废液中和控制系统设计

1、 第 I 页废液中和控制系统设计摘 要pH 过程在工业生产中非常普遍，大量化工过程都需要对其化学反应过程中的 pH 值进行控制。其广泛存在于化工、生物工艺、污水处理、发电等工业中，对这一过程进行良好的控制有着十分重要的意义。由于 pH 过程的高度非线性和滞后性，一直是控制界的难点。pH 值的控制在化工生产过程中并非易事。酸碱中和过程通常呈现非线性和滞后性，给 PH 值控制不仅带来极大的不确定性，也浪费大量中和剂，为此 PH 值被公认为最难的控制变量之一。近年来，人们尝试不断运用新的控制方法解决这一难题，因此对PH 的控制问题的研究具有非常重要的理论意义与应用价值。本文针对这一问题进行了研究分析

2、，对 pH 值中和过程做了简单描述。介绍了酸碱中和过程 pH 值的变化特性，并介绍了常规的 PID 控制，本文主要分析了pH 值曲线的非线性特点，并介绍了近年来应用于 pH 过程控制的非线性控制理论和方法，然后根据 pH 值控制的特点重点介绍了对 pH 过程使用非线性 PID 控制设计。这种设计能较好的处理 pH 过程的非线性。以及通过 PLC 整定方法自动地改变控制器整定参数的方式与方法，给出了系统的控制框图，并进行仿真研究。关键词：PH 值控制，分程控制，PID 控制，废水处理 第 II 页目录目录第 1 章 绪论.11.1 课题背景和研究意义.11.2 PH 中和过程控制的研究现状及主要

3、的成果.2第 2 章 课程设计的方案论证.32.1 概述 .32.1.1 系统对象特性分析.32.1.2 系统方案论证.32.1.3 确定设计方案.42.2 系统组成总体结构 .4第 3 章 各种仪表的设计选择.63.1 变送器的选择设计 .63.2 控制器的选择设计 .73.3 执行器的选择设计 .7第 4 章 软件设计.94.1 系统流程图 .94.2 系统编程 .9第 5 章 系统模拟调试或仿真.13总结.14参考文献.15 第 1 页第 1 章 绪论1.1 课题背景和研究意义水是人类生存的必要条件之一，也是现代化生产中必不可少的要素之一。水质的好坏直接影响人类的生存和现代化生产的顺利进

4、行。pH 值作为表征水的酸碱特性的指标，是评价水质是否合格的重要标准之一。pH 值是水中H离子浓度的负对数，pH=7，表示水是中性的，PH7，水是碱性的，pH7，水是酸性的。现代化生产往往产生大量的工业废水，其 pH 值一般偏低或偏高，水呈现酸性或碱性，直接排放会对地球的生态环境及人类及动植物的生存造成直接威胁，因此必须对其进行处理，使水表现为中性，达到排放指标才可以排放。在现代化生产中，对水质也有严格的要求，如果水的 pH 值达不到要求，会造成生产不能顺利进行、原料的浪费，使生产效率下降，成本增加，同时可能会造成产品质量下降，使企业竞争能力下降，例如：在啤酒生产中麦汁过滤和洗涤环节，要求洗槽

5、水的 pH 值控制在 5.2-5.4，从而保证麦汁的过滤数量和速度，如果 pH 值过高，则会把麦槽中的不良气味带入麦汁中，最终造成品酒中含有麦糟的味道。另外还会腐蚀生产设备，包括管路、锅炉等，降低设备寿命，并有可能影响生产，甚至产生危险。例如在热电厂现场调研中发现，热力发电厂中的除盐水处理环节，要求进入除盐水箱的补水的 pH 值控制在 8.5-9.2 之间，pH 值过低会腐蚀铁质管路，过高则会腐蚀铜质管路及设备。在化工过程(如锅炉给水、废水处理等)中，pH 值控制在期望的范围内是非常重要的。在过程工业中往往要求含有一定酸度(或碱度)的溶液去参加化学反应；另外，在污水处理过程中要求确保处理后污水

