西安市自來水有限公司南郊水廠　張　苗西安市自來水有限公司水質(zhì)管理部　羅衛(wèi)國太原科技大學　張軼東

基于神經(jīng)網(wǎng)絡的水處理投藥系統(tǒng)自動控制研究

西安市自來水有限公司南郊水廠張苗
西安市自來水有限公司水質(zhì)管理部羅衛(wèi)國
太原科技大學張軼東

目前我國地表水處理廠藥劑投加自動控制系統(tǒng)現(xiàn)有的集散控制系統(tǒng)僅可以根據(jù)程序完成邏輯順序控制，不具有分析非線性系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系的智能化能力。將神經(jīng)網(wǎng)絡嵌入集散系統(tǒng)，用于藥劑投加量、水處理效果預測，不但可以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析處理能力，實現(xiàn)智能藥劑投加量控制，而且還可以結(jié)合PLC完成對系統(tǒng)設備的優(yōu)化控制。

混凝劑投加；BP網(wǎng)絡；集散控制系統(tǒng)

1　概述

隨著城市的發(fā)展、科技水平不斷提高，城市對自來水品質(zhì)的要求也不斷提高，水處理系統(tǒng)現(xiàn)代化程度、自動化程度也將會是社會現(xiàn)代化程度的主要標志之一。目前我國水處理投藥系統(tǒng)自動化程度還比較低，國內(nèi)水處理一般采用集中監(jiān)控管理、分散控制的控制系統(tǒng)，簡稱集散系統(tǒng)。這種控制方法缺點是其控制目標需要提前設置好，不能根據(jù)現(xiàn)場情況、設備狀況、季節(jié)變化隨時調(diào)整藥劑投加量。需大量依靠人工經(jīng)驗，不能實現(xiàn)自動控制智能化。

在不改變原有系統(tǒng)硬件設備基礎(chǔ)上，將控制系統(tǒng)與神經(jīng)網(wǎng)絡組合，在集散系統(tǒng)中增加嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)的分析、最優(yōu)值運算、輸出處理交給神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，PLC將根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出量控制現(xiàn)場設備動作，以完成藥劑投加。

2　嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)設計

2.1集散控制系統(tǒng)

西安市某日產(chǎn)50萬m3/日自來水廠，水處理過程自動控制系統(tǒng)為-集散控制系統(tǒng)，由管理控制層、現(xiàn)場控制層及現(xiàn)場設備層組成。

集散系統(tǒng)雖提高了控制水平，但是不具有實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析、系統(tǒng)評價，不能根據(jù)原水水質(zhì)、目標控制要求得到投加量的非線性輸出，不能自動調(diào)整或建議調(diào)整投加量的智能控制要求。也不具有結(jié)構(gòu)合理的設備、水質(zhì)變量數(shù)據(jù)庫，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)用及共享。

2.2嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡

如果在現(xiàn)有的集散系統(tǒng)內(nèi)嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，將傳感器檢測到的水質(zhì)、沉淀池末端出水濁度信號輸入訓練好的神經(jīng)網(wǎng)絡，可預測得到藥劑投加量。同時預測沉后水末端出水濁度變化趨勢，并在異常情況下報警。藥劑投加量、沉淀池末端出水濁度的值在誤差允許范圍內(nèi)時，PLC執(zhí)行原有控制程序，當水質(zhì)發(fā)生重大變化，神經(jīng)網(wǎng)絡預測出新的投加量控制時，PLC將優(yōu)先響應神經(jīng)網(wǎng)絡輸出。服務器上建立數(shù)據(jù)庫，收集水質(zhì)數(shù)據(jù)、藥劑投加數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、設備運行數(shù)據(jù)和輸出信號變化數(shù)據(jù)，用以神經(jīng)網(wǎng)絡學習、歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用和對比、網(wǎng)絡共享等。嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡的自控系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

