组态软件阴阳床再生污水中和处理控制系统,pH监控系统的应用

1、引言

　　pH值是工业污水处理中常见的受控变量之一，但由于其特殊的过程特性，实现自动控制的难度较大，因此，目前仍基本采用人工进行排放管理，超标排放的现象时有发生。
阴阳床是电厂除盐水处理常用的生产工艺，其再生过程会产生强酸和强碱污水，这些污水须经过中和处理后才能够排放。目前对于阴阳床再生污水的处理有多种方法，主要分为池中加药和管道加药两种方式。尽管工艺流程和控制方法不同，但基本的控制原理是一样的。
本文以某石化公司阴阳床再生污水pH值稳定控制系统项目为例，通过对阴阳床污水处理管道加药工艺的分析，阐述了运用先进控制技术、嵌入技术及力控ForceControl监控组态软件，建立控制层与管理层的连接，实现集中管理和监控，最终达到自动达标排放的目的。

2、工艺概述
　　原处理工艺流程是将阴阳床再生污水首先排放到中和池进行预混合处理，然后进入缓冲罐，经污水提升泵送至污水处理管线，在管道内进行加药。加药部分设两组（酸/碱）加药计量泵，分两级进行加药处理，两级各设置一台静态混合器。处理后的污水如达标则直接排放；否则，通过气动阀门回流至缓冲罐循环处理。
　　阴阳床再生的时间和周期由除盐水生产装置的实际运行状况而决定，受其影响中和池内再生污水的来源和水量呈不同的酸/碱性。理想的处理方式是让酸/碱污水首先在大中和池内充分中和；由于阳床的酸性污水较多，阴床的碱性污水较少，池内污水基本显酸性，加药时仅需要注入适量碱液即可排放，但往往池容积有限，经常会出现污水显较强酸（碱）性时还须加药排放的情况。

3、控制特点
3.1 非线性：
　　污水pH值与加药量之间的关系呈现极强的非线性特征。在污水流量不变（提升泵流量约70m3/h）,并且碱液浓度为45%的前提下，如下一组数据可以明显地看到过程的非线性：

　　该现象也可以从pH过程的滴定曲线得到解释，如图2所示。pH过程本身是具有极端非线性（S型）的过程对象。这意味着在容量相等但pH值不相同的溶液中加入等量的酸（碱）液，对溶液pH值的影响是不同的。
　　由于阳床的再生周期短，再生时间长，因此阳床再生过程中的污水一般呈较强酸性，处于pH滴定曲线平缓段，时常表现为中和过程中加药量很大，但pH值上升却很慢；而一旦进入pH滴定曲线的陡峭区则往往加药过量出现超调。过程增益特性的变化可以达到数百倍之多。
　　面对这种强烈的非线性对象，就要求控制器须能适应过程特性的变化，避免调节控制作用在强酸时不足和弱酸时超调的结果。此外，在工艺设备方面还要求加药泵有很大的储备量和流比控制特性以应对不同 pH值的污水。

3.2 大滞后（τ）：
　　从改变加药量到实际pH值发生变化大约需要10秒钟，而过程的时间常数往往仅有1～2秒钟。
　　该现象产生原因主要是由于现场加药点距传感器安装点有一定距离、在线检测仪表取样管线较长等工艺管线原因造成的。另外在管道加药时，一般会加入静态混合器，污水在到达测量点时，中和反应已基本完成；反应的变化速度（时间常数T）基本由泵的增减量的能力决定，过程几乎没有过渡时间，而导致较高的τ/ T比。
　　τ/ T≥2时，是常规控制方法的难题。
3.3 PID控制器的局限性：
　　原控制系统中采用了常规的PID控制器。由于该控制器的算法特点，对大滞后、非线性及两者的组合特性缺乏必要的应对手段，尽管在工艺上采用了分段加药的方式，用增加设备投入的方式来弥补控制缺陷，仍然无法满足工艺要求，系统的控制精度低，投药量和循环量大，增加了使用成本。

