DCS控制系统在含盐废水处理生产线中的应用
时间：2023-01-23 18:50:03 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
黄光明
(中国轻工业长沙工程有限公司，湖南 长沙 410114)
在工业废水处理中最核心的单元为蒸发结晶生产装置，主要包含洗气塔、蒸发室、加热器、板式换热器、冷凝水桶、蒸汽压缩机、离心机和干燥床等设备组成，各个单元和设备之间关联性强，过程控制复杂、难度大。如何保证生产装置稳定的运行，并在此基础上提高生产效益，需要一个功能完善、操作简单、易于维护和稳定运行的DCS控制系统。
根据某工业废水处理项目生产过程中存在的控制难点，文章提出了蒸发结晶装置DCS控制系统的控制目标、控制策略、系统结构和控制方案。对废水处理系统生产线的DCS硬件的配置和软件的组态进行了总结。
蒸发结晶系统是工业废水处理中最重要的单元，是利用蒸汽再压缩技术将蒸发系统中产生的二次蒸汽经过压缩机机械做功使蒸汽效率提升，通过蒸发法处理工业废水，实现含盐溶液的结晶分离。分离后的结晶物经过流浆桶进入增稠器后再到离心分离机进入干燥床，最后通过输送皮带机将成品送入料仓后打包处理。工艺流程见图1。
图1 含盐废水处理生产线流程示意图
含盐废水处理主要包括蒸发结晶和干燥两个重要的生产过程。在蒸发结晶系统生产过程中，为了达到物料平衡，确保生产系统稳定控制，需要对废水进料流量和蒸发罐液位进行控制，通常会设置串级控制回路。在结晶物干燥过程中，离心机和干燥床的控制信号通过PROFIBUS-DP通讯将数据传入到DCS控制系统进行远程控制；
当离心机和干燥床出故障时，可以通过PLC系统就地控制和操作。含盐废水结晶后，当固液比在50%以上时，通过高位槽进入离心机，然后进行固液分离处理，潮湿的结晶物进入流化床，经过调节入口蒸汽量来控制流化床内部温度，使结晶物达到最优干燥状态，然后自动进入皮带输送机后打包处理。DCS控制系统结构见图2。
图2 DCS控制结构示意图
2.1 蒸发结晶系统生产过程控制
含盐废水经过板式换热器置换热量后进入蒸发室，通过蒸汽压缩机做功产生二次蒸汽加热蒸发后产生的盐浆液进入增稠器。其中蒸发结晶系统主要控制如下：
(1)蒸发罐液位串级控制。蒸发室的液位控制回路作为主回路，进料流量控制回路作为副回路，它是以液位控制器的输出作为进料流量控制器的给定值，共同控制一个执行器的控制系统。为了蒸发罐的液位控制稳定，其主控制器通常用PID比例调节控制，因此在生产过程中需要对PID参数进行设置，PID参数设定表见表1。
表1 PID参数整定表
(2)蒸发室蒸汽压力分程调节控制。分程调节其特点是一台控制器控制几台调节阀，可根据不同的输出信号，在不同的区间内调节不同的阀门；
分程控制在调节阀选型的时候需要注意几点：其一，分程调节在不同信号区域控制阀门，当阀门在交替动作时，被控制的几台阀门为同一线性关系时，会影响到阀门的动作，因此需选用对数特性的调节阀；
其二，为了保证调节阀的控制范围，一般选用几台不同口径的调节阀并确保大口径的调节阀泄露量合适。在蒸发罐蒸汽压力控制中，一般采用分程调节控制，当压力小于6.5 kPa时通过A阀调节，在压力持续增大到6.5 kPa，调节器输出会持续增大，此时调节阀以0%～100%的开度动作；
当压力大于7.5 kPa时通过B调节，调节器的输出会持续减少，此时调节阀以100%～0%的开度动作，通过以上控制调节，确保蒸发室蒸汽压力控制在6.5 kPa左右。
(3)减温器出口温度串级控制。当蒸汽压缩机通过做功使蒸发室的二次蒸汽升温时，为了保证蒸汽温度控制在一定的范围内，确保蒸发罐控制稳定，会进行温度控制，由于温度控制一般具有滞后性并对控制要求极高，采用单回路调节不能满足要求，一般会采取串级控制。串级控制的优点如下：其一，可以缩短PID控制时间，使温度控制反应更快，温度控制滞后性问题解决；
其二，控制干扰性减少，温度控制更加稳定；
其三，振荡周期减少，系统控制更加稳定和快速。在蒸汽压缩机的减温器出口工艺中，有压力和温度两个仪表测点，先计算出蒸汽压力对应的饱和温度，一般通过查表先将不同压力对应A点的饱和温度值输入到DCS程序中，另外通过温度测点B测出实际温度，然后在控制器输出C为A-B的值，一般输出温度设定为0 ℃，可以在5 ℃范围内波动。
