AI仪表在废水中和自动控制系统中的应用———AI仪表在废水中和自

关键词： AI-808智能控制器、软化水处理

  一、引言
       在工业锅炉软化水处理当中，需要对生水同时进行除硬和除碱处理，因此需要对离子交换床周期地进行酸洗和碱洗，以达到交换剂再生的目的。在离子交换床冲洗过程中要排出大量的酸性和碱性的冲洗废液，这些废液必须经过中和处理，使pH值达到排放标准后才能进行排放。中和反应过程在pH值远离7时，反应缓慢，系统存在很大的时间滞后，而当pH值在7附近时，系统反应非常灵敏，pH值随酸碱量的变化异常剧烈，很容易产生过调，引起系统震荡。由于废水中和反应过程的这一非线性特点，使得中和反应很难控制，不但使排放液很难达到排放标准，而且还会浪费大量的酸碱药剂。废水中和自控系统正是针对这一特点，通过设置恰当的pH值检测点，采用监控系统，对水泵和阀门进行协调控制，自动完成整个中和处理过程，而且可以以最少的药剂消耗量，实现再生废液的达标排放。

  二、工艺流程
        废水中和系统工艺流程如图所示，来自软化水处理装置的酸洗或碱洗废液首先进入中和池，由于酸洗液或碱洗液是批次、间歇排放的，一般，软水装置先进行碱洗。此时大量的碱性废液首先排入中和池，之后再进行酸洗，将酸洗废液排入中和池，这样，在中和池中先后排放的碱洗废液和酸洗废液首先进行初级中和。在中和池中设有液位检测仪LIT01和pH值检测仪AIT01，当中和池液位达到一定高度时，启动循环泵P20或P21（两个泵为一用一备工作方式）。在循环泵出口管上安装有流量计FIT01和pH检测仪AIT02。循环泵出口分两路，一路经电动阀AV01返回至中和池，实现原液循环；循环的目的是让排入中和池的碱洗废液和酸洗废液充分混合，使初级中和进行彻底。另一路经电动阀AV02至二次中和池，在二次中和池设有pH检测仪AIT03和液位检测仪LIT02，AIT03 用于检测最终排放的废水的pH值。在循环泵出口管上接有加酸管和加减管，HCl酸液经P102或P103计量泵投加到循环泵出口管上；NaOH酸液经P101或P104计量泵投加到循环泵出口管上；酸液和碱液计量泵均采用变频调速控制。

  
三、控制变量的选择及控制方案的确定
        为了检测废液pH值的变化，分别在中和池、二次中和池和循环泵出口管上设有pH检测仪表，显然二次中和池的pH值决定废水是否可进行排放，因此，根据AIT03检测数值控制排放阀AV03和回流阀AV04的开闭是合理的。当AIT03检测值满足排放标准（6.5≤pH≤8.0）时打开排放阀AV03，将合格水排掉。当AIT03检测值不满足排放标准（pH<6.5或pH>8.0）时打开回流阀AV04，废液返回中和池继续处理。
        作为中和药剂（碱液或酸液）投加量的控制依据是选择AIT01，还是选择AIT02，这要根据测量的实时性和控制的灵活性考虑，选择AIT02作被控变量比较合适，因为检测点在循环泵出口管上，靠近控制阀和药剂投加点，并且介质流速高，pH值的变化在此反应比较灵敏。但在实际运行中发现该检测点存在以下问题：① 检测值受环境干扰比较严重，由于AIT02安装在计量泵附近，计量泵采用变频调速，其高次谐波干扰对于高输入阻抗的pH测量仪干扰非常严重，加之信号电缆与动力电缆共槽敷设，使得AIT02仪表遭受干扰幅值高达量程的5%，特别是在加酸控制过程中加酸泵的起停对pH测量值影响达0.7%之多，很难据此进行控制。② 由于仪表安装在泵出口，介质流速高，冲击力大，很容易损坏玻璃电极。③ 由于系统是间歇工作的，药剂投加点距检测点很近，当循环泵停止工作时管道中无介质流动，此时药剂的微量泄露都会给电极造成污染，造成仪表示值超限溢出。而选择AIT01作为被控变量，可以有效地避免上述问题，实际的运行效果也证明选择AIT01作为被控变量是合适的。
        中和药剂的投加控制一般有两种控制方案，一种是根据所检测的循环废水流量和pH值，依据中和反应方程计算出废水中和反应达到排放标准时所需的加碱或加酸当量，按此当量控制加碱泵或加酸泵投加量，由于此种控制方案需要繁琐的计算和准确的计量，实现起来比较困难，因此很少被采用。另一种控制方案就是依据检测的pH和给定值的偏差采用PID控制，通过调节药剂计量泵的转速调节投加量，使pH值达到要求。本系统采用PID控制方案，控制流程如下：

