混凝劑加注量的自動(dòng)控制新方法
在凈水自動(dòng)化中，混凝劑加注量的自動(dòng)控制是一個(gè)既關(guān)鍵又難解決的問(wèn)題。因?yàn)橛绊懟炷齽┘幼⒘康囊蛩睾芏，如原水濁度、水溫、流量、堿度、氨氮、耗氧量和凈水設(shè)備的負(fù)荷、狀態(tài)等，目前國(guó)內(nèi)外使用的方法尚不完善。因此，需尋求效果好、適用范圍廣、性能先進(jìn)、運(yùn)行方便、造價(jià)低、維護(hù)簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制方式。
1 定量分析絮體形狀
確定適當(dāng)?shù)幕炷齽┘幼⒘，關(guān)鍵是要找出一個(gè)滯后時(shí)間較短，而與沉淀水濁度相關(guān)性又較好的參量作為目標(biāo)值來(lái)控制。
1.1 絮體沉淀特性和沉淀水濁度的關(guān)系
從凈水過(guò)程可知，沉淀水濁度與原水加混凝劑后形成的絮體特征和沉淀有關(guān)，絮體形成得越好，沉淀越充分，沉淀水濁度越小。在一定沉淀?xiàng)l件下，沉淀水濁度和絮體的沉淀特性密切相關(guān)。
絮體的沉降規(guī)律是比較復(fù)雜的，常簡(jiǎn)化用顆粒沉降的stokes公式來(lái)描述：
v=(ρs-ρ)gds2/18μ (1)
式中 v——絮體沉降速度，cm/s
ρs——絮體體積質(zhì)量，g/cm3
ρ——水的體積質(zhì)量，g/cm3
ds——絮體直徑，cm
μ——水的粘滯系數(shù)，g/(cm·s)
g——重力加速度，980 cm/s2
進(jìn)一步的研究［1～6］表明，絮體粒徑增加時(shí)，體積質(zhì)量相應(yīng)減小，其關(guān)系式為：
ρs-ρ=ds-kp (2)
式中kp——系數(shù)，1.2～1.5，決定于混凝劑加注率與原水水質(zhì)
v=gds(2-kp)/18μ (3)
上述分析均假設(shè)絮體為球狀顆粒，而實(shí)際絮體基本上是不規(guī)則狀態(tài)，其沉降速度顯然應(yīng)比同體積的球狀絮體慢一些。絮體的大小、形狀可反映在絮體圖像上，因此通過(guò)分析絮體的圖像，可以得到一個(gè)與沉淀水濁度相關(guān)性很好的參量。用它作為目標(biāo)值來(lái)控制混凝劑加注量可使滯后時(shí)間大大縮短。
1.2 定量分析絮體圖形，計(jì)算等效直徑
為了從絮體的二維圖形綜合出與絮體沉淀速度有關(guān)的參量，給絮體圖形定出了以下四個(gè)特征：①表示絮體大小的絮體面積s；②與絮體形狀有關(guān)的絮體周長(zhǎng)l；③與絮體松散程度有關(guān)的絮體中間空出面積s0；④絮體的長(zhǎng)寬比m。這些特征基本表示了絮體的特性，且易于計(jì)算。最后按下式折算成稱之為“等效直徑”φ的參量：
φ=2(s/π)0.5×[1-k1(1-2(sπ)/l)]×[1-k2(1-1/m)]×(1-k3s0/s) (4)
式中 k1、k2、k3——周長(zhǎng)、長(zhǎng)寬比、中空面積的折扣系數(shù)，是0～1的小數(shù)，為0時(shí)不打折扣，為1時(shí)折扣最大，可根據(jù)實(shí)際情況選取φ越大，沉降速度越快。當(dāng)絮體為一標(biāo)準(zhǔn)圓形時(shí)，式(4)的等效直徑即為實(shí)際直徑。
絮體的圖像是通過(guò)傳感頭在絮凝池中直接采集的，水不停地流過(guò)傳感頭的取樣窗，取樣窗的水域面積為26mm×20mm，厚度僅為3.5mm，以減少二維圖像中兩個(gè)絮體重疊的可能性。在該截面中一般包含了數(shù)十到上百個(gè)絮體。系統(tǒng)每5s采集一幅圖像，按式(4)計(jì)算出每個(gè)絮體的等效直徑，每5min得到60幅圖像中所有絮體的等效直徑及其數(shù)值分布情況，取其分布中某一部分加權(quán)平均算出平均等效直徑。試驗(yàn)表明，在沉淀?xiàng)l件不變的情況下，平均等效直徑與沉淀水濁度有很好的相關(guān)性。
1.3 等效直徑控制加注率
加注率是等效直徑的實(shí)測(cè)值與設(shè)置值之差，通過(guò)數(shù)字pid(比例、積分、微分)運(yùn)算后得到的，其遞推式為：
δp(k)=p(k)-p(k-1)=kp[e(k)-e(k-1)]+kie(k)+kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] (5)
