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陳之瑞

1  引言
在工業(yè)鍋爐軟化水處理當(dāng)中，需要對(duì)生水同時(shí)進(jìn)行除硬和除堿處理，因此需要對(duì)離子交換床周期地進(jìn)行酸洗和堿洗，以達(dá)到交換劑再生的目的。在離子交換床沖洗過程中要排出大量的酸性和堿性的沖洗廢液，這些廢液必須經(jīng)過中和處理，使pH值達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)后才能進(jìn)行排放。眾所周知，中和反應(yīng)過程在pH值遠(yuǎn)離7時(shí)，反應(yīng)緩慢，系統(tǒng)存在很大的時(shí)間滯后，而當(dāng)pH值在7附近時(shí)，系統(tǒng)反應(yīng)非常靈敏，pH值隨酸堿量的變化異常劇烈，很容易產(chǎn)生過調(diào)，引起系統(tǒng)震蕩。由于廢水中和反應(yīng)過程的這一非線性特點(diǎn)，使得中和反應(yīng)很難控制，不但使排放液很難達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，而且還會(huì)浪費(fèi)大量的酸堿藥劑。本文介紹的廢水中和自控系統(tǒng)正是針對(duì)這一特點(diǎn)，通過設(shè)置恰當(dāng)?shù)膒H值檢測(cè)點(diǎn)，采用PLC監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)水泵和閥門進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，自動(dòng)完成整個(gè)中和處理過程，而且可以以最少的藥劑消耗量，實(shí)現(xiàn)再生廢液的達(dá)標(biāo)排放。

2  工藝流程及檢測(cè)儀表的設(shè)置
廢水中和系統(tǒng)工藝流程圖如圖1所示，來自軟化水處理裝置的酸洗或堿洗廢液首先進(jìn)入中和池，由于酸洗液或堿洗液是批次、間歇排放的，一般，軟水裝置先進(jìn)行堿洗。此時(shí)大量的堿性廢液首先排入中和池，之后再進(jìn)行酸洗，將酸洗廢液排入中和池，這樣，在中和池中先后排放的堿洗廢液和酸洗廢液首先進(jìn)行初級(jí)中和。在中和池中設(shè)有液位檢測(cè)儀LIT01和pH值檢測(cè)儀AIT01，當(dāng)中和池液位達(dá)到一定高度時(shí)，啟動(dòng)循環(huán)泵P20或P21（兩個(gè)泵為一用一備工作方式）。在循環(huán)泵出口管上安裝有流量計(jì)FIT01和pH檢測(cè)儀AIT02。循環(huán)泵出口分兩路，一路經(jīng)電動(dòng)閥AV01返回至中和池，實(shí)現(xiàn)原液循環(huán)；循環(huán)的目的是讓排入中和池的堿洗廢液和酸洗廢液充分混合，使初級(jí)中和進(jìn)行徹底。另一路經(jīng)電動(dòng)閥AV02至二次中和池，在二次中和池設(shè)有pH檢測(cè)儀AIT03和液位檢測(cè)儀LIT02，AIT03 用于檢測(cè)最終排放的廢水的pH值。

 
圖1  廢水中和系統(tǒng)工藝流程圖

在循環(huán)泵出口管上接有加酸管和加減管，HCl酸液經(jīng)P102或P103計(jì)量泵投加到循環(huán)泵出口管上；NaOH酸液經(jīng)P101或P104計(jì)量泵投加到循環(huán)泵出口管上；酸液和堿液計(jì)量泵均采用變頻調(diào)速控制。
3  控制變量的選擇及控制方案的確定
為了檢測(cè)廢液pH值的變化，分別在中和池、二次中和池和循環(huán)泵出口管上設(shè)有pH檢測(cè)儀表，顯然二次中和池的pH值決定廢水是否可進(jìn)行排放，因此，根據(jù)AIT03檢測(cè)數(shù)值控制排放閥AV03和回流閥AV04的開閉是合理的。當(dāng)AIT03檢測(cè)值滿足排放標(biāo)準(zhǔn)（6.5≤pH≤8.0）時(shí)打開排放閥AV03，將合格水排掉。當(dāng)AIT03檢測(cè)值不滿足排放標(biāo)準(zhǔn)（pH<6.5或pH>8.0）時(shí)打開回流閥AV04，廢液返回中和池繼續(xù)處理。為了防止由于信號(hào)干擾或儀表的零漂而造成的排放閥和回流閥的誤動(dòng)作，可以把AIT01的測(cè)量值進(jìn)行加權(quán)，由PLC綜合判斷后給出控制指令。
作為中和藥劑（堿液或酸液）投加量的控制依據(jù)是選擇AIT01，還是選擇AIT02，這要根據(jù)測(cè)量的實(shí)時(shí)性和控制的靈活性考慮，選擇AIT02作被控變量比較合適，因?yàn)闄z測(cè)點(diǎn)在循環(huán)泵出口管上，靠近控制閥和藥劑投加點(diǎn)，并且介質(zhì)流速高，pH值的變化在此反應(yīng)比較靈敏。但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)該檢測(cè)點(diǎn)存在以下問題：① 檢測(cè)值受環(huán)境干擾比較嚴(yán)重，由于AIT02安裝在計(jì)量泵附近，計(jì)量泵采用變頻調(diào)速，其高次諧波干擾對(duì)于高輸入阻抗的pH測(cè)量儀干擾非常嚴(yán)重，加之信號(hào)電纜與動(dòng)力電纜共槽敷設(shè)，使得AIT02儀表遭受干擾幅值高達(dá)量程的5%，特別是在加酸控制過程中加酸泵的起停對(duì)pH測(cè)量值影響達(dá)0.7%之多，很難據(jù)此進(jìn)行控制。② 由于儀表安裝在泵出口，介質(zhì)流速高，沖擊力大，很容易損壞玻璃電極。③ 由于系統(tǒng)是間歇工作的，藥劑投加點(diǎn)距檢測(cè)點(diǎn)很近，當(dāng)循環(huán)泵停止工作時(shí)管道中無介質(zhì)流動(dòng)，此時(shí)藥劑的微量泄露都會(huì)給電極造成污染，造成儀表示值超限溢出。而選擇AIT01作為被控變量，可以有效地避免上述問題，實(shí)際的運(yùn)行效果也證明選擇AIT01作為被控變量是合適的。

