净水厂自动控制数学模型的探讨

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 939.22KB 63 页 15积分

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摘要

本文在分析研究国内外有关给水处理厂的自动控制系统的现状的基础上，结

合我国的实际情况，尝试通过建立数学模型来优化水厂自动化控制系统，成功地

解决了长期困扰水厂的控制系统运行不可靠的难题，系统建设既经济又可靠，适

合于大、中、小型水厂，具有较强的应用空间。

通过对分布于水厂各处的滤池、加药间、出水泵房进行研究，提取有用数据，

运用计算流体力学、水污染控制工程、化工仪器仪表等学科知识，其中包括柏努

利方程、阻力方程等，参阅大量流体机械相关手册，获取水泵、阀门、管道等技

术参数，建立各部分的数学模型。本文不仅仅考虑技术，也关心具体实现问题。

所以通过数学模型的理论指导，结合相关控制技术的长处，提出控制方案。并使

用Matlab 进行仿真验证，提高了可信度。

将该数学模型运用到实际的生产中，取得了良好的实际生产效果。实践证明，

运用数学模型实现的水厂自动化控制系统具有运行稳定可靠的特点。这种以数学

模型法为核心的自动化系统，在该自来水厂投入运行以来，保证了水质的安全与

经济高效，取得了良好的经济和社会效益。

关键词：数学模型自动化控制系统水厂滤池

ABSTRACT

We optimize the automatic control system which core is establishing mathematical

model on the basis of the actuality of Water Works, and we successfully resolved the

problem that the ordinary automatic control system is always unreliable.This automatic

control system, which can be used in diferent Water Works, is economical and reliable.

By studying the filters, coagulant addition, and outlet pump stations, we pick up

useful data; use Computational fluid dynamics, Water pollution control engineering,

Chemical instrumentation, including Bernoulli equation, resistance equation; refer to a

large number of Fluid machinery related manual; get technical parameters of pumps,

valves, piping; establish the mathematical model of every part. We didn’t only think

over the technology, but also care about the realization. So through the direction of the

model, and combine the characteristic of the present control technology, we supply the

whole system, and validate by using Matlab.

We validated that the function is valid and adaptive. Accordingly we establish an

automatic control system which core is establishing mathematical model on the basis

of the actuality of Water Works. It proves that the automatic control system is stable

and reliable in practice. The automatic control system has been used in this Water

Works, and it has achieved good results.

Key Words: Mathematical model, Automatic control system,

Waterworks, Filters

摘要

ABSTRACT

第一章绪论.....................................................................................................................1

§1.1 工程背景...........................................................................................................1

§1.2 应用价值...........................................................................................................1

§1.3 国内外研究现状，发展动态...........................................................................2

§1.4 本文所要研究的内容及主要关键技术...........................................................3

第二章净水厂生产系统与控制系统简介.....................................................................3

§2.1 净水厂工艺简介...............................................................................................3

§2.1.1 引言..........................................................................................................4

§2.1.2 取水..........................................................................................................4

§2.1.3 加药、沉淀..............................................................................................5

§2.1.4 过滤..........................................................................................................6

§2.1.5 加氯..........................................................................................................6

§2.1.6 出水..........................................................................................................7

§2.1.7 总结..........................................................................................................7

§2.2 控制系统总体设计...........................................................................................8

第三章滤池数学建模...................................................................................................10

§3.1 滤池介绍.........................................................................................................10

§3.1.1 滤池........................................................................................................11

§3.1.2 V 型滤池控制系统的组成及控制任务..............................................12

§3.2 柏努利方程...................................................................................................13

§3.3 局部阻力方程...............................................................................................13

§3.4 自动控制方案...............................................................................................14

§3.4.1 方案分析................................................................................................14

§3.4.2 数学模型研究........................................................................................14

§3.5 滤池建模.......................................................................................................16

§3.5.1 柏努利方程............................................................................................16

§3.5.2 局部阻力方程........................................................................................16

§3.5.3 阀门开度数据拟合................................................................................17

