1、引言

　　pH值是工業(yè)污水處理中常見(jiàn)的受控變量之一，但由于其特殊的過(guò)程特性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的難度較大，因此，目前仍基本采用人工進(jìn)行排放管理，超標(biāo)排放的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。
陰陽(yáng)床是電廠除鹽水處理常用的生產(chǎn)工藝，其再生過(guò)程會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)酸和強(qiáng)堿污水，這些污水須經(jīng)過(guò)中和處理后才能夠排放。目前對(duì)于陰陽(yáng)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(yáng)床再生污水pH值穩(wěn)定控制系統(tǒng)項(xiàng)目為例，通過(guò)對(duì)陰陽(yáng)床污水處理管道加藥工藝的分析，闡述了運(yùn)用先進(jìn)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(shí)現(xiàn)集中管理和監(jiān)控，最終達(dá)到自動(dòng)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(yáng)床再生污水首先排放到中和池進(jìn)行預(yù)混合處理，然后進(jìn)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(jìn)行加藥。加藥部分設(shè)兩組（酸/堿）加藥計(jì)量泵，分兩級(jí)進(jìn)行加藥處理，兩級(jí)各設(shè)置一臺(tái)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(guò)氣動(dòng)閥門(mén)回流至緩沖罐循環(huán)處理。
　　陰陽(yáng)床再生的時(shí)間和周期由除鹽水生產(chǎn)裝置的實(shí)際運(yùn)行狀況而決定，受其影響中和池內(nèi)再生污水的來(lái)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(yáng)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(shí)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(huì)出現(xiàn)污水顯較強(qiáng)酸（堿）性時(shí)還須加藥排放的情況。

3、控制特點(diǎn)
3.1 非線性：
　　污水pH值與加藥量之間的關(guān)系呈現(xiàn)極強(qiáng)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(guò)程的非線性：

　　該現(xiàn)象也可以從pH過(guò)程的滴定曲線得到解釋?zhuān)鐖D2所示。pH過(guò)程本身是具有極端非線性（S型）的過(guò)程對(duì)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(duì)溶液pH值的影響是不同的。
　　由于陽(yáng)床的再生周期短，再生時(shí)間長(zhǎng)，因此陽(yáng)床再生過(guò)程中的污水一般呈較強(qiáng)酸性，處于pH滴定曲線平緩段，時(shí)常表現(xiàn)為中和過(guò)程中加藥量很大，但pH值上升卻很慢；而一旦進(jìn)入pH滴定曲線的陡峭區(qū)則往往加藥過(guò)量出現(xiàn)超調(diào)。過(guò)程增益特性的變化可以達(dá)到數(shù)百倍之多。
　　面對(duì)這種強(qiáng)烈的非線性對(duì)象，就要求控制器須能適應(yīng)過(guò)程特性的變化，避免調(diào)節(jié)控制作用在強(qiáng)酸時(shí)不足和弱酸時(shí)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(chǔ)備量和流比控制特性以應(yīng)對(duì)不同 pH值的污水。

