專利名稱：水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)及其控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種供水行業(yè)自動加藥領域，尤其涉及一種水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術：
自來水廠混凝投藥工藝過程中，如何根據(jù)原水條件(水質(zhì)、水量)的變化和沉后水濁度的要求合理地確定混凝劑的投加量，實現(xiàn)最優(yōu)控制，即在保證沉后水水質(zhì)的前提下使混凝劑的消耗最小，降低制水成本，一直是混凝工藝控制的關鍵性問題。為此，已有多種方法用于混凝投藥自動控制，如燒杯試驗法、流量比例投加法、數(shù)學模型法、模型濾池法、單因子控制方法等。其中，燒杯試驗法具有方便、靈活簡單、設備投入少的特點，因而目前在我國的一些水廠(尤其是一些小型水廠)中被廣泛采用。這種方法的試驗結果只對取樣瞬間水質(zhì)有代表性，確定的混凝劑量存在不連續(xù)性和滯后性問題。因此，適宜作為評價混凝劑投量的輔助手段，而不適宜用于混凝投藥的在線實時控制。流量比例投加法操作人員根據(jù)經(jīng)驗設定單位水體混凝劑的投放量，在原水流量發(fā)生變化時，同比例調(diào)節(jié)投藥量，保持單位水體內(nèi)投藥量的恒定?？紤]到原水流量發(fā)生變化時，混凝劑的混凝效果將發(fā)生改變，這使得水處理的混凝過程呈現(xiàn)于水流量密切相關的非線性特征。由于該方法沒有考慮混凝過程與原水流量相關的非線性因素，因此在流量發(fā)生變化時，出水濁度會出現(xiàn)較大的波動，影響出水水質(zhì)。數(shù)學模型法是以若干原水水質(zhì)參數(shù)(如濁度、PH、水溫、堿度等)及水量參數(shù)為變量，建立其與投藥量之間的相關函數(shù)，即數(shù)學模型。這種在生產(chǎn)或試驗數(shù)據(jù)基礎上以統(tǒng)計分析方法建立起來的模型在實際運行過程中缺乏自學習性、自適應性、對水質(zhì)的變化適應性差。我國幅員遼闊，各地水質(zhì)變化大，水源污染日益嚴重，使這一方法目前只在國內(nèi)很少幾家水廠成功應用。模型濾池法可對混凝劑投加量進行在線連續(xù)控制。原理是將水處理系統(tǒng)中加藥混合后的原水，引出一部分進入小模型濾池，根據(jù)該濾池出水濁度的情況來評價混凝劑投加量是否適宜，由控制系統(tǒng)對投藥量自動調(diào)節(jié)。該方法的模擬性能也是取決于原型(生產(chǎn)系統(tǒng))與模型(模擬濾池)的相似性。模擬濾池法關于相似性的解釋忽略了實際生產(chǎn)系統(tǒng)中反應池、沉淀池的作用，僅考慮濾池同藥耗的關系。另外，原水加藥后直至經(jīng)過模擬濾池而得到結果，一般需要10 15min，在原水水質(zhì)變化較快的情況下該滯后時間對控制的可靠性有一定的影響。單因子控制方法具有簡單、可靠、靈活的特點，是目前國內(nèi)外廣泛采用的先進混凝控制方法。這種方法是基于流動電流或透光率脈動檢測技術的，其設定值的大小決定了混凝效果。應用實踐表明，在整個工藝過程中，如何在各種變化的水質(zhì)條件下，確定出混凝劑投加量，一直是很難圓滿解決的問題。雖然引入串級控制方式可在一定范圍內(nèi)自動調(diào)整設定值，但當水質(zhì)變化超過一定范圍時，仍然需要有經(jīng)驗的操作人員依據(jù)經(jīng)驗人工修正設定值。此外，還有一些采用各種技術的嘗試。如長沙市水廠在1978年試用了按電導率差值控制投藥的技術。在80年代后期，由于混凝控制技術沒能取得突破，一些引進技術設備、 具有較高自動化程度的水廠，在混凝環(huán)節(jié)仍采用了按流量比例控制等簡易的控制技術，不能隨水質(zhì)變化對投藥量進行自動調(diào)節(jié)，成為水廠控制技術的“瓶頸”。