污水處理濕式氧化實驗系統(tǒng)的設(shè)計

關(guān)士遠(yuǎn)

(沈陽化工研究院設(shè)計工程有限公司，沈陽 110021)

污水處理濕式氧化實驗系統(tǒng)的設(shè)計

關(guān)士遠(yuǎn)

(沈陽化工研究院設(shè)計工程有限公司，沈陽 110021)

針對實驗室小試系統(tǒng)對于污水處理成本和效果的要求，提出了基于GPC-PID串級控制算法的工控機加溫控器的污水處理系統(tǒng)。GPC-PID串級控制算法的計算與數(shù)據(jù)處理能力強，系統(tǒng)調(diào)整容易，是解決實驗室污水監(jiān)控問題的合理方案。針對污水處理過程中污水成分不確定、污水量不確定的現(xiàn)象，GPC-PID控制效果比單純的PID控制要好，且成本大幅降低。

污水處理系統(tǒng) 濕式氧化法 GPC-PID串級控制 組態(tài)王

目前，工業(yè)污水處理普遍采用的是基于PLC的DCS系統(tǒng)控制方案，但對于小系統(tǒng)來說這種控制方案成本較高，如小規(guī)模污水處理廠、實驗室的小試或中試系統(tǒng)，尤其對于實驗室小試或中試系統(tǒng)，DCS系統(tǒng)造價占總成本的比例較高，并且DCS系統(tǒng)一般采用PID控制，對于要求較高的污水處理指標(biāo)該方案常不能滿足要求。

濕式氧化法是一種使污水中懸浮或溶解的有機物在液相水存在的條件下進行高溫、高壓氧化反應(yīng)的污水處理方法，該方法可用于高濃度工業(yè)污水的處理。但是由于工業(yè)污水的組成隨著生產(chǎn)車間的不同而不同，溫度、壓力等反應(yīng)條件也不同，這樣就需要根據(jù)具體工廠或車間的情況來確定工藝參數(shù)。同時，反應(yīng)條件的改變將導(dǎo)致動態(tài)系統(tǒng)模型改變，進而控制器也會隨之改變，無法實

現(xiàn)控制方案對工業(yè)污水的動態(tài)跟蹤處理。

廣義預(yù)測控制(GPC)算法是一種魯棒性強、能夠有效克服系統(tǒng)滯后的先進控制算法，適用于系統(tǒng)參數(shù)不確定的過程控制[1,2]，因此工業(yè)污水處理可采用GPC-PID串級控制方案，即外環(huán)GPC控制、內(nèi)環(huán)PID控制，其中外環(huán)控制周期要大于內(nèi)環(huán)，外環(huán)控制周期一般為5min，內(nèi)環(huán)一般為1min。然而，這種帶有先進控制算法軟件包的DCS系統(tǒng)成本仍舊較高。為此，筆者給出一個利用工控機和溫控器的解決方案，即溫度控制采用SR93溫度控制器，在工控機上安裝自行開發(fā)的GPC算法控制程序，以降低系統(tǒng)成本，提高污水處理質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體控制策略

1.1 工藝流程

工業(yè)污水處理工藝流程簡圖如圖1所示。

圖1 工藝流程簡圖

可以看出，經(jīng)過反應(yīng)器處理后的污水會再次回到換熱器2和換熱器1中，這主要是為了充分利用反應(yīng)熱，實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。主反應(yīng)器和預(yù)熱器用固態(tài)繼電器控制其加熱溫度。主要的工藝監(jiān)控點布置如下：

山東兗礦國拓科技工程股份有限公司與華東理工大學(xué)潔凈煤研究所經(jīng)過多年的努力，實現(xiàn)了從1 000噸級、2 000噸級到3 000噸級多噴嘴對置式水煤漿氣化工業(yè)示范裝置的建設(shè)運行，多噴嘴氣化技術(shù)成為煤化工企業(yè)的首選技術(shù)之一。目前以技術(shù)許可的方式成功向國內(nèi)外57個項目實施轉(zhuǎn)讓，共計建設(shè)158臺（套）氣化爐。

溫度點 TE201～TE216

壓力點 PT204～PT211

1.2控制策略

在進行污水處理之前，實驗人員首先需要對

污水樣品進行分析化驗，確定污水組分，進而確定反應(yīng)溫度。污水處理過程中反應(yīng)器共分3部分進行加熱，但是根據(jù)具體的反應(yīng)情況，這些反應(yīng)加熱段未必都使用，設(shè)定的反應(yīng)溫度越高加熱段數(shù)就越多。

由于污水成分和污水量都是時變的，導(dǎo)致污水處理過程系統(tǒng)參數(shù)是時變的，且具有時滯性，為了保證系統(tǒng)控制精度和污水處理效果，筆者采用GPC-PID串級控制方案，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件

