陈之瑞

1  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。众所周知，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。本文介绍的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PLC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。

2  工艺流程及检测仪表的设置
废水中和系统工艺流程图如图1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。

 
图1  废水中和系统工艺流程图

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。
3  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。为了防止由于信号干扰或仪表的零漂而造成的排放阀和回流阀的误动作，可以把AIT01的测量值进行加权，由PLC综合判断后给出控制指令。
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。

 
图2  中和药剂投加PID控制框图

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。其控制流程如图2所示。
采用PID控制时，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。而此时由于积分作用，控制器的输出不可能迅速减少，因此必然会造成过调，引起系统震荡，如果取消积分作用，则当比例作用较小时，控制器调节能力降低，虽然可以保证系统的稳定，但使处理时间加长，由于系统要求批处理的周期不能超过2个小时，否则会影响下一次的处理。而如果加大比例作用则又会使系统变得不稳定，因此单纯的通过PID的参数整定难以满足要求。
为了克服上述系统的缺点，采用一种分段变比例控制规律，根据pH偏差值的大小，将控制输出分成若干区段，这样既可以根据pH值灵活地改变控制输出的大小，又不会造成积分饱和或产生过调。例如在0≤pH≤6.5的范围之内，将其分成5个区段，对应于加碱计量泵的5个频率转速，对应关系见表1。

表1

可以看出，pH的区段并不是平均划分的，为了使每个批次的处理时间尽量短，同时又要保证控制精度，在pH值越接近6.5时，划分越细，这样就能保证较高的控制精度，不致产生过调，同时还可以通过调节加碱泵冲程作为辅助控制。
同理在6.5<pH≤8的范围之内也可以将其分成5个区段，分别对应与加酸计量泵的5个频率转速控制。在此不再赘述。
4  系统构成及操作原理
根据系统运行特点，该系统需要对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。控制设备选用LG产电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，并内置了包括PID控制功能在内的多种应用功能块，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，并配以2个模拟量扩展模块G7F-ADHA和1个模拟电位器扩展模块G7F-AD2A，这样系统共具有36个DI，24个继电器DO，4个4～20mA AI和2个4～20mA AO，完全满足了系统控制要求。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。为了便于参数监视和设备操作，本系统还采用了PMU-200操作员面板，通过PMU-MASTER组态软件，可以在PMU-200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。系统构成图如图3所示。

 
图3  废水中和控制系统构成图

该系统具有全自动操作和半自动操作两种模式。在全自动操作模式下，PLC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，并根据“pH―转速”对照表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PLC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。在半自动操作模式下，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。
5  结语
应用PLC控制器构成废水中和控制系统，其问题的关键在于选择恰当的水处理工艺和控制变量。由于酸碱中和反应的非线性特点，在设计处理工艺时应首选批处理方式，这样把连续控制变成批量程控，既可以充分发挥PLC控制器的优越性，也可以节约中和药剂；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，采用批处理方式和变比例控制规律取得了很好的效果，该系统自2000年在燕山石化热力分厂投用以来，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。