組態(tài)軟件陰陽床再生污水中和處理控制系統(tǒng),pH監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

1、引言

　　pH值是工業(yè)污水處理中常見的受控變量之一，但由于其特殊的過程特性，實現(xiàn)自動控制的難度較大，因此，目前仍基本采用人工進行排放管理，超標(biāo)排放的現(xiàn)象時有發(fā)生。
陰陽床是電廠除鹽水處理常用的生產(chǎn)工藝，其再生過程會產(chǎn)生強酸和強堿污水，這些污水須經(jīng)過中和處理后才能夠排放。目前對于陰陽床再生污水的處理有多種方法，主要分為池中加藥和管道加藥兩種方式。盡管工藝流程和控制方法不同，但基本的控制原理是一樣的。
本文以某石化公司陰陽床再生污水pH值穩(wěn)定控制系統(tǒng)項目為例，通過對陰陽床污水處理管道加藥工藝的分析，闡述了運用先進控制技術(shù)、嵌入技術(shù)及力控ForceControl監(jiān)控組態(tài)軟件，建立控制層與管理層的連接，實現(xiàn)集中管理和監(jiān)控，最終達(dá)到自動達(dá)標(biāo)排放的目的。

2、工藝概述
　　原處理工藝流程是將陰陽床再生污水首先排放到中和池進行預(yù)混合處理，然后進入緩沖罐，經(jīng)污水提升泵送至污水處理管線，在管道內(nèi)進行加藥。加藥部分設(shè)兩組（酸/堿）加藥計量泵，分兩級進行加藥處理，兩級各設(shè)置一臺靜態(tài)混合器。處理后的污水如達(dá)標(biāo)則直接排放；否則，通過氣動閥門回流至緩沖罐循環(huán)處理。
　　陰陽床再生的時間和周期由除鹽水生產(chǎn)裝置的實際運行狀況而決定，受其影響中和池內(nèi)再生污水的來源和水量呈不同的酸/堿性。理想的處理方式是讓酸/堿污水首先在大中和池內(nèi)充分中和；由于陽床的酸性污水較多，陰床的堿性污水較少，池內(nèi)污水基本顯酸性，加藥時僅需要注入適量堿液即可排放，但往往池容積有限，經(jīng)常會出現(xiàn)污水顯較強酸（堿）性時還須加藥排放的情況。

3、控制特點
3.1 非線性：
　　污水pH值與加藥量之間的關(guān)系呈現(xiàn)極強的非線性特征。在污水流量不變（提升泵流量約70m3/h）,并且堿液濃度為45%的前提下，如下一組數(shù)據(jù)可以明顯地看到過程的非線性：

　　該現(xiàn)象也可以從pH過程的滴定曲線得到解釋，如圖2所示。pH過程本身是具有極端非線性（S型）的過程對象。這意味著在容量相等但pH值不相同的溶液中加入等量的酸（堿）液，對溶液pH值的影響是不同的。
　　由于陽床的再生周期短，再生時間長，因此陽床再生過程中的污水一般呈較強酸性，處于pH滴定曲線平緩段，時常表現(xiàn)為中和過程中加藥量很大，但pH值上升卻很慢；而一旦進入pH滴定曲線的陡峭區(qū)則往往加藥過量出現(xiàn)超調(diào)。過程增益特性的變化可以達(dá)到數(shù)百倍之多。
　　面對這種強烈的非線性對象，就要求控制器須能適應(yīng)過程特性的變化，避免調(diào)節(jié)控制作用在強酸時不足和弱酸時超調(diào)的結(jié)果。此外，在工藝設(shè)備方面還要求加藥泵有很大的儲備量和流比控制特性以應(yīng)對不同 pH值的污水。

3.2 大滯后（τ）：
　　從改變加藥量到實際pH值發(fā)生變化大約需要10秒鐘，而過程的時間常數(shù)往往僅有1～2秒鐘。
　　該現(xiàn)象產(chǎn)生原因主要是由于現(xiàn)場加藥點距傳感器安裝點有一定距離、在線檢測儀表取樣管線較長等工藝管線原因造成的。另外在管道加藥時，一般會加入靜態(tài)混合器，污水在到達(dá)測量點時，中和反應(yīng)已基本完成；反應(yīng)的變化速度（時間常數(shù)T）基本由泵的增減量的能力決定，過程幾乎沒有過渡時間，而導(dǎo)致較高的τ/ T比。
　　τ/ T≥2時，是常規(guī)控制方法的難題。
3.3 PID控制器的局限性：
　　原控制系統(tǒng)中采用了常規(guī)的PID控制器。由于該控制器的算法特點，對大滯后、非線性及兩者的組合特性缺乏必要的應(yīng)對手段，盡管在工藝上采用了分段加藥的方式，用增加設(shè)備投入的方式來彌補控制缺陷，仍然無法滿足工藝要求，系統(tǒng)的控制精度低，投藥量和循環(huán)量大，增加了使用成本。