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)及其控制方法，該控制方法融合了圖像分析技術、智能模型分析方法及先進控制技術，以實現(xiàn)混凝投藥的智能優(yōu)化控制。為實現(xiàn)上述目的，所述水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)，包括反饋控制器，原水的水質(zhì)參數(shù)為原始信號，沉后水濁度為第一輸入信號，所述反饋控制器的輸入和輸出分別為第一輸入信號與水濁度設定值的差值、以及第二輸出信號；其特點是所述投藥控制系統(tǒng)還包括，前饋單元，所述前饋單元包括彼此順次連接的水質(zhì)評價器和前饋控制器，所述水質(zhì)評價器的輸入和輸出分別為原始信號和第三輸出信號，所述前饋控制器的輸入包括原始信號和第三輸出信號，前饋控制器的輸出為第一輸出信號；圖像采集處理單元，所述圖像采集處理單元包括彼此順次連接的絮凝體圖像采集器和圖像處理單元，所述絮凝體圖像采集器的輸入和輸出分別為加藥后混合的水和采集到的絮凝體圖像，所述圖像處理單元的輸出為絮凝體的平均等效直徑；以及，決策執(zhí)行單元，所述決策執(zhí)行單元包括順次相連的加藥量修正器和加藥泵電機，所述加藥量修正器的輸入包括第一輸出信號、第二輸出信號和絮凝體的平均等效直徑，加藥量修正器的輸出為加藥泵電機的旋轉(zhuǎn)頻率。優(yōu)選的是，所述反饋控制器為PID反饋控制器。優(yōu)選的是，所述前饋控制器包括BP神經(jīng)網(wǎng)絡模塊和修正模塊，所述修正模塊包括人工修正模塊和系統(tǒng)修正模塊；所述水質(zhì)評價器分別連接BP神經(jīng)網(wǎng)絡模塊、人工修正模塊和系統(tǒng)修正模塊；所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡模塊的輸入和輸出分別為原始信號和第一輸出信號。優(yōu)選的是，所述絮凝體圖像采集器包括箱體，以及彼此平行設置于箱體內(nèi)的LED 組件、漫射板和取樣窗，所述漫射板和取樣窗之間形成出水通道，一減速水泵將加藥后混合的水輸送至所述箱體內(nèi)，所述加藥后混合的水經(jīng)過出水通道排出箱體；并且，所述絮凝體圖像采集器還包括一設置于箱體外的反射鏡和鏡頭，所述反射鏡和鏡頭的設置位置需滿足 LED組件產(chǎn)生的光線順次透過漫射板、出水通道的水和取樣窗，再經(jīng)過所述反射鏡的反射， 被所述鏡頭捕捉。優(yōu)選的是，所述絮凝體圖像采集器還包括用于清潔所述漫射板和水樣取樣窗的清潔刷，所述清潔刷的設置位置需滿足該清潔刷在上下移動的過程中，其左右兩側(cè)同時接觸漫射板和水樣取樣窗。所述水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)的控制方法，包括，反饋控制，在所述反饋控制中，所述第一輸入信號與水濁度設定值的差值輸入至所述反饋控制器中，反饋控制器采用 PID反饋控制消除所述差值，該反饋控制器的輸出為第二輸出信號；前饋控制，在所述前饋控制中，原始信號經(jīng)水質(zhì)評價器的處理形成水質(zhì)綜合評價指標；若該水質(zhì)綜合評價指標為正常時，所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡模塊開始學習訓練，所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡模塊的輸入和輸出分別為原始信號和第一輸出信號；若該水質(zhì)綜合評價指標為異常時，根據(jù)所述人工修正模塊和系統(tǒng)修正模塊進行修正；以及，絮凝體圖像采集分析方法，所述絮凝體圖像采集分析方法為，圖像處理單元對絮凝體圖像采集器采集到的絮凝體圖像進行圖像處理、分析和計算，得到絮凝體的平均等效直徑；將所述第一輸出信號、第二輸出信號和絮凝體的平均等效直徑分別輸入至加藥量修正器，加藥量修正器的輸出為加藥泵電機的旋轉(zhuǎn)頻率，以對所述加藥泵電機進行控制；加藥量修正器的修正模型滿足
