廢液中和控制系統(tǒng)設(shè)計

1、 第 I 頁廢液中和控制系統(tǒng)設(shè)計摘 要pH 過程在工業(yè)生產(chǎn)中非常普遍，大量化工過程都需要對其化學(xué)反應(yīng)過程中的 pH 值進行控制。其廣泛存在于化工、生物工藝、污水處理、發(fā)電等工業(yè)中，對這一過程進行良好的控制有著十分重要的意義。由于 pH 過程的高度非線性和滯后性，一直是控制界的難點。pH 值的控制在化工生產(chǎn)過程中并非易事。酸堿中和過程通常呈現(xiàn)非線性和滯后性，給 PH 值控制不僅帶來極大的不確定性，也浪費大量中和劑，為此 PH 值被公認為最難的控制變量之一。近年來，人們嘗試不斷運用新的控制方法解決這一難題，因此對PH 的控制問題的研究具有非常重要的理論意義與應(yīng)用價值。本文針對這一問題進行了研究分析

2、，對 pH 值中和過程做了簡單描述。介紹了酸堿中和過程 pH 值的變化特性，并介紹了常規(guī)的 PID 控制，本文主要分析了pH 值曲線的非線性特點，并介紹了近年來應(yīng)用于 pH 過程控制的非線性控制理論和方法，然后根據(jù) pH 值控制的特點重點介紹了對 pH 過程使用非線性 PID 控制設(shè)計。這種設(shè)計能較好的處理 pH 過程的非線性。以及通過 PLC 整定方法自動地改變控制器整定參數(shù)的方式與方法，給出了系統(tǒng)的控制框圖，并進行仿真研究。關(guān)鍵詞：PH 值控制，分程控制，PID 控制，廢水處理 第 II 頁目錄目錄第 1 章 緒論.11.1 課題背景和研究意義.11.2 PH 中和過程控制的研究現(xiàn)狀及主要

3、的成果.2第 2 章 課程設(shè)計的方案論證.32.1 概述 .32.1.1 系統(tǒng)對象特性分析.32.1.2 系統(tǒng)方案論證.32.1.3 確定設(shè)計方案.42.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu) .4第 3 章 各種儀表的設(shè)計選擇.63.1 變送器的選擇設(shè)計 .63.2 控制器的選擇設(shè)計 .73.3 執(zhí)行器的選擇設(shè)計 .7第 4 章 軟件設(shè)計.94.1 系統(tǒng)流程圖 .94.2 系統(tǒng)編程 .9第 5 章 系統(tǒng)模擬調(diào)試或仿真.13總結(jié).14參考文獻.15 第 1 頁第 1 章 緒論1.1 課題背景和研究意義水是人類生存的必要條件之一，也是現(xiàn)代化生產(chǎn)中必不可少的要素之一。水質(zhì)的好壞直接影響人類的生存和現(xiàn)代化生產(chǎn)的順利進

4、行。pH 值作為表征水的酸堿特性的指標，是評價水質(zhì)是否合格的重要標準之一。pH 值是水中H離子濃度的負對數(shù)，pH=7，表示水是中性的，PH7，水是堿性的，pH7，水是酸性的?，F(xiàn)代化生產(chǎn)往往產(chǎn)生大量的工業(yè)廢水，其 pH 值一般偏低或偏高，水呈現(xiàn)酸性或堿性，直接排放會對地球的生態(tài)環(huán)境及人類及動植物的生存造成直接威脅，因此必須對其進行處理，使水表現(xiàn)為中性，達到排放指標才可以排放。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，對水質(zhì)也有嚴格的要求，如果水的 pH 值達不到要求，會造成生產(chǎn)不能順利進行、原料的浪費，使生產(chǎn)效率下降，成本增加，同時可能會造成產(chǎn)品質(zhì)量下降，使企業(yè)競爭能力下降，例如：在啤酒生產(chǎn)中麥汁過濾和洗滌環(huán)節(jié)，要求洗槽

5、水的 pH 值控制在 5.2-5.4，從而保證麥汁的過濾數(shù)量和速度，如果 pH 值過高，則會把麥槽中的不良氣味帶入麥汁中，最終造成品酒中含有麥糟的味道。另外還會腐蝕生產(chǎn)設(shè)備，包括管路、鍋爐等，降低設(shè)備壽命，并有可能影響生產(chǎn)，甚至產(chǎn)生危險。例如在熱電廠現(xiàn)場調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，熱力發(fā)電廠中的除鹽水處理環(huán)節(jié)，要求進入除鹽水箱的補水的 pH 值控制在 8.5-9.2 之間，pH 值過低會腐蝕鐵質(zhì)管路，過高則會腐蝕銅質(zhì)管路及設(shè)備。在化工過程(如鍋爐給水、廢水處理等)中，pH 值控制在期望的范圍內(nèi)是非常重要的。在過程工業(yè)中往往要求含有一定酸度(或堿度)的溶液去參加化學(xué)反應(yīng)；另外，在污水處理過程中要求確保處理后污水