4、解決方案
4.1 選用先進控制器
　　美國通控集團博軟公司(CyboSoft, General Cybernation Group Inc.)于1997年在美國推出了無摸型自適應(yīng)(Model-Free Adaptive Control，MFA)控制技術(shù)及其產(chǎn)品CyboCon（美國專利號：6,055,524）。目前在石油化工、冶金、半導(dǎo)體、航空航天、醫(yī)藥、食品、環(huán)保等現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域都有MFA技術(shù)及其產(chǎn)品應(yīng)用實例。
　　CyboCon是世界上首套“即插即用”式單變量和多變量控制軟件，可對簡單或復(fù)雜的工業(yè)過程作自適應(yīng)控制。與傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制技術(shù)相比，CyboCon的無模型自適應(yīng)(MFA)控制器的實用性更強，使用者無需進行控制器設(shè)計、過程辯識，也不需知道過程的定量知識，就可將控制器投入運行。即使過程的動態(tài)特性有很大變化，也不需重新整定控制器參數(shù)。
4.2 構(gòu)建先進控制平臺
　　系統(tǒng)在控制層采用美國SIXNET公司的RTU/DCS產(chǎn)品系列IPm控制器，配置模擬量和開關(guān)量輸入輸出接口，嵌入MFA控制軟件，具備MFA先進調(diào)節(jié)控制及全部邏輯控制功能?？刂破鬟€配有以太網(wǎng)接口，通過以太網(wǎng)連接上位機和企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)，滿足對過程實時監(jiān)控和生產(chǎn)管理的需要。高度集成的控制器集數(shù)據(jù)采集、先進控制、實時通訊為一體，能獨立完成陰陽床再生污水中和所需的各種控制操作。
　　監(jiān)控層對下負(fù)責(zé)集中管理控制層，向上連接管理層。系統(tǒng)在監(jiān)控層采用力控監(jiān)控組態(tài)軟件作為操作站流程圖界面，該軟件的接口非常豐富，可實現(xiàn)對多個控制設(shè)備的集中管理。由于力控監(jiān)控組態(tài)軟件提供了良好的用戶開發(fā)界面和簡捷易用的工程實現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進行簡單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項監(jiān)視、操作、報警、歷史記錄和分析功能，縮短了自動化工程師系統(tǒng)集成的時間，大大提高了集成效率。
4.3 實施方案
　　控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有裝置及設(shè)備運行情況，依據(jù)中和反應(yīng)原理，采用遠(yuǎn)程操作，現(xiàn)場控制實現(xiàn)自動注堿/酸判斷、調(diào)節(jié)加藥量和排放/循環(huán)切換，達(dá)到污水中和處理和達(dá)標(biāo)排放的目的。
　　為了避免控制系統(tǒng)過于復(fù)雜，通過一個MFA調(diào)節(jié)器同時對六臺注堿（酸）計量泵進行分程控制，第一臺泵采用小流量泵以避免其長時間在不良工況下運行。不僅使系統(tǒng)有更寬的適應(yīng)性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對pH值的精確控制。利用提升泵出口的pH傳感器作為監(jiān)測，用于控制系統(tǒng)自動根據(jù)污水的pH值進行加酸/堿的切換，控制系統(tǒng)通過其數(shù)值判斷在任一時刻是需要注酸還是注堿。加藥管線末端的pH傳感器既用來進行調(diào)節(jié)控制，也作為循環(huán)/排放切換數(shù)值依據(jù)，流量計可作為控制器的前饋。整個系統(tǒng)做到系統(tǒng)精簡、控制精確，設(shè)備經(jīng)久耐用。
　　控制系統(tǒng)如圖3所示：

圖4

5、改造成果
5.1 操作簡單
　　系統(tǒng)通過力控監(jiān)控組態(tài)軟件友好的圖形化界面，靈活的組態(tài)功能，使監(jiān)測更直觀，操作更為簡單；符合操作工人習(xí)慣，只需簡單培訓(xùn)既可上崗操作。
　　用戶界面如下：

5.2 控制精確可靠
　　控制系統(tǒng)利用美國博軟公司的MFA控制器精確的調(diào)節(jié)特性，結(jié)合相應(yīng)的控制方案，使控制系統(tǒng)能夠在各種復(fù)雜的工況之下正常運行。在各種工況下通過長期的運行驗證，證明控制系統(tǒng)基本可以將排放污水的pH值控制在設(shè)定值±0.2之內(nèi)，實現(xiàn)完全達(dá)標(biāo)排放。
5.3 維護方便
　　嵌入式技術(shù)的運用使軟件與硬件的結(jié)合更容易，使用戶通過一張光盤既可恢復(fù)系統(tǒng)的所有軟件部分；由于采用現(xiàn)場總線的通訊方式，減少了復(fù)雜的現(xiàn)場布線工作，使設(shè)備維護起來更加方便。

 
6、結(jié)束語
　　實踐證明，在陰陽床再生污水處理系統(tǒng)中，通過MFA先進控制技術(shù)與力控ForceControl 監(jiān)控組態(tài)軟件，SIXNET等優(yōu)秀軟硬件產(chǎn)品的集成，有效解決了非線性、大滯后等傳統(tǒng)控制難題，提高中和過程質(zhì)量，降低運行成本，消除污染排放。并且具有調(diào)試時間短、控制可靠、運行維修方便等特點，在系統(tǒng)硬件可靠性上也具有較大的優(yōu)勢，是控制技術(shù)應(yīng)用軟件與控制產(chǎn)品應(yīng)用相結(jié)合的成功應(yīng)用。

　　參考文獻
　　[1]凡斯?凡多倫 無模型自適應(yīng)控制--《世界儀表與自動化》 2001,(6)
　　[2]<< CyboCon CE User Manual >>    General Cybernation Group, Inc
　　[3] <<計算機控制系統(tǒng)>>  王慧 化學(xué)工業(yè)出版社
　　[4] <<工業(yè)污水處理工藝>>第三版 王蒙聚 中國電力出版社

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