磁分离药剂智能投加控制系统设计与应用

黄光华，王哲晓，肖 波，杨治清，吉青青，杨 涛

(中建环能科技股份有限公司，四川 成都 610045)

磁分离水处理技术以投加药剂的方式实现水质净化，投加的介质包括混凝剂、助凝剂和磁种，混凝剂使得水体中的胶体脱稳，在助凝剂的网捕作用下形成以磁种为“核”的磁性絮体，然后通过磁场作用力实现快速分离。由于进水存在一定的波动性，如何让药剂更加准确投放，既不影响出水水质，又不浪费药剂，成为当前的研究热点。目前，工程应用均采用手动调节方式，参考依据主要为进水水质、出水要求和经验数据。通常为了获得理想的出水水质，会采取过量投加的方式，这使得药剂存在浪费和残留的风险。因此，应从药剂投加的控制方法和水质监测仪表的选择入手，合理设计PID(proportion，integral，differential)水质闭环控制系统，开展磁分离药剂智能控制系统设计与研究，从而达到低成本、高效率、智能化的目的[1]。

1 药剂投加控制方法设计

药剂投加控制方法较多，常见的控制方法有烧杯试验法、经验投加法、数值模拟法、PID闭环控制法等。这几种控制方法的优缺点见表1。

表1 控制方法对比表

2 在线检测仪表设计

2.1 水质检测仪表

要实现药剂的自动控制，离不开各种在线检测仪表，而仪表的稳定性、连续性、可靠性尤其关键。在线仪表有流动电流检测仪、透光率脉动检测仪、在线pH仪、在线悬浮物检测仪/在线浊度仪等[2-4]，它们的优缺点见表2。

表2 仪表对比表

浊度是表征水质的重要参数，能够直观表示水质感观的差异，低浊度意味着水体透明，水质较好。在线浊度仪可提供稳定、连续、及时的信号且成本较低，因此得到了广泛应用。本文将浊度作为水质控制目标，选择具有自动清洗功能的在线浊度仪作为水质检测仪表检测系统进出水参数。进水浊度参数作为计算初始加药量的重要依据，结合进水流量可以计算系统初始加药量；出水浊度参数作为PID控制系统反馈量，通过PID控制算法调整系统加药量[5]。

2.2 电磁流量计

基于法拉第电磁感应定律的电磁流量计应用广泛，可以设计成多种形式，其中法兰式电磁流量计作为水处理常用流量计，具备安装方便、结构紧凑、测量准确、信号传输稳定等优点。在系统中，流量计检测进水流量，作为系统计算加药量的基础参数。

2.3 图像处理系统

图像处理系统由工业摄像机和图像处理软件组成，在系统中主要用于絮凝效果的拍摄和分析，分析结果作为加药量控制调节和絮凝体去除能力的判定依据，图像处理系统可以提高生产的柔性和自动化程度。

3 磁分离智能控制系统设计

3.1 磁分离反馈自控系统设计

磁分离水处理系统中药剂投加是最重要的一环。将进水流量、进水浊度、出水浊度数据实时传输到可编程逻辑控制器(PLC)，根据磁分离系统投药量的模拟计算，对进、出水浊度在线检测值与设定值进行比较，将比较结果经PLC输出为控制信号，PLC发出的控制信号控制混凝剂加药泵、助凝剂加药泵及磁种投加泵的频率，从而实现药剂随水质、水量的变化自动投加。其控制系统结构图如图1所示。

图1 磁分离反馈控制系统结构图

3.2 磁分离系统PID控制器设计

目前，PID控制是一种应用最为广泛的控制系统，通过给定与反馈信号的偏差进行比例(P)、积分(I)和微分(D)运算控制。其PID运算公式为：

(1)

式中：Ge(s)为传递函数，其中e为偏差；s为时间，s；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td为微分时间常数；Ki为积分系数，Ki=Kp/Ti；Kd为微分系数，Kd=KpTd。

PID控制器在不同环节中可实现不同的功能。在PID控制中，比例控制是最基本的控制，为切实满足控制指标的各种实际要求，需要结合现实情况将积分控制或微分控制引入到系统中。当前常用的控制方式主要有比例-积分控制、比例-微分控制等[6]。