(4)压缩机防喘振调节控制和预警。在蒸发结晶系统中，蒸汽压缩机是最核心的设备之一，在运行过程中，当入口流量低于最小流量时，机组运行工况将处于非常不稳定的状态，此工况点一般认为“喘振点”，此时压缩机蒸汽将剧烈波动，出入口的压力也会出现来回波动，入口温度和出口温度将会逐渐升高，此时压缩机出现喘振声，同时，压缩机组也会出现剧烈的振动，严重影响生产运行和设备安全，需防喘振调节控制和预警。其优点主要有：其一，当喘振来临时，能提前发出预警信号，确保喘振调节阀自动打开；
其二，能够实现喘振自动控制，确保生产正常运行和设备安全。
(5)PID比例调节控制。在蒸发结晶系统中，压力、流量单回路调节控制一般采用PID比例调节控制，其特点是一般使用在控制要求不高，滞后性不大的控制回路中。比如加热器出口温度调节、淘洗水流量调节、出口母液流量调节、循环管进口流量调节、洗涤塔蒸汽压力调节等单回路中。
(6)仪表连锁和报警。在蒸发结晶系统中，一般涉及到调节阀、马达及其他相关的联锁，都会进行逻辑连锁控制。其次，其中一部分液位、压力和流量等仪表会在操作界面中设置报警点；
一部分密封水流量开关会根据现场设置流量的大小，当超过零界点时触发信号发送到DCS报警或引起联锁跳停。
2.2 结晶物干燥过程控制
蒸发结晶系统中通过蒸发处理得到的含盐浆料，进一步通过离心机分离和流化床加热干燥后，得到的结晶物经过皮带输送器送至包装车间打包处理。
2.2.1 离心机控制及联锁设置
从结晶器排出的盐浆，进入盐浆桶。盐浆桶中盐浆的浓度很高，为了便于输送，在盐浆桶上安装了一台搅拌器，可以防止盐浆沉积，另一方面利用增稠器的溢流液使盐浆桶中的料液得到稀释，这样就可以使盐浆泵连续稳定运行，将盐浆送入增稠器中。在增稠器中，浆料的流速很低，因此晶体都进入增稠器的圆锥形锥角中。澄清液溢流进入盐浆桶(当盐浆桶液位偏高时导入甩后液桶)。
离心机的作用是固液分离。经离心脱水后的盐送入干燥床中进行干燥后的成品盐经过筛分后送入包装机包装入库。甩后液导入盐浆桶，经流进入甩后液桶。甩后液由泵大部分返回结晶器小部分进入增稠器底部，使底部浆料流态化。根据生产工艺要求共设计2套离心机处理，正常运转时，采取一用一备的策略，轮流值守。
离心机的控制方式是现场PLC控制和操作，通过PROFIBUS-DP通讯将离心机的所有检测数据远程传送到DCS系统进行监控。对于重要的连锁信号，为了保证信号的传输安全，采用控制电缆连接的方式将信号传送到DCS控制系统，由DCS进行联锁控制。当离心机出现故障或者异常停机时，将停机信号传入DCS控制系统，会使进料阀联锁关闭，防止离心机堵料，保证生产正常运行和设备安全。离心机的运行过程状态及联锁见表2。
表2 离心机的运行信号和联锁
2.2.2 流化床干燥控制
流化床干燥过程是散状物料被置于孔板上，并由其下部输送气体，引起物料颗粒在气体分布板上运动，在气流中呈悬浮状态，产生物料颗粒与气体的混合底层，犹如液体沸腾一样。在流化床干燥器中物料颗粒在此混合底层中与气体充分接触，进行物料与气体之间的热传递与水分传递。根据生产工艺要求只设计1套流化床干燥系统，处理离心机过来的物料。流化床干燥系统有干燥床、鼓风机、引风机等设备，里面所有仪表、阀门和马达均由DCS控制。在流化床生产过程中，通过入口蒸汽调节阀来控制蒸汽量，使流化床温度调节到工作温度，该蒸汽调节阀采用PID比例调节控制。其次，流化床的出口风压需维持微负压的状态，可用出口引风机来调节压力，采用单回路的压力调节方式。
空气经过空气过滤器过滤后进入鼓风机，部分空气直接进入流化干燥床的冷床段，大部分空气送入空气预热器，温度调节通过蒸汽管道控制阀控制；
尾气通过引风机进入湿式除尘器进一步除尘后排空。干燥后的成品盐与旋风除尘器分离的粉盐一并送至干盐料仓，经自动包装机包装后入库。另外通过控制面板可启动和停止鼓风机及引风机，设置变频器的转速。
(1)现场控制。通过现场的操作盒将控制切换到现场控制，现场通过按钮启动和停止鼓风机和引风机，切换到现场控制时，界面控制无效。