污水處理系統(tǒng)的上位機為研華IPC610工控機，內(nèi)裝組態(tài)王軟件和數(shù)據(jù)分析軟件，具有兩個模擬量輸入模塊ADAM-4117，3個Pt100輸入模塊ADAM4015，一個RS232轉(zhuǎn)RS485 ADAM4520模塊，一個SR93表(熱電阻輸入，固態(tài)繼電器輸出，帶RS485通信口)。各模塊之間采用屏蔽雙絞線連接，SR93的輸入是GPC的輸出，利用固態(tài)繼電器的通斷來控制電加熱棒。

3 主反應(yīng)控制算法

3.1控制算法

系統(tǒng)模型采用受控自回歸積分滑動平均(CARIMA)模型，其表達(dá)式為：

A(z-1)y(k)=z-dB(z-1)u(k)+C(z-1)ζ(k)

其中，系數(shù)ai(1≤i≤na)、bi(0≤i≤nb)、ci(1≤i≤nc)為過程需要辨識的參數(shù)。由于加熱過程不是很復(fù)雜，因此取na=2，即A(z-1)=1+a1z-1+a2z-2；除b3、b4外，其余涉及b的系數(shù)都為零，即B(z-1)=b3z-3+b4z-4；系統(tǒng)時滯為3個采樣周期，即3min，則d=3；C(z-1)=1。

已知na、nb和d，則GPC算法步驟如下：

e. 構(gòu)造未來的參考軌跡輸出向量Yr=[yr(k+N1),yr(k+N1+1),…,yr(k+N)]T、過去的控制向量ΔU(k-j)=[Δu(k-1),Δu(k-2),…,Δu(k-nb)]T、Y(k)=[y(k),y(k-1),…,y(k-na)]T以及矩陣F1、F2和G。

f. 利用Δu(k)=[1,0,…,0](F1TF1+Γ)-1·F1T[Yr-F2ΔU(k-j)-GY(k)]和u(k)=u(k-1)+Δu(k)，計算u(k)。

g. 返回步驟b，k→k+1，繼續(xù)循環(huán)算法。

F2=

G=

3.2算法的實現(xiàn)

筆者分別采用組態(tài)王客戶端實現(xiàn)GPC算法、SR93控制器實現(xiàn)PID算法。如果使用的是Win7 64位系統(tǒng)，則可以用VC++2010編寫組態(tài)王的客戶端，在VC++2010定時器的消息處理函數(shù)里實現(xiàn)控制算法，需要注意的是，定時器周期一般設(shè)為5min，且要比模擬量的采樣周期大。由于組態(tài)王已經(jīng)集成了SR93驅(qū)動，因此在硬件組態(tài)時只要在智能板卡下選擇SR93即可。算法部分程序如下：

SetTimer(1,5000,NULL);

void CSIDlg::OnTimer(UINT_PTR nIDEvent)

{

//預(yù)測控制算法

}

4 結(jié)束語

筆者通過組態(tài)王客戶端實現(xiàn)了GPC-PID串級控制算法，該算法能夠?qū)崟r辨識由于污水成分波動、污水量變化而引起的動態(tài)系統(tǒng)模型參數(shù)變化，從而根據(jù)新的模型設(shè)計新的控制器。由于GPC控制器在設(shè)計時不但考慮了系統(tǒng)過去的輸出而且考慮了系統(tǒng)未來輸出，所以產(chǎn)生的控制效果較單純PID控制要好。同時，GPC-PID串級控制算法成本低、效果好、可維護性較高，且易于實現(xiàn)，因此對于小系統(tǒng)或?qū)嶒炇倚≡囅到y(tǒng)非常適用，具有很好的推廣應(yīng)用價值。

[1] 向立志,張喜東,李榮,等.多變量預(yù)測控制在鍋爐燃燒系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2006,33(2):20～24.

[2] 韓曾晉.自適應(yīng)控制[M].北京:清華大學(xué)出版社,1995.

DesignofWetOxidationExperimentSystemforWastewaterTreatment

GUAN Shi-yuan

(SYRICIDesign&EngineeringCo.,Ltd.,Shenyang110021,China)

Aiming at the cost and performance of lab experiment system, a wastewater treatment system which employs IPC and temperature controller and bases on the GPC-PID cascade control algorithm was proposed. The GPC-PID control algorithm has strong ability in computation and data process and it’s a proper scheme for lab wastewater supervisory and control. As for the uncertainty in determining wastewater constitutes and volume, the GPC-PID has better control effect than PID control along with a greatly-reduced cost.

wastewater treatment system, wet oxidation method, GPC-PID cascade control, KingVIEW

TH862

A

1000-3932(2016)09-0974-03

2016-03-07(修改稿)