黃光明

(中國(guó)輕工業(yè)長(zhǎng)沙工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

在工業(yè)廢水處理中最核心的單元為蒸發(fā)結(jié)晶生產(chǎn)裝置，主要包含洗氣塔、蒸發(fā)室、加熱器、板式換熱器、冷凝水桶、蒸汽壓縮機(jī)、離心機(jī)和干燥床等設(shè)備組成，各個(gè)單元和設(shè)備之間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，過程控制復(fù)雜、難度大。如何保證生產(chǎn)裝置穩(wěn)定的運(yùn)行，并在此基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)效益，需要一個(gè)功能完善、操作簡(jiǎn)單、易于維護(hù)和穩(wěn)定運(yùn)行的DCS控制系統(tǒng)。

根據(jù)某工業(yè)廢水處理項(xiàng)目生產(chǎn)過程中存在的控制難點(diǎn)，文章提出了蒸發(fā)結(jié)晶裝置DCS控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)、控制策略、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方案。對(duì)廢水處理系統(tǒng)生產(chǎn)線的DCS硬件的配置和軟件的組態(tài)進(jìn)行了總結(jié)。

1 工業(yè)廢水處理系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)是工業(yè)廢水處理中最重要的單元，是利用蒸汽再壓縮技術(shù)將蒸發(fā)系統(tǒng)中產(chǎn)生的二次蒸汽經(jīng)過壓縮機(jī)機(jī)械做功使蒸汽效率提升，通過蒸發(fā)法處理工業(yè)廢水，實(shí)現(xiàn)含鹽溶液的結(jié)晶分離。分離后的結(jié)晶物經(jīng)過流漿桶進(jìn)入增稠器后再到離心分離機(jī)進(jìn)入干燥床，最后通過輸送皮帶機(jī)將成品送入料倉(cāng)后打包處理。工藝流程見圖1。

圖1 含鹽廢水處理生產(chǎn)線流程示意圖

2 工業(yè)廢水處理系統(tǒng)的自動(dòng)化控制策略

含鹽廢水處理主要包括蒸發(fā)結(jié)晶和干燥兩個(gè)重要的生產(chǎn)過程。在蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)生產(chǎn)過程中，為了達(dá)到物料平衡，確保生產(chǎn)系統(tǒng)穩(wěn)定控制，需要對(duì)廢水進(jìn)料流量和蒸發(fā)罐液位進(jìn)行控制，通常會(huì)設(shè)置串級(jí)控制回路。在結(jié)晶物干燥過程中，離心機(jī)和干燥床的控制信號(hào)通過PROFIBUS-DP通訊將數(shù)據(jù)傳入到DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；當(dāng)離心機(jī)和干燥床出故障時(shí)，可以通過PLC系統(tǒng)就地控制和操作。含鹽廢水結(jié)晶后，當(dāng)固液比在50%以上時(shí)，通過高位槽進(jìn)入離心機(jī)，然后進(jìn)行固液分離處理，潮濕的結(jié)晶物進(jìn)入流化床，經(jīng)過調(diào)節(jié)入口蒸汽量來(lái)控制流化床內(nèi)部溫度，使結(jié)晶物達(dá)到最優(yōu)干燥狀態(tài)，然后自動(dòng)進(jìn)入皮帶輸送機(jī)后打包處理。DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 DCS控制結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)生產(chǎn)過程控制

含鹽廢水經(jīng)過板式換熱器置換熱量后進(jìn)入蒸發(fā)室，通過蒸汽壓縮機(jī)做功產(chǎn)生二次蒸汽加熱蒸發(fā)后產(chǎn)生的鹽漿液進(jìn)入增稠器。其中蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)主要控制如下：

(1)蒸發(fā)罐液位串級(jí)控制。蒸發(fā)室的液位控制回路作為主回路，進(jìn)料流量控制回路作為副回路，它是以液位控制器的輸出作為進(jìn)料流量控制器的給定值，共同控制一個(gè)執(zhí)行器的控制系統(tǒng)。為了蒸發(fā)罐的液位控制穩(wěn)定，其主控制器通常用PID比例調(diào)節(jié)控制，因此在生產(chǎn)過程中需要對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，PID參數(shù)設(shè)定表見表1。

