一种水厂专用智能化控制系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种水厂专用智能化控制系统，包括配备有进水流量显示记录和阀门控制系统的原水管路、配备有原水配水及阀门调节系统的配水池、配备有自动加药系统的絮凝沉淀池、配备有自动化控制系统的滤池、配备有加氯及余氯监测系统的清水池和配备有供恒压供水调节系统的供水泵装置，原水管路上还配备有管道报警和定位系统，配水池还配备有原水配水的微调系统，絮凝沉淀池还配备有动力学参数在线监测及反馈优化系统，清水池还配备有消毒反应参数实时监测及反馈优化系统，供水泵装置还配备有供水泵装置配泵优化系统。本发明与原有的水厂增加了更多智能化元素，符合现代科技发展的需求。

权利要求

1.一种水厂专用智能化控制系统，包括配备有进水流量显示记录和阀门控制系统的原水管路、配备有原水配水及阀门调节系统的配水池、配备有自动加药系统的絮凝沉淀池、配备有自动化控制系统的滤池、配备有加氯及余氯监测系统的清水池和配备有供恒压供水调节系统的供水泵装置，其特征在于：所述原水管路上还配备有管道报警和定位系统，配水池还配备有原水配水的微调系统，絮凝沉淀池还配备有动力学参数在线监测及反馈优化系统，清水池还配备有消毒反应参数实时监测及反馈优化系统，供水泵装置还配备有供水泵装置配泵优化系统。

2.根据权利要求1所述的水厂专用智能化控制系统，其特征在于：所述管道报警和定位系统包括管道前端设置的压力表P1、设置的电磁调流阀和中间设置的压力表P2，终点设置的压力表P3、水库液位与总管流量自动采集系统和爆管警报器，该水库液位与总管流量自动采集系统感应压力表压力确定采集时间，并控制爆管警报器。

3.根据权利要求1所述的水厂专用智能化控制系统，其特征在于：所述原水配水的微调系统实现原水分配量的微调，主要由原水分配量控制元件、水处理单元和区间数据评价单元组成，该区间数据评价单元通过控制元件控制水处理单元。

4.根据权利要求1所述的水厂专用智能化控制系统，其特征在于：所述动力学参数在线监测及反馈优化系统包括絮凝动力学参数GT控制元件、在线采集进水流量Q单元、在线采集进水水温tw单元和闸阀数n启闭单元，该在线采集进水流量Q单元、在线采集进水水温tw单元结果反馈絮凝动力学参数GT控制元件，絮凝动力学参数GT控制元件控制闸阀数n启闭单元。

5.根据权利要求1所述的水厂专用智能化控制系统，其特征在于：所述消毒反应参数实时监测及反馈优化系统包括消毒反应参数CT值控制元件、进水流量计、清水池液位计和报警器，该进水流量计和清水池液位计采集数据反馈给消毒反应参数CT值控制元件，消毒反应参数CT值控制元件控制报警器。

6.根据权利要求1所述的水厂专用智能化控制系统，其特征在于：所述供水泵装置配泵优化系统包括泵和管道的性能曲线拟合单元和自动组合配泵单元，该泵和管道的性能曲线拟合单元控制自动组合配泵单元。

7.一种权利要求1所述的水厂专用智能化控制系统的控制方法，包括原水管路、配水池、絮凝沉淀池、滤池、清水池和供水泵装置控制环节，其特征在于：所述配水池环节的控制方法为：在配水池中，当进水流量为7000m3/h

所述絮凝沉淀池环节的控制方法为：通过动力学参数在线监测及反馈优化系统中在线采集的进水流量Q单元和在线采集的进水水温tw单元，在线显示反应过程的絮凝动力学参数GT值，通过积累GT-滤池压损和GT-水质指标特性曲线数据，获得特定进水量下较优的GT值，从而反馈相应的关闭闸阀数n启闭单元进行调节阀门启闭数；

所述清水池环节中控制方法为：利用进水流量计和清水池液位计采集数据，该进水流量计和清水池液位计采集数据反馈给消毒反应参数CT值控制元件，实现实时监测，同时采集到的消毒反应参数CT值进入数据采集系统；若停留时间T低于30min或CT值小于30mg/L/min，消毒反应参数CT控制元件控制报警器报警，且这时的消毒反应参数CT值不会进入数据采集系统；