6、的 pH 值在允許的范圍內(nèi)，以免污染環(huán)境。pH 中和過程控制在工業(yè)生產(chǎn)中非常普遍，大量化工過程都需要對其化學(xué)反應(yīng)過程中的 pH 值進行控制，如農(nóng)藥和醫(yī)藥生產(chǎn)、廢水處理中的重金屬回收及廢水排放前的中和處理、化學(xué)工業(yè)中的酸堿中和等。它對溶液的性質(zhì)、化學(xué)反應(yīng)速度、生成物的成分、性質(zhì)及微生物的生長和新陳代謝等，均有很大影響；對于提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量、工廠設(shè)備的安全防護及環(huán)境保護是一個關(guān)鍵因素。所以 pH 中和過程是化工行業(yè)的一個基本工序，實現(xiàn)該過程的自動控制可以有效地保護環(huán)境，對該課題的研究意義重大。但由于酸堿中和反應(yīng)中 pH 值呈現(xiàn)嚴重的非線性，加之反應(yīng)大多發(fā)生在容器和循環(huán)管路中，使得系統(tǒng)存在較大

7、時滯，給 pH 值控制不僅帶來極大困難，而且浪費大量的中和劑。pH 值滴定曲線是非線性曲線，在中和反應(yīng)過程中，不同的 第 2 頁工作點增益相差很大，并且在實際反應(yīng)過程中還存在著混合、測量等純滯后因素，增加了控制過程的難度。為此 pH 值被公認為最難的控制變量之一。因此可以看出，不論是對生態(tài)環(huán)境而言，還是對工業(yè)生產(chǎn)而言，對 pH 值進行有效地控制都是至關(guān)重要的。1.2 PH 中和過程控制的研究現(xiàn)狀及主要的成果pH 值的控制問題是控制領(lǐng)域中的難題之一，因為 pH 中和過程是一個典型的非線性系統(tǒng)。pH 較低或較高時，pH 變化非常緩慢；而在中性時，即 pH 在7左右時，加入試劑的微小變化都會引起 p

8、H 值的很大變化，即隨著溶液 pH 值的變化，pH 值相對于加藥量變化的增益也隨之發(fā)生顯著變化，非線性特性非常明顯了。另外，實際中和反應(yīng)過程中還存在混合、測量等純滯后環(huán)節(jié)，而且延遲時間一般很長，就更增加了辨識和控制的難度?？梢?pH 值中和過程的辨識和控制問題是一個非線性的純滯后系統(tǒng)，如何處理純滯后與非線性是解決這一問題的關(guān)鍵。非線性和大滯后問題在控制領(lǐng)域中也廣泛存在，都是控制領(lǐng)域中尚未有效解決的問題，因此對這一課題的研究不僅對 pH 中和過程的辨識和控制有重要意義，對其他的非線性大滯后系統(tǒng)也有著普遍的意義。在過去幾十年中，pH 值一直被認為是工業(yè)工程控制中最難控制的變量之一，隨著現(xiàn)代控制理論

9、的不斷發(fā)展，使得 pH 中和過程控制方面的研究工作取得了許多新的進展。特別是在計算機普及應(yīng)用以后，許多控制理論都相繼應(yīng)用于實驗室pH 過程的控制9,11,12。pH 中和過程的非線性突出表現(xiàn)為：在中和點附近靈敏度過高，而在遠離中和點處靈敏度又很低。另外，pH 過程具有較大的滯后性。國內(nèi)外的研究認為直接的線性 PID 控制一般不適合 pH 的控制，因為傳統(tǒng)的 PID 控制或者基于線性系統(tǒng)理論的先進控制技術(shù)的控制器效率都非常低。近年來非線性控制理論日益發(fā)展并完善起來，并應(yīng)用到 pH 中和過程控制中9。 第 3 頁第 2 章 課程設(shè)計的方案論證2.1 概述本設(shè)計是用 PH 計測量廢液酸堿的測量儀器。