表1 PID參數(shù)整定表

(2)蒸發(fā)室蒸汽壓力分程調(diào)節(jié)控制。分程調(diào)節(jié)其特點(diǎn)是一臺(tái)控制器控制幾臺(tái)調(diào)節(jié)閥，可根據(jù)不同的輸出信號(hào)，在不同的區(qū)間內(nèi)調(diào)節(jié)不同的閥門；分程控制在調(diào)節(jié)閥選型的時(shí)候需要注意幾點(diǎn)：其一，分程調(diào)節(jié)在不同信號(hào)區(qū)域控制閥門，當(dāng)閥門在交替動(dòng)作時(shí)，被控制的幾臺(tái)閥門為同一線性關(guān)系時(shí)，會(huì)影響到閥門的動(dòng)作，因此需選用對(duì)數(shù)特性的調(diào)節(jié)閥；其二，為了保證調(diào)節(jié)閥的控制范圍，一般選用幾臺(tái)不同口徑的調(diào)節(jié)閥并確保大口徑的調(diào)節(jié)閥泄露量合適。在蒸發(fā)罐蒸汽壓力控制中，一般采用分程調(diào)節(jié)控制，當(dāng)壓力小于6.5 kPa時(shí)通過A閥調(diào)節(jié)，在壓力持續(xù)增大到6.5 kPa，調(diào)節(jié)器輸出會(huì)持續(xù)增大，此時(shí)調(diào)節(jié)閥以0%～100%的開度動(dòng)作；當(dāng)壓力大于7.5 kPa時(shí)通過B調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)器的輸出會(huì)持續(xù)減少，此時(shí)調(diào)節(jié)閥以100%～0%的開度動(dòng)作，通過以上控制調(diào)節(jié)，確保蒸發(fā)室蒸汽壓力控制在6.5 kPa左右。

(3)減溫器出口溫度串級(jí)控制。當(dāng)蒸汽壓縮機(jī)通過做功使蒸發(fā)室的二次蒸汽升溫時(shí)，為了保證蒸汽溫度控制在一定的范圍內(nèi)，確保蒸發(fā)罐控制穩(wěn)定，會(huì)進(jìn)行溫度控制，由于溫度控制一般具有滯后性并對(duì)控制要求極高，采用單回路調(diào)節(jié)不能滿足要求，一般會(huì)采取串級(jí)控制。串級(jí)控制的優(yōu)點(diǎn)如下：其一，可以縮短PID控制時(shí)間，使溫度控制反應(yīng)更快，溫度控制滯后性問題解決；其二，控制干擾性減少，溫度控制更加穩(wěn)定；其三，振蕩周期減少，系統(tǒng)控制更加穩(wěn)定和快速。在蒸汽壓縮機(jī)的減溫器出口工藝中，有壓力和溫度兩個(gè)儀表測(cè)點(diǎn)，先計(jì)算出蒸汽壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度，一般通過查表先將不同壓力對(duì)應(yīng)A點(diǎn)的飽和溫度值輸入到DCS程序中，另外通過溫度測(cè)點(diǎn)B測(cè)出實(shí)際溫度，然后在控制器輸出C為A-B的值，一般輸出溫度設(shè)定為0 ℃，可以在5 ℃范圍內(nèi)波動(dòng)。

(4)壓縮機(jī)防喘振調(diào)節(jié)控制和預(yù)警。在蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)中，蒸汽壓縮機(jī)是最核心的設(shè)備之一，在運(yùn)行過程中，當(dāng)入口流量低于最小流量時(shí)，機(jī)組運(yùn)行工況將處于非常不穩(wěn)定的狀態(tài)，此工況點(diǎn)一般認(rèn)為“喘振點(diǎn)”，此時(shí)壓縮機(jī)蒸汽將劇烈波動(dòng)，出入口的壓力也會(huì)出現(xiàn)來(lái)回波動(dòng)，入口溫度和出口溫度將會(huì)逐漸升高，此時(shí)壓縮機(jī)出現(xiàn)喘振聲，同時(shí)，壓縮機(jī)組也會(huì)出現(xiàn)劇烈的振動(dòng)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)運(yùn)行和設(shè)備安全，需防喘振調(diào)節(jié)控制和預(yù)警。其優(yōu)點(diǎn)主要有：其一，當(dāng)喘振來(lái)臨時(shí)，能提前發(fā)出預(yù)警信號(hào)，確保喘振調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開；其二，能夠?qū)崿F(xiàn)喘振自動(dòng)控制，確保生產(chǎn)正常運(yùn)行和設(shè)備安全。