所述供水泵装置环节控制方法为：系统首先根据历史数据系统给出当前水厂的供水量Q，结合管道H-Q曲线确定进入供水管网所需提供的H值，然后泵所需提供泵压头值Hi、泵出水管路与清水池的液位差△Z、管道水头损失hf，即在供水量Q下，每台泵所需提供的总压头Hi为H+△Z+hf；然后将所得Hi值代入每台泵的H-Q曲线，求得Qi，随后将Qi代入该泵的P-Q曲线，得到该泵的运行功率Pi，依次类推，通过泵和管道的性能曲线拟合单元，求出所有泵的Qi和Pi值，然后通过自动组合配泵单元控制随意组合各泵，得到以下两组数据：组合泵流量和组合泵功率 f(i)为赋值函数，取0和1，分别代表该泵的关和开，在满足组合泵流量 与需供水量Q相当条件下，供水单耗 最小为所得结果；

所述原水管路的控制方法为：原水管道上的电磁调流阀阀门动作结束后，水库液位与总管流量自动采集系统开始采集第一组数据，将采集到的水库液位与总管流量结合历史运行数据曲线计算得到压力表理论显示值，然后将采集到的压力数据与理论值相比较，若管道前端设置的压力表P1、中间设置的压力表P2、终点设置的压力表P3三个压力表的实时采集值均低于理论值20％以下，则自动水库液位与总管流量采集系统控制爆管警报器，发出爆管报警并通过负压波定位程序进行爆管定位；若采集值与理论值处于正常波动范围内，则继续采集数据，当采集第二个压力数据时 只需与第一个压力数据进行比较，若在正常范围内波动，仍返回自动数据采集模式，若超出正常波动范围，则启动采集值与理论值比对程序来判断是否发生爆管；若阀门发生动作，数据采集自压力稳定后重新开始。

说明书

一种水厂专用智能化控制系统及其控制方法

技术领域

[0001] 该发明涉及一种水厂专用智能化控制系统，本发明还涉及一种水厂专用智能化控制系统的控制方法，涉及自动化控制和水处理领域，尤其涉及水处理厂全厂生产监控和管理领域。

背景技术

[0002] 当今世界面临严重的水危机，水资源缺乏已成为关系到贫困、可持续发展乃至世界和平与安全的重大问题。我国是一个水资源短缺的国家，人多水少、水资源时空分布不均是我国的基本国情和水情，强化用水需求和用水过程管理，通过健全制度、落实责任、提高能力、强化监管，严格控制用水总量，全面提高用水效率。加强水务管理、节约用水、减少废水排放具有重要而深远的意义。

[0003] 利用自动化控制进行水厂的日常生产和维护是近年来自来水行业发展的显著特点。自20世纪80年代，历经近30年的发展，水厂的自动化正逐步成熟，已涉及包括滤池自动化、加药自动化、水质检测自动化等几乎全水厂生产环节。水厂的自动化管理使日常运行中的人力成本大为降低，水厂的效率得到明显提高。

[0004] 例如中国专利CN 104156900 A公开了一种水厂管理信息智能监控系统，其特征在于：包括信息采集、传输系统和数据库管理服务器；所述信息采集，用于采集预设区域内的水厂管理信息；所述传输系统，用于将水厂管理信息传输到数据库管理服务器；所述数据库管理服务器，用于存储处理传输系统传输的数据；其中所述数据库管理服务器包括数据服务层、应用支撑层、应用层和应用交互层；所述数据服务层，用于存储从信息采集获取的水厂管理信息；所述应用支撑层，用于处理数据服务层中的数据并输送到应用层；所述应用层，用于建立水厂管理信息处理数据平台；所述应用交互层，用于实现应用层和用户交换信息。但是随着自动化技术的进一步发展以及节能降耗政策的大力倡导，水厂管理人员已越来越不能满足于当前自动化技术仅能提供的单一自动运行功能，他们需要赋予水厂自动化控制更多的内涵，由自动化向智能化转变。