§3.5.4 电流与开度方程....................................................................................18

§3.6 模拟与结语...................................................................................................19

第四章出水泵房数学建模.........................................................................................23

§4.1 出水泵房简介..................................................................................................24

§4.1.1 节能.........................................................................................................24

§4.1.2 需求分析................................................................................................24

§4.2 自动控制方案..................................................................................................25

§4.2.1 控制原则.................................................................................................25

§4.2.2 数学模型研究.........................................................................................26

§4.2.3 流程图.....................................................................................................27

§4.3 水泵.................................................................................................................27

§4.3.1 水泵的原理............................................................................................27

§4.3.2 泵的主要性能参数................................................................................28

§4.3.3 水泵的并联.............................................................................................29

§4.4 计算阻力损失...............................................................................................30

§4.4.1 柏努利方程............................................................................................30

§4.4.2 局部阻力方程........................................................................................31

§4.4.3 沿程阻力方程........................................................................................32

§4.4.4 各阻力损失............................................................................................32

§4.5 特性曲线.........................................................................................................34

§4.5.1 管路的特性曲线....................................................................................34

§4.5.2 水泵的特性曲线....................................................................................34

§4.5.3 变频泵的特性曲线方程........................................................................35

§4.6 变频.................................................................................................................36

§4.6.1 采用变频技术的必要性........................................................................36

§4.6.2 变频计算................................................................................................37

§4.7 模拟与结语.....................................................................................................38

第五章加药间数学建模...............................................................................................41

§5.1 需求分析.........................................................................................................41

§5.2 混凝原理.........................................................................................................42

§5.2.1 混凝机理................................................................................................43

§5.2.2 混凝剂的种类........................................................................................43

§5.2.3 影响混凝剂投加量大小的因素分析....................................................44

§5.3 建立数学模型.................................................................................................47

§5.3.1 计算加药量............................................................................................47

§5.3.2 PID 控制 .............................................................................................. 48

§5.3.3 综合........................................................................................................48

§5.3.4 实际应用................................................................................................49

§5.4 加药控制技术.................................................................................................49

§5.4.1 加药方式简介........................................................................................49

§5.4.2 加药控制技术概述................................................................................50

§5.4.3 加药控制方法........................................................................................50

§5.4.4 配药控制................................................................................................53

第六章总结与展望.......................................................................................................54

§6.1 总结.................................................................................................................54

§6.2 展望.................................................................................................................54

参考文献.........................................................................................................................57

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................59

致谢.............................................................................................................................60

附录论文录用证明.......................................................................................................61

