摘要：本文提出一种“前馈+模型+反馈”的多参数智能控制模式，根据水质、水量变化自动计算加药量，使水质更稳定，药耗更经济，人工强度更低。
关键词：智能加药；前馈；后馈；模型；高级控制
历年来，水务行业净水厂存在加药系统控制、排泥系统控制、滤池反冲控制等三大控制难点，现阶段并没有非常成熟的控制处理手段，其中加药系统的控制是生产运行的痛点。一是水厂加药（混凝剂投加）是制水工艺中非常关键的一个环节，控制好坏直接影响到出水水质，而出水水质达标是水厂生产运行控制的红线。二是影响因素多、控制困难，源水流量、浊度、温度、PH的变化都会决定加药量的变化。三是反馈滞后，以一个10万吨的平流沉淀池为例经实测加药量变化需经2小时后才能监测到明显的水质变化。
1现状分析
目前，我国各市政自来水净水厂普遍采用絮凝沉淀净水工艺，即源水加絮凝剂后使其充分混凝，经过一段时间后使混凝物在预沉沉淀池沉淀，以此去除水中颗粒、悬浮物和胶体物质，絮凝剂一般采用聚合氯化铝（PAC）。国内净水厂混凝剂投加通常采用定值比例投加方式，即高级技工根据源水流量和浊度决定按比例投加一定量并且多数较为富余的混凝剂，当水量和浊度无明显变化时，长时间以此投加量来加药，当流量或者浊度发生变化时，又根据经验重新判断一个投加量。以上投加方式取决于有一套完善的计量投加设备，能够较为精确的控制投加量，并且控制系统根据PAC的配比浓度，主要结合源水流量和一定区间浊度，能够给出一个基本的投加建议值，高级技工根据建议值并结合实际的流量、浊度、温度等参数，适当修正判断，输入最终的投加值。
2存在问题
尽管以上投加方式已经实现了半自动化，并且依赖精确投加设备有一定的投加可靠性，但仍然存在一些问题。（1）水质稳定性差，依赖人工经验投加，控制及时性差，连续性不强，而源水参数（流量、浊度、温度、PH）是实时的连续变化的，投加量应该是一个实时跟随变化的值，特别是暴雨等导致水质突变时，往往人工反应比较滞后，有水质安全隐患。（2）投加精确性差，净水厂以水质达标为最根本的考核点，往往生产人员会在一个适配投加值基础上上浮一定比列盲投，充分保证水质安全，但同时也增加了药耗成本。（3）人工强度大，人工投加的条件就是实时观察源水水质水量的变化，并及时做出调整，修正投加值，这对运行人员要求极高。
3解决方案
鉴于以上问题并结合我们已经获得的宝贵运行经验，现提出一种结合多参数自动控制的水厂混凝剂投加系统解决方案。针对自来水处理过程中混凝剂投加量依靠经验判断、投加过程依赖人工干预、投加精确性差等特点，混凝剂投加控制系统采用“前馈+模型+反馈”的多参数控制模式，综合考虑进出水水量、浊度、混凝剂投加种类及浓度、混凝剂投加点搅拌强度、温度、pH等影响因素，采用人工神经网络方法建立精确的加药量计算数学模型，将在线仪表数据作为模型的输入参数，实时计算混凝剂投加量，引入模型预测控制（ModelPredictiveControl）策略，控制加药泵（组）的启/停、运行负荷的变化，实现“按需供药”。当有多个投加点时，系统可通过控制加药管路的支管阀门开度，实现不同加药点投加量的合理分配。预计混凝剂投加控制系统可以为自来水厂混凝剂投加环节带来以下效益：（1）实现混凝剂加药过程的精细化控制，减少人工操作强度；（2）实现混凝剂加药量的精细化控制，稳定出水浊度；（3）预计可节省5%～15%的混凝剂药剂投加量。混凝剂投加控制系统原理：混凝剂投加控制系统采用“前馈+模型+反馈”的多参数控制模式，控制原理如图1所示。