 
圖2  中和藥劑投加PID控制框圖

中和藥劑的投加控制一般有兩種控制方案，一種是根據(jù)所檢測(cè)的循環(huán)廢水流量和pH值，依據(jù)中和反應(yīng)方程計(jì)算出廢水中和反應(yīng)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)所需的加堿或加酸當(dāng)量，按此當(dāng)量控制加堿泵或加酸泵投加量，由于此種控制方案需要繁瑣的計(jì)算和準(zhǔn)確的計(jì)量，實(shí)現(xiàn)起來比較困難，因此很少被采用。另一種控制方案就是依據(jù)檢測(cè)的pH和給定值的偏差采用PID控制，通過調(diào)節(jié)藥劑計(jì)量泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)投加量，使pH值達(dá)到要求。其控制流程如圖2所示。
采用PID控制時(shí)，由于在控制初期pH值偏差很大，而此時(shí)系統(tǒng)慣性也很大，雖然中和藥劑投加量很大，但pH值變化并不明顯，因此容易造成控制器輸出的積分飽和。而當(dāng)pH值接近7時(shí)，即使是很小的藥劑量也會(huì)引起pH值的劇烈變化。而此時(shí)由于積分作用，控制器的輸出不可能迅速減少，因此必然會(huì)造成過調(diào)，引起系統(tǒng)震蕩，如果取消積分作用，則當(dāng)比例作用較小時(shí)，控制器調(diào)節(jié)能力降低，雖然可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定，但使處理時(shí)間加長，由于系統(tǒng)要求批處理的周期不能超過2個(gè)小時(shí)，否則會(huì)影響下一次的處理。而如果加大比例作用則又會(huì)使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，因此單純的通過PID的參數(shù)整定難以滿足要求。
為了克服上述系統(tǒng)的缺點(diǎn)，采用一種分段變比例控制規(guī)律，根據(jù)pH偏差值的大小，將控制輸出分成若干區(qū)段，這樣既可以根據(jù)pH值靈活地改變控制輸出的大小，又不會(huì)造成積分飽和或產(chǎn)生過調(diào)。例如在0≤pH≤6.5的范圍之內(nèi)，將其分成5個(gè)區(qū)段，對(duì)應(yīng)于加堿計(jì)量泵的5個(gè)頻率轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1

