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，最終達到自動達標排放的目的。

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。加藥部分設兩組（酸/堿）加藥計量泵，分兩級進行加藥處理，兩級各設置一臺靜態(tài)混合器。處理后的污水如達標則直接排放；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，污水在到達測量點時，中和反應已基本完成；反應的變化速度（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對手段，盡管在工藝上采用了分段加藥的方式，用增加設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(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，可對簡單或復雜的工業(yè)過程作自適應控制。與傳統(tǒng)的自適應控制技術(shù)相比，CyboCon的無模型自適應(MFA)控制器的實用性更強，使用者無需進行控制器設計、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。控制器還配有以太網(wǎng)接口，通過以太網(wǎng)連接上位機和企業(yè)管理網(wǎng)絡，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)控層對下負責集中管理控制層，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，只要將其預設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)有裝置及設備運行情況，依據(jù)中和反應原理，采用遠程操作，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，達到污水中和處理和達標排放的目的。
　　為了避免控制系統(tǒng)過于復雜，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；符合操作工人習慣，只需簡單培訓既可上崗操作。
　　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)合相應的控制方案，使控制系統(tǒng)能夠在各種復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值控制在設定值±0.2之內(nèi)，實現(xiàn)完全達標排放。
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，減少了復雜的現(xiàn)場布線工作，使設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)應用軟件與控制產(chǎn)品應用相結(jié)合的成功應用。

　　參考文獻
　　[1]凡斯?凡多倫 無模型自適應控制--《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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