CN112759118A - 一种水厂加药集成系统和加药方法 - Google Patents

一种水厂加药集成系统和加药方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水厂加药集成系统，包括次氯酸钠投加模块、混凝剂储药模块、投药计量泵模块和控制柜模块；所述次氯酸钠投加模块和混凝剂储药模块分别与投药计量泵模块中对应的投药计量泵相连；所述控制柜模块分别与次氯酸钠投加模块、投药计量泵模块和混凝剂储药模块相连；所述控制柜模块包括AI算法单元和PLC控制单元，所述PLC控制单元用于采集进出水流量和水质数据，所述AI算法单元根据采集到的进出水流量和水质数据计算药剂的投加量并传输至PLC控制单元，所述PLC控制单元根据药剂的投加量控制所述次氯酸钠投加模块和混凝剂储药模块对应的投药计量泵进行投药。本发明还涉及一种加药方法，通过智能算法实现药量的精确添加。

Description

一种水厂加药集成系统和加药方法
技术领域
本发明涉及水厂净水技术领域，特别是涉及一种水厂加药集成系统和加药方法。
背景技术
供水是民生大计，水资源日渐紧张，水处理日益紧迫。水厂日渐普及，从一线城市到中小型县城，村镇基本都有自己的水厂，但是我国水厂的自动化起步较晚，很多地区尤其是一些偏远地区水厂自动化程度较低，出水水质不能保证。
现在出现了很多自动化水厂，可以实现无人管理模式，有一些水厂安装了自动化监测控制系统，并且自动化程度很全面，单从控制投药消毒的方面来看，系统还是比较复杂的，尤其当加药种类较多的时候，会发现每台加药设备都有自己的控制箱，操作起来十分繁琐，甚至还要另外加控制柜去联动多台加药设备，占地空间大；并且这些自动化水厂加药量很多是以现场的经验判断，并没有办法保证水质的稳定性，这些模式耗费人工且控制分散叠加造成不必要的成本。为了降低复杂程度，最近几年出现了一些集成式水厂，占地空间小、集成度高且自动化程度高，但是仍然需要各种控制箱形成的一个庞大的控制系统，在有限的空间范围内，这些控制箱的设置较为繁琐和分散。针对水厂自动化控制系统在保证水质精准投药的情况下，优化为集成式智能化控制是十分必要的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种水厂加药集成系统和加药方法，通过AI算法单元实现全自动智能精准投药。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种水厂加药集成系统，包括次氯酸钠投加模块、混凝剂储药模块、投药计量泵模块和控制柜模块；所述次氯酸钠投加模块和混凝剂储药模块分别与所述投药计量泵模块中对应的投药计量泵相连；所述控制柜模块分别与所述次氯酸钠投加模块、投药计量泵模块和混凝剂储药模块相连；所述控制柜模块包括AI算法单元和PLC控制单元，所述PLC控制单元用于采集进出水流量和水质数据，所述AI算法单元根据采集到的进出水流量和水质数据计算药剂的投加量并传输至PLC控制单元，所述PLC控制单元根据得到的药剂的投加量控制所述次氯酸钠投加模块和混凝剂储药模块对应的投药计量泵进行投药。
所述次氯酸钠投加模块包括依次连接的软水器、浓盐酸罐、次氯酸钠发生器和第一储药罐；所述软水器用于使水软化，所述浓盐酸罐中的浓盐水被软化后的水稀释成稀盐水后送入至所述氯酸钠发生器中，所述氯酸钠发生器将生成的次氯酸钠溶液输送至所述第一储药罐中。
所述混凝剂储药模块包括第一自动加料机、第二储药罐和设置在所述第二储药罐中的第一搅拌电机。
所述水厂加药集成系统还包括与所述投药计量泵模块和控制柜模块分别相连的助凝剂储药模块，所述助凝剂储药模块包括第二自动加料机、第三储药罐和设置在所述第三储药罐中的第二搅拌电机。
