陰陽床再生污水中和處理的控制

摘要：本文以陰陽床再生污水pH值穩定控制系統項目為典型，通過對其工藝進行的深入研究，分析了中和水處理過程中pH值的控制難點，闡述了運用先進控制技術、嵌入技術及專用組態軟件解決污水達標控制問題的具體方法。詳細說明了如何運用無模型自適應（MFA）技術在控制層解決pH值穩定問題，對于在污水處理系統中的應用高新控制技術有著重要的現實意義。

關鍵字：陰陽床再生污水；無模型自適應； MFA；pH；過程控制。

1   引言

pH值是工業污水處理中最常見的受控變量之一，但由于其特殊的過程特性，實現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，超標排放的現象時有發生。

陰陽床是電廠除鹽水處理最常用的生產工藝，其再生過程會產生強酸和強堿污水，這些污水須經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值穩定控制系統項目為例，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、嵌入技術及三維力控PCAuto 3.62監控組態軟件，建立控制層與管理層的連接，實現集中管理和監控；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，經污水提升泵送至污水處理管線，在管道內進行加藥。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處理。

陰陽床再生的時間和周期由除鹽水生產裝置的實際運行狀況而決定，受其影響中和池內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，經常會出現污水顯較強酸（堿）性時還必須加藥排放的情況。

1   控制特點

1.1   非線性：

污水pH值與加藥量之間的關系呈現極強的非線性特征。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，如下一組數據可以明顯地看到過程的非線性：

該現象也可以從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滴定曲線的陡峭區則往往加藥過量出現超調。過程增益特性的變化可以達到數百倍之多。

面對這種強烈的非線性對象，就要求控制器必須能適應過程特性的變化，避免調節控制作用在強酸時不足和弱酸時超調的結果。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。

1.2   大滯后（τ）：

從改變加藥量到實際pH值發生變化大約需要10秒鐘，而過程的時間常數往往僅有1～2秒鐘。

該現象產生原因主要是由于現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，是常規控制方法的難題。

1.3      PID控制器的局限性：

原控制系統中采用了常規的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，系統的控制精度低，投藥量和循環量大，增加了使用成本。

2   解決方案

2.1   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)控制技術及其產品CyboCon，并于1998年1月在美國取得專利（專利號：6,055,524）。這一技術產品一經面世，很快被工業界接受，得到廣泛應用。目前食品、醫藥、化工、鋼鐵、半導體、水處理到航空航天等現代工業領域都有MFA技術及其產品應用實例，并與ABB、Akzo Nobel、Siemens、Rohm & Haas，杜邦等許多國際著名大公司密切合作并取得多項應用成果。

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過程作自適應控制。與傳統的自適應控制技術相比，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。即使過程的動態特性有很大變化，也不需重新整定控制器參數。作為一套控制軟件產品，MFA控制器即可以運行在Windows操作平臺下，又可以嵌入到通用PLC中。

2.2   構建先進控制平臺

系統在控制層采用美國SIXNET公司的RTU/DCS產品系列IPm控制器，配置模擬量和開關量輸入輸出接口，嵌入MFA控制軟件，具備MFA先進調節控制及全部邏輯控制功能。控制器還配有以太網接口，通過以太網連接上位機和企業管理網絡，滿足對過程實時監控和生產管理的需要。高度集成的控制器集數據采集、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。

監控層對下負責集中管理控制層，向上連接管理層。系統在監控層采用三維力控公司PCAuto 3.62監控組態軟件作為操作站流程圖界面，該軟件的接口非常豐富，可實現對多個控制設備的集中管理。由于PCAuto提供了良好的用戶開發界面和簡捷易用的工程實現方法，只要將其預設置的各種軟件模塊進行簡單的“組態”，便可以非常容易地實現和完成監控層的各項監視、操作、報警、歷史記錄和分析功能，縮短了自動化工程師系統集成的時間，大大的提高了集成效率。

2.3   實施方案

控制系統跟據現有裝置及設備運行情況，依據中和反應原理，采用遠程操作，現場控制實現自動注堿／酸判斷、調節加藥量和排放／循環切換，達到污水中和處理和達標排放的目的。

為了避免控制系統過于復雜，通過一個MFA調節器同時對六臺注堿（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。從而不僅使系統有更寬的適應性，并且能夠實現對pH值的精確控制。利用提升泵出口的pH傳感器作為監測，用于控制系統自動根據污水的pH值進行加酸/堿的切換，控制系統通過其數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節控制并作為循環/排放切換數值依據，流量計可作為控制器的前饋。整個系統做到系統精簡、控制精確，設備經久耐用。控制系統如圖3所示：

控制原理簡圖如圖4所示：

1   改造的效果

1.1   操作簡單

系統通過力控@組態軟件友好的圖形化界面，靈活的組態功能，使監測更直觀，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：

1.1   控制精確可靠

控制系統利用美國博軟公司的MFA控制器精確的調節特性，結合相應的控制方案，使控制系統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，證明控制系統基本可以將排放污水的pH值控制在設定值±0.2之內，實現完全達標排放。

1.2   維護方便

嵌入式技術的運用使軟件與硬件的結合更容易，使用戶通過一張光盤既可恢復系統的所有軟件部分；由于采用現場總線的通訊方式，減少了復雜的現場布線工作，使設備維護起來更加方便。

2   結束語

實踐證明，在陰陽床再生污水處理系統中，通過MFA先進控制技術與三維力控PCAuto 3.62監控組態軟件，SIXNET等優秀軟硬件產品的集成，有效解決了非線性、大滯后等傳統控制難題，提高中和過程質量，降低運行成本，消除污染排放。并且具有調試時間短、控制可靠、運行維修方便等特點，在系統硬件可靠性上也具有較大的優勢，是高級控制技術應用軟件與開放式控制產品應用相結合的成功應用。