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化工厂除盐水控制系统设计1.绪论1.1研究背景化工行业是国家的基础工业，也是高用水行业。近十几年，在世界化工行业技术和装备水平不断提高的基础上，我国化工企业也朝着工艺装备先进、装备规模扩大的方向迅速发展，更加突出了对水质及供水系统稳定对化工企业生产的重要性。有关资料显示我国化工企业用水量达到每年120亿立方米，由此可见，水处理生产过程控制系统的应用将具有很大的发展前景。除盐水作为一种重要的生产介质，广泛应用于工业生产中。除盐水生产过程中有机械过滤器、钠离子过滤器、盐过滤器以及反渗透装置等高新技术生产设备，通过传统的控制方法已经远远不能满足生产需求，所以对于整个除盐水生产过程进行自动化监控，可以很好的起到节能环保，提高生产效率的作用。除盐水生产过程中，最重要的应用就是反渗透技术。虽然经过十几年的发展，但先进的控制技术仍然没有得到完全的发挥，这正给了此行业控制技术发挥的巨大空间。本文以某化工厂除盐水系统为背景，采用超滤和反渗透相结合的工艺来进行处理。生水经过初级过滤后，进入超滤系统，将水中的细菌、铁锈、胶体、悬浮物、大分子有机物等先期除去，再进入到反渗透系统，进一步除去水中的溶解盐、胶体、细菌、病毒和大部分有机物等杂质，以达到为生产设备提供优质除盐水。1.2国内外除盐水技术研究现状当前我国关于除盐水生产过程的控制主要有三种方式:1)手动操作方式:由操作人员利用仪表采集水处理过程中的流量、水位、温度、浊度、pH值等数据，同时操作现场设备的过程被称为手动操作除盐水处理。由于这个过程中，数据采集是由操作人员完成，在参数上就会存在较大的误差，因此除盐水的水质就无法得到保证。(2)半自动控制方式:在半自动控制方式下，除盐水生产过程中部分的数据采集是通过传感器，变送器的方式采集，并在控制室内设有用来显示流量、液位、温度、压力、浊度、pH值等数据的显示屏，同时显示屏还可以显示电机、阀门等的运行状态，由操作员通过显示屏上显示的数据及设备状态，对水处理控制过程进行监控。但控制室内操作员只能远程控制部分设备的运行，其它设备的控制仍需要由现场的操作人员完成，现场数据也通过人工采集。(3)全自动控制方式:整个除盐水生产过程控制不设置具体人员进行现场设备操作及数据采集，而是通过计算机编程和现场总线技术对整个生产过程进行控制。在除盐水生产过程中，通过计算机网络将所有的数据采集入下位机，并以PLC为控制单元，将现场所有设备按照控制算法程序运行，并在控制室实时监控。所有数据参数的采集和远程控制参数也都是通过现场总线进行。这种全自动控制方式是目前除盐水生产控制的主要方向现代化的除盐水生产过程控制系统在欧美发达国家的一些水处理厂中使用日益广泛，甚至达到全自动化无人值守的程度，如美国Iowa水厂在七十年代初就已经实现计算机自动控制除盐水pH值，此外苏联Moscow水厂，日本东京Sunglow水厂等也先后采用计算机自动控制，除盐水的水质控制取得相当理想的效果。现在，美国的大中型水厂全部采用集散型的自动控制系统，在厂区范围内的不同工艺段，设有若干台现场计算机对整个除盐水生产过程实行多环路控制，过滤生产车间，超滤反渗透生产车间等现场计算机与设在中心控制室内的计算机主机，通过工业以太网连接，将现场数据传输到主控室计算机，并在主控室计算机上显示图表、曲线以及设备动作记录、故障报警等信息，并在自动控制系统发生故障时，可以由操作人员随时将自动控制式过程切换至手动控制方式。就当前除盐水生产过程控制系统而言，主要是根据应用场合的要求，选定水质参数，采用一定的控制算法，设计自动控制系统，实现对水质参数的有效控制，使出水的电导率和pH值达到指标要求。目前，针对除盐水反渗透控制系统，很多控制算法被研究和应用。(1)常规PID控制常规PID控制可以不用导出被控对象精确的数学模型，而从经验和实际调试中大致确定控制的参数，故此在设计数字控制器时能够利用常规的模拟调节规律，离散化简化数字控制器设计。