混凝劑自動控制

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摘要：報導(dǎo)了凈水過程中使用計算機(jī)實時采集和定量分析絮凝池中絮體圖像，算出絮體沉淀“等效直徑”作為控制混凝劑加注率的目標(biāo)值，并用進(jìn)水流量和沉淀水濁度信號自動修正目標(biāo)設(shè)定值。加注量為進(jìn)水流量與加注率之積。實驗數(shù)據(jù)表明，該方法能適應(yīng)水質(zhì)和其他因素的變化自動調(diào)整加注量，達(dá)到了穩(wěn)定沉淀水濁度的目的。

關(guān)鍵詞：絮體圖像等效直徑混凝劑加注量計算機(jī)控制

在凈水自動化中，混凝劑加注量的自動控制是一個既關(guān)鍵又難解決的問題。因為影響混凝劑加注量的因素很多，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、造價低、維護(hù)簡單的自動控制方式。

1定量分析絮體形狀

確定適當(dāng)?shù)幕炷齽┘幼⒘浚P(guān)鍵是要找出一個滯后時間較短，而與沉淀水濁度相關(guān)性又較好的參量作為目標(biāo)值來控制。

1.1絮體沉淀特性和沉淀水濁度的關(guān)系

從凈水過程可知，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。在一定沉淀條件下，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，常簡化用顆粒沉降的stokes公式來描述：

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，980cm/s2

進(jìn)一步的研究［1～6］表明，絮體粒徑增加時，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，因此通過分析絮體的圖像，可以得到一個與沉淀水濁度相關(guān)性很好的參量。用它作為目標(biāo)值來控制混凝劑加注量可使滯后時間大大縮短。

1.2定量分析絮體圖形，計算等效直徑

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絮體的長寬比m。這些特征基本表示了絮體的特性，且易于計算。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、長寬比、中空面積的折扣系數(shù)，是0～1的小數(shù)，為0時不打折扣，為1時折扣最大，可根據(jù)實際情況選取φ越大，沉降速度越快。當(dāng)絮體為一標(biāo)準(zhǔn)圓形時，式(4)的等效直徑即為實際直徑。

絮體的圖像是通過傳感頭在絮凝池中直接采集的，水不停地流過傳感頭的取樣窗，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)十到上百個絮體。系統(tǒng)每5s采集一幅圖像，按式(4)計算出每個絮體的等效直徑，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。試驗表明，在沉淀條件不變的情況下，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測值與設(shè)置值之差，通過數(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次采樣時加注率的修正值

p(k-1)——第(k-1)次采樣時的加注率

e(k-1)——第(k-1)次采樣時的偏差

p(k)——第k次采樣時的加注率

e(k)——第k次采樣時的偏差

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)成的廣義對象不再具有純滯后，利用廣義對象的輸出信號作為反饋信號進(jìn)行控制，可解決純滯后問題。具體做法是在偏差計算時增加一修正項e1s(k)：

e(k)=e1(k)+e1s(k)(6)

式中e1(k)——實際偏差

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)慣性時間常數(shù)

l與系統(tǒng)滯后時間τ的關(guān)系為：

τ=lt(9)

第k次采樣時的加注量q(k)為：

q(k)=p(k)×l(k)(10)

式中l(wèi)(k)——第k次采樣時的進(jìn)水流量

1.4條件變化的反饋?zhàn)詣诱{(diào)整

沉淀條件不變時，等效直徑與沉淀水濁度有很好的對應(yīng)關(guān)系，但當(dāng)沉淀條件變化時，等效直徑與沉淀水濁度的對應(yīng)關(guān)系會有變化。這時就需要調(diào)整等效直徑的設(shè)定值，也就是說該方法和前述多數(shù)方法一樣，不能模擬沉淀池。為此，當(dāng)流量有變化時，每次采樣該系統(tǒng)能自動調(diào)整等效直徑的設(shè)定值，以消除流量變化引起的沉淀條件變化對設(shè)定值的影響。一般除流量外，沉淀條件的變化都較緩慢，為此該系統(tǒng)還使用沉淀水濁度反饋來自動調(diào)整設(shè)定值。做法是每30min將沉淀水濁度的測量值與目標(biāo)值之差加上smith預(yù)估修正項，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，586主機(jī)通過圖像接口將絮體圖像信號數(shù)字化后送入內(nèi)存；通過模擬接口采集4～20ma進(jìn)水流量和沉淀水濁度信號，并輸出4～20ma電流信號控制混凝劑加注泵。

軟件的主要功能是：

①將采集的絮體活動圖像實時顯示在計算機(jī)屏幕上；

②對絮體圖像進(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；

④按式(5)～(9)算出混凝劑加注量，并通過模擬接口輸出；

⑤在屏幕上顯示采集和計算出的各種數(shù)據(jù)并實時更新；

⑥各種參數(shù)如p、i、d參數(shù)，系統(tǒng)延遲時間，慣性時間，等效直徑，沉淀水濁度的設(shè)定值，以及絮體圖像的對比度和亮度等，都可通過下拉式菜單自行設(shè)定，以適應(yīng)不同生產(chǎn)設(shè)備和工藝的需要；

⑦所測得和計算出的結(jié)果及時間、日期等數(shù)據(jù)，每5min一次自動存入硬盤，可存10年。

3試驗結(jié)果

本系統(tǒng)在上海南匯縣航頭水廠進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，試驗池為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，得到計算平均等效直徑的參數(shù)和統(tǒng)計方法。第二階段以所得參數(shù)和方法計算等效直徑，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，4～6ntu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應(yīng)關(guān)系曲線圖。經(jīng)每5min一次數(shù)據(jù)統(tǒng)計，一周內(nèi)沉淀水濁度高于6ntu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使用計算機(jī)實時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。雖然實時圖形分析運(yùn)算量非常大，但目前計算機(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。

②從混凝劑加注到絮體形成一般需10～20min，這就是滯后時間，比流動電流測定(scd)法要長。但因流量因素已單獨(dú)處理，滯后時間已能適應(yīng)水質(zhì)變化的要求，且使用了smith預(yù)估控制，系統(tǒng)動態(tài)性能有一定改善，滿足了使用要求。一般檢測的參量越靠前，滯后時間越短，對該參量后系統(tǒng)的模擬性就越差。scd的測量在絮凝前，因此不能模擬絮凝和沉淀條件，當(dāng)絮凝或沉淀條件變化時，設(shè)定值都需要改變［1］。因此選擇檢測參量時，滯后時間應(yīng)綜合考慮，不能絕對地說越短越好。

③本文所述的“等效直徑”，只是用較簡單的運(yùn)算盡可能較準(zhǔn)確地來描述絮體沉淀特性的一個參數(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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