  
四、AI调节器选型和介绍
        在系统中PID控制器是根据pH值的大小来调节变频器的频率，达到控制循环泵的转速的目的。由于在控制初期pH值偏差很大，而此时系统惯性也很大，虽然中和药剂投加量很大，但pH值变化并不明显，因此容易造成控制器输出的积分饱和。而当pH值接近7时，即使是很小的药剂量也会引起pH值的剧烈变化，所以常规的PID仪表无法满足控制要求。因此系统选用宇电AI系列人工智能调节器，它可以彻底消除PID饱和积分现象，并在接近目标值时采用改进的PID算法，输出值不会大幅度变化，避免系统产生振荡。仪表具体型号为AI-808AI4X3。下面是AI调节PID算法详细介绍：
        AI调节器对标准PID算法加以改进和保留并加入模糊控制算法规则，对给定值的变化加入了前馈调节。在误差大时，运用模糊算法进行调节，以彻底消除PID饱和积分现象。当误差趋小时，采用改进后的PID算法控制输出。其控制参数采用被控对象特征描述方式。一组(MPT)参数即可同时确定PID参数和模糊控制参数。系统具有无超调和高控制精度等特点。针对不稳定的非线形复杂调节对象，表内设有自适应调节规则，可使系统进一步加快响应速度，改善控制品质。针对控制参数较难确定的现实，表内设有自整定专家系统，可使系统的控制参数确定简单，准确度提高，因此，自整定系统的引入，不仅使复杂劳动简化，节约了调试时间，而且提高了控制系统的调节品质。对于许多复杂的调节对象，例如电炉温度控制中的电网电压变化、外界干扰因素和工作环境多变等，针对有严重非线形的控制对象，国外仪表公司也推出了不少对策和方法。例如，日本导电公司生产的仪表中，采用了多组算法；欧陆和欧姆龙仪表中采用了自适应功能；KMM智能调节仪表中采用了折线模块来适应系统的非线性；还有的仪表公司在仪表中采用辩识方法来提高仪表在非线性系统中的调节质量。在AI系列智能工业调节器中，针对有严重中非线性的控制对象，选择了自适应方式来解决。其改进的特点是：当控制偏差大于估计的误差时，自适应系统不是修改MPT参数(国外仪表的自适应功能是修改控制参数)，而是修改输出值来降低误差。虽然修改范围有限，但不会出现将原来正确控制参数改错的现象，使响应速度加快，使控制精度大大提高。

  五、系统构成及控制模式
        根据系统运行特点，系统需要对4台变频泵组，2台定速泵组，4个电动阀门进行协调控制，依据相应的液位、pH、流量等模拟量检测和设备采集的状态量，按工艺流程要求依次控制各设备的动作。系统中逻辑控制设备选用LG MASTER-K80S系列PLC，该产品为集成式结构，CPU处理速度达0.5μs/步，应用程序容量可达7KB，并内置了多种应用功能块，而且具有很强的系统扩展功能，特别适用于独立的小型控制系统，本系统选用K7M-DR60S。该产品的编程工具KGL-WIN是一种基于Windows的编程软件，可在任何PC机上进行在线或离线的编辑和调试，梯形图和语句表可提供在线帮助，编程简单易学。本系统还采用了触摸屏作为人机对话便于参数监视和设备操作，可以在触摸屏上编辑简单的操作监视模拟画面，各种报警画面，定义变量地址，以及各种功能键等。
        系统具有全自动控制和半自动控制两种模式。在全自动控制模式下，系统自动检测中和池水位，当水位达到预定高度时，首先关闭电动阀AV02，打开电动阀AV01，启动循环泵进行循环搅拌，搅拌时间可根据具体情况进行设置，以达到搅拌均匀为目的，一般在10~15分钟范围内。搅拌均匀后根据测量的AIT01的pH值判断是启动加酸泵还是加碱泵，AI仪表根据测量值和设定值的偏差控制加酸泵或加碱泵的转速。当检测到AIT01的pH值满足排放标准时，停止加酸泵或加碱泵，此时循环泵继续运行3～5分钟，此间若检测到pH值不合格，则继续启动加酸泵或加碱泵，若pH值稳定在合格值范围内，则打开电动阀AV02，关闭电动阀AV01，将合格水排至二次中和池，此时系统检测AIT03的pH值，若满足排放要求则关闭电动阀AV04，打开电动阀AV03，将水排放，若不满足排放要求则关闭电动阀AV03，打开电动阀AV04，继续处理。当检测到中和池水位下降到低水位时，停止循环泵，则该次批处自动完成。等待中和池水位上升到预定高度时，进行下一次的批处理。在半自动控制模式下，每一个批处理程序不是由中和池水位自动触发的，而是由人工通过启动循环泵启动的。

  六、AI仪表调试和主要参数设置
        AI调节器提供丰富的用户设置方式，使其对不同的控制均能达到满意的控制效果，参数设置决定系统的静态和动态性能。PID参数根据不同的现场可以通过仪表的自整定功能得到。在多数情况下，自整定一次就可以使获得满意的控制效果。如果控制有偏差时，可以通过微调M5、P、T参数来修正。主要参数设置：HIAL：上限报警，根据实际要求设置。LOAL：下限报警，根据实际要求设置。Df：回差（死区、滞环），用于避免因测量输入值波动而产生频繁调节作用，在回差范围内位式调节不起作用，系统设置值为0.1。Ctrl：控制方式，系统设置值为4。M5：保持参数，主要决定调节算法中的积分作用，和PID积分时间类似，M5越小，系统积分作用越强，系统设置值为2。P：速率参数，与每秒内仪表输出变化100%时测量值时应变化大小成正比，P=1000/每秒测量值的升高单位值（系统以0.1定义为一个单位），系统设置值为7。T：滞后时间，t越小，则比例和积分作用均成正比增强，而微分作用相对减弱，但整体反馈作用增强：反之，t越大，则比例和积分作用均减弱，而微分作用相对增强，系统设置值为1。Ctl：输出周期，反映仪表运算调节的快慢，系统设置值为1。Sn：输入反馈信号类型，系统设置值为15，表示两线制变送器输入。OPt：输出信号类型，系统设置值为4，表示4-20MA输出。CF：系统功能选择，根据系统作用方向选择0或1。

  七、结语
        应用AI控制器和PLC构成废水中和控制系统，关键在于选择恰当的水处理工艺和控制变量。在选择控制变量时不但要考虑检测点的灵敏性，更重要的是要考虑检测参量的稳定性和可控性。本系统根据工艺特点，采用批处理方式取得了很好的效果，该系统自投用以来，污水排放完全达到了排放标准，同时节约了大量药剂和人力，取得了良好的经济效益。