[0005] 当前水厂所采用的主流控制系统主要包含以下部分：进水流量显示记录和阀门控制，原水配水及阀门调节，絮凝环节自动加药，滤池的自动化控制，清水池加氯及余氯监测，供水泵房进行恒压供水调节。主流控制系统以数据采集、显示、自动投加以及简单采集反馈调节为特征。

[0006] 新的自动化控制不仅需要对全厂设备工况、仪表等工艺参数以及其它现场数据进行监视，还要能够判断当前数据指标的优劣并进行自动调控。新形势下的水厂自控生产平台还应能够在水厂生产发生异常时向操作人员发出报警信息，并能提供相应的紧急处理程序，提高管理人员的事故处理能力和应变速度，尽可能将事故遏制在萌芽阶段或将损失降至最低，保障水厂供水的安全可靠性和生产的连续性。

[0007] 通过总结上述问题，我们可知，对当前水厂的自动化控制平台，如何纳入水厂运行的自动优化调控功能至关重要。

发明内容

[0008] 本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种水厂专用智能化控制系统及其控制方法，纳入了水厂运行的自动优化调控功能，更加智能有效。

[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种水厂专用智能化控制系统，包括配备有进水流量显示记录和阀门控制系统的原水管路、配备有原水配水及阀门调节系统的配水池、配备有自动加药系统的絮凝沉淀池、配备有自动化控制系统的滤池、配备有加氯及余氯监测系统的清水池和配备有供恒压供水调节系统的供水泵装置，其创新点在于：所述原水管路上还配备有管道报警和定位系统，配水池还配备有原水配水的微调系统，絮凝沉淀池还配备有动力学参数在线监测及反馈优化系统，清水池还配备有消毒反应参数实时监测及反馈优化系统，供水泵装置还配备有供水泵装置配泵优化系统。

[0010] 进一步的，所述管道报警和定位系统包括管道前端设置的压力表P1、设置的电磁调流阀和中间设置的压力表P2，终点设置的压力表P3、水库液位与总管流量自动采集系统和爆管警报器，该自动水库液位与总管流量采集系统感应压力表压力确定采集时间，并控制爆管警报器。

[0011] 进一步的，所述原水配水的微调系统实现原水分配量的微调，主要由原水分配量控制元件、水处理单元和区间数据评价单元组成，该区间数据评价单元通过控制元件控制水处理单元。

[0012] 进一步的，所述动力学参数在线监测及反馈优化系统包括絮凝动力学参数GT控制元件、在线采集进水流量Q单元、在线采集进水水温tw单元和闸阀数n启闭单元，该在线采集进水流量Q单元、在线采集进水水温tw单元结果反馈絮凝动力学参数GT控制元件，絮凝动力学参数GT控制元件控制闸阀数n启闭单元。

[0013] 进一步的，所述消毒反应参数实时监测及反馈优化系统包括消毒反应参数CT值控制元件、进水流量计、清水池液位计和报警器，该进水流量计和清水池液位计采集数据反馈给消毒反应参数CT值控制元件，消毒反应参数CT值控制元件控制报警器。

[0014] 进一步的，所述供水泵装置配泵优化系统包括泵和管道的性能曲线拟合单元和自动组合配泵单元，该泵和管道的性能曲线拟合单元控制自动组合配泵单元。

[0015] 本发明的另一个目的是提供一种水厂专用智能化控制系统的控制方法，包括原水管路、配水池、絮凝沉淀、滤池、清水池和供水泵装置控制环节，其创新点在于：所述配水池环节的控制方法为：在配水池中，当进水流量为7000m3/h

[0016] 所述絮凝沉淀池环节的控制方法为：通过动力学参数在线监测及反馈优化系统中在线采集的进水流量Q单元和在线采集的进水水温tw单元，在线显示反应过程的絮凝动力学参数GT值，通过积累GT-滤池压损和GT-水质指标特性曲线数据，获得特定进水量下较优的GT值，从而反馈相应的关闭闸阀数n启闭单元进行调节阀门启闭数；