(5)PID比例調(diào)節(jié)控制。在蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)中，壓力、流量單回路調(diào)節(jié)控制一般采用PID比例調(diào)節(jié)控制，其特點(diǎn)是一般使用在控制要求不高，滯后性不大的控制回路中。比如加熱器出口溫度調(diào)節(jié)、淘洗水流量調(diào)節(jié)、出口母液流量調(diào)節(jié)、循環(huán)管進(jìn)口流量調(diào)節(jié)、洗滌塔蒸汽壓力調(diào)節(jié)等單回路中。

(6)儀表連鎖和報(bào)警。在蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)中，一般涉及到調(diào)節(jié)閥、馬達(dá)及其他相關(guān)的聯(lián)鎖，都會(huì)進(jìn)行邏輯連鎖控制。其次，其中一部分液位、壓力和流量等儀表會(huì)在操作界面中設(shè)置報(bào)警點(diǎn)；一部分密封水流量開關(guān)會(huì)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置流量的大小，當(dāng)超過零界點(diǎn)時(shí)觸發(fā)信號(hào)發(fā)送到DCS報(bào)警或引起聯(lián)鎖跳停。

2.2 結(jié)晶物干燥過程控制

蒸發(fā)結(jié)晶系統(tǒng)中通過蒸發(fā)處理得到的含鹽漿料，進(jìn)一步通過離心機(jī)分離和流化床加熱干燥后，得到的結(jié)晶物經(jīng)過皮帶輸送器送至包裝車間打包處理。

2.2.1 離心機(jī)控制及聯(lián)鎖設(shè)置

從結(jié)晶器排出的鹽漿，進(jìn)入鹽漿桶。鹽漿桶中鹽漿的濃度很高，為了便于輸送，在鹽漿桶上安裝了一臺(tái)攪拌器，可以防止鹽漿沉積，另一方面利用增稠器的溢流液使鹽漿桶中的料液得到稀釋，這樣就可以使鹽漿泵連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，將鹽漿送入增稠器中。在增稠器中，漿料的流速很低，因此晶體都進(jìn)入增稠器的圓錐形錐角中。澄清液溢流進(jìn)入鹽漿桶(當(dāng)鹽漿桶液位偏高時(shí)導(dǎo)入甩后液桶)。

離心機(jī)的作用是固液分離。經(jīng)離心脫水后的鹽送入干燥床中進(jìn)行干燥后的成品鹽經(jīng)過篩分后送入包裝機(jī)包裝入庫(kù)。甩后液導(dǎo)入鹽漿桶，經(jīng)流進(jìn)入甩后液桶。甩后液由泵大部分返回結(jié)晶器小部分進(jìn)入增稠器底部，使底部漿料流態(tài)化。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求共設(shè)計(jì)2套離心機(jī)處理，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，采取一用一備的策略，輪流值守。

離心機(jī)的控制方式是現(xiàn)場(chǎng)PLC控制和操作，通過PROFIBUS-DP通訊將離心機(jī)的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到DCS系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)于重要的連鎖信號(hào)，為了保證信號(hào)的傳輸安全，采用控制電纜連接的方式將信號(hào)傳送到DCS控制系統(tǒng)，由DCS進(jìn)行聯(lián)鎖控制。當(dāng)離心機(jī)出現(xiàn)故障或者異常停機(jī)時(shí)，將停機(jī)信號(hào)傳入DCS控制系統(tǒng)，會(huì)使進(jìn)料閥聯(lián)鎖關(guān)閉，防止離心機(jī)堵料，保證生產(chǎn)正常運(yùn)行和設(shè)備安全。離心機(jī)的運(yùn)行過程狀態(tài)及聯(lián)鎖見表2。