混凝剂投加控制系统综合考虑进出水水量、浊度、混凝剂投加种类及浓度、混凝剂投加点搅拌强度、温度、pH等影响因素，采用“前馈+模型+反馈”的多参数控制模式，通过建立精准的药剂投加量数学模型，根据药剂浓度以及稀释比例，实时计算出某一特性浓度的混凝剂投加量，并将需药量信号发送至加药泵主控柜MCP，一方面，控制清水泵（组）对药剂进行稀释，满足混凝剂投加浓度要求；另一方面，调控药剂投加泵（组）的运行负荷，调节总加药量，实现按需供药。同时，通过加药管路上阀门开度的调控，来实现不同加药点药剂投加量的合理分配，从而实现药剂投加的精细化控制。为了降低混凝沉淀的非线性、大时滞对混凝剂投加控制系统控制性能的影响，引入了模型预测控制（ModelPredictiveControl，MPC）对混凝剂投加进行控制，提升了控制性能，实现混凝剂投加的精细化控制。
3.1数据预处理模块
自来水厂的设备、在线仪表经常处于严峻的工况环境下，信号传输过程中受到各种干扰，造成信号传输不准确，严重者甚至造成在线信号无法使用，这样的信号将无法被直接采用。混凝剂投加控制系统中，特别设计了常见在线仪表的数据处理策略，将利用数据清洗把“脏数据、坏数据”清理掉，给我们提供可利用且高质量的数据。
3.2加药量在线计算模块
混凝剂投加去除浊度的过程涉及到物理、化学、流体力学等多种过程共同作用，受到进水水量、浊度、混凝剂投加种类及浓度、混凝剂投加点搅拌强度、温度、pH等多种因素的影响，因此混凝剂投加量的计算需要综合考虑多种因素，建立基于机理的加药量“白盒”模型带来的技术难度大，即使将某几个因素考虑在内建立的半机理模型，也存在计算精度低、准确性差等缺点，并且机理模型参数的测量、校正都存在不确定性。为了克服基于反应机理建建立“白盒”的缺点及技术难度，建议采用基于神经网络的建模方式，建立综合多种参数影响下计算加药量的“黑盒模型”。如图2所示。
3.3药剂投加泵（组）控制模块
控制原理：系统根据药剂浓度以及稀释比例，实时计算出某一特性浓度的混凝剂投加量，将计算得到的需药量信号发送至加药泵主控柜MCP，利用加药泵控制模块调控药剂投加泵（组）的运行负荷，调节加药量。加药泵组控制策略：以加药量计算模型为核心，综合考虑长时滞性因素（水力停留时间、矾花形成时间、颗粒物沉降）和短时滞性因素（温度、加药量、PH值），引入模型预测控制技术，采用多步预测、滚动优化和反馈校正等策略，实现控制过程中实时预测下一个时段（分钟、小时）控制参数的变化趋势，对控制策略进行优化调整，从而提高控制系统的鲁棒性和控制精度。
3.4数据信号要求
进水区：进水流量、进水浊度、进水温度。加药泵（组）：加药泵组出口流量、加药泵组出口压力、加药泵组变频反馈混凝沉淀池沉后水浊度、液位、PH。
4预期效果
预计混凝剂投加控制系统可以为自来水厂混凝剂投加环节带来以下效益：（1）实现混凝剂加药过程的精细化控制，减少人工操作强度、避免人工操作失误。（2）实现混凝剂加药量的精细化控制，稳定出水浊度，提高控制的精确性、及时性、稳定性。（3）保证水质安全的前提下，提高药耗的经济性。
5结语
在当今大数据时代，水务行业在发展的同时也在反思中改进，紧紧跟随着时代的潮流，越老越重视数据挖掘和信息化技术的利用，大力发展智能水厂和智慧水务，助力产业升级。智能加药作为构建智能水厂关键和不可缺少的一环，现目前尽管有些瓶颈，但最终全面实现净水厂智能投加只是一个时间问题。
参考文献
[1]叶鹤峰.水厂加药自动控制系统的设计与应用[J].工程技术：全文版,2016(6):00281.
[2]郭辉,赵毅.关于自动加药系统在净配水厂的应用[J].科技信息,2013(35):285-286.
[3]牟萍.水厂加药自动控制的探索与实践[J].工业控制计算机,2012,25(10):61-62.
作者：卢友杰 单位：重庆远通电子技术开发有限公司