所述第一自动加料机和第二自动加料机均设置有药料低位传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种加药方法，采用上述水厂加药集成系统，包括：
步骤(1)：通过所述PLC控制单元获取进水总流量Q1，根据第一目标函数设置预消毒溶液的添加量Q2；通过所述AI算法单元建立关于所述进水总流量Q1和预消毒溶液的添加量Q2的第一多元线性回归模型，根据所述第一多元线性回归模型计算所述次氯酸钠投加模块对应的预消毒溶液的添加量Q2；
步骤(2)：根据第二目标函数设置絮凝剂溶液的添加量Q3，通过所述AI算法单元建立关于所述进水总流量Q1和絮凝剂溶液的添加量Q3的第二多元线性回归模型，根据所述第二多元线性回归模型计算所述混凝剂储药模块和助凝剂储药模块对应的絮凝剂溶液的添加量Q3；
步骤(3)：通过所述PLC控制单元获取清水池进水流量Q4，根据第三目标函数设置二次消毒溶液的添加量Q5；通过所述AI算法单元建立关于所述清水池进水流量Q4和二次消毒溶液的添加量Q5的第三多元线性回归模型，根据所述第三多元线性回归模型计算所述次氯酸钠投加模块对应的二次消毒溶液的添加量Q5；
步骤(4)根据所述第一多元线性回归模型、第二多元线性回归模型和第三多元线性回归模型生成各自对应的加药曲线，并根据各自对应的加药曲线来投加药量。
所述步骤(1)中根据第一目标函数设置预消毒溶液的添加量Q2，公式为：
Figure BDA00028483570700000313
其中，第一目标函数的公式为：
Figure BDA0002848357070000031
Δf()为映射函数，Zset为预消毒后的沉淀池中出水浊度的设定值，
Figure BDA0002848357070000032
为预消毒后的沉淀池中下时刻出水浊度值，F1(,)为第一多元线性回归模型，Q2为预消毒溶液的添加量；Q1为进水总流量；θ1为基于进料量Q2和进水量Q1的第一偏回归系数；
Figure BDA0002848357070000033
为第一随机误差。
所述步骤(2)中根据第二目标函数设置絮凝剂溶液的添加量Q3，公式为：
Figure BDA0002848357070000034
其中，第二目标函数的公式为：
Figure BDA0002848357070000035
Δf()为映射函数，Xset为添加絮凝剂溶液后的出水浊度的设定值，
Figure BDA0002848357070000036
为添加絮凝剂溶液后的下时刻出水浊度值，F2(,)为第二多元线性回归模型，Q3为絮凝剂溶液的添加量；Q1为进水总流量；θ2为基于进料量Q3和进水量Q1的第二偏回归系数；
Figure BDA0002848357070000037
为第二随机误差。
所述步骤(3)中根据第三目标函数设置二次消毒溶液的添加量Q5，公式为：
Figure BDA0002848357070000038
其中，第三目标函数公式为
Figure BDA0002848357070000039
Δf()为映射函数，Y1为二次消毒后的清水池下时刻的余氯值，F3(,,)为第三多元线性回归模型，Q4为清水池进水流量，
Figure BDA00028483570700000310
为水质余氯值；θ3为基于水质余氯值
Figure BDA00028483570700000311
和清水池进水流量Q4的第三偏回归系数；
Figure BDA00028483570700000312
为第三随机误差。
所述步骤(2)中的絮凝剂溶液的添加量Q3包括混凝剂溶液的添加量和助凝剂溶液的添加量。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明提供的水厂加药集成系统能够实现自动加料，人工加料频率降低，有效降低人工成本；本发明通过AI算法单元实现全自动智能精准投药，保证加药量刚好能满足水体净化的要求，使水质有保障；本发明中的投药计量泵模块中的投药计量泵均为一用一备，保证加药稳定不间断，安装灵活，便于空间布置；本发明具有较好的通用性，根据现场水质情况和自来水产量可设置加药种类和加药量。
