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陳之瑞

1  引言
在工業鍋爐軟化水處理當中，需要對生水同時進行除硬和除堿處理，因此需要對離子交換床周期地進行酸洗和堿洗，以達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，這些廢液必須經過中和處理，使pH值達到排放標準后才能進行排放。眾所周知，中和反應過程在pH值遠離7時，反應緩慢，系統存在很大的時間滯后，而當pH值在7附近時，系統反應非常靈敏，pH值隨酸堿量的變化異常劇烈，很容易產生過調，引起系統震蕩。由于廢水中和反應過程的這一非線性特點，使得中和反應很難控制，不但使排放液很難達到排放標準，而且還會浪費大量的酸堿藥劑。本文介紹的廢水中和自控系統正是針對這一特點，通過設置恰當的pH值檢測點，采用PLC監控系統，對水泵和閥門進行協調控制，自動完成整個中和處理過程，而且可以以最少的藥劑消耗量，實現再生廢液的達標排放。

2  工藝流程及檢測儀表的設置
廢水中和系統工藝流程圖如圖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，軟水裝置先進行堿洗。此時大量的堿性廢液首先排入中和池，之后再進行酸洗，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行初級中和。在中和池中設有液位檢測儀LIT01和pH值檢測儀AIT01，當中和池液位達到一定高度時，啟動循環泵P20或P21（兩個泵為一用一備工作方式）。在循環泵出口管上安裝有流量計FIT01和pH檢測儀AIT02。循環泵出口分兩路，一路經電動閥AV01返回至中和池，實現原液循環；循環的目的是讓排入中和池的堿洗廢液和酸洗廢液充分混合，使初級中和進行徹底。另一路經電動閥AV02至二次中和池，在二次中和池設有pH檢測儀AIT03和液位檢測儀LIT02，AIT03 用于檢測最終排放的廢水的pH值。

 
圖1  廢水中和系統工藝流程圖

在循環泵出口管上接有加酸管和加減管，HCl酸液經P102或P103計量泵投加到循環泵出口管上；NaOH酸液經P101或P104計量泵投加到循環泵出口管上；酸液和堿液計量泵均采用變頻調速控制。
3  控制變量的選擇及控制方案的確定
為了檢測廢液pH值的變化，分別在中和池、二次中和池和循環泵出口管上設有pH檢測儀表，顯然二次中和池的pH值決定廢水是否可進行排放，因此，根據AIT03檢測數值控制排放閥AV03和回流閥AV04的開閉是合理的。當AIT03檢測值滿足排放標準（6.5≤pH≤8.0）時打開排放閥AV03，將合格水排掉。當AIT03檢測值不滿足排放標準（pH<6.5或pH>8.0）時打開回流閥AV04，廢液返回中和池繼續處理。為了防止由于信號干擾或儀表的零漂而造成的排放閥和回流閥的誤動作，可以把AIT01的測量值進行加權，由PLC綜合判斷后給出控制指令。
作為中和藥劑（堿液或酸液）投加量的控制依據是選擇AIT01，還是選擇AIT02，這要根據測量的實時性和控制的靈活性考慮，選擇AIT02作被控變量比較合適，因為檢測點在循環泵出口管上，靠近控制閥和藥劑投加點，并且介質流速高，pH值的變化在此反應比較靈敏。但在實際運行中發現該檢測點存在以下問題：① 檢測值受環境干擾比較嚴重，由于AIT02安裝在計量泵附近，計量泵采用變頻調速，其高次諧波干擾對于高輸入阻抗的pH測量儀干擾非常嚴重，加之信號電纜與動力電纜共槽敷設，使得AIT02儀表遭受干擾幅值高達量程的5%，特別是在加酸控制過程中加酸泵的起停對pH測量值影響達0.7%之多，很難據此進行控制。② 由于儀表安裝在泵出口，介質流速高，沖擊力大，很容易損壞玻璃電極。③ 由于系統是間歇工作的，藥劑投加點距檢測點很近，當循環泵停止工作時管道中無介質流動，此時藥劑的微量泄露都會給電極造成污染，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，實際的運行效果也證明選擇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，一種是根據所檢測的循環廢水流量和pH值，依據中和反應方程計算出廢水中和反應達到排放標準時所需的加堿或加酸當量，按此當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算和準確的計量，實現起來比較困難，因此很少被采用。另一種控制方案就是依據檢測的pH和給定值的偏差采用PID控制，通過調節藥劑計量泵的轉速調節投加量，使pH值達到要求。其控制流程如圖2所示。
采用PID控制時，由于在控制初期pH值偏差很大，而此時系統慣性也很大，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pH值接近7時，即使是很小的藥劑量也會引起pH值的劇烈變化。而此時由于積分作用，控制器的輸出不可能迅速減少，因此必然會造成過調，引起系統震蕩，如果取消積分作用，則當比例作用較小時，控制器調節能力降低，雖然可以保證系統的穩定，但使處理時間加長，由于系統要求批處理的周期不能超過2個小時，否則會影響下一次的處理。而如果加大比例作用則又會使系統變得不穩定，因此單純的通過PID的參數整定難以滿足要求。
為了克服上述系統的缺點，采用一種分段變比例控制規律，根據pH偏差值的大小，將控制輸出分成若干區段，這樣既可以根據pH值靈活地改變控制輸出的大小，又不會造成積分飽和或產生過調。例如在0≤pH≤6.5的范圍之內，將其分成5個區段，對應于加堿計量泵的5個頻率轉速，對應關系見表1。

