熊憲生

(重慶騰升建筑工程有限公司智能化部，重慶 404000)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)境污染使水質(zhì)惡化日益加劇，導(dǎo)致在有限的水資源中相當(dāng)部分失去了使用價(jià)值，更嚴(yán)重的是隨未經(jīng)處理的污水排放到江河湖泊水源中的汞、鎘、鉛、砷、揮發(fā)酚、6價(jià)硌等污染直接威脅著人們的健康，如對(duì)生活水處理不好，控制不當(dāng)，后果將不堪想象［1－5］。有人甚至認(rèn)為中國(guó)所面臨的水危機(jī)要比任何的金融危機(jī)都要嚴(yán)重得多，因此水的凈化處理已經(jīng)成為人們所關(guān)注的焦點(diǎn)。水是人類賴以生存的基本條件，也是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必要條件，但是未經(jīng)凈化處理的水是不能飲用的。原水處理的核心是混凝投藥系統(tǒng)的控制，由于該系統(tǒng)具有大慣性、大時(shí)延和不確定性等特點(diǎn)，再加上人們對(duì)凈化過(guò)程機(jī)理還不是很清楚，因此很難通過(guò)建立過(guò)程模型找出混凝劑投量方法。采用常規(guī)控制方式對(duì)它進(jìn)行控制幾乎不可能取得好的效果。20世紀(jì)80年代以后，對(duì)凈水場(chǎng)藥劑投量采用模糊控制取得了較好的控制效果，控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理是先根據(jù)統(tǒng)計(jì)模型確定基準(zhǔn)藥劑投量，然后由模糊控制規(guī)則確定投入量在基準(zhǔn)值上的校正量。但是控制中在對(duì)過(guò)程控制特性的認(rèn)識(shí)、控制策略的選取、控制算法的構(gòu)造以及執(zhí)行驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式的確定等方面還有許多問(wèn)題并未得到滿意的解決［6－7］，特別是能源消耗大顯得非常突出。本文從控制論角度出發(fā)對(duì)變頻器控制節(jié)能在水站凈化系統(tǒng)中的應(yīng)用作了些討論。

圖1 藥劑投量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1 原水凈化過(guò)程

“給水處理”是指為滿足用戶要求所進(jìn)行的水質(zhì)處理，為達(dá)到生活飲用水質(zhì)要求通常稱為“給水凈化”。原水中大多數(shù)污染物是以顆粒物的形式被去除，或先使污染物吸附在顆粒物上，然后除去其顆粒物，其過(guò)程一般可分成混凝(包括加化學(xué)藥劑、迅速混合、絮凝)、澄清、沉淀和過(guò)濾等4個(gè)過(guò)程，原水凈化過(guò)程如圖2所示。

圖2 原水凈化過(guò)程

1.1 混凝過(guò)程

抽取的原水中含有大量以膠體顆粒形式存在的雜質(zhì)，在原水中投加鋁鹽或鐵鹽等混凝劑后，膠體顆粒結(jié)成大顆粒后會(huì)因重力作用而下沉。但如果投入混凝劑過(guò)量，顆粒間的電斥力增加，混凝效果反而下降，導(dǎo)致渾水不易變清，因此混凝劑投量的控制非常重要。在原水中加入石灰、燒堿等堿性物質(zhì)的作用是調(diào)整水的pH值，投入混凝劑的作用是與水中的堿起化學(xué)作用產(chǎn)生氫氧化物膠體，由此可產(chǎn)生釩花。因此當(dāng)原水堿度不足時(shí)，必須加入堿類物質(zhì)。

1.2 澄清過(guò)程

在原水中加入混凝劑消除了雜質(zhì)顆粒間的電斥力后，利用水力式機(jī)械使泥渣在池內(nèi)不斷循環(huán)，可更好地發(fā)揮泥渣的接觸凝聚和吸附水中雜質(zhì)的作用。泥渣在循環(huán)過(guò)程中顆粒變大逐漸沉淀，可提高澄清的效果。

1.3 沉淀過(guò)程

沉淀效果與諸多因素有關(guān)。當(dāng)夏季水溫高時(shí)，因水的黏度降低，如果其它條件不變，則顆粒沉速相應(yīng)增加，沉淀效果較好。相反，冬季水溫低時(shí)，沉速減小，沉淀效率降低。顆粒沉淀過(guò)程比較復(fù)雜，沉淀池顆粒一方面以一定流速在水平方向流動(dòng)，另一方面以一定沉速沿垂直方向下沉，最后顆粒沿著斜線下沉。顯然增加沉淀池面積可提高沉淀速度，增加顆粒密度和顆粒直徑，可提高混凝反應(yīng)效果和沉淀速度。由此可知，混凝劑投加的控制質(zhì)量高低對(duì)于水的凈化處理是非常關(guān)鍵的。