6、的 pH 值在允许的范围内，以免污染环境。pH 中和过程控制在工业生产中非常普遍，大量化工过程都需要对其化学反应过程中的 pH 值进行控制，如农药和医药生产、废水处理中的重金属回收及废水排放前的中和处理、化学工业中的酸碱中和等。它对溶液的性质、化学反应速度、生成物的成分、性质及微生物的生长和新陈代谢等，均有很大影响；对于提高生产效率、产品质量、工厂设备的安全防护及环境保护是一个关键因素。所以 pH 中和过程是化工行业的一个基本工序，实现该过程的自动控制可以有效地保护环境，对该课题的研究意义重大。但由于酸碱中和反应中 pH 值呈现严重的非线性，加之反应大多发生在容器和循环管路中，使得系统存在较大

7、时滞，给 pH 值控制不仅带来极大困难，而且浪费大量的中和剂。pH 值滴定曲线是非线性曲线，在中和反应过程中，不同的 第 2 页工作点增益相差很大，并且在实际反应过程中还存在着混合、测量等纯滞后因素，增加了控制过程的难度。为此 pH 值被公认为最难的控制变量之一。因此可以看出，不论是对生态环境而言，还是对工业生产而言，对 pH 值进行有效地控制都是至关重要的。1.2 PH 中和过程控制的研究现状及主要的成果pH 值的控制问题是控制领域中的难题之一，因为 pH 中和过程是一个典型的非线性系统。pH 较低或较高时，pH 变化非常缓慢；而在中性时，即 pH 在7左右时，加入试剂的微小变化都会引起 p

8、H 值的很大变化，即随着溶液 pH 值的变化，pH 值相对于加药量变化的增益也随之发生显著变化，非线性特性非常明显了。另外，实际中和反应过程中还存在混合、测量等纯滞后环节，而且延迟时间一般很长，就更增加了辨识和控制的难度。可见 pH 值中和过程的辨识和控制问题是一个非线性的纯滞后系统，如何处理纯滞后与非线性是解决这一问题的关键。非线性和大滞后问题在控制领域中也广泛存在，都是控制领域中尚未有效解决的问题，因此对这一课题的研究不仅对 pH 中和过程的辨识和控制有重要意义，对其他的非线性大滞后系统也有着普遍的意义。在过去几十年中，pH 值一直被认为是工业工程控制中最难控制的变量之一，随着现代控制理论

9、的不断发展，使得 pH 中和过程控制方面的研究工作取得了许多新的进展。特别是在计算机普及应用以后，许多控制理论都相继应用于实验室pH 过程的控制9,11,12。pH 中和过程的非线性突出表现为：在中和点附近灵敏度过高，而在远离中和点处灵敏度又很低。另外，pH 过程具有较大的滞后性。国内外的研究认为直接的线性 PID 控制一般不适合 pH 的控制，因为传统的 PID 控制或者基于线性系统理论的先进控制技术的控制器效率都非常低。近年来非线性控制理论日益发展并完善起来，并应用到 pH 中和过程控制中9。 第 3 页第 2 章 课程设计的方案论证2.1 概述本设计是用 PH 计测量废液酸碱的测量仪器。

10、当液体为酸性时，加入适量碱液使废液中和，此时加酸的阀门关闭。当废液呈碱性时，此时加入适量酸使废液呈中性，此时加碱的阀门关闭。本系统的技术参数为：1测量范围：0-80；测量范围：0-10PH2控制点：70.5 PH ；3最大偏差：2 PH；2.1.1 系统对象特性分析本次设计主要是综合应用所学知识，设计工业废液中和过程控制系统，并在实践的基本技能方面进行一次系统的训练。能够较全面地巩固和应用“过程控制”课程中所学的基本理论和基本方法，并初步掌握过程控制系统设计的基本方法。 应用场合: 应用于工业废液处理，系统有一个 PH 计，通过 PH 计可以显示废水的酸碱度。 系统功能介绍: 工业废液中和过程

11、控制系统是通过 PH 计测量氢离子浓度，氢离子浓度越大，PH 值越小，PH 计输出电流就越大。系统通过传感器与废液连接，经过变送器,控制器和执行器实现废液酸碱度的检测和调节。2.1.2 系统方案论证有两种方案，方案一是用单闭环控制系统。方案二是用分程控制系统。本设计的废水处理 PH 值控制系统，需要依据中和过程以及废水处理应用场合的特点，制定具有针对性的系统方案。同时，要遵循可靠性、易用性、经济型等设计原则，保证系统负荷控制要求、高效稳定的实现污水处理中 PH 值的控制。从该废液处理过程可以看出，液体槽的输入量有三个，废液、酸液和碱液。其中废液中的 PH值是生产的工序过程决定的，不可变的，为使