本文方案中PID控制系统实际上使用的是一个单闭环反馈的PID调节控制方法，其原理如图2所示。

图2 PID控制原理图

图中：SP为出水浊度设定值；PV为浊度实测值；ε1为实测值与设定值ε的偏差，也就是ε1=PV-SP。用于PID指令的方程式实际上是一个能够自行选择独立增益或相关增益的位置方程，本文选择的是独立增益，它的比例、积分、微分只对其相匹配的分项产生影响，具体公式如下：

(2)

式中：CV为PID控制的输出；E为输入后的语言变量；BIAS为输出偏差；KP为比例增益；KI为积分增益；KD为微分增益。KP，KI，KD3个参数在设置时以PID指令为主要依据。

3.3 图像处理系统的设计

目前，对判断絮体类型的方法研究不多，其中采用颗粒影像法(即通过高清摄像头实时拍摄磁性絮体生长情况)能直观评判絮体生长的好坏，但是由于摄像头所处环境复杂，会受到周围噪声、粉尘、潮气等影响，因此传输出来的图像需要进行增益和去噪。高质量的图片是能够实现图像精准识别的基础[7]。由于高清摄像头拍摄的图像数据量大，若直接进行图像计算，其处理速度将会变得极为缓慢。因此对于磁性絮体图像来说，为了压缩特征计算速度和处理时间，图像灰度化是十分必要的。磁性絮体原始图经最值法、均值法、加强均值法灰度化处理后的效果如图3所示。

图3 磁性絮体图像灰度化

1)最值法，即按照图像某位置像素的RGB三分量中最大值作为当前像素的灰度值：

G(x,y)=max(R,G,B)

(3)

式中：G(x,y)为某图像像素位置的灰度值，其中(x,y)为某图像像素位置；R为红色(Red)灰度值；G为绿色(Green)灰度值；B为蓝色(Blue)灰度值。

2)均值法，平均值是将图像某位置像素的RGB三分量求和后再求三者平均值，作为当前像素的灰度值：

G(x,y)=(R,G,B)/3

(4)

3)加强均值法，图像某位置像素按照RGB三分量加权求和作为当前像素灰度。其中人类眼睛对绿色的敏感度最高、对蓝色的敏感度最低，所以加权平均值的数学表达式为：

G(x,y)=0.114B+0.587G+0.299R

(5)

3.4 智能控制系统硬件设计

磁分离智能控制系统的硬件主要由PLC、工控机、执行机构以及人机接口单元等几部分组成。

1)PLC。

从系统特点以及PLC功能匹配性方面考虑，本文选用的型号为西门子S7-1200。该型号PLC能够满足自动化工程各种场合中的检测、监测和控制需求，易于实现分布式的配置，具有良好的可扩展性以及强大的指令功能，可以应用在复杂的自动化控制系统中。这使得它在很多领域中实施各种控制任务时，成为一种既经济又切合实际的解决方案。

2)工控机。

由于现场环境较为复杂，图像的采集和处理对CPU要求高，因而选择工业控制计算机(工控机)作为上位机。在本文设计的系统中，工控机用于对生产过程的絮凝效果图像进行采集、处理和分析，对其他数据进行采集处理和分析，控制数据计算等工作。工控机相对于通用计算机来说，具有实时性好、可靠性高、系统扩展性好、环境适应性强等特点。

3)执行机构。

磁分离系统需要投加3种介质，包括混凝剂、助凝剂和磁种，3种介质需要选择相应的执行机构。可选的执行机构包括软管泵、转子泵、隔膜泵、螺杆泵等。混凝剂一般为酸性，选用隔膜泵或软管泵；助凝剂黏度较大，选用隔膜泵或螺杆泵；磁种有研磨性，选用软管泵或螺杆泵。由于这几类泵均属于容积泵，可通过调节泵的频率控制流量，因此只需要增加一组变频器控制电机转速从而调节泵的流量，即可实现流量调节。