1.4 過(guò)濾過(guò)程

過(guò)濾是固液分離的最后工藝，也是最后一次除去顆粒物的裝置。過(guò)濾的效果除與時(shí)間有關(guān)外，還與顆粒物、水、介質(zhì)的性質(zhì)及操作條件等有關(guān)。過(guò)濾直接影響出廠水質(zhì)量，如果過(guò)濾效果好，在滿足出廠水濁度工藝要求的前提下，可大幅度地降低混凝劑的投藥量，達(dá)到節(jié)約資源的目的，所以過(guò)濾也間接影響了混凝劑的投藥控制。

2 混凝影響因素分析

2.1 水力條件影響

為使原水和藥劑充分混合與反應(yīng)，必須人為地使水流紊動(dòng)?；旌想A段是混凝劑水解，生成金屬氫氧化膠體，吸附和黏著水中雜質(zhì)以形成釩花，因此要求水與混凝劑盡量快速均勻地混合。反應(yīng)階段是從開(kāi)始形成細(xì)微釩花到繼續(xù)吸附黏著水中雜質(zhì)使釩花逐漸結(jié)大的過(guò)程，反應(yīng)階段也要求水流有一定程度的紊動(dòng)，使細(xì)微的釩花互相接觸，但又不能過(guò)分強(qiáng)烈以免釩花破碎。因此其水流紊動(dòng)程度要開(kāi)始時(shí)大，隨后逐漸減少。

2.2 水溫影響

冬季加藥量比夏季多，最高和最低加藥量可相差幾倍，說(shuō)明水溫對(duì)混凝效果有很大影響。當(dāng)水溫在10～15℃以下時(shí)，生成的釩花比較緊密，易于沉淀，因?yàn)樗疁氐蛣t顆粒的碰撞機(jī)會(huì)少，混凝效果就差。水流對(duì)釩花的剪力增加，使釩花易于破碎，不易結(jié)成大顆粒，可采取增加混凝劑的投加量，以改善顆粒之間的碰撞條件;或投加粘土以增加釩花重量，并投入助凝劑如活化硅酸和高分子混凝劑，以增加釩花強(qiáng)度，提高混凝沉淀效果。

2.3 水的pH值影響

例如鋁鹽加入原水后生成的氫氧化鋁膠體可以起混凝作用。當(dāng)水的pH值在6.5～7.5范圍變化時(shí)，氫氧化鋁的溶解度最小，以氫氧化鋁膠體狀態(tài)存在于水中，效果好;但是當(dāng)水的pH值＞7.5時(shí)，氫氧化鋁就溶解了，不再是氫氧化鋁膠體，而是以鋁離子狀態(tài)存在;當(dāng)水的pH值再大些，例如pH值＞8.5時(shí)，氫氧化鋁膠體又明顯地溶解，生成酸離子，這時(shí)，混凝效果又很差。與此相類似，因?yàn)樵泻懈鞣N溶解的鹽類和各種有機(jī)膠體，因此混凝劑的最佳pH值范圍要隨具體條件而變化。

2.4 水的堿度影響

混凝劑投入原水后，由于水解作用，水中氫離子的數(shù)量增加，提高了水的酸度，pH值隨之降低。因此，水中必須有一定量的堿度以中和因水解而產(chǎn)生的酸度。如果原水中的堿度足夠抵償，則混凝劑投入水中就能充分水解，形成氫氧化物膠體，混凝效果就比較好。

綜上所述，水力條件、水溫、水的pH值和水的堿度等參量對(duì)混凝沉淀效果均影響很大，因此反應(yīng)過(guò)程非常復(fù)雜。這些參量隨氣候、天氣等環(huán)境參數(shù)的變化而變化。從原水變成可飲用的水約需要幾個(gè)小時(shí)(一般是1到3.5小時(shí)不等)，從原水到澄清水也約需45 min，所以水的混凝階段是一個(gè)干擾較大、純滯后和大慣性過(guò)程。水力條件、水的pH值和水的堿度很難找到合適的量值，而且是隨時(shí)變化的，因此實(shí)際工程中，它們都是難以控制的，水溫就更不可控，因此只有控制好混凝劑的投入量才能提高合格水的質(zhì)量和產(chǎn)量。