12、液体槽中的废液成中性，必须控制酸液和碱液流量，以调节 PH 值。因此，要求分别控制酸液和碱液的输入量。这是两种不同控制介质的生产过程，需要由分程控制的思想来实现。 第 4 页2.1.3 确定设计方案本文针对污水处理 PH 值控制系统采用方案二的分程控制结构的设计方案。在分程控制中，调节器的输出信号需要分成两个区段，每个区段信号控制对应的一个调节阀工作，在废液中和控制系统中，废液槽内的废液如果呈酸性，则 PH值大于 7，PH 值测量计通过传感器检测出测量信号，然后由变送器将 PH 值信号转换成 420mA 的标准电流信号，通过与 PH 值测量计中设计的标准电流信号 I进行比较,由调节阀向废液池中

13、加入碱，使废液中和为中性。此时发出的信号使碱调节阀动作，但是酸调节阀是关闭的。当 PH 值小于 7，PH 值测量计通过传感器检测出测量信号，然后由变送器将 PH 值信号转换成 420mA 的标准电流信号，通过与 PH 值测量计中设计的标准电流信号 I 进行比较,由执行器控制调节阀向废液池中加入酸，使废液中和为中性。此时发出的信号使酸调节阀动作，但是碱调节阀是关闭的。当信号在设定的范围内波动时控制器会发出信号，控制调节阀向废液槽中加入碱或酸，直到废液 PH 值达到 7 稳定不变。在这个过程中，是由一个信号控制两个调节阀动作，一个阀动作另一个调节阀必须关闭，所以，两个调节阀的选择应为异向动作。控制

14、器调节阀 1调节阀 2被控对象测量变送器X1（s）Q1(S)+图 2.1 系统分程控制结构框图2.2 系统组成总体结构系统控制流程图如图 2.2 所示。 第 5 页控制器变送器酸碱中和液废液调节阀 1调节阀 2图 2.2 废液中和分程控制系统 第 6 页第 3 章 各种仪表的设计选择3.1 变送器的选择设计检测变换单元主要由 PH 计组成，实现对废水出口处 PH 值的检测用于系统的控制。本课设选用的 PH 计为德国 E+H 公司生产的 CPS1122AA2TSA 型号的PH 计测量电极与 CPM4312G3B2PC 型变送器组成的检测变送单元。该测量电极是 E+H 公司专门为废水处理系统常遇到

15、的污染严重开发的。抗污染 PH 测量电极，一个大面积的 Teflon 隔膜比小面积更不容易赌塞且清洗容易，另外，其抗污染的聚四氟乙烯隔膜和长的参比管架保证了长期测量的稳定性。填充有胶体的电极可实现免维护功能，减轻维护人员的工作强度。极宽的测量范围（PH 值为 014）可适用于任何浓度环境的废水，从而有效的解决系统抗污染的难题。另外，由PTFE 隔膜及 PH 玻璃膜组成的测量敏感部件具有很强的消除酸碱误差能力，能有效的减少酸碱误差的影响。该测量电极为本质安全型，在德国经过了 PTB 防爆零区具体认证的特殊钢头防爆电极代替了塑料插入头，从而可极大限度的解决仪表危险场所防爆问题。仪表变送器 CPM4

16、312G3B2PC 具有 420mA 标注信号输出，并可以方便的进行现场仪表的校验。图 3.1 变送器 CPM4312G3B2PC3.2 控制器的选择设计控制器将基本控制系统由 PID 算法计算出控制量发送给执行器，需要将数字量的控制信号转化为启动执行器件的 420mA 标准信号。控制量输出单元模块包括两条输出通道，分别控制酸计量泵和碱计量泵，可以实现对多种特性废水的 第 7 页处理方案。分程控制系统中的控制器作用方向的选择，根据工艺安全等要求，选定执行器的气开、气关形式后，按照使副控制回路成为一个负反馈系统的原则来确定。 工业废液中和过程控制系统中的回路。从生产工艺的经济性考虑，一旦控制系统