[0017] 所述清水池环节中控制方法为：利用进水流量计和清水池液位计采集数据，该进水流量计和清水池液位计采集数据反馈给消毒反应参数CT值控制元件，实现实时监测，同时采集到的絮凝动力学参数CT值进入数据采集系统；若停留时间T低于30min或CT值小于30mg/L/min，絮凝动力学参数CT控制元件控制报警器报警，且这时的絮凝动力学参数CT值不会进入数据采集系统；

[0018] 所述供水泵装置环节控制方法为：系统首先根据历史数据系统给出当前水厂的供水量Q，结合管道H-Q曲线确定进入供水管网所需提供的H值，然后泵所需提供泵压头值Hi、泵出水管路与清水池的液位差△Z、管道水头损失hf，即在供水量Q下，每台泵所需提供的总压头Hi为H+△Z+hf；然后将所得Hi值代入每台泵的H-Q曲线，求得Qi，随后将Qi代入该泵的P-Q曲线，得到该泵的运行功率Pi，依次类推，通过泵和管道的性能曲线拟合单元，求出所有泵的Qi和Pi值，然后通过自动组合配泵单元控制随意组合各泵，得到以下两组数据：组合泵流量 和组合泵功率 f(i)为赋值函数，取0和1，分别代表该泵的关和开，在满足组合泵流量 与需供水量Q相当条件下，供水单耗 最小为所得
结果；

[0019] 所述原水管道环节的控制方法为：原水管道上的电磁调流阀阀门动作结束后，水库液位与总管流量自动采集系统开始采集第一组数据，将采集到的水库液位与总管流量结合历史运行数据曲线计算得到压力表理论显示值，然后将采集到的压力数据与理论值相比较，若管道前端设置的压力表P1、中间设置的压力表P2、终点设置的压力表P3三个压力表的实时采集值均低于理论值20％以下，则自动水库液位与总管流量采集系统控制爆管警报器，发出爆管报警并通过负压波定位程序进行爆管定位；若采集值与理论值处于正常波动范围内，则继续采集数据，当采集第二个压力数据是只需与第一个压力数据进行比较，若在正常范围内波动，仍返回自动数据采集模式，若超出正常波动范围，则启动采集值与理论值比对程序来判断是否发生爆管；若阀门发生动作，数据采集自压力稳定后重新开始。

[0020] 本发明的有益效果如下：

[0021] (1)本发明与自来水厂当前所使用的自控系统相比，具有以下特性：在原水管路上增加了管道报警和定位系统；配水系统除了能实现多期构筑物间的配水还能根据各构筑物的处理状态进行微调；絮凝反应阶段在实现自动加药的基础上能够做到絮凝池动力学参数(GT值)的在线监测与反馈优化；除了能对清水池液位及余氯浓度的显示控制外，还能在线监测消毒反应参数(CT)及反馈优化调节；在传统自控程序稳定供水的基础上，根据供水量和供水压力，能够选择合适的泵组进行节能优化供水。

[0022] (2)本发明适用于水处理过程中的配水、混凝反应、消毒等环节中运行参数的监测和优化，有利于提高产水水质，降低运行成本。本发明的优势在于：1、对多个水厂进行原水分配并能根据水厂运行状况进行调整，使整体出水水质得到提高；2、在线显示及调控GT值，优化了絮凝反应池的运行效果；3、在线显示CT值使加氯量的控制更为有效，降低了处理成本和消毒副产物的产生量；4、供水泵装置配泵系统能优化供水泵组组合，降低供水单位电耗，降低生产成本；5、原水管路爆管报警和定位系统能迅速对爆管的发生做出反应并进行位置判断，减少了水量损耗和抢修时间。

[0023] (3)本发明根据各期处理量进行原水分配，并能根据实时处理情况进行分配量的微调；通过控制流道闸阀启闭数量解决了传统混凝单元不能人为调整混凝GT值的问题，将实时显示的GT值与水处理性能数据相关联能有效指导混凝反应阶段的运行；仅利用进水流量计和清水池液位计解决了现行常规水厂在线监测中缺失的消毒停留时间问题，有利于减少在线监测设备成本，同时在线CT值能有效控制加氯量，减少处理成本和消毒副产物的产生；能根据供水量变化自动生成配泵方案，降低单位供水电耗；能及时对原水管路进行爆管报警和定位，减少水量流失和抢修时间。