式中 δp(k)——第k次采樣時(shí)加注率的修正值
p(k-1)——第(k-1)次采樣時(shí)的加注率
e(k-1)——第(k-1)次采樣時(shí)的偏差
p(k)——第k次采樣時(shí)的加注率
e(k)——第k次采樣時(shí)的偏差
kp——比例系數(shù)
ki——積分系數(shù)
kd——微分系數(shù)
由于混凝劑的加注到絮體的形成有一定的滯后，僅用一般的pid算法難以得到較好的動(dòng)態(tài)性能，因此還增加了smith預(yù)估控制，在假設(shè)系統(tǒng)為一階慣性純滯后系統(tǒng)的前提下，該方法增加一純滯后補(bǔ)償環(huán)節(jié)，該補(bǔ)償環(huán)節(jié)和原系統(tǒng)一起構(gòu)成的廣義對(duì)象不再具有純滯后，利用廣義對(duì)象的輸出信號(hào)作為反饋信號(hào)進(jìn)行控制，可解決純滯后問(wèn)題。具體做法是在偏差計(jì)算時(shí)增加一修正項(xiàng)e1s(k)：
e(k)=e1(k)+e1s(k) (6)
式中 e1(k)——實(shí)際偏差
e1s(k)的算式為：
e1s(k)=k［ν(k)-ν(k-1)］ (7)
v(k)=(1-t/tm)v(k-1)+p(k-1)t/tm (8)
式中 t——采樣周期
k——系統(tǒng)增益
tm——系統(tǒng)慣性時(shí)間常數(shù)
l與系統(tǒng)滯后時(shí)間τ的關(guān)系為：
τ=lt (9)
第k次采樣時(shí)的加注量q(k)為：
q(k)=p(k)×l(k) (10)
式中l(wèi)(k)——第k次采樣時(shí)的進(jìn)水流量
1.4 條件變化的反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)整
沉淀?xiàng)l件不變時(shí)，等效直徑與沉淀水濁度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但當(dāng)沉淀?xiàng)l件變化時(shí)，等效直徑與沉淀水濁度的對(duì)應(yīng)關(guān)系會(huì)有變化。這時(shí)就需要調(diào)整等效直徑的設(shè)定值，也就是說(shuō)該方法和前述多數(shù)方法一樣，不能模擬沉淀池。為此，當(dāng)流量有變化時(shí)，每次采樣該系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)整等效直徑的設(shè)定值，以消除流量變化引起的沉淀?xiàng)l件變化對(duì)設(shè)定值的影響。一般除流量外，沉淀?xiàng)l件的變化都較緩慢，為此該系統(tǒng)還使用沉淀水濁度反饋來(lái)自動(dòng)調(diào)整設(shè)定值。做法是每30min將沉淀水濁度的測(cè)量值與目標(biāo)值之差加上smith預(yù)估修正項(xiàng)，經(jīng)pid運(yùn)算后改變等效直徑的設(shè)定值。
2 控制系統(tǒng)的硬件和軟件
系統(tǒng)硬件如圖1所示，586主機(jī)通過(guò)圖像接口將絮體圖像信號(hào)數(shù)字化后送入內(nèi)存；通過(guò)模擬接口采集4～20ma進(jìn)水流量和沉淀水濁度信號(hào)，并輸出4～20ma電流信號(hào)控制混凝劑加注泵。
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軟件的主要功能是：
① 將采集的絮體活動(dòng)圖像實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上；
② 對(duì)絮體圖像進(jìn)行邊緣增強(qiáng)、數(shù)字濾波、二值化處理、連通性判別，算出每個(gè)絮體的s,l,s0,m,最后按式(4)算出絮體的平均等效直徑；
③ 采集進(jìn)水流量、沉淀水濁度信號(hào)；
④ 按式(5)～(9)算出混凝劑加注量，并通過(guò)模擬接口輸出；
⑤ 在屏幕上顯示采集和計(jì)算出的各種數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)更新；