附图说明
图1是本发明实施方式的水厂加药集成系统示意图；
图2是本发明实施方式的控制柜模块的工作原理示意图；
图3是本发明实施方式的水厂净水工艺过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种水厂加药集成系统，如图1和图2所示，包括次氯酸钠投加模块1、混凝剂储药模块3、投药计量泵模块2、控制柜模块5、门禁6和药料储放区域7；所述次氯酸钠投加模块1包括依次连接的软水器101、浓盐酸罐103、次氯酸钠发生器100和第一储药罐102；所述软水器101用于除掉钙镁离子使水软化，并将软化后的水来稀释所述浓盐酸罐103中的浓盐水以产生稀盐水，再将稀盐水输送入至所述氯酸钠发生器100的电解槽内，所述氯酸钠发生器100将生成的次氯酸钠溶液输送至所述第一储药罐102中；所述混凝剂储药模块3包括第一自动加料机105、第二储药罐和设置在所述第二储药罐中的第一搅拌电机104；所述次氯酸钠投加模块1和混凝剂储药模块3分别与所述投药计量泵模块2中对应的投药计量泵相连；所述控制柜模块5分别与所述次氯酸钠投加模块1、投药计量泵模块2和混凝剂储药模块3相连；所述控制柜模块5包括AI算法单元和PLC控制单元，所述PLC控制单元用于采集进出水流量和水质数据，所述AI算法单元根据采集到的进出水流量和水质数据计算药剂的投加量并传输至PLC控制单元，所述PLC控制单元根据得到的药剂的投加量控制所述次氯酸钠投加模块1和混凝剂储药模块3对应的投药计量泵进行投药。
进一步地，根据取水源的水质检测报告设计不同的净水工艺，水质较差的水源需要进行预消毒、投加混凝剂、投加助凝剂和二次消毒等步骤；常规水质的水源可去除投加助凝剂的步骤。故当水质较差时，所述水厂加药集成系统还包括与所述投药计量泵模块2和控制柜模块5分别相连的助凝剂储药模块4，当取水源的水质较差时，需要依靠助凝剂来帮助絮凝；当取水源的水质较好时，则可以取消助凝剂储药模块4；所述助凝剂储药模块4包括第二自动加料机107、第三储药罐和设置在所述第三储药罐中的第二搅拌电机106。
进一步地，次氯酸钠投加模块1、混凝剂储药模块3和助凝剂储药模块4对应的投药计量泵均设置有两台，一用一备，便于定时切换。
如图2和图3所示，控制柜模块5的工作原理具体为：当水厂需要运行时，工作人员将药料一次性加到第一自动加料机105和第二自动加料机107中，控制柜模块5的显示屏上显示有PLC控制单元采集的第一储药罐102、第二储药罐和第三储药罐各自的容积等参数。当水厂开始工作时，通过PLC控制单元采集进出水流量值，以及进出水的相关水质参数，水质参数包括余氯值、浊度值、PH值、COD值和UV254值等参数；PLC控制单元将采集到的进出水流量值和水质参数值传送给AI算法单元，由AI算法单元计算出未来一段时间内的投加药量。AI算法单元还用于计算第一自动加料机105输送对应药料的速度，配合第一搅拌电机104使药料充分溶解；AI算法单元还用于计算控制第二自动加料机107输送对应药料的速度，配合第二搅拌电机106使药料充分溶解；AI算法单元还控制需要人工添加药剂的时间等。通过AI算法单元计算得到的数据会通过PLC控制单元控制对应的投药计量泵进行自动精准投药，保证出厂水质在国家标准范围内。所述第一自动加料机105和第二自动加料机107均设置有药料低位传感器，当检测到低位时，控制柜模块5会报警并上传数据通知工作人员及时加料，若出现药料不及时输送的情况，控制柜模块5可以临时紧急停止制水来保证后续水质，以免未加药的污水进入沉淀池和过滤池，污染相关设备。
本发明还涉及一种加药方法，通过AI算法单元实现，具体包括以下步骤：