表2 離心機(jī)的運(yùn)行信號(hào)和聯(lián)鎖

2.2.2 流化床干燥控制

流化床干燥過程是散狀物料被置于孔板上，并由其下部輸送氣體，引起物料顆粒在氣體分布板上運(yùn)動(dòng)，在氣流中呈懸浮狀態(tài)，產(chǎn)生物料顆粒與氣體的混合底層，猶如液體沸騰一樣。在流化床干燥器中物料顆粒在此混合底層中與氣體充分接觸，進(jìn)行物料與氣體之間的熱傳遞與水分傳遞。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求只設(shè)計(jì)1套流化床干燥系統(tǒng)，處理離心機(jī)過來(lái)的物料。流化床干燥系統(tǒng)有干燥床、鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)等設(shè)備，里面所有儀表、閥門和馬達(dá)均由DCS控制。在流化床生產(chǎn)過程中，通過入口蒸汽調(diào)節(jié)閥來(lái)控制蒸汽量，使流化床溫度調(diào)節(jié)到工作溫度，該蒸汽調(diào)節(jié)閥采用PID比例調(diào)節(jié)控制。其次，流化床的出口風(fēng)壓需維持微負(fù)壓的狀態(tài)，可用出口引風(fēng)機(jī)來(lái)調(diào)節(jié)壓力，采用單回路的壓力調(diào)節(jié)方式。

空氣經(jīng)過空氣過濾器過濾后進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)，部分空氣直接進(jìn)入流化干燥床的冷床段，大部分空氣送入空氣預(yù)熱器，溫度調(diào)節(jié)通過蒸汽管道控制閥控制；尾氣通過引風(fēng)機(jī)進(jìn)入濕式除塵器進(jìn)一步除塵后排空。干燥后的成品鹽與旋風(fēng)除塵器分離的粉鹽一并送至干鹽料倉(cāng)，經(jīng)自動(dòng)包裝機(jī)包裝后入庫(kù)。另外通過控制面板可啟動(dòng)和停止鼓風(fēng)機(jī)及引風(fēng)機(jī)，設(shè)置變頻器的轉(zhuǎn)速。

(1)現(xiàn)場(chǎng)控制。通過現(xiàn)場(chǎng)的操作盒將控制切換到現(xiàn)場(chǎng)控制，現(xiàn)場(chǎng)通過按鈕啟動(dòng)和停止鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)，切換到現(xiàn)場(chǎng)控制時(shí)，界面控制無(wú)效。

(2)遠(yuǎn)程控制。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)操作盒控制開關(guān)切換到遠(yuǎn)程控制時(shí)，該鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)的準(zhǔn)備信號(hào)燈會(huì)亮綠燈，提示可以對(duì)該設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，通過啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)該水泵，運(yùn)行指示燈亮綠燈表示該泵已經(jīng)啟動(dòng)成功。

3 DCS在工業(yè)廢水處理項(xiàng)目中的應(yīng)用

此工業(yè)廢水處理生產(chǎn)線采用分布式控制系統(tǒng)，主要是對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行集中管理、控制和操作，是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、測(cè)量及通信為一體的技術(shù)發(fā)展起來(lái)的，具備組態(tài)方便、人機(jī)界面友好、操作集中和控制功能完善及通用性等優(yōu)點(diǎn)。DCS控制系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)據(jù)融合的系統(tǒng)平臺(tái)，具有人性化、擴(kuò)展性和兼容性等特點(diǎn)，可為生產(chǎn)裝置提供可靠運(yùn)行的控制。根據(jù)廢水處理生產(chǎn)要求，為了確保DCS系統(tǒng)通訊可靠，需設(shè)計(jì)為雙冗余通訊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每個(gè)導(dǎo)軌配備有2個(gè)通訊(CP)模塊，2個(gè)通訊(CP)模塊互為冗余結(jié)構(gòu)，一旦某個(gè)通訊(CP)模塊出現(xiàn)故障，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切換到備用的通訊(CP)模塊，確保輸入輸出(I/O)模塊與中央處理器(CPU)的通訊不會(huì)出現(xiàn)中斷。

3.1 DCS系統(tǒng)硬件的基本組成

廢水處理DCS系統(tǒng)硬件的主要配置有4臺(tái)操作員站、1臺(tái)工程師站、2臺(tái)服務(wù)器 、2臺(tái)監(jiān)控層級(jí)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)、1套控制系統(tǒng)包含包括CPU 2套、電源模塊、通訊(CP)模塊、模擬量輸入(AI)模塊、數(shù)字量輸入(DI)模塊、數(shù)字量輸出(DO)模塊、模擬量輸出(AO)模塊等。

(1)控制系統(tǒng)的基本機(jī)構(gòu)。主要由控制器(OC)、通迅處理器(CP)、輸入輸出單元(I/O) 的結(jié)構(gòu)組成。其中由控制器用來(lái)采集通迅處理器的數(shù)據(jù)并和上位機(jī)通迅，同時(shí)還處理控制程序?？刂破鞑缓洼斎胼敵?I/O)單元通迅，只和通迅處理器(CPU)通迅，以增加控制器的處理速度。

