基于神经元网络技术的模型预测控制MPC在水务的应用

1、基于神经元网络控制技术的模型预测控制MPC在水务的应用目前水务行业在信息化与自动化深度融合遇到的挑战水务信息系统、自动化系统大都“难以实现互联互通的问题”，“信息孤岛”现象普遍存在现有信息系统GIS、综合调度指挥系统、SACDA系统、设备自动化系统、安防系统、CCTV系统、收费系统等大都由不同系统集成商实施，数据类型、结构、实施方法都不一致“量身定制化”系统居多，随着水务集团的扩建、提标升级改造等难以快速可靠地实现复制、扩展信息系统和自动化系统分别由不同部门分管各水司、水厂在数据的产生、利用率上水平参差不齐相关技术人员不足国家对水务企业的水质、排放、安全、节能等要求越来越高，对合规的快速响应成

2、为难题水务行业性质决定，受季节、不同时间段、天气、水质水量动态变化快等影响，传统的自动化技术很难实现动态管理水务行业运营中管理难度较大，人的参与度过高增加了更多的不确定性水务工艺的复杂性智慧水务Smart Water智慧水务目的：更安全、更高效、用人更少、更绿色节能、更盈利的智能化生产运营水厂运营少人化无人化能耗优化减少依赖于操作人员经验的药物投放更容易达到政府合规要求，快速生成报告运营流程优化RA实现智慧水务的主张率先顶层设计，平台分布实施自动化数字化智能化智慧化基于神经元网络控制技术的模型预测控制MPC在水务系统的应用智能控制平台 MPC先控平台大滞后控制MPC智能控制线形/非线性流程为什

3、么需要MPC？Single variable in & single variable out 单入单出Set up a target and control process variable to the target. What would be a best SP is often unknownPIDMPCMultivariable in & multivariable out 多入多出Control strategy based on a cross correlated matrix of key process variablesFeedback control 反馈控制The

4、controller will take no action unless the errors show in PVPredictive control 前馈控制Dynamic models developed through process step testsFuture process behavior prediction and feed forward controlIndirect property variable control 间接质量控制Control property variables through temperature, pressure or flow ra

5、te, etc.Direct property variable control直接质量控制Property targets could be set and control directlyPoor control quality when there are large time delays or complex dynamic interactions难于处理大长滞后过程PID set points are not necessarily optimal with respect to plant wide objectives PID设定值基于操作人员经验Optimal PID ta

6、rgets are continuously calculated,set, & modified PID设定值根据模型连续优化计算和调整Explicit dynamic models leverage computer capabilities to calculate impact to the product动态模型直接考虑过程动态Rockwell建模技术：非线性神经元网络技术和机理模型的完 美结合8 1991年开发，第一套应用于实时控制的神经元网络非线性模型技术 内含150多项专利技术 模型约束机制神经元网络能够适用于非线性过程基于神经生物学的数学表达式input AInput Bou

7、tput生物神经元网络人工神经元网络有约束外推无约束外推数据区MPC控制器由相互关联的MIMO模型矩阵组成，模型代表着输入输出之间的关系CV1CV2CV3MV1MV2DV1MV3DV2NO MODELNO MODELNO MODEL预测PREDICT所有 MVs & DVs决定着CVs的未来提前控制PROACTIVE将 CV 控制在设定的目标值，防止超出控制范围，从而减少波动Controller Matrix MPC-MIMO控制矩阵APC结构ProcessSoft Sensor MPCLabPavilion8ServerPIDPIDPIDPLC/DCS产量最大化收率更高能耗更低SPSPSPC

8、ontrolled VariablesDisturbance VariablesPV精确曝气 (Aeration Blower)污泥脱水 (Centrifuge) 加药 (Chemical Dosing)管网控制 Distribution加药控制 Chemical Dosing减少爆管以及水损 Reduce Pipe Breaks Reduce Water Loss 最小化水压跳变 Minimize Pressure Spikes保证出水水质达标稳定 Keep the water quality fit to government policy and stable 减少药剂使用，降低成本 R

9、educe Chemical Costs管网控制 Distribution降低管网平均压力减少管网压力波动加药控制优化 Chemical Dosing降低波动 Reduced Process Variability减少人为靠经验投加药物原水 Improve, Conserve & ComplyRESULTSAPPLICATIONSRESULTSAPPICATIONS精确曝气 (Aeration Blower)污泥脱水 (Centrifuge) 加药 (Chemical Dosing)提高离心机处理能力降低过程波动更好地资产和能源利用率投资回报 5-12 月 (取决于污水处理规模)降低药剂使用污