3.2 大滯后（τ）：
　　從改變加藥量到實(shí)際pH值發(fā)生變化大約需要10秒鐘，而過(guò)程的時(shí)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(chǎng)加藥點(diǎn)距傳感器安裝點(diǎn)有一定距離、在線檢測(cè)儀表取樣管線較長(zhǎng)等工藝管線原因造成的。另外在管道加藥時(shí)，一般會(huì)加入靜態(tài)混合器，污水在到達(dá)測(cè)量點(diǎn)時(shí)，中和反應(yīng)已基本完成；反應(yīng)的變化速度（時(shí)間常數(shù)T）基本由泵的增減量的能力決定，過(guò)程幾乎沒(méi)有過(guò)渡時(shí)間，而導(dǎo)致較高的τ/ T比。
　　τ/ T≥2時(shí)，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(diǎn)，對(duì)大滯后、非線性及兩者的組合特性缺乏必要的應(yīng)對(duì)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(lái)彌補(bǔ)控制缺陷，仍然無(wú)法滿(mǎn)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(jìn)控制器
　　美國(guó)通控集團(tuán)博軟公司(CyboSoft, General Cybernation Group Inc.)于1997年在美國(guó)推出了無(wú)摸型自適應(yīng)(Model-Free Adaptive Control，MFA)控制技術(shù)及其產(chǎn)品CyboCon（美國(guó)專(zhuān)利號(hào)：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(shí)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(duì)簡(jiǎn)單或復(fù)雜的工業(yè)過(guò)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(wú)模型自適應(yīng)(MFA)控制器的實(shí)用性更強(qiáng)，使用者無(wú)需進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)、過(guò)程辯識(shí)，也不需知道過(guò)程的定量知識(shí)，就可將控制器投入運(yùn)行。即使過(guò)程的動(dòng)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(jìn)控制平臺(tái)
　　系統(tǒng)在控制層采用美國(guó)SIXNET公司的RTU/DCS產(chǎn)品系列IPm控制器，配置模擬量和開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口，嵌入MFA控制軟件，具備MFA先進(jìn)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(guò)以太網(wǎng)連接上位機(jī)和企業(yè)管理網(wǎng)絡(luò)，滿(mǎn)足對(duì)過(guò)程實(shí)時(shí)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(jìn)控制、實(shí)時(shí)通訊為一體，能獨(dú)立完成陰陽(yáng)床再生污水中和所需的各種控制操作。
　　監(jiān)控層對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)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(hù)開(kāi)發(fā)界面和簡(jiǎn)捷易用的工程實(shí)現(xiàn)方法，只要將其預(yù)設(shè)置的各種軟件模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的“組態(tài)”，便可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)監(jiān)視、操作、報(bào)警、歷史記錄和分析功能，縮短了自動(dòng)化工程師系統(tǒng)集成的時(shí)間，大大提高了集成效率。
4.3 實(shí)施方案
　　控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)有裝置及設(shè)備運(yùn)行情況，依據(jù)中和反應(yīng)原理，采用遠(yuǎn)程操作，現(xiàn)場(chǎng)控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(guò)于復(fù)雜，通過(guò)一個(gè)MFA調(diào)節(jié)器同時(shí)對(duì)六臺(tái)注堿（酸）計(jì)量泵進(jìn)行分程控制，第一臺(tái)泵采用小流量泵以避免其長(zhǎng)時(shí)間在不良工況下運(yùn)行。不僅使系統(tǒng)有更寬的適應(yīng)性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)pH值的精確控制。利用提升泵出口的pH傳感器作為監(jiān)測(cè)，用于控制系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)污水的pH值進(jìn)行加酸/堿的切換，控制系統(tǒng)通過(guò)其數(shù)值判斷在任一時(shí)刻是需要注酸還是注堿。加藥管線末端的pH傳感器既用來(lái)進(jìn)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(jì)可作為控制器的前饋。整個(gè)系統(tǒng)做到系統(tǒng)精簡(jiǎn)、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(jiǎn)單
　　系統(tǒng)通過(guò)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(cè)更直觀，操作更為簡(jiǎn)單；符合操作工人習(xí)慣，只需簡(jiǎn)單培訓(xùn)既可上崗操作。
　　用戶(hù)界面如下：

5.2 控制精確可靠
　　控制系統(tǒng)利用美國(guó)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(yùn)行。在各種工況下通過(guò)長(zhǎng)期的運(yùn)行驗(yàn)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(shí)現(xiàn)完全達(dá)標(biāo)排放。
5.3 維護(hù)方便
　　嵌入式技術(shù)的運(yùn)用使軟件與硬件的結(jié)合更容易，使用戶(hù)通過(guò)一張光盤(pán)既可恢復(fù)系統(tǒng)的所有軟件部分；由于采用現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊方式，減少了復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)布線工作，使設(shè)備維護(hù)起來(lái)更加方便。

 
6、結(jié)束語(yǔ)
　　實(shí)踐證明，在陰陽(yáng)床再生污水處理系統(tǒng)中，通過(guò)MFA先進(jìn)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(guò)程質(zhì)量，降低運(yùn)行成本，消除污染排放。并且具有調(diào)試時(shí)間短、控制可靠、運(yùn)行維修方便等特點(diǎn)，在系統(tǒng)硬件可靠性上也具有較大的優(yōu)勢(shì)，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(xiàn)
　　[1]凡斯?凡多倫 無(wú)模型自適應(yīng)控制--《世界儀表與自動(dòng)化》 2001,(6)
　　[2]<< CyboCon CE User Manual >>    General Cybernation Group, Inc
　　[3] <<計(jì)算機(jī)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(guó)電力出版社

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