權利要求
1.一種水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)，包括反饋控制器，原水的水質(zhì)參數(shù)為原始信號，沉后水濁度為第一輸入信號，所述反饋控制器的輸入和輸出分別為第一輸入信號與水濁度設定值的差值、以及第二輸出信號；其特征在于所述投藥控制系統(tǒng)還包括，前饋單元，所述前饋單元包括彼此順次連接的水質(zhì)評價器和前饋控制器，所述水質(zhì)評價器的輸入和輸出分別為原始信號和第三輸出信號，所述前饋控制器的輸入包括原始信號和第三輸出信號，前饋控制器的輸出為第一輸出信號；圖像采集處理單元，所述圖像采集處理單元包括彼此順次連接的絮凝體圖像采集器和圖像處理單元，所述絮凝體圖像采集器的輸入和輸出分別為加藥后混合的水和采集到的絮凝體圖像，所述圖像處理單元的輸出為絮凝體的平均等效直徑；以及，決策執(zhí)行單元，所述決策執(zhí)行單元包括順次相連的加藥量修正器和加藥泵電機，所述加藥量修正器的輸入包括第一輸出信號、第二輸出信號和絮凝體的平均等效直徑，加藥量修正器的輸出為加藥泵電機的旋轉(zhuǎn)頻率。
2.根據(jù)權利要求1所述的水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)，其特征在于所述反饋控制器為PID反饋控制器。
3.根據(jù)權利要求1所述的水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)，其特征在于所述前饋控制器包括BP神經(jīng)網(wǎng)絡模塊和修正模塊，所述修正模塊包括人工修正模塊和系統(tǒng)修正模塊；所述水質(zhì)評價器分別連接BP神經(jīng)網(wǎng)絡模塊、人工修正模塊和系統(tǒng)修正模塊；所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡模塊的輸入和輸出分別為原始信號和第一輸出信號。
4.根據(jù)權利要求1所述的水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)，其特征在于所述絮凝體圖像采集器包括箱體，以及彼此平行設置于箱體內(nèi)的LED組件、漫射板和取樣窗，所述漫射板和取樣窗之間形成出水通道，一減速水泵將加藥后混合的水輸送至所述箱體內(nèi)，所述加藥后混合的水經(jīng)過出水通道排出箱體；并且，所述絮凝體圖像采集器還包括一設置于箱體外的反射鏡和鏡頭，所述反射鏡和鏡頭的設置位置需滿足LED組件產(chǎn)生的光線順次透過漫射板、出水通道的水和取樣窗，再經(jīng)過所述反射鏡的反射，被所述鏡頭捕捉。
5.根據(jù)權利要求4所述的水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)，其特征在于所述絮凝體圖像采集器還包括用于清潔所述漫射板和水樣取樣窗的清潔刷，所述清潔刷的設置位置需滿足該清潔刷在上下移動的過程中，其左右兩側(cè)同時接觸漫射板和水樣取樣窗。