第一章绪论

§1.1 工程背景

本文对上海郊县的一处净水厂进行数学建模，目的是对现有自控系统进行改

进的探讨。虽然对象具有针对性，但方法则具有普遍性，可以在其他相似情况应

用。

该水厂位于上海黄浦江南岸，与上海市综合工业开发区仅 3公里之隔。水厂

肩负着提供城市清洁用水的任务，供水区域主要是奉贤南桥中心城和奉浦奉贤现

代农业园区、光明、海湾、化工区等，是人民生产生活的命脉。该水厂 2007 年日

平均供水量为 16 万吨，最高日供水量超过 21 万吨。

该水厂自动化监控系统包括原水泵房、药物投加系统（氯、氨、矾、高锰酸

钾等）、沉淀池及 V型滤池、污泥浓缩池等处理系统及送水泵泵房、水厂中控室

控制系统。同时，要求该系统实现对水厂中控室，公司调度系统之间互联通讯，

通讯方式多样复杂。

§1.2 应用价值

自从上世纪问世以来，从原先的继电器—接触器控制模式，到早期的 PLC，

到现在的真正具有计算机特征的 PLC—组态控制模式，自动化控制技术不断发展。

新出现的先进自控技术也不断运用到实际控制领域中。得益于此，水厂的控制也

由早期的纯人工手动开关，到初步的远程控制，发展到如今的中控室远程点动和

简单的自动控制，使得工作人员不再需要在各个水池间来回奔波。工作人员逐步

远离生产设备，远离强电、高温、缺氧等危险环境，生命安全得到保障。

然而，虽然自动化控制可以使工作人员远程监测数据、设备状态、操控设备

变为可能，但仍需要人员长期不停地观测各种设备的运行状态、不断的干预水厂

运行，故障率较高，使整个系统维持在较低自动运行水平。

在这样的背景下，通过实际的调查研究总结，本文提出了在现有较成熟的自

动控制系统基础上，应用流体动力学理论和自动控制理论，建立水厂主要工序的

数学模型，运用相关技术，进一步优化水厂自控系统。例如，根据城市昼夜用水

规律预知用水量的变化，调节出水流量，避免大滞后的出现。通过模糊控制、反

净水厂自动控制数学模型的探讨

馈、变频调节的技术稳定出水流量，减小振荡。在滤池的反冲洗方面，可以根据

历史数据和压力表监测出口阀门处压力，精确确定反冲洗时间。另外根据运行时

压力的变化，实时修正滤池模型，确定最佳控制状态，节约能源，延长设备使用

时间。

§1.3 国内外研究现状，发展动态

1972 年6月12 日，联合国在斯德哥尔摩召开了“人类环境大会”，并由各国

签署了“人类环境宣言”，从那以后，环保问题就开始被世界各国所重视。

1国外

得益于科学技术的发达和对环境问题的重视，西方各国不断将最新的技术、

设备运用于水处理领域，提出了许多新的处理效果好的处理工艺，研发出各种集

约、高效、智能的设备和仪表。西方国家的水处理厂的自动化水平已经达到了非

常先进的程度，具体如下：

(1) 采用计算机监测各种参数，控制设备运行，并能检测设备是否发生故障，

以及故障级别、类型等；

(2) 大量采用智能、高效的全自动设备在现场实时检测水体数据，实现无人

情况下的取样、分析、计算、传输数据，先进的电气设备也能将各种电气参数远

程传输到电脑中供工作人员分析；

(3) 研究出 PLC 设备，提高电气控制可靠性，增强抗干扰能力，迅速响应，

使得 PLC 被直接部署在现场，较强的数据运算能力也使得它可以将数据处理后再

传输到远程其它设备。不断提高的编程能力也使得 PLC 可以执行越来越多的逻辑

指令，直接控制现场设备动作；

(4) 设立中心控制室，汇总整个工艺的全部数据，使用具有更强运算能力、

更大存储容量的计算机分析数据，部署大规模、高速度的网络传输交换设备，接

受、发送海量数据；

(5) 开放结构的实时数据库，提供高速、及时的实时数据服务，是流程模拟、

先进控制、实时在线优化、生产过程管理等系统的数据平台，提供历史数据查询

处理，绘制历史趋势图表和告警图表；

(6) 依赖于互联网络的发展，管理人员可以在厂区之外、家中、其它城市登

陆公司管理系统，查询设备运行情况、实时数据、历史数据，从而随时准确掌握

工厂情况；

(7) 先进的 ERP 企业资源管理系统，全面管理水处理过程运行，工厂数据处

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摘要本文在分析研究国内外有关给水处理厂的自动控制系统的现状的基础上，结合我国的实际情况，尝试通过建立数学模型来优化水厂自动化控制系统，成功地解决了长期困扰水厂的控制系统运行不可靠的难题，系统建设既经济又可靠，适合于大、中、小型水厂，具有较强的应用空间。通过对分布于水厂各处的滤池、加药间、出水泵房进行研究，提取有用数据，运用计算流体力学、水污染控制工程、化工仪器仪表等学科知识，其中包括柏努利方程、阻力方程等，参阅大量流体机械相关手册，获取水泵、阀门、管道等技术参数，建立各部分的数学模型。本文不仅仅考虑技术，也关心具体实现问题。所以通过数学模型的理论指导，结合相关控制技术的长处，提出控制方案。并使...

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