10、當(dāng)液體為酸性時，加入適量堿液使廢液中和，此時加酸的閥門關(guān)閉。當(dāng)廢液呈堿性時，此時加入適量酸使廢液呈中性，此時加堿的閥門關(guān)閉。本系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)為：1測量范圍：0-80；測量范圍：0-10PH2控制點：70.5 PH ；3最大偏差：2 PH；2.1.1 系統(tǒng)對象特性分析本次設(shè)計主要是綜合應(yīng)用所學(xué)知識，設(shè)計工業(yè)廢液中和過程控制系統(tǒng)，并在實踐的基本技能方面進行一次系統(tǒng)的訓(xùn)練。能夠較全面地鞏固和應(yīng)用“過程控制”課程中所學(xué)的基本理論和基本方法，并初步掌握過程控制系統(tǒng)設(shè)計的基本方法。 應(yīng)用場合: 應(yīng)用于工業(yè)廢液處理，系統(tǒng)有一個 PH 計，通過 PH 計可以顯示廢水的酸堿度。 系統(tǒng)功能介紹: 工業(yè)廢液中和過程

11、控制系統(tǒng)是通過 PH 計測量氫離子濃度，氫離子濃度越大，PH 值越小，PH 計輸出電流就越大。系統(tǒng)通過傳感器與廢液連接，經(jīng)過變送器,控制器和執(zhí)行器實現(xiàn)廢液酸堿度的檢測和調(diào)節(jié)。2.1.2 系統(tǒng)方案論證有兩種方案，方案一是用單閉環(huán)控制系統(tǒng)。方案二是用分程控制系統(tǒng)。本設(shè)計的廢水處理 PH 值控制系統(tǒng)，需要依據(jù)中和過程以及廢水處理應(yīng)用場合的特點，制定具有針對性的系統(tǒng)方案。同時，要遵循可靠性、易用性、經(jīng)濟型等設(shè)計原則，保證系統(tǒng)負荷控制要求、高效穩(wěn)定的實現(xiàn)污水處理中 PH 值的控制。從該廢液處理過程可以看出，液體槽的輸入量有三個，廢液、酸液和堿液。其中廢液中的 PH值是生產(chǎn)的工序過程決定的，不可變的，為使

12、液體槽中的廢液成中性，必須控制酸液和堿液流量，以調(diào)節(jié) PH 值。因此，要求分別控制酸液和堿液的輸入量。這是兩種不同控制介質(zhì)的生產(chǎn)過程，需要由分程控制的思想來實現(xiàn)。 第 4 頁2.1.3 確定設(shè)計方案本文針對污水處理 PH 值控制系統(tǒng)采用方案二的分程控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案。在分程控制中，調(diào)節(jié)器的輸出信號需要分成兩個區(qū)段，每個區(qū)段信號控制對應(yīng)的一個調(diào)節(jié)閥工作，在廢液中和控制系統(tǒng)中，廢液槽內(nèi)的廢液如果呈酸性，則 PH值大于 7，PH 值測量計通過傳感器檢測出測量信號，然后由變送器將 PH 值信號轉(zhuǎn)換成 420mA 的標準電流信號，通過與 PH 值測量計中設(shè)計的標準電流信號 I進行比較,由調(diào)節(jié)閥向廢液池中

13、加入堿，使廢液中和為中性。此時發(fā)出的信號使堿調(diào)節(jié)閥動作，但是酸調(diào)節(jié)閥是關(guān)閉的。當(dāng) PH 值小于 7，PH 值測量計通過傳感器檢測出測量信號，然后由變送器將 PH 值信號轉(zhuǎn)換成 420mA 的標準電流信號，通過與 PH 值測量計中設(shè)計的標準電流信號 I 進行比較,由執(zhí)行器控制調(diào)節(jié)閥向廢液池中加入酸，使廢液中和為中性。此時發(fā)出的信號使酸調(diào)節(jié)閥動作，但是堿調(diào)節(jié)閥是關(guān)閉的。當(dāng)信號在設(shè)定的范圍內(nèi)波動時控制器會發(fā)出信號，控制調(diào)節(jié)閥向廢液槽中加入堿或酸，直到廢液 PH 值達到 7 穩(wěn)定不變。在這個過程中，是由一個信號控制兩個調(diào)節(jié)閥動作，一個閥動作另一個調(diào)節(jié)閥必須關(guān)閉，所以，兩個調(diào)節(jié)閥的選擇應(yīng)為異向動作?？刂?/p>