可以看出，pH的區(qū)段并不是平均劃分的，為了使每個(gè)批次的處理時(shí)間盡量短，同時(shí)又要保證控制精度，在pH值越接近6.5時(shí)，劃分越細(xì)，這樣就能保證較高的控制精度，不致產(chǎn)生過調(diào)，同時(shí)還可以通過調(diào)節(jié)加堿泵沖程作為輔助控制。
同理在6.5<pH≤8的范圍之內(nèi)也可以將其分成5個(gè)區(qū)段，分別對(duì)應(yīng)與加酸計(jì)量泵的5個(gè)頻率轉(zhuǎn)速控制。在此不再贅述。
4  系統(tǒng)構(gòu)成及操作原理
根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，該系統(tǒng)需要對(duì)4臺(tái)變頻泵組，2臺(tái)定速泵組，4個(gè)電動(dòng)閥門進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，依據(jù)相應(yīng)的液位、pH、流量等模擬量檢測(cè)和設(shè)備采集的狀態(tài)量，按工藝流程要求依次控制各設(shè)備的動(dòng)作。控制設(shè)備選用LG產(chǎn)電MASTER-K80S系列PLC，該產(chǎn)品為集成式結(jié)構(gòu)，CPU處理速度達(dá)0.5μs/步，應(yīng)用程序容量可達(dá)7KB，并內(nèi)置了包括PID控制功能在內(nèi)的多種應(yīng)用功能塊，而且具有很強(qiáng)的系統(tǒng)擴(kuò)展功能，特別適用于獨(dú)立的小型控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)選用K7M-DR60S，并配以2個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊G7F-ADHA和1個(gè)模擬電位器擴(kuò)展模塊G7F-AD2A，這樣系統(tǒng)共具有36個(gè)DI，24個(gè)繼電器DO，4個(gè)4～20mA AI和2個(gè)4～20mA AO，完全滿足了系統(tǒng)控制要求。該產(chǎn)品的編程工具KGL-WIN是一種基于Windows的編程軟件，可在任何PC機(jī)上進(jìn)行在線或離線的編輯和調(diào)試，梯形圖和語句表可提供在線幫助，編程簡單易學(xué)。為了便于參數(shù)監(jiān)視和設(shè)備操作，本系統(tǒng)還采用了PMU-200操作員面板，通過PMU-MASTER組態(tài)軟件，可以在PMU-200上編輯簡單的操作監(jiān)視模擬畫面，各種報(bào)警畫面，定義變量地址，以及各種功能鍵等。系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖3所示。

 
圖3  廢水中和控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

該系統(tǒng)具有全自動(dòng)操作和半自動(dòng)操作兩種模式。在全自動(dòng)操作模式下，PLC自動(dòng)檢測(cè)中和池水位，當(dāng)水位達(dá)到預(yù)定高度時(shí)，首先關(guān)閉電動(dòng)閥AV02，打開電動(dòng)閥AV01，啟動(dòng)循環(huán)泵進(jìn)行循環(huán)攪拌，攪拌時(shí)間可根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)置，以達(dá)到攪拌均勻?yàn)槟康模话阍?0~15分鐘范圍內(nèi)。攪拌均勻后根據(jù)測(cè)量的AIT01的pH值判斷是啟動(dòng)加酸泵還是加堿泵，并根據(jù)“pH―轉(zhuǎn)速”對(duì)照表控制加酸泵或加堿泵的轉(zhuǎn)速。當(dāng)檢測(cè)到AIT01的pH值滿足排放標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，停止加酸泵或加堿泵，此時(shí)循環(huán)泵繼續(xù)運(yùn)行3～5分鐘，此間若檢測(cè)到pH值不合格，則繼續(xù)啟動(dòng)加酸泵或加堿泵，若pH值穩(wěn)定在合格值范圍內(nèi)，則打開電動(dòng)閥AV02，關(guān)閉電動(dòng)閥AV01，將合格水排至二次中和池，此時(shí)PLC檢測(cè)AIT03的pH值，若滿足排放要求則關(guān)閉電動(dòng)閥AV04，打開電動(dòng)閥AV03，將水排放，若不滿足排放要求則關(guān)閉電動(dòng)閥AV03，打開電動(dòng)閥AV04，繼續(xù)處理。當(dāng)檢測(cè)到中和池水位下降到低水位時(shí)，停止循環(huán)泵，則該次批處自動(dòng)完成。等待中和池水位上升到預(yù)定高度時(shí)，進(jìn)行下一次的批處理。在半自動(dòng)操作模式下，每一個(gè)批處理程序不是由中和池水位自動(dòng)觸發(fā)的，而是由人工通過啟動(dòng)循環(huán)泵啟動(dòng)的。
5  結(jié)語
應(yīng)用PLC控制器構(gòu)成廢水中和控制系統(tǒng)，其問題的關(guān)鍵在于選擇恰當(dāng)?shù)乃幚砉に嚭涂刂谱兞?。由于酸堿中和反應(yīng)的非線性特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)處理工藝時(shí)應(yīng)首選批處理方式，這樣把連續(xù)控制變成批量程控，既可以充分發(fā)揮PLC控制器的優(yōu)越性，也可以節(jié)約中和藥劑；在選擇控制變量時(shí)不但要考慮檢測(cè)點(diǎn)的靈敏性，更重要的是要考慮檢測(cè)參量的穩(wěn)定性和可控性。本系統(tǒng)根據(jù)工藝特點(diǎn)，采用批處理方式和變比例控制規(guī)律取得了很好的效果，該系統(tǒng)自2000年在燕山石化熱力分廠投用以來，污水排放完全達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)節(jié)約了大量藥劑和人力，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。