6.根據(jù)權利要求1所述的水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述前饋控制器包括BP神經(jīng)網(wǎng)絡模塊和修正模塊，所述修正模塊包括人工修正模塊和系統(tǒng)修正模塊；所述水質(zhì)評價器分別連接BP神經(jīng)網(wǎng)絡模塊、人工修正模塊和系統(tǒng)修正模塊；所述控制方法包括，反饋控制，在所述反饋控制中，所述第一輸入信號與水濁度設定值的差值輸入至所述反饋控制器中，反饋控制器采用PID反饋控制消除所述差值，該反饋控制器的輸出為第二輸出信號；前饋控制，在所述前饋控制中，原始信號經(jīng)水質(zhì)評價器的處理形成水質(zhì)綜合評價指標； 若該水質(zhì)綜合評價指標為正常時，所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡模塊開始學習訓練，所述BP神經(jīng)網(wǎng)絡模塊的輸入和輸出分別為原始信號和第一輸出信號；若該水質(zhì)綜合評價指標為異常時，根據(jù)所述人工修正模塊和系統(tǒng)修正模塊進行修正；以及，絮凝體圖像采集分析方法，所述絮凝體圖像采集分析方法為，圖像處理單元對絮凝體圖像采集器采集到的絮凝體圖像進行圖像處理、分析和計算，得到絮凝體的平均等效直徑；將所述第一輸出信號、第二輸出信號和絮凝體的平均等效直徑分別輸入至加藥量修正器，加藥量修正器的輸出為加藥泵電機的旋轉(zhuǎn)頻率，以對所述加藥泵電機進行控制；加藥量修正器的修正模型滿足= 143.6 + 23.154^ + 0.322f/2 + 14.682Φ - 2.8735 * 10"3 U；35 -1.642*10—2f/22 -1.687φ2 其中，fm代表加藥泵電機的旋轉(zhuǎn)頻率^代表第一輸出信號；U2代表第二輸出信號；石代表絮凝體的平均等效直徑。
7.根據(jù)權利要求6所述的水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于所述圖像處理單元對絮凝體圖像采集器采集到的絮凝體圖像進行圖像處理、分析和計算的方法包括，步驟一對采集到的絮凝體圖像進行反相處理； 步驟二 對反相之后的圖像進行Top-hat變換，使圖像的亮度均勻化； 步驟三采用二維Otsu分割方法對變換后的圖像執(zhí)行閾值分割； 步驟四對閾值分割后的圖像進行二值閉運算，將圖像中的小孔洞填補完全，對填補后的結果進行聯(lián)通域的判別，統(tǒng)計圖像背景的直方圖，去除圖像邊界的絮凝體；以及，步驟五計算絮凝體參數(shù)，所述絮凝體參數(shù)包括面積、周長、中空面積和絮凝體長寬比； 根據(jù)否=巧計算出絮凝體的平均等效直徑，其中Φ代表平均等效直徑；①代表第i個絮凝體的等效直徑叫代表等效直徑為Oi的絮凝體個數(shù)；所述第i個絮凝體的等效直徑Φ滿足Μ^1 + ^^] + + -^、] + - 其中，S代表絮凝體的面積；Stl代表絮凝體的中空面積；m代表絮凝體的長寬比；ki、k2、 k3分別代表周長、長寬比、中空面積的折扣系數(shù)，所述ki、k2、k3為O 1的小數(shù)，ki、k2、k3為 O時不打折扣，ki、k2、k3為1時折扣最大。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水廠智能混凝投藥控制系統(tǒng)，其中，原水的水質(zhì)參數(shù)為原始信號，沉后水濁度為第一輸入信號。前饋單元包括順次連接的水質(zhì)評價器和前饋控制器，水質(zhì)評價器的輸入和輸出為原始信號和第三輸出信號，前饋控制器的輸入為原始信號和第三輸出信號，輸出為第一輸出信號。反饋控制器的輸入為第一輸入信號與水濁度設定值的差值，輸出信號為第二輸出信號。圖像采集處理單元包括順次連接的絮凝體圖像采集器和圖像處理單元，圖像處理單元的輸出為絮凝體的平均等效直徑。決策執(zhí)行單元包括順次相連的加藥量修正器和加藥泵電機，加藥量修正器的輸入包括第一輸出信號、第二輸出信號和絮凝體的平均等效直徑，輸出為加藥泵電機的旋轉(zhuǎn)頻率。
文檔編號G05B13/04GK102385315SQ201110257139
公開日2012年3月21日 申請日期2011年9月1日 優(yōu)先權日2011年9月1日
發(fā)明者葉德斌, 吳江, 宛如意, 尚昭琪, 幸敏力, 李曉如, 羅家宏, 陳永灑 申請人:深圳市開天源自動化工程有限公司