附图说明

[0024] 下面结合附图和具体实施方式进行进一步的说明。

[0025] 图1为本实施例的供水厂自动化控制方法组成。

[0026] 图2为本实施例的原水配水及微调自控系统。

[0027] 图3为本实施例的节点流量变化阈值设置示意图。

[0028] 图4为本实施例的GT值在线监测及反馈优化系统。

[0029] 图5为本实施例的CT在线监测示及反馈优化系统。

[0030] 图6为本实施例的供水泵房配泵优化系统。

[0031] 图7为本实施例的管道爆管报警及定位系统。

具体实施方式

[0032] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案作详细说明。

[0033] 为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

[0034] 本发明结合某市供水厂工程项目进行阐述，该供水厂总供水能力250000m3/d，由三期项目组成，处理量分别为50000m3/d(A)、100000m3/d(B)和100000m3/d(C)，厂区原水由一根总管供应。本实施例主要构成部分包括原水配水及微调系统，絮凝池动力学参数在线监测及反馈优化系统，消毒反应参数实时监测及反馈优化系统，供水泵房配泵优化系统和管道爆管报警及定位系统。

[0035] 1.原水配水及微调系统

[0036] A、B、C三期工程中，B、C两期的处理量和采用工艺相同，处理效果好。A期由于运行时间长，处理工艺不稳定，出水水质较差。因此，配水时应尽量利用B、C两期的处理能力，减少A期的处理量。

[0037] 具体配水方法参照图2，根据实际运行经验，将总管进水量分为三个流量段。进水3
流量Q<7000m/h为低处理量，此时三期水厂的处理能力极大富余，出水水质完全能够得到保证，需要防止进水流量过小导致管道拉空现象的发生，因此需保证A期的最低处理量
1000m3/h，剩余进水流量可由B、C两期平分。当Q>10000m3/h时，处理水量接近极限处理量，此时应发挥A期的最大能力(2000m3/h)同时使超过最大处理量的部分由B、C两期分担。当进水
3 3
流量7000m/h

[0038] 2.絮凝池动力学参数在线监测及反馈优化系统

[0039] 通过自控系统控制反应池流道进口处闸阀的启闭数量来调整絮凝反应池的GT值，从而解决了传统絮凝池不能人为改变絮凝GT值的问题。特征还在于在自控系统中将反应池GT值实时显示，通过GT值与滤池性能压损曲线和出水水质相关联，得到较好的操作GT值范围和相应操作方式，可以更好地控制反应过程。因为设计值一般为较佳的混合反应条件，调整反应池内的GT值趋近于设计值是该系统的基本设计原则，如表1所示，根据进水流量调整的阀门数做了规定。

[0040] 表1 对电动闸阀关闭数量的规定

[0041]3
流量QC(m/h) 关闭阀门数量 关闭阀门编号
QC>3990 0 0
399035703150QC≤2730 8 1，2，3，4，5，6，7，8

[0042] 备注：1-为了流体的均匀，闸门对称关闭。2-闸阀编号视现场实际编号而定。

[0043] 为了防止节点处进水流量波动造成的闸阀频繁启闭问题，对节点流量处相应的阀门启闭问题做了规定，举例来讲，3990m3/h为关闭阀门数0和2的节点流量，若不对该流量进行规定，则流量在3989-3991m3/h之间波动时，闸阀关闭数会频繁在0和2变化，易造成闸阀的损坏。

[0044] 节点流量改变为范围流量(举例来讲，节点流量±100m3/h)可有效解决上述问题：当流量为3991m3/h，阀门关闭数量由0变为2，若流量波动为3989m3/h，阀门不动作，直至流量变化为4090m3/h，阀门会重新调整为关闭数为0。