10、水处理WasteWater Protect Quality & Conserve EnergyMPC在水行业部分业绩应用场景：精确曝气14曝气池DO，TN，TP控制器出水COD,TN和TP控制器COD,TP,TN预测模型 污水出水COD,TP,TN质量设定PLC 控制系统实验室分析值DO设定值污水量 污水性质 乙酸钠流量进风流量和阀门开度液位 内回流 外回流 进水流量温度 鼓风机电流COD TN TPCOD TN TP曝气模型15Rockwell解决方案需要的仪表配置(预估）每个廊道安装溶解氧DO在线分析仪安装曝气池出水氨氮含量分析仪安装曝气池液位检测仪表安装曝气管压力检测安装曝气流量测量仪表

11、安装曝气量调节阀安装进水流量测量仪表安装进水水质在线分析仪（COD, 总氮,总磷等）16精确曝气MPC控制控制目标曝气池溶解氧Dissolved Oxygen (DO) in Aeration Basins如何控制动态调整鼓风机变频或者进风流量干扰因素污水进水量大气条件排水量RAS / WAS 流量曝气池 1 溶解氧曝气池 2 溶解氧鼓风机 1 转速 (MV)XX鼓风机 2 转速(MV)XX污水流量 (DV)XXRAS 流量 (DV)XXWAS 流量 (DV)XX精确曝气MPC控制要求鼓风机变频器Variable Speed Blowers在线DO分析仪Online DO Analyzers过

12、程自动化流量仪表/污水进水量和活性污泥量PID控制能够读/写外部的设定点或输出OPC 服务器应用场景：加药优化控制控制目标水质量参数如何控制?动态调整化学要记得加入量干扰因素原水质量和数量pH氯残余浊度(NTU)氟残余Alum FlowXXCaustic FlowXFluoride FlowXFloc Aid FlowXFilter Aid FlowXNaOCL FlowXRaw Water FlowXXXXRaw Water TurbidityXRaw Water pHXChemical Dosing MPC控制要求在线水质分析仪，分析参数包括： pH,浊度,余氯，余氟过程自动化流量仪表/化

13、学品流量PID控制回路远程设定值SP或OP读写功能OPC 接口应用场景：城市供水管网压力优化管网概况每日供水量: 35000 m3/天库存能力: 11600m3水处理厂: 2泵站: 3水塔: 2供水管长度: 1100km4.5 bar 平均压力 (泵站)17 个加压泵全冗余 SCADA 系统 (2010年)全区域光纤环形通讯挑战平均每年有238次 总管爆管事故用电成本增加管网已有44年历史 (one of the oldest in Ontario)波峰/波谷系统压力波动17% 水损Benefits22Installation 2: 自来水管网Minimize Pressure: Achiev

14、e minimum requirements at the end of many lines but reduce leakage and pipe breaks.Coordinate Pumps: Respond to pumps turning on and off to meet varied demands.Adapt Model: to different pump sizes and design (VSD, FCV).21%爆管减少以及维护费用Windsor Water Distribution Map管网分布图M1M2M3M4M5M6M7M8M9AJ BrianStation

15、 #1Station #2Header PressureLogix-BasedMPC ControllerVFD Speed SPVFD Speed SPFCV SPsM1M2M3M4M5M6M7M8Pressure MetersMeter PressureLogix-BasedMPC ControllerPressure SPPavilion RTOIntakeFlow RateReservoirFIDistributionLIOptimal Pump SelectionsLegend MPC Controls Optimization ControlsMeter PressureLogix

16、-BasedMPC ControllerPressure SPHeader PressureLogix-BasedMPC ControllerControl Structure24PlantPAx MPC 解决方案25Header PressureLogix-BasedMPC ControllerVFD Speed SPVFD Speed SPFCV SPsM1M2M3M4M5M6M7M8Pressure MetersMeter PressureLogix-BasedMPC ControllerPressure Set PointLegend MPC Controls Meter PressureLogix-BasedMPC ControllerPressure Set PointHeader PressureLogix-BasedMPC ControllerAJ Brian站JF Cook站FCV SPsPackaged Solution APC faceplateAPC Faceplate in FTView VSD VSDP = ProgramedM= Manual