17、发生故障，要保证材料的节省，工业废液中和过程控制系统执行器应选择气开阀。此系统中，PH 值为被控参数、以加酸或加碱为控制变量的分程控制系统。根据调节阀的设定，可以确定调节器为正作用。为使主、副回路构成一个负反馈系统，控制器选择“正”作用。我选择的控制器是PLC 控制组件。可编程控制器（简称PLC）是专为在工业环境下应用的一种数字运算操作的电子系统。目前国内外PLC 品种繁多，生产PLC 的厂商也很多，其中德国西门子公司在S5 系列PLC 的基础上推出了S7 系列PLC，性能价格比越来越高。S7 系列PLC 有很强的模拟量处理能力和数字运算功能，具有许多过去大型PLC 才有的功能，其扫描速度甚至

18、超过了许多大型的PLC，S7 系列 PLC 功能强、速度快、扩展灵活，并具有紧凑的、无槽位限制的模块化结构，因而在国内工控现场得到了广泛的应用。在本装置中采用了S7-200的CPU224XP。S7-200PLC 控制系统：S7-200 是一种叠装式结构的小型 PLC。本系统包括一个CPU224XP 主机模块以及一 PC/PPI 连接线。其中 CPU224XP 模块带有 14 点开关量输入和 10 点开关量输出以及 2 路模拟输入信号和 1 路模拟输出信号。3.3 执行器的选择设计在实际中，实用最多的是自动调节阀。因此，在本次设计中我们选用气动自动调节阀做为执行器。从生产工艺的经济性考虑，一旦控

19、制系统发生故障，要保证酸碱材料的节省，工业废液中和过程控制系统，不可以让酸碱材料浪费的太多，所以执行器应选择气开阀。执行机构主要是计量泵系统，它接受计算机发出的控制信号作用，施加相应的酸或碱。本课设选用日本德加利的 PZ 系列电磁驱动计量泵具有专利设计的宽电压功能，可手动调节其冲程频率，泵头前经改良的排气阀能确保在安全操作情况下改善其容量效率。其防水、防尘结构可以抵挡气体和液体的腐蚀，防护等级IP65。可以满足课设要求。表 3.1 德加利 PZ 系列电磁驱动计量泵原理：隔膜泵叶轮结构：半开式叶轮 叶轮数目：单级 泵轴位置：边立式材质：工程塑料 叶轮吸入方式：单吸式重量：3.5最大出口压力：0.

20、3（Mpa） 型号：PZ-02-07-L 第 8 页额定流量：15（l/h） 规格：DFD-02-07-L品牌：德加利轴功率：30（w） 驱动方式：电磁性能：耐腐蚀第 4 章 软件设计4.1 系统流程图废液PH 测量电极变送器控制器碱液阀酸液阀图 4.1 系统流程图4.2 系统编程表 4.1 I/O 分配表输入量输出量PH 值检测量输入AIW0酸控制回路 PIDQW0 第 9 页调节量输出碱控制回路 PID调节量输出QW2本系统的设计采用的是分程控制系统，采用的控制规律是 PID 调节。主控制器是 PLC 与上位机监控系统。系统控制梯形图如下所示：图 4.2 主程序梯形图图 4.3 PID 回

21、路表初始化子程序 第 10 页图 4.4 初始化子程序 第 11 页图 4.5 中断程序 第 12 页第 5 章 系统模拟调试或仿真本课设的仿真是在电气工程学院单片机实验室通过 MATLAB 仿真软件对该控制器进行仿真，对整个控制系统的控制效果进行分析。本文的所有仿真都是在Simulink 中完成的。Simulink 自带 PID 模块，即可实现 PID 控制器功能，其具体结构如图 5.1 所示。对于 PID 控制，比例系数 Kp、积分系数 Ki 和微分系数 Kd 皆为常数。选取合适的 Kp、Ki、Kd 以达到满意的控制效果。在 MATLAB 中创建 PID 算法控制的 PH 值结构图如图 5.1 所示：图 5.1 PID 算法控制的 PH 值结构本系统的控制对象由已经设定的 MATLAB Function 模块引入。对于本仿真中较为复杂的控制模型，难以采用经典的整定方法获得 PID 参数。所以采用人工整定的方法，对废水 PH 值控制系统经过尝试不同的参数，获得以下一组参数得到较好的控制效果。其中，Kp=0.21，Ki=0.3411，Kd=0.206，废水处理 PH 值PID 控制响应曲线如图 5.2 所示： 第 13 页图 5.2 废水处理 PH 值 PID 控制响应曲线总结早在 20 世纪 50 年代，pH