(2)远程控制。当现场操作盒控制开关切换到远程控制时，该鼓风机和引风机的准备信号灯会亮绿灯，提示可以对该设备进行远程控制，通过启动按钮启动该水泵，运行指示灯亮绿灯表示该泵已经启动成功。
此工业废水处理生产线采用分布式控制系统，主要是对生产过程进行集中管理、控制和操作，是集计算机技术、信号处理技术、测量及通信为一体的技术发展起来的，具备组态方便、人机界面友好、操作集中和控制功能完善及通用性等优点。DCS控制系统是一个数据融合的系统平台，具有人性化、扩展性和兼容性等特点，可为生产装置提供可靠运行的控制。根据废水处理生产要求，为了确保DCS系统通讯可靠，需设计为双冗余通讯网络结构，每个导轨配备有2个通讯(CP)模块，2个通讯(CP)模块互为冗余结构，一旦某个通讯(CP)模块出现故障，系统会自动切换到备用的通讯(CP)模块，确保输入输出(I/O)模块与中央处理器(CPU)的通讯不会出现中断。
3.1 DCS系统硬件的基本组成
废水处理DCS系统硬件的主要配置有4台操作员站、1台工程师站、2台服务器 、2台监控层级工业以太网交换机、1套控制系统包含包括CPU 2套、电源模块、通讯(CP)模块、模拟量输入(AI)模块、数字量输入(DI)模块、数字量输出(DO)模块、模拟量输出(AO)模块等。
(1)控制系统的基本机构。主要由控制器(OC)、通迅处理器(CP)、输入输出单元(I/O) 的结构组成。其中由控制器用来采集通迅处理器的数据并和上位机通迅，同时还处理控制程序。控制器不和输入输出(I/O)单元通迅，只和通迅处理器(CPU)通迅，以增加控制器的处理速度。
(2)网络结构的基本组成。DCS控制系统采用双冗余网络结构，2台中央处理器(CPU)通过一根光纤直连，实现主中央处理器(CPU)与备用中央处理器(CPU)之间的快速切换；
2台交换机设置完全一样，操作站和服务器无论接入哪个交换机都能正常访问CPU1和CPU2。
3.2 DCS系统软件编译
MoxGRAF软件具有友好的结构化编程模式，包含直观的图表和文本编辑器在内的6种自动化编程语言等多种特性。不需要最基本的过程控制逻辑或基本语法调试程序。
(1)新建一个项目。双击桌面上的快捷图标，启动 MoxGRAF 程序；
创建一个新的工程，在File菜单下选择New Project命令或点击快捷菜单图标，在弹出的创建新工程对话框中输入MoxGRAF工程名，如MoxOC_Training，点击OK确认。
(2)硬件组态。首先添加OC控制器，设置基本参数；
添加通讯(CP)模块;添加输入输出(I/O)模块，选择与实际模块相对应的型号输入进去。
(3)变量与输入输出(I/O)通道的绑定。可以将先前创建的I/O变量与I/O设备绑定对应起来。这样就可以通过MoxGRAF程序监控外部设备。
(4)MODBUS地址的分配。当主机设备通过 Modbus协议访问MOX OC控制器的数据时，用户必须为MOX OC控制器的每个被访问变量分配一个 Modbus 地址。
3.3 程序设计
编译语言，需熟悉变量、连接线、功能块、取反连接线的定义和功能。程序功能块：包括软件系统自带的程序功能块和定义的功能块。
(1)软件系统自带的程序功能块包括加减乘除、平均值、数据类型转换、比较等功能块。
(2)自定义的功能块包含模拟量数据转换功能块、饱和蒸汽压力温度对应功能块、小流量切除功能块、PID控制功能块等。
3.4 组态软件应用
(1)进行数据库配置，添加设备类型和配置，然后添加设备位号并设置点位数，对MODBUS通讯配置和I/O组设置。
(2)对工艺画面进行组态，创建和调用单元库，链接数据库，熟悉图形关联属性和开关量状态形式，了解报警量显示和添加等。
工业废水处理生产过程中对DCS控制系统的要求较高，针对生产过程中存在的控制难点，文章提出了蒸发结晶装置DCS控制系统的控制目标、控制策略、系统结构和控制方案。在设计蒸发结晶控制系统中采用DCS进行液位、流量串级控制；
压缩机控制系统采用防喘振控制程序进行自动控制，保证了生产系统的正常运行。另外，对废水处理系统生产线的DCS的硬件的配置和软件的组态进行了总结，为工业废水处理行业的仪表技术人员提高参考和借鉴。