步骤(1)：通过所述PLC控制单元获取进水总流量Q1，根据第一目标函数设置预消毒溶液的添加量Q2；通过所述AI算法单元建立关于所述进水总流量Q1和预消毒溶液的添加量Q2的第一多元线性回归模型，根据所述第一多元线性回归模型计算所述次氯酸钠投加模块(1)对应的预消毒溶液的添加量Q2。
进一步地，所述步骤(1)中根据第一目标函数设置预消毒溶液的添加量Q2，公式为：
Figure BDA0002848357070000061
其中，第一目标函数的公式为：
Figure BDA0002848357070000062
Δf()为映射函数，Zset为预消毒后的沉淀池中出水浊度的设定值，
Figure BDA0002848357070000063
为预消毒后的沉淀池中下时刻出水浊度值，F1(,)为第一多元线性回归模型，Q2为预消毒溶液的添加量；Q1为进水总流量；θ1为基于进料量Q2和进水量Q1的第一偏回归系数；
Figure BDA0002848357070000064
为第一随机误差。
步骤(2)：根据第二目标函数设置絮凝剂溶液的添加量Q3，通过所述AI算法单元建立关于所述进水总流量Q1和絮凝剂溶液的添加量Q3的第二多元线性回归模型，根据所述第二多元线性回归模型计算所述混凝剂储药模块(3)和助凝剂储药模块(4)对应的絮凝剂溶液的添加量Q3。
进一步地，所述步骤(2)中根据第二目标函数设置絮凝剂溶液的添加量Q3，公式为：
Figure BDA0002848357070000065
其中，第二目标函数的公式为：
Figure BDA0002848357070000066
Δf()为映射函数，Xset为添加絮凝剂溶液后的出水浊度的设定值，
Figure BDA0002848357070000067
为添加絮凝剂溶液后的下时刻出水浊度值，F2(,)为第二多元线性回归模型，Q3为絮凝剂溶液的添加量；Q1为进水总流量；θ2为基于进料量Q3和进水量Q1的第二偏回归系数；
Figure BDA0002848357070000068
为第二随机误差。最佳的预消毒液投加量，可以使得混凝之后的出水浊度最大程度的降低。
所述步骤(2)中的絮凝剂溶液的添加量Q3包括混凝剂溶液的添加量和助凝剂溶液的添加量。
步骤(3)：通过所述PLC控制单元获取清水池进水流量Q4，根据第三目标函数设置二次消毒溶液的添加量Q5；通过所述AI算法单元建立关于所述清水池进水流量Q4和二次消毒溶液的添加量Q5的第三多元线性回归模型，根据所述第三多元线性回归模型计算所述次氯酸钠投加模块(1)对应的二次消毒溶液的添加量Q5。
进一步地，所述步骤(3)中根据第三目标函数设置二次消毒溶液的添加量Q5，公式为：
Figure BDA0002848357070000071
其中，第三目标函数公式为
Figure BDA0002848357070000072
Δf()为映射函数，Y1为二次消毒后的清水池下时刻的余氯值，F3(,,)为第三多元线性回归模型，Q4为清水池进水流量，
Figure BDA0002848357070000073
为水质余氯值；θ3为基于水质余氯值
Figure BDA0002848357070000074
和清水池进水流量Q4的第三偏回归系数；
Figure BDA0002848357070000075
为第三随机误差。所述第三目标函数可以理解为：以清水出厂后30分钟余氯值不低于0.3ml/L而添加的二次消毒溶液。
步骤(4)：根据所述第一多元线性回归模型、第二多元线性回归模型和第三多元线性回归模型生成各自对应的加药曲线，并根据各自对应的加药曲线来投加药量。
下面以常规水质常规工艺(只添加混凝剂和消毒剂)为例，对本实施方式的实际工作情况进行详细说明：
(1)在所述浓盐酸罐103、第一自动加料机105和第二自动加料机107的上方分别设置有自动加药器容器，每个自动加药器容器靠近底部的位置都设有红外传感器，人工加料加满一次，在控制柜模块5的显示屏上会显示混凝剂和消毒剂的液位，AI算法单元通过计算输出指令给PLC控制单元，进而控制每个自动加药器容器进行加药；