表1

可以看出，pH的區段并不是平均劃分的，為了使每個批次的處理時間盡量短，同時又要保證控制精度，在pH值越接近6.5時，劃分越細，這樣就能保證較高的控制精度，不致產生過調，同時還可以通過調節加堿泵沖程作為輔助控制。
同理在6.5<pH≤8的范圍之內也可以將其分成5個區段，分別對應與加酸計量泵的5個頻率轉速控制。在此不再贅述。
4  系統構成及操作原理
根據系統運行特點，該系統需要對4臺變頻泵組，2臺定速泵組，4個電動閥門進行協調控制，依據相應的液位、pH、流量等模擬量檢測和設備采集的狀態量，按工藝流程要求依次控制各設備的動作。控制設備選用LG產電MASTER-K80S系列PLC，該產品為集成式結構，CPU處理速度達0.5μs/步，應用程序容量可達7KB，并內置了包括PID控制功能在內的多種應用功能塊，而且具有很強的系統擴展功能，特別適用于獨立的小型控制系統。本系統選用K7M-DR60S，并配以2個模擬量擴展模塊G7F-ADHA和1個模擬電位器擴展模塊G7F-AD2A，這樣系統共具有36個DI，24個繼電器DO，4個4～20mA AI和2個4～20mA AO，完全滿足了系統控制要求。該產品的編程工具KGL-WIN是一種基于Windows的編程軟件，可在任何PC機上進行在線或離線的編輯和調試，梯形圖和語句表可提供在線幫助，編程簡單易學。為了便于參數監視和設備操作，本系統還采用了PMU-200操作員面板，通過PMU-MASTER組態軟件，可以在PMU-200上編輯簡單的操作監視模擬畫面，各種報警畫面，定義變量地址，以及各種功能鍵等。系統構成圖如圖3所示。

 
圖3  廢水中和控制系統構成圖

該系統具有全自動操作和半自動操作兩種模式。在全自動操作模式下，PLC自動檢測中和池水位，當水位達到預定高度時，首先關閉電動閥AV02，打開電動閥AV01，啟動循環泵進行循環攪拌，攪拌時間可根據具體情況進行設置，以達到攪拌均勻為目的，一般在10~15分鐘范圍內。攪拌均勻后根據測量的AIT01的pH值判斷是啟動加酸泵還是加堿泵，并根據“pH―轉速”對照表控制加酸泵或加堿泵的轉速。當檢測到AIT01的pH值滿足排放標準時，停止加酸泵或加堿泵，此時循環泵繼續運行3～5分鐘，此間若檢測到pH值不合格，則繼續啟動加酸泵或加堿泵，若pH值穩定在合格值范圍內，則打開電動閥AV02，關閉電動閥AV01，將合格水排至二次中和池，此時PLC檢測AIT03的pH值，若滿足排放要求則關閉電動閥AV04，打開電動閥AV03，將水排放，若不滿足排放要求則關閉電動閥AV03，打開電動閥AV04，繼續處理。當檢測到中和池水位下降到低水位時，停止循環泵，則該次批處自動完成。等待中和池水位上升到預定高度時，進行下一次的批處理。在半自動操作模式下，每一個批處理程序不是由中和池水位自動觸發的，而是由人工通過啟動循環泵啟動的。
5  結語
應用PLC控制器構成廢水中和控制系統，其問題的關鍵在于選擇恰當的水處理工藝和控制變量。由于酸堿中和反應的非線性特點，在設計處理工藝時應首選批處理方式，這樣把連續控制變成批量程控，既可以充分發揮PLC控制器的優越性，也可以節約中和藥劑；在選擇控制變量時不但要考慮檢測點的靈敏性，更重要的是要考慮檢測參量的穩定性和可控性。本系統根據工藝特點，采用批處理方式和變比例控制規律取得了很好的效果，該系統自2000年在燕山石化熱力分廠投用以來，污水排放完全達到了排放標準，同時節約了大量藥劑和人力，取得了良好的經濟效益。