常规PID闭环控制系统的控制过程是:具有参数可调的PID算法根据设定值和过程反馈变量输入之间的误差，经运算后把输出信号传送给输出附加程序，再输出给控制机构。在连续自动控制系统中，不论是闭环控制还是其它类型的复杂控制，最为常用的控制方法仍然采用常规PID控制方法，或者是以常规PID控制方法为基础，再加上其它的复杂的，特殊的控制方法。(2)模糊自适应控制在除盐水生产过程中，控制目标是使除盐水的电导率和pH值控制在一定范围。这是非常典型的大延迟、非线性时变、多目标系统，反应复杂，难以建立模型。对它的控制，一直是国内外除盐水生产行业的难点。针对以上特点，有科研人员提出了以分阶、预测、自校正为研究基础的模糊控制方案。具体方法为:离线建立模糊控制规则，根据经验，历史和实时数据库，自学习校正控制规则。(3)Fuzzy-PID复合控制模糊控制具有很多优点，对于难以建立精确的数学模型、非线性和大滞后的过程特别适合应用，但在应用中也存在一些问题。例如，基本模糊控制系统的稳态性能较差。由于基本模糊控制器相当于一种非线性PID控制器，缺少积分作用，因此系统的稳态误差不能有效消除。为此，有科研人员尝试将模糊控制(Fuzzy)与PID控制结合在一起。当系统偏差较小时，采用传统的PID控制方法，因为PID控制的稳态精度较高。而当系统出现的偏差较大时，则切换采用模糊控制，因为非线性、大干扰的情况由模糊控制来实现更为现实。(4)专家控制美国等发达国家于90年代初开始研究在除盐水生产系统中采用专家系统智能控制技术来实现除盐水生产中的pH控制，取得了相当有效成果。国内研究者于1993年起，也开始了专家智能pH控制系统的研究，并在除盐水生产方面取得初步推广应用。(5)神经网络控制神经网络控制是随着神经网络的研究复兴而发展起来的，是神经网络与自动控制系统的一种有效的结合，目前各国学者正致力于将其用于工业生产过程控制。基于神经网络的内模控制系统具有很强的自学习和自适应性，对大滞后、非线性系统可实现预测控制，较传统控制方法有明显的优势。把这一方法应用于除盐水生产中，目前处于探索研究阶段。经过几十年的发展，除盐水生产过程控制已经可以通过计算机控制，并完成远程监控，信息化管理，使整个生产流程达到自动化控制。在除盐水生产过程控制系统达到自动化程度后，生产效率，生产能力和生产质量都得到有效提高，同时人工成本，设备损耗等也显著降低。虽然现今除盐水生产过程控制系统的自动化控制的应用已经很广泛，但是，总体控制水平仍然不高，所以，设计出高效、低成本的控制方案并应用于实际生产中，仍是目前有待于提高的方面，同时这样的控制方案还要适应现有经济水平，并考虑以后的经济发展，实现低投入，易改造的需求。1.3本文主要工作针对国内现有的除盐水自动控制系统还处于常规PID控制的现状，本文将着重设计一套电导率和pH值都参与控制的除盐水生产过程控制系统。以下是本文的主要工作内容:(1)介绍除盐水工艺，发展历程，除盐水生产过程控制中的主要问题和特点，以及对除盐水生产过程控制系统进行设计的意义，分析了国内外对电导率和pH值参数控制现状和存在的问题，确立除盐水电导率和pH值为被控参数和相应的控制指标。(2)对除盐水生产过程控制系统的软，硬件进行设计，并对控制系统进行选择和比较。(3)针对电导率和pH值控制具有线滞后，非线性，时变性，而且无法建立准确的数学模型的特点，采用PLC结合模糊控制，RBF神经网络控制的技术，对系统进行控制器设计和模拟仿真，并对仿真结果进行分析比较。(4)对所设计的控制系统进行了编程调试，并于现场应用，对改进后的应用情况与原生产情况进行比较，分析得到了较好的效果。2除盐水生产过程中的工艺和所暴漏出的问题2.1工艺流程介绍本文所设计的某钢厂除盐水生产工艺流程如下:生水进入生水缓冲水箱，经生水泵送到双机双室机械过滤器，除去水中余氯和有机物，降低生水浊度，再将水送入固定床钠离子过滤器，经固定床钠离子过滤器除去钙、镁离子后的软水送出至脱碳塔，除去渗透至清水的co2气体，为了防止低温时降低产水量，北方冬天时，会再经过加热器将清水加热到25℃左右后，达到反渗透主机的水质要求，进入反渗透主机，反渗透系统将生产的除盐水送至用户，而产生的废水，即反渗透浓水重新回到生产系统中，不能被利用的部分，外排。