3 過(guò)程特性與控制策略

3.1 控制論特性

原水凈化是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程，其控制論特性一般表現(xiàn)為多變量、強(qiáng)耦合、參數(shù)時(shí)變、約束多樣與具有不確定性。由此可見(jiàn)，凈化過(guò)程參數(shù)具有未知性、時(shí)變性、隨機(jī)性和分散性;原水凈化是一個(gè)大慣性系統(tǒng)，具有大時(shí)滯特性，其時(shí)滯大小與眾多因素相關(guān)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的未知性與時(shí)變性;由于作用空間大而且不均衡，其過(guò)程存在嚴(yán)重的非線性;混凝效果受溫度等多因素影響，過(guò)程各變量間具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性;過(guò)程受各種外界因素的影響，環(huán)境干擾充滿未知性、多樣性和隨機(jī)性。凈化過(guò)程非常復(fù)雜，集中表現(xiàn)為具有很強(qiáng)的不確定性，因此在控制中存在諸多問(wèn)題。

3.2 控制策略選取

上述控制論特性表明:凈化過(guò)程難以進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，因此幾乎不可能用傳統(tǒng)控制方法對(duì)復(fù)雜的凈化過(guò)程實(shí)現(xiàn)有效控制。必須從控制論層面探索更有效的控制策略。智能控制是在無(wú)人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)，它涵蓋了智能控制及智能優(yōu)化方法等諸多技術(shù)與內(nèi)容，各自自成體系，又互相聯(lián)系，但是各自都局限于某些特定領(lǐng)域的應(yīng)用［8－9］。如模糊邏輯控制無(wú)須數(shù)學(xué)模型，比較適合于復(fù)雜的非線性過(guò)程。對(duì)于復(fù)雜過(guò)程，因受不確定性等因素的影響，其控制規(guī)則難以覆蓋所有的工況，即使與其它控制策略配合使用，也會(huì)因?yàn)榭刂埔?guī)則復(fù)雜而難以獲得好的控制效果。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的最大優(yōu)點(diǎn)是有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和容錯(cuò)性，可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系，但其預(yù)測(cè)能力在很大程度上依賴于訓(xùn)練數(shù)據(jù)的狀況，由于不確定性數(shù)據(jù)中存在干擾，常會(huì)出現(xiàn)過(guò)界問(wèn)題，從而導(dǎo)致控制無(wú)規(guī)律可循。其它如學(xué)習(xí)控制，分層遞階控制等對(duì)復(fù)雜過(guò)程中的不確定性因素等的處理也沒(méi)有良好的應(yīng)對(duì)之策。值得注意的是仿人智能控制策略，它的基本特點(diǎn)體現(xiàn)在模仿人的智能，在控制功能和結(jié)構(gòu)方面模仿控制專家的控制行為，根據(jù)不同的過(guò)程動(dòng)態(tài)特征，采用不同的控制模式，也可交替地使用多種控制模態(tài)。多模態(tài)控制的優(yōu)勢(shì)在于可以恰當(dāng)?shù)貐f(xié)調(diào)諸多相互矛盾的控制品質(zhì)要求，比如快速性與平滑性、魯棒性與精確性等，因此多模態(tài)控制是貼近控制工程實(shí)際的。事實(shí)證明，仿人智能控制策略在復(fù)雜控過(guò)程等控制領(lǐng)域取得了許多令人欣慰的研究成果［10－13］，因此本文采用仿人智能控制策略。

4 變頻器在監(jiān)控中的應(yīng)用

4.1 變頻節(jié)能

選取了控制器和控制算法后，如沒(méi)有優(yōu)秀的執(zhí)行器及其驅(qū)動(dòng)裝置執(zhí)行，其控制策略是難以實(shí)現(xiàn)的。以下從執(zhí)行驅(qū)動(dòng)角度討論變頻調(diào)速的節(jié)能原理。各種藥劑泵和水泵的原動(dòng)力都是電動(dòng)機(jī)，而電動(dòng)機(jī)的精準(zhǔn)運(yùn)行是靠變頻器驅(qū)動(dòng)的，其優(yōu)良特性決定了變頻器在水系統(tǒng)中的重要地位。按照電機(jī)理論，電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為:

式中:p為電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)，S為轉(zhuǎn)差率，f為供電電源頻率，n為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速。從電機(jī)轉(zhuǎn)速公式可以看出:電機(jī)轉(zhuǎn)速與頻率近似成正比，改變頻率即可平滑地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。泵類負(fù)載屬平方轉(zhuǎn)矩負(fù)載，其轉(zhuǎn)速n、流量Q、壓力H以及軸功率P具有如下關(guān)系:Q∝ n，H∝ n2，P∝ n3，即流量與轉(zhuǎn)速成正比，壓力與轉(zhuǎn)速平方成正比，軸功率與轉(zhuǎn)速立方成正比。由上述分析可知:通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就可方便地改變流量，有效保證系統(tǒng)達(dá)到期望的工況。使用變頻調(diào)速技術(shù)不僅調(diào)節(jié)方便，而且節(jié)能效果也很明顯。設(shè)電動(dòng)機(jī)額定功率為PN，額定轉(zhuǎn)速為nN，當(dāng)轉(zhuǎn)速為n時(shí)實(shí)際輸出功率為P，則節(jié)能(用功率表示)ΔP可以表示為:

如取 n/nN=2/3，則 ΔP=0.67PN，即節(jié)能效果在理想情況下可達(dá)67%?？梢?jiàn)只要采用變頻調(diào)速技術(shù)，采用變頻調(diào)速驅(qū)動(dòng)其節(jié)能效果是很顯著的。因此，變頻器使用不僅調(diào)節(jié)平滑精準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，保證控制系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)控制品質(zhì)，使水的凈化程度更高，而且也可大幅度節(jié)約能源。

使用變頻調(diào)速技術(shù)(變頻器)還有以下優(yōu)點(diǎn):

1)可方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速、電機(jī)軟起動(dòng)和自由停車。電動(dòng)機(jī)均通過(guò)變頻器或軟起動(dòng)從0～50 Hz作緩慢加速起動(dòng)，既減少了機(jī)泵因突然高速起動(dòng)所帶來(lái)的影響，又減少了直接起動(dòng)時(shí)起動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊;

2)可提高功率因數(shù)，改善電動(dòng)機(jī)電源質(zhì)量，保證電動(dòng)機(jī)的功率與實(shí)際負(fù)荷相匹配，達(dá)到系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的目的;

3)可消除機(jī)泵的喘振現(xiàn)象，可使機(jī)泵運(yùn)行處于最佳工況狀態(tài);

4)可方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，使被調(diào)節(jié)量得到更平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

4.2 原水凈化系統(tǒng)集成監(jiān)控

水凈化站多個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)中各個(gè)控制回路的原理均相同，如圖3所示。圖3中，e(t)為過(guò)程偏差，r(t)是過(guò)程輸入，y(t)是過(guò)程輸出，根據(jù)過(guò)程偏差及其變化走勢(shì)，采用仿人智能控制策略，就可以構(gòu)造出各種適宜于各個(gè)控制回路的控制算法，借助變頻器實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)以某生活水凈化站技術(shù)改造為例，該站有多臺(tái)原水泵、藥物投放泵和生活水配送加壓泵，采用了變頻器應(yīng)用界面集成，既方便了監(jiān)控又便于綜合管理，更重要的是優(yōu)化了控制，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行采用變頻器，綜合節(jié)能效果達(dá)到45%，節(jié)能效果非常明顯。值班人員只需觀察該集成界面的相關(guān)參數(shù)就可了解水質(zhì)凈化情況及自動(dòng)配水與供水的情況;如果出現(xiàn)異常狀況，只需點(diǎn)擊相應(yīng)圖標(biāo)，轉(zhuǎn)換至相應(yīng)工作界面就可查看畫面，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。界面集成監(jiān)控設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:人機(jī)界面，設(shè)備控制和管理，數(shù)據(jù)管理與報(bào)警和事件管理等。該系統(tǒng)既保證了供水品質(zhì)，又方便了各個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著新型城鎮(zhèn)化與智慧小區(qū)建設(shè)的推進(jìn)，水資源矛盾將會(huì)變得愈來(lái)愈突出，為了達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目的，就不可忽略控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)。事實(shí)上采用變頻器不僅節(jié)能，更重要的是可提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)度，如果在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)更加注意界面集成，將會(huì)給維護(hù)使用帶來(lái)更多的方便。

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