(2)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本組成。DCS控制系統(tǒng)采用雙冗余網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，2臺(tái)中央處理器(CPU)通過一根光纖直連，實(shí)現(xiàn)主中央處理器(CPU)與備用中央處理器(CPU)之間的快速切換；2臺(tái)交換機(jī)設(shè)置完全一樣，操作站和服務(wù)器無(wú)論接入哪個(gè)交換機(jī)都能正常訪問CPU1和CPU2。

3.2 DCS系統(tǒng)軟件編譯

MoxGRAF軟件具有友好的結(jié)構(gòu)化編程模式，包含直觀的圖表和文本編輯器在內(nèi)的6種自動(dòng)化編程語(yǔ)言等多種特性。不需要最基本的過程控制邏輯或基本語(yǔ)法調(diào)試程序。

(1)新建一個(gè)項(xiàng)目。雙擊桌面上的快捷圖標(biāo)，啟動(dòng) MoxGRAF 程序；創(chuàng)建一個(gè)新的工程，在File菜單下選擇New Project命令或點(diǎn)擊快捷菜單圖標(biāo)，在彈出的創(chuàng)建新工程對(duì)話框中輸入MoxGRAF工程名，如MoxOC_Training，點(diǎn)擊OK確認(rèn)。

(2)硬件組態(tài)。首先添加OC控制器，設(shè)置基本參數(shù)；添加通訊(CP)模塊;添加輸入輸出(I/O)模塊，選擇與實(shí)際模塊相對(duì)應(yīng)的型號(hào)輸入進(jìn)去。

(3)變量與輸入輸出(I/O)通道的綁定。可以將先前創(chuàng)建的I/O變量與I/O設(shè)備綁定對(duì)應(yīng)起來(lái)。這樣就可以通過MoxGRAF程序監(jiān)控外部設(shè)備。

(4)MODBUS地址的分配。當(dāng)主機(jī)設(shè)備通過 Modbus協(xié)議訪問MOX OC控制器的數(shù)據(jù)時(shí)，用戶必須為MOX OC控制器的每個(gè)被訪問變量分配一個(gè) Modbus 地址。

3.3 程序設(shè)計(jì)

編譯語(yǔ)言，需熟悉變量、連接線、功能塊、取反連接線的定義和功能。程序功能塊：包括軟件系統(tǒng)自帶的程序功能塊和定義的功能塊。

(1)軟件系統(tǒng)自帶的程序功能塊包括加減乘除、平均值、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、比較等功能塊。

(2)自定義的功能塊包含模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能塊、飽和蒸汽壓力溫度對(duì)應(yīng)功能塊、小流量切除功能塊、PID控制功能塊等。

3.4 組態(tài)軟件應(yīng)用

(1)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)配置，添加設(shè)備類型和配置，然后添加設(shè)備位號(hào)并設(shè)置點(diǎn)位數(shù)，對(duì)MODBUS通訊配置和I/O組設(shè)置。

(2)對(duì)工藝畫面進(jìn)行組態(tài)，創(chuàng)建和調(diào)用單元庫(kù)，鏈接數(shù)據(jù)庫(kù)，熟悉圖形關(guān)聯(lián)屬性和開關(guān)量狀態(tài)形式，了解報(bào)警量顯示和添加等。

4 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)廢水處理生產(chǎn)過程中對(duì)DCS控制系統(tǒng)的要求較高，針對(duì)生產(chǎn)過程中存在的控制難點(diǎn)，文章提出了蒸發(fā)結(jié)晶裝置DCS控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)、控制策略、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方案。在設(shè)計(jì)蒸發(fā)結(jié)晶控制系統(tǒng)中采用DCS進(jìn)行液位、流量串級(jí)控制；壓縮機(jī)控制系統(tǒng)采用防喘振控制程序進(jìn)行自動(dòng)控制，保證了生產(chǎn)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。另外，對(duì)廢水處理系統(tǒng)生產(chǎn)線的DCS的硬件的配置和軟件的組態(tài)進(jìn)行了總結(jié)，為工業(yè)廢水處理行業(yè)的儀表技術(shù)人員提高參考和借鑒。