⑥ 各種參數(shù)如p、i、d參數(shù)，系統(tǒng)延遲時(shí)間，慣性時(shí)間，等效直徑，沉淀水濁度的設(shè)定值，以及絮體圖像的對(duì)比度和亮度等，都可通過(guò)下拉式菜單自行設(shè)定，以適應(yīng)不同生產(chǎn)設(shè)備和工藝的需要；
⑦ 所測(cè)得和計(jì)算出的結(jié)果及時(shí)間、日期等數(shù)據(jù)，每5min一次自動(dòng)存入硬盤，可存10年。
3 試驗(yàn)結(jié)果
本系統(tǒng)在上海南匯縣航頭水廠進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)池為15×104t/d的隔板絮凝水平沉淀池，第一階段只記錄絮體數(shù)據(jù)、沉淀水濁度、進(jìn)水流量、混凝劑加注量等參數(shù)，不控制混凝劑加注量。然后分析這些數(shù)據(jù)，在使等效直徑與沉淀水濁度相關(guān)性最好的前提下，得到計(jì)算平均等效直徑的參數(shù)和統(tǒng)計(jì)方法。第二階段以所得參數(shù)和方法計(jì)算等效直徑，按式(5)～(9)進(jìn)行加注量控制。按該廠生產(chǎn)要求，沉淀水濁度控制設(shè)定值為5ntu，4～6 ntu為符合要求。圖(2)為1998年4月25日—5月1日一周內(nèi)進(jìn)行加注量控制后的沉淀水濁度、流量、絮體等效直徑與加注量的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線圖。經(jīng)每5min一次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，一周內(nèi)沉淀水濁度高于6 ntu的有72次，占3.57%；低于4ntu的有20次，占0.99%；沉淀水濁度總合格率為95.44%，取得了較好的控制效果。從圖(2)可看出，4月27日、28日和5月1日進(jìn)水流量無(wú)大變化，但加注量卻從加注泵沖程的70%左右降到了50%左右，而沉淀水濁度基本相同，說(shuō)明本系統(tǒng)能適應(yīng)水質(zhì)和其他因素的變化，有效控制加注量，穩(wěn)定沉淀水濁度。
4 結(jié)論
① 使用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集和定量分析絮體圖像并算出加注率的方法，能有效地控制混凝劑的加注量，將沉淀水濁度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，達(dá)到保證水質(zhì)、降低生產(chǎn)成本的目的。雖然實(shí)時(shí)圖形分析運(yùn)算量非常大，但目前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已完全能滿足運(yùn)算速度要求，且成本也較低。
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② 從混凝劑加注到絮體形成一般需10～20min，這就是滯后時(shí)間，比流動(dòng)電流測(cè)定(scd)法要長(zhǎng)。但因流量因素已單獨(dú)處理，滯后時(shí)間已能適應(yīng)水質(zhì)變化的要求，且使用了smith預(yù)估控制，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能有一定改善，滿足了使用要求。一般檢測(cè)的參量越靠前，滯后時(shí)間越短，對(duì)該參量后系統(tǒng)的模擬性就越差。scd的測(cè)量在絮凝前，因此不能模擬絮凝和沉淀?xiàng)l件，當(dāng)絮凝或沉淀?xiàng)l件變化時(shí)，設(shè)定值都需要改變［１］。因此選擇檢測(cè)參量時(shí)，滯后時(shí)間應(yīng)綜合考慮，不能絕對(duì)地說(shuō)越短越好。
③ 本文所述的“等效直徑”，只是用較簡(jiǎn)單的運(yùn)算盡可能較準(zhǔn)確地來(lái)描述絮體沉淀特性的一個(gè)參數(shù)，并不表示與某直徑物體的沉淀特性“等效”。本系統(tǒng)使用計(jì)算機(jī)定量分析絨體圖形，可得到各種絮體參數(shù)供統(tǒng)計(jì)研究使用，隨著生產(chǎn)數(shù)據(jù)的大量積累，等效直徑的算法也可不斷改進(jìn)和完善。
參考文獻(xiàn)
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