(2)当检测到第一自动加料机105的自动加药器容器中的固体药剂接近低位时，红外传感器给出信号传回PLC控制单元，加料报警信号由物联网无线终端发射器上传服务器通知工作人员加料。人工加料时也不需要手动搅拌，搅拌由第一自动加料机105和第一搅拌电机104配合控制，该过程与加药过程相互独立，节省人工时间。
(3)第一储药罐102和第二储药罐中的药液浓度调节到水厂所需标准后，待接收到进水流量信号后通过对应的投药计量泵自动开始投药，投药量是由AI算法单元运用大数据分析技术和人工智能算法根据PLC控制单元采集的水流量数据和水质参数计算得到，AI算法单元再将投药量的指令发送给PLC控制单元，由PLC控制单元控制投药计量泵模块2投加药剂进入水路管道中，及时保证净水所需的相关精准药剂量，提高净水效率保证出厂水质。
(4)投药计量泵模块2中的投药计量泵均设置为一用一备，定时切换，每台投药计量泵安装有过滤器、背压阀、缓冲器、手动阀等设备；可以根据空间布局灵活摆放在第一储药罐102和第二储药罐的边上，也可以集中在一起，只要保证第一储药罐102和第二储药罐边上预留储药孔，按需求接上即可。
(5)控制柜模块5包括PC机(AI算法单元)、PLC控制单元和人机交互界面；所有的传感器数据全部接入PLC控制单元，并将数据传递给AI算法单元，根据PLC控制单元提供的参数信息计算出混凝剂溶液投加量，以及次氯酸钠消毒液投加量，并发送指令给PLC控制单元，PLC控制单元根据系统的需求，控制投药计量泵模块2投加药剂溶液的时间和药量，确保加药稳定，药量精准。
由此可见，本发明提供的水厂加药集成系统能够实现自动加料，人工加料频率降低，有效降低人工成本；本发明通过AI算法单元实现全自动智能精准投药，保证加药量刚好能满足水体净化的要求，使水质有保障。

Claims (10)

1.一种水厂加药集成系统，其特征在于，包括次氯酸钠投加模块(1)、混凝剂储药模块(3)、投药计量泵模块(2)和控制柜模块(5)；所述次氯酸钠投加模块(1)和混凝剂储药模块(3)分别与所述投药计量泵模块(2)中对应的投药计量泵相连；所述控制柜模块(5)分别与所述次氯酸钠投加模块(1)、投药计量泵模块(2)和混凝剂储药模块(3)相连；所述控制柜模块(5)包括AI算法单元和PLC控制单元，所述PLC控制单元用于采集进出水流量和水质数据，所述AI算法单元根据采集到的进出水流量和水质数据计算药剂的投加量并传输至PLC控制单元，所述PLC控制单元根据得到的药剂的投加量控制所述次氯酸钠投加模块(1)和混凝剂储药模块(3)对应的投药计量泵进行投药。
2.根据权利要求1所述的水厂加药集成系统，其特征在于，所述次氯酸钠投加模块(1)包括依次连接的软水器(101)、浓盐酸罐(103)、次氯酸钠发生器(100)和第一储药罐(102)；所述软水器(101)用于使水软化，所述浓盐酸罐(103)中的浓盐水被软化后的水稀释成稀盐水后送入至所述氯酸钠发生器(100)中，所述氯酸钠发生器(100)将生成的次氯酸钠溶液输送至所述第一储药罐(102)中。
3.根据权利要求1所述的水厂加药集成系统，其特征在于，所述混凝剂储药模块(3)包括第一自动加料机(105)、第二储药罐和设置在所述第二储药罐中的第一搅拌电机(104)。
4.根据权利要求1所述的水厂加药集成系统，其特征在于，所述水厂加药集成系统还包括与所述投药计量泵模块(2)和控制柜模块(5)分别相连的助凝剂储药模块(4)，所述助凝剂储药模块(4)包括第二自动加料机(107)、第三储药罐和设置在所述第三储药罐中的第二搅拌电机(106)。
5.根据权利要求3或4所述的水厂加药集成系统，其特征在于，所述第一自动加料机(105)和第二自动加料机(107)均设置有药料低位传感器。