[0045] 节点流量和相应的范围阈值可以根据水厂运行数据进行调整，使反应池的运行不断优化。如图4所示，通过在线采集的进水流量Q和水温tw，结合相应的关闭闸阀数n，可在线显示反应过程的GT值。通过积累GT-滤池压损和GT-水质指标特性曲线数据，可获得特定进水量下较优的GT值，从而反馈调节阀门数，获得更为优化的絮凝反应动力学条件。

[0046] 3.消毒反应参数实时监测及反馈优化系统

[0047] 本系统的特征在于能在线监测消毒反应参数CT值，如图5所示，仅利用进水流量计Qin和清水池液位计(z-t)解决了现行常规水厂在线监测中缺失的消毒时间的问题，这样还有利于减少在线监测的设备成本。利用采集到的CT值与水质菌落指标数据库，可以指导加氯，有效避免过量加氯，在保证消毒效果的同时，一方面可以节约消毒成本，另一方面有利于减少消毒副产物的产生。一旦停留时间T低于30min或CT值小于30mg/L*min，系统会自动报警提醒操作人员采取相应措施。相关数据也不会进入数据采集系统，避免对分析数据的精确性造成影响。

[0048] 4.供水泵房配泵优化系统

[0049] 使用最小二乘法对泵和管道的性能曲线进行拟合后，采用自动组合将优化结果以列表的形式呈现给水厂管理人员作为配泵的依据，界面直观，易于操作。具体实施方式如图6所示：系统首先根据历史数据系统给出当前水厂的供水量Q，经操作人员确认后，结合管道H-Q曲线确定进入供水管网所需提供的H值，然后泵所需提供泵压头值Hi需要考虑泵出水管路与清水池的液位差(△Z)、管道水头损失(hf)，即在供水量Q下，每台泵所需提供的总压头Hi为(H+△Z+hf)。然后将所得Hi值代入每台泵的H-Q曲线，求得Qi，随后将Qi代入该泵的P-Q曲线，得到该泵的运行功率Pi，依次类推，求出所有泵的Qi和Pi值，然后随意组合各泵，得到以下两组数据：组合泵流量 和组合泵功率 f(i)为赋值函数，取0和
1，分别代表该泵的关和开。要求满足组合泵流量 与需供水量Q相当条件下，供水单耗 最小即为优化条件。

[0050] 5.管道爆管报警及定位系统

[0051] 现场情况说明：进水总管约16km，在距起点6.5km处依次安装了压力表P1、电磁调流阀和压力表P2，终点安装了进厂压力表P3。本实施例的特征在于在缺乏起点压力表的前提下采用负压波法实现了自动爆管报警及定位的完成。

[0052] 具体实施方法如图7所示：阀门动作后，数据采集系统开始采集第一组数据，将采集到的水库液位与总管流量结合历史运行数据曲线计算得到压力表理论显示值，然后将采集到的压力数据与理论值相比较，若三个压力表的实时采集值均低于理论值20％(初设值，可根据调试运行情况优化)以下，则发出爆管报警并通过负压波定位程序进行爆管定位。若采集值与理论值处于正常波动范围内，则继续采集数据，当采集第二个压力数据是只需与第一个压力数据进行比较，若在正常范围(程序初设值为10％第一个正常采样数据)内波动，仍返回自动数据采集模式，若超出正常波动范围，则启动采集值与理论值比对程序来判断是否发生爆管。若阀门发生动作，数据采集自压力稳定后重新开始。

[0053] 本发明在水厂生产自控平台的设计上有如下特征：(1)根据各期处理量进行原水分配，并能根据实时处理情况进行分配量的微调；(2)通过控制流道闸阀启闭数量解决了传统混凝单元不能人为调整混凝GT值的问题，将实时显示的GT值与水处理性能数据相关联能有效指导混凝反应阶段的运行；(3)仅利用进水流量计和清水池液位计解决了现行常规水厂在线监测中缺失的消毒停留时间问题，有利于减少在线监测设备成本，同时在线CT值能有效控制加氯量，减少处理成本和消毒副产物的产生；(4)能根据供水量变化自动生成配泵方案，降低单位供水电耗；(5)能及时对原水管路进行爆管报警和定位，减少水量流失和抢修时间。

[0054] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。