圖1　嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡的自控系統(tǒng)流程圖

3　模擬藥劑投加量控制的神經(jīng)網(wǎng)絡模型搭建

神經(jīng)網(wǎng)絡能夠從樣本中直接獲取知識，實現(xiàn)結(jié)果和原因之間的非線性映射。本文研究采用一種BP算法的改進算法Levenberg-Marquardt法。這種算法具有低于抽取和逼近這種非線性輸入變量做復雜的相關(guān)假定的能力。不依靠專家經(jīng)驗，只利用觀察到的數(shù)據(jù)，可以從訓練過程中通過學習來抽取和逼近隱含的輸入和輸出的非線性關(guān)系。

西安市地處北方地區(qū)，飲用水源主要為秦嶺北麓的水庫水和部分地表徑流，濁度隨季節(jié)變化明顯。在秋冬季，水質(zhì)具有溫度低、濁度低、堿度低、水的粘度大等特點。春夏季進入汛期，水質(zhì)特點是溫度高、濁度變化幅度大、微生物及藻類含量高等，且還有因暴雨突發(fā)超過100NTU高濁水。

用神經(jīng)網(wǎng)絡進行凈水藥劑投加量預測，依靠水質(zhì)參數(shù)四季變化的規(guī)律，在進行投藥系統(tǒng)控制研究必須有歷年四季完整的水質(zhì)數(shù)據(jù)及投加量數(shù)據(jù)作為樣本訓練。并且因原水水質(zhì)隨季節(jié)變化有顯著特征，季節(jié)也是影響水質(zhì)的因素之一?？紤]到現(xiàn)場儀表能夠連續(xù)讀取的參數(shù)，設計的輸入變量有原水量、原水濁度、原水PH、原水溫度、月份、混凝劑投加量，共6維向量，由于現(xiàn)場堿度儀工作不穩(wěn)定，而堿度又和月份水質(zhì)有對應關(guān)系，所以不單獨設計堿度變量。目標向量就是一定水質(zhì)下混凝劑投加量、沉淀池末端出水濁度，共2維向量。建立BP網(wǎng)絡如圖2所示。

所設計的神經(jīng)網(wǎng)絡先經(jīng)過訓練，當網(wǎng)絡精度達到要求以后，認為網(wǎng)絡達到投入使用要求。使用時網(wǎng)絡讀取輸入變量的在線數(shù)據(jù)，進行計算得到目標輸出量混凝劑投加量和沉后水濁度預測值。

4　網(wǎng)絡仿真

本文取西安某水廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)為例，取2014年1月至2014年12月數(shù)據(jù)進行訓練，用2015年12月進行檢驗預測結(jié)果。網(wǎng)絡經(jīng)過訓練誤差達到要求以后用于仿真應用。

將2015年12月投加量、沉后水濁度在原集散系統(tǒng)中控制的實際值和仿真神經(jīng)網(wǎng)絡預測值進行比較如圖3所示。

圖3　2015年12月混凝劑投加量、沉后水預測比較

5　結(jié)論

通過對2015年12月水廠投加量、沉后水濁度預測，可以看出神經(jīng)網(wǎng)絡仿真水處理的預測投藥量和沉后濁度值的變化和實際生產(chǎn)變化有較強的契合性，同時又能避免人工經(jīng)驗帶來的藥劑、濁度大幅波動。這說明，通過神經(jīng)網(wǎng)絡預測，沉后水預測值反饋給投加量作為修正依據(jù)，修正后投加量也可以控制沉后水，這樣形成了一個很好的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)分析，嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡的集散控制系統(tǒng)在水質(zhì)發(fā)生變化時，能及時、合理的給出控制指令，避免了經(jīng)驗投加的不確定性，以及不可預見操作帶來的調(diào)節(jié)震蕩。并且由于預測了投加量和沉后水濁度，使系統(tǒng)控制平穩(wěn)，減少了設備負荷沖擊，有利于延長設備壽命。可見嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡可以實現(xiàn)水處理藥劑投加控制系統(tǒng)的智能化，也可以減少設備損耗、節(jié)約藥劑，有著較大的實用價值和經(jīng)濟效益。

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［4］張苗，雷洪利.一種BP神經(jīng)網(wǎng)絡誤差函數(shù)優(yōu)化算法［J］.教育科研，2007，11.

張苗（1977—），女，陜西西安人，碩士，工程師，研究方向：電力電子與電力傳動。