4、解决方案
4.1 选用先进控制器
　　美国通控集团博软公司(CyboSoft, General Cybernation Group Inc.)于1997年在美国推出了无摸型自适应(Model-Free Adaptive Control，MFA)控制技术及其产品CyboCon（美国专利号：6,055,524）。目前在石油化工、冶金、半导体、航空航天、医药、食品、环保等现代工业领域都有MFA技术及其产品应用实例。
　　CyboCon是世界上首套“即插即用”式单变量和多变量控制软件，可对简单或复杂的工业过程作自适应控制。与传统的自适应控制技术相比，CyboCon的无模型自适应(MFA)控制器的实用性更强，使用者无需进行控制器设计、过程辩识，也不需知道过程的定量知识，就可将控制器投入运行。即使过程的动态特性有很大变化，也不需重新整定控制器参数。
4.2 构建先进控制平台
　　系统在控制层采用美国SIXNET公司的RTU/DCS产品系列IPm控制器，配置模拟量和开关量输入输出接口，嵌入MFA控制软件，具备MFA先进调节控制及全部逻辑控制功能。控制器还配有以太网接口，通过以太网连接上位机和企业管理网络，满足对过程实时监控和生产管理的需要。高度集成的控制器集数据采集、先进控制、实时通讯为一体，能独立完成阴阳床再生污水中和所需的各种控制操作。
　　监控层对下负责集中管理控制层，向上连接管理层。系统在监控层采用力控监控组态软件作为操作站流程图界面，该软件的接口非常丰富，可实现对多个控制设备的集中管理。由于力控监控组态软件提供了良好的用户开发界面和简捷易用的工程实现方法，只要将其预设置的各种软件模块进行简单的“组态”，便可以非常容易地实现和完成监控层的各项监视、操作、报警、历史记录和分析功能，缩短了自动化工程师系统集成的时间，大大提高了集成效率。
4.3 实施方案
　　控制系统根据现有装置及设备运行情况，依据中和反应原理，采用远程操作，现场控制实现自动注碱/酸判断、调节加药量和排放/循环切换，达到污水中和处理和达标排放的目的。
　　为了避免控制系统过于复杂，通过一个MFA调节器同时对六台注碱（酸）计量泵进行分程控制，第一台泵采用小流量泵以避免其长时间在不良工况下运行。不仅使系统有更宽的适应性，而且能够实现对pH值的精确控制。利用提升泵出口的pH传感器作为监测，用于控制系统自动根据污水的pH值进行加酸/碱的切换，控制系统通过其数值判断在任一时刻是需要注酸还是注碱。加药管线末端的pH传感器既用来进行调节控制，也作为循环/排放切换数值依据，流量计可作为控制器的前馈。整个系统做到系统精简、控制精确，设备经久耐用。
　　控制系统如图3所示：

图4

5、改造成果
5.1 操作简单
　　系统通过力控监控组态软件友好的图形化界面，灵活的组态功能，使监测更直观，操作更为简单；符合操作工人习惯，只需简单培训既可上岗操作。
　　用户界面如下：

5.2 控制精确可靠
　　控制系统利用美国博软公司的MFA控制器精确的调节特性，结合相应的控制方案，使控制系统能够在各种复杂的工况之下正常运行。在各种工况下通过长期的运行验证，证明控制系统基本可以将排放污水的pH值控制在设定值±0.2之内，实现完全达标排放。
5.3 维护方便
　　嵌入式技术的运用使软件与硬件的结合更容易，使用户通过一张光盘既可恢复系统的所有软件部分；由于采用现场总线的通讯方式，减少了复杂的现场布线工作，使设备维护起来更加方便。

 
6、结束语
　　实践证明，在阴阳床再生污水处理系统中，通过MFA先进控制技术与力控ForceControl 监控组态软件，SIXNET等优秀软硬件产品的集成，有效解决了非线性、大滞后等传统控制难题，提高中和过程质量，降低运行成本，消除污染排放。并且具有调试时间短、控制可靠、运行维修方便等特点，在系统硬件可靠性上也具有较大的优势，是控制技术应用软件与控制产品应用相结合的成功应用。

　　参考文献
　　[1]凡斯•凡多伦 无模型自适应控制--《世界仪表与自动化》 2001,(6)
　　[2]<< CyboCon CE User Manual >>    General Cybernation Group, Inc
　　[3] <<计算机控制系统>>  王慧 化学工业出版社
　　[4] <<工业污水处理工艺>>第三版 王蒙聚 中国电力出版社

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