系統(tǒng)參數(shù)變化和外部環(huán)境干擾敏感度高的優(yōu)點(diǎn)。如果被控變量實(shí)際值與給定值發(fā)生偏離，控制系統(tǒng)就會立巧響應(yīng)并校正偏差。因此反饋控制對無法預(yù)計(jì)的干擾具有明顯優(yōu)勢。
前饋反饋復(fù)合控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：
１、通過反饋控制可以保證受控變量的控制精度，既保證受控變量穩(wěn)定后的數(shù)值，又能克服前饋控制回路之外的各種擾動的影響；
２、引入反饋控制后，可以降低對前饋控制模型精度的要求，便于簡化和實(shí)施前饋控制模型；
３、反饋控制回路提高了前饋控制模型的適應(yīng)性。 如果自動加藥裝置測出的流量值和 SS 濃度暫時(shí)不可用 ( 例如出現(xiàn)了故障 ) ，系統(tǒng)會自動采用鎖定故障前的加藥量，并按照此加藥量持續(xù)加藥。
三、系統(tǒng)原理及運(yùn)行對比
智能加藥系統(tǒng)原理圖
智能投藥控制器算法結(jié)構(gòu)
工藝流程圖
實(shí)際運(yùn)行過程中，加藥系統(tǒng)可確保進(jìn)水水量發(fā)生波動而加藥濃度依舊穩(wěn)定。
智能學(xué)習(xí)功能可根據(jù)歷史加藥數(shù)據(jù)自動學(xué)習(xí)，糾正當(dāng)下的加藥偏差，達(dá)到加藥精準(zhǔn)穩(wěn)定。即使出現(xiàn)人為誤操作，加藥實(shí)際值發(fā)生偏差，通過智能學(xué)習(xí)程序系統(tǒng)會自動修正實(shí)際加藥量，恢復(fù)到設(shè)定的加藥量。
智能反饋功能可根據(jù)出水 SS 、 PH 等相關(guān)指標(biāo)的高低來判斷加藥量是否合適，若實(shí)際出水監(jiān)測值和設(shè)計(jì)值出現(xiàn)較大偏差，程序會自動修正加藥量，達(dá)到合理的出水指標(biāo)。
系統(tǒng)對比
1 、 降低藥耗，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控；
2 、 節(jié)省人工，支持遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)無人值守；
3 、 精準(zhǔn)投加，確保工藝段運(yùn)行穩(wěn)定；
智能實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，利用其內(nèi)置的數(shù)學(xué)模型，以及精確穩(wěn)定的在線監(jiān)測儀表，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、準(zhǔn)確、穩(wěn)定的藥劑投加，不僅能夠明顯
消除由于進(jìn)水不穩(wěn)定造成的出水 SS 波動，削峰效果明顯，使出水 SS 穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，而且在進(jìn)水 SS 較低時(shí)，可以自動降低藥劑投加量或者間斷性加藥，極大地節(jié)省藥劑投加量。智能加藥系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、精準(zhǔn)控制，為用戶降低管理成本及提升經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。
現(xiàn)場圖片
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