另外辅以双机双室机械过滤器反洗，固定床钠离子过滤器再生，超滤系统反洗，反渗透膜反洗等设备，进行除盐水生产。在整个生产工艺过程中，主要有以下设备:生水箱、生水加压泵、双机双室机械过滤器(石英砂过滤器)、固定床钠离子过滤系统、超滤系统、反渗透系统、pH值控制系统等。（1）生水箱水箱配置高水位浮球阀和低水位液位开关。其具备了可靠性高，价格低廉，结构简单，安装方便等优点。当水位处于高位时，浮球阀关闭，停止进水。水位处于低水位时，高水位浮球阀打开，开始向水箱注水。同时，低水位液位开关断开，生水加压泵停止工作。(2)生水加压泵四台工频泵，二用二备配置，当选用远程自动控制时，任一台运行泵故障后，备用泵有一台自动投入运行，泵后阀门随泵运行。(3)双机双室机械过滤器八台双机双室过滤器同时运行，每隔8小时，其中一台参与反洗，当反洗过滤器反洗结束后，投入到过滤状态，其它到达反洗时间的过滤器依次投入反洗。所有过滤器的过滤及反洗状态都为自动控制，如遇故障情况，由操作员切换到手动操作模式，进行维护。如果过滤状态的过滤器数目低于四台时，提示重故障报警，由操作人员进行干预操作。(4)固定床钠离子过滤系统八台固定床钠离子过滤器同时运行，每隔8小时或者蚀度大于设定值时，其中一台参与再生，当反洗过滤器反洗结束后，投入到过滤状态，其它到达反洗时间的过滤器依次投入再生。所有过滤器的过滤及再生状态都为自动控制，如遇故障情况，由操作员切换到手动操作模式，进行维护。如果过滤状态的过滤器数目低于四台时，提示重故障报警，由操作人员进行干预操作。固定床钠离子过滤器的反洗部分由浓盐池;浓盐泵;盐过滤器;稀盐池;稀盐泵这些设备组成。浓盐泵:两台水泵一用一备，一台故障时，另一台自动投入运行。泵后阀门随泵运行。主要起到对将浓盐水注入盐过滤器的用途。盐过滤器:对浓盐水进行过滤，达到去除盐液杂质的作用。两台盐过滤器同时运行，运行8小时后，其中一台进行反洗，反洗后投入运行。稀盐泵:将稀盐池中的合适浓度稀盐液输送到固定床钠离子过滤器，为固定床钠离子过滤器再生提供稀盐液。两台稀盐泵为一用一备，一台故障时，另一台自动投入运行。泵后阀门随泵运行。(5)超滤系统四套超滤膜组件为自动控制，同时运行，当检钡到压差过大时，该套超滤膜组件自动投入反洗状态，另三台正常产水，待反洗结束后，投入产水状态。超滤模组的供水由四套保安过滤器，四套超滤给水泵这些设备组成。四台超滤给水泵独立运行，单独为对应的超滤膜组件提供供水任务。对就的四套保安滤器，也与相对应的膜组件同时工作。反洗水箱为超滤膜组件提供反洗水，由反洗泵将反洗水送至超滤膜组件，当超滤膜组件需要反洗时，反洗泵自动启动，没有超滤膜组件反洗时，则自动停泵。(6)反渗透系统四套反渗透膜组件为自动控制，同时运行，当检测到压差过大时，该套反渗透膜组件自动投入反洗状态，另三台正常产水，待反洗结束后，投入产水状态。反渗透产生的浓水的外排量由外排调节阀进行控制，根据电导率检测仪检测到的数据，对浓水外排调节阀进行精确控制，没有外排的反渗透浓水，进入反透浓水箱，进行再次利用。反渗透模组的供水由除CO2风机，换热器，四台保安过滤器，四套反渗透高压供水泵这些设备组成。除CO2风机为手动控制，长期运行，当故障时，自动报警。换热器可设为自动控制，通过对蒸汽调节阀进行PID调节，将水温控制在25℃。当夏季气温高于25℃时，直接通过换热器旁路阀为反渗透系统供水。四套保安过滤器单独运行，与对应的反渗透膜组件同时工作。四台反渗透高压供水泵为独立运行，自动为对应的反渗透膜组件供水。泵后阀门随泵自动运行。(7)pH值控制系统液氨水箱内设有液位检测，当液位过低时，发生报警，由操作员打开阀门，注入己经配置好的氨水。两台pH计量泵为自动控制，一用一备，根据pH