14、器調(diào)節(jié)閥 1調(diào)節(jié)閥 2被控對象測量變送器X1（s）Q1(S)+圖 2.1 系統(tǒng)分程控制結(jié)構(gòu)框圖2.2 系統(tǒng)組成總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制流程圖如圖 2.2 所示。 第 5 頁控制器變送器酸堿中和液廢液調(diào)節(jié)閥 1調(diào)節(jié)閥 2圖 2.2 廢液中和分程控制系統(tǒng) 第 6 頁第 3 章 各種儀表的設(shè)計選擇3.1 變送器的選擇設(shè)計檢測變換單元主要由 PH 計組成，實現(xiàn)對廢水出口處 PH 值的檢測用于系統(tǒng)的控制。本課設(shè)選用的 PH 計為德國 E+H 公司生產(chǎn)的 CPS1122AA2TSA 型號的PH 計測量電極與 CPM4312G3B2PC 型變送器組成的檢測變送單元。該測量電極是 E+H 公司專門為廢水處理系統(tǒng)常遇到

15、的污染嚴重開發(fā)的。抗污染 PH 測量電極，一個大面積的 Teflon 隔膜比小面積更不容易賭塞且清洗容易，另外，其抗污染的聚四氟乙烯隔膜和長的參比管架保證了長期測量的穩(wěn)定性。填充有膠體的電極可實現(xiàn)免維護功能，減輕維護人員的工作強度。極寬的測量范圍（PH 值為 014）可適用于任何濃度環(huán)境的廢水，從而有效的解決系統(tǒng)抗污染的難題。另外，由PTFE 隔膜及 PH 玻璃膜組成的測量敏感部件具有很強的消除酸堿誤差能力，能有效的減少酸堿誤差的影響。該測量電極為本質(zhì)安全型，在德國經(jīng)過了 PTB 防爆零區(qū)具體認證的特殊鋼頭防爆電極代替了塑料插入頭，從而可極大限度的解決儀表危險場所防爆問題。儀表變送器 CPM4

16、312G3B2PC 具有 420mA 標注信號輸出，并可以方便的進行現(xiàn)場儀表的校驗。圖 3.1 變送器 CPM4312G3B2PC3.2 控制器的選擇設(shè)計控制器將基本控制系統(tǒng)由 PID 算法計算出控制量發(fā)送給執(zhí)行器，需要將數(shù)字量的控制信號轉(zhuǎn)化為啟動執(zhí)行器件的 420mA 標準信號?？刂屏枯敵鰡卧K包括兩條輸出通道，分別控制酸計量泵和堿計量泵，可以實現(xiàn)對多種特性廢水的 第 7 頁處理方案。分程控制系統(tǒng)中的控制器作用方向的選擇，根據(jù)工藝安全等要求，選定執(zhí)行器的氣開、氣關(guān)形式后，按照使副控制回路成為一個負反饋系統(tǒng)的原則來確定。 工業(yè)廢液中和過程控制系統(tǒng)中的回路。從生產(chǎn)工藝的經(jīng)濟性考慮，一旦控制系統(tǒng)

17、發(fā)生故障，要保證材料的節(jié)省，工業(yè)廢液中和過程控制系統(tǒng)執(zhí)行器應(yīng)選擇氣開閥。此系統(tǒng)中，PH 值為被控參數(shù)、以加酸或加堿為控制變量的分程控制系統(tǒng)。根據(jù)調(diào)節(jié)閥的設(shè)定，可以確定調(diào)節(jié)器為正作用。為使主、副回路構(gòu)成一個負反饋系統(tǒng)，控制器選擇“正”作用。我選擇的控制器是PLC 控制組件?？删幊炭刂破鳎ê喎QPLC）是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用的一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)。目前國內(nèi)外PLC 品種繁多，生產(chǎn)PLC 的廠商也很多，其中德國西門子公司在S5 系列PLC 的基礎(chǔ)上推出了S7 系列PLC，性能價格比越來越高。S7 系列PLC 有很強的模擬量處理能力和數(shù)字運算功能，具有許多過去大型PLC 才有的功能，其掃描速度甚至