4)人机接口单元。

人机接口单元由触摸屏、打印机、报警机构等组成。本文采用的西门子SIMATIC HMI系列触摸屏，具有体积小、安装方便、不需装载操作系统和外接设备等特点,开机即可进行触屏操作，使用方便。

3.5 智能控制系统软件设计

1)控制系统功能实现。

针对磁分离自动加药控制系统的功能要求，本文采用稳定可靠的传感器。智能投加系统由在线浊度检测系统、图像处理系统、PLC自动加药系统组成。本文开发的PLC控制程序软件，包括控制软件和监控软件，其中控制软件使用西门子STEP7编程软件开发。该编程软件是用于SIMATICPLC组态及编程的标准软件包，包括功能强大的、能用于多任务自动化的S7-1200系统程序。

本系统程序所要实现的功能有：①根据进水流量和进水浊度的变化，将出水水质稳定在一个相对恒定的状态；②PLC通过控制各加药泵电机的频率，控制药剂投加量；③与上位机通信，接收来自上位机的命令并执行相应的动作，最后将处理结果传输给上位机。

2)组态监控系统功能实现。

系统上位机监控软件是使用西门子WinCC V7.5开发的，用于实现对超磁分离的实时数据进行采集、存储、处理及调整等功能。这是工业控制领域中功能较为完善的一种组态软件，其采用高性能的图形编辑器对图形进行组态，把对整个系统的设备进行操作和控制的信号传给PLC，同时对整个生产过程进行监控、报警，提供各种直观的画面。

一台工控机需要同时具备流程监控、设备启停、药剂投加、数据存储等功能。磁分离药剂智能投加控制系统操作画面如图4所示。

图4 磁分离药剂智能投加控制系统操作画面

4 运行数据与分析

4.1 浊度与悬浮物关系

由于悬浮物(suspended solids，SS)是排放标准之一，而浊度并未列入，因此需要建立浊度与SS在数值上的关系。试验数据表明，浊度与SS值呈线性关系y=Kx(x为浊度的绝对值，y为SS的绝对值，K为常数)。由表3数据可看出，SS的绝对数值是浊度的1.2～2.0倍。

表3 浊度与SS的关系表

4.2 智能控制投加药剂量的变化

在低浓度SS为100～300 mg/L条件下，选取某污水厂进行试验。由图5可知，随着进水SS浓度的增加，混凝剂聚合氯化铝(poly aluminum chloride，PAC)投加量呈逐渐增加趋势，人工投加时药剂在一段时间内为一恒定值，而通过自动投加则能及时对药剂投加量进行修正，从而节省部分药剂成本。

图5 PAC药剂投加量的变化图

4.3 智能控制时进水和出水SS的变化

增加智能控制系统后，加药量随着进水流量和出水浊度的变化而变化，实现了药剂的智能投加，如图6所示。在进水水量和进水SS变化较大的情况下，出水SS始终稳定在10～15 mg/L，不仅保证了磁分离设备的稳定运行，还节省了药剂。

图6 智能投加系统进水和出水SS的变化

4.4 智能控制药剂成本的变化

工程试验运行1个月，处理规模为1×104m3/d，原系统PAC投加量为292 t/a、PAM投加量为7.300 t/a，采用智能投加后PAC为219 t/a、PAM为5.475 t/a，在保证出水水质的前提下，节约PAC73 t、PAM1.825 t，节省药剂约20%。

5 结束语

本文采用浊度控制为主、图像控制为辅的智能投加方式是可行的，在线浊度仪能实时反馈信号，快速调节药剂投加量，图像处理系统则能实时微调药剂投加量，实现了药剂的智能投加。

智能控制系统能够稳定运行，在降低工人劳动强度的同时节省了运行成本，但对于不同水质存在的差异性还未研究成熟，需要建立不同水质的数据库以适应更多的水质要求。

随着在线检测技术的不断进步，具有良好连续性、稳定性、实时性的传感器不断出现，为实现磁分离智能化投加的工业级应用奠定了基础。药剂智能投加控制系统可逐步应用于初期雨水的在线实时处理、雨水调蓄处理、应急截污处理等场景。