6.一种加药方法，其特征在于，采用如权利要求1-5中任一所述水厂加药集成系统，包括：
步骤(1)：通过所述PLC控制单元获取进水总流量Q1，根据第一目标函数设置预消毒溶液的添加量Q2；通过所述AI算法单元建立关于所述进水总流量Q1和预消毒溶液的添加量Q2的第一多元线性回归模型，根据所述第一多元线性回归模型计算所述次氯酸钠投加模块(1)对应的预消毒溶液的添加量Q2；
步骤(2)：根据第二目标函数设置絮凝剂溶液的添加量Q3，通过所述AI算法单元建立关于所述进水总流量Q1和絮凝剂溶液的添加量Q3的第二多元线性回归模型，根据所述第二多元线性回归模型计算所述混凝剂储药模块(3)和助凝剂储药模块(4)对应的絮凝剂溶液的添加量Q3；
步骤(3)：通过所述PLC控制单元获取清水池进水流量Q4，根据第三目标函数设置二次消毒溶液的添加量Q5；通过所述AI算法单元建立关于所述清水池进水流量Q4和二次消毒溶液的添加量Q5的第三多元线性回归模型，根据所述第三多元线性回归模型计算所述次氯酸钠投加模块(1)对应的二次消毒溶液的添加量Q5；
步骤(4)根据所述第一多元线性回归模型、第二多元线性回归模型和第三多元线性回归模型生成各自对应的加药曲线，并根据各自对应的加药曲线来投加药量。
7.根据权利要求6所述的加药方法，其特征在于，所述步骤(1)中根据第一目标函数设置预消毒溶液的添加量Q2，公式为：
Figure FDA0002848357060000021
其中，第一目标函数的公式为：
Figure FDA0002848357060000022
Δf()为映射函数，Zset为预消毒后的沉淀池中出水浊度的设定值，
Figure FDA0002848357060000023
为预消毒后的沉淀池中下时刻出水浊度值，F1(,)为第一多元线性回归模型，Q2为预消毒溶液的添加量；Q1为进水总流量；θ1为基于进料量Q2和进水量Q1的第一偏回归系数；
Figure FDA0002848357060000025
为第一随机误差。
8.根据权利要求6所述的加药方法，其特征在于，所述步骤(2)中根据第二目标函数设置絮凝剂溶液的添加量Q3，公式为：
Figure FDA0002848357060000026
其中，第二目标函数的公式为：
Figure FDA0002848357060000024
Δf()为映射函数，Xset为添加絮凝剂溶液后的出水浊度的设定值，
Figure FDA0002848357060000031
为添加絮凝剂溶液后的下时刻出水浊度值，F2(,)为第二多元线性回归模型，Q3为絮凝剂溶液的添加量；Q1为进水总流量；θ2为基于进料量Q3和进水量Q1的第二偏回归系数；
Figure FDA0002848357060000032
为第二随机误差。
9.根据权利要求6所述的加药方法，其特征在于，所述步骤(3)中根据第三目标函数设置二次消毒溶液的添加量Q5，公式为：
Figure FDA0002848357060000033
其中，第三目标函数公式为
Figure FDA0002848357060000034
Δf()为映射函数，Y1为二次消毒后的清水池下时刻的余氯值，F3(,,)为第三多元线性回归模型，Q4为清水池进水流量，
Figure FDA0002848357060000035
为水质余氯值；θ3为基于水质余氯值
Figure FDA0002848357060000036
和清水池进水流量Q4的第三偏回归系数；
Figure FDA0002848357060000037
为第三随机误差。
10.根据权利要求6所述的加药方法，其特征在于，所述步骤(2)中的絮凝剂溶液的添加量Q3包括混凝剂溶液的添加量和助凝剂溶液的添加量。
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