18、超過了許多大型的PLC，S7 系列 PLC 功能強、速度快、擴展靈活，并具有緊湊的、無槽位限制的模塊化結(jié)構(gòu)，因而在國內(nèi)工控現(xiàn)場得到了廣泛的應(yīng)用。在本裝置中采用了S7-200的CPU224XP。S7-200PLC 控制系統(tǒng)：S7-200 是一種疊裝式結(jié)構(gòu)的小型 PLC。本系統(tǒng)包括一個CPU224XP 主機模塊以及一 PC/PPI 連接線。其中 CPU224XP 模塊帶有 14 點開關(guān)量輸入和 10 點開關(guān)量輸出以及 2 路模擬輸入信號和 1 路模擬輸出信號。3.3 執(zhí)行器的選擇設(shè)計在實際中，實用最多的是自動調(diào)節(jié)閥。因此，在本次設(shè)計中我們選用氣動自動調(diào)節(jié)閥做為執(zhí)行器。從生產(chǎn)工藝的經(jīng)濟性考慮，一旦控

19、制系統(tǒng)發(fā)生故障，要保證酸堿材料的節(jié)省，工業(yè)廢液中和過程控制系統(tǒng)，不可以讓酸堿材料浪費的太多，所以執(zhí)行器應(yīng)選擇氣開閥。執(zhí)行機構(gòu)主要是計量泵系統(tǒng)，它接受計算機發(fā)出的控制信號作用，施加相應(yīng)的酸或堿。本課設(shè)選用日本德加利的 PZ 系列電磁驅(qū)動計量泵具有專利設(shè)計的寬電壓功能，可手動調(diào)節(jié)其沖程頻率，泵頭前經(jīng)改良的排氣閥能確保在安全操作情況下改善其容量效率。其防水、防塵結(jié)構(gòu)可以抵擋氣體和液體的腐蝕，防護等級IP65。可以滿足課設(shè)要求。表 3.1 德加利 PZ 系列電磁驅(qū)動計量泵原理：隔膜泵葉輪結(jié)構(gòu)：半開式葉輪 葉輪數(shù)目：單級 泵軸位置：邊立式材質(zhì)：工程塑料 葉輪吸入方式：單吸式重量：3.5最大出口壓力：0.

20、3（Mpa） 型號：PZ-02-07-L 第 8 頁額定流量：15（l/h） 規(guī)格：DFD-02-07-L品牌：德加利軸功率：30（w） 驅(qū)動方式：電磁性能：耐腐蝕第 4 章 軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)流程圖廢液PH 測量電極變送器控制器堿液閥酸液閥圖 4.1 系統(tǒng)流程圖4.2 系統(tǒng)編程表 4.1 I/O 分配表輸入量輸出量PH 值檢測量輸入AIW0酸控制回路 PIDQW0 第 9 頁調(diào)節(jié)量輸出堿控制回路 PID調(diào)節(jié)量輸出QW2本系統(tǒng)的設(shè)計采用的是分程控制系統(tǒng)，采用的控制規(guī)律是 PID 調(diào)節(jié)。主控制器是 PLC 與上位機監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)控制梯形圖如下所示：圖 4.2 主程序梯形圖圖 4.3 PID 回

21、路表初始化子程序 第 10 頁圖 4.4 初始化子程序 第 11 頁圖 4.5 中斷程序 第 12 頁第 5 章 系統(tǒng)模擬調(diào)試或仿真本課設(shè)的仿真是在電氣工程學(xué)院單片機實驗室通過 MATLAB 仿真軟件對該控制器進行仿真，對整個控制系統(tǒng)的控制效果進行分析。本文的所有仿真都是在Simulink 中完成的。Simulink 自帶 PID 模塊，即可實現(xiàn) PID 控制器功能，其具體結(jié)構(gòu)如圖 5.1 所示。對于 PID 控制，比例系數(shù) Kp、積分系數(shù) Ki 和微分系數(shù) Kd 皆為常數(shù)。選取合適的 Kp、Ki、Kd 以達到滿意的控制效果。在 MATLAB 中創(chuàng)建 PID 算法控制的 PH 值結(jié)構(gòu)圖如圖 5.1 所示：圖 5.1 PID 算法控制的 PH 值結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)的控制對象由已經(jīng)設(shè)定的 MATLAB Function 模塊引入。對于本仿真中較為復(fù)雜的控制模型，難以采用經(jīng)典的整定方法獲得 PID 參數(shù)。所以采用人工整定的方法，對廢水 PH 值控制系統(tǒng)經(jīng)過嘗試不同的參數(shù)，獲得以下一組參數(shù)得到較好的控制效果。其中，Kp=0.21，Ki=0.3411，Kd=0.206，廢水處理 PH 值PID 控制響應(yīng)曲線如圖 5.2 所示： 第 13 頁圖 5.2 廢水處理 PH 值 PID 控制響應(yīng)曲線總結(jié)早在 20 世紀 50 年代，pH