（机械电子工程专业论文）废水处理汽提塔自动控制系统研制与开发.pdf

废水处理汽提塔自动控制系统研制与开发 摘要 随着我口工业高速发展，污染已造成对自然环境的严重损害。污水处理将1 f f | 巨大 的市场机遇和挑战、因此环保产品自动化技术的研究具有十分重要的现实意义。 本文分析了：r 业控制计算机、可编程序控制器圾组态= f 临控软件的基本r 土能和特点， 结合塔废水处理的工艺要求，提出了以工控机、“组态王”为监控软件、o m r o nc 2 0 0 h 系列可编程序控制器( p l c ) 等构成主从式控制系统方案。 系统综合应月1 了可编程控制器、变频器、工控机等主要控制技术，莱用r 多种传感 器和执行机构，对汽提塔的温度、压差、流量、液位等关键参数进行自动的监视和控制。 解决了数据采集、p 1 ，c 与| 1 控机的通信等技术问题，实现了设备状态控制和相应的数据 管理功能。 存控制算法方而，系统采用单神经元和专家系统相结合的智能p l 调节方法实现流量 控制，液位采用积分分离智能p 【调节方法，并由可编程控制器实现，取得，良好的效 果。 现场稠试和运行表明，该控制系统能够刑汽提塔废水处理过程进行自动控制，有效 地降低了能耗，保汪了系统维持在最佳运行状况。系统安装维护方便，操作界面友好， 运行稳定，u 靠：己成为江阴市飞鸿化纤i 殳各有限公司汽提塔配套产品。 关键字：汽提塔、变频调速、智能p l d 控制、p l c 、监控系统 工程硕士学位论文 a b s 。ir c i a st h er a p i di n d u s t r i a ld e v e l o p m e mo u rc o u n t r y ，v 撕o u sk i n d so fp o l l u t i o nh a v ea l r e a d y b e c o m et h ep r i m a r yp r o b l e mt ot h en a t u r a le r l v i r o n i n e n ta n ds e w a g ed i s p o s a li n d u s t r yw 订l f a c ee n o r m o u sm a r k e to p p o r t u n i t ya n dc h a l l e n g e t h er e s e a r c ho na u t o m a t i ct e c l l r l i c a lo ft h e e n v i r o n m e n t a lp m t e c t i o np r o d u c th a sv e r yi m p o r t a i l tr e a l i s t i cm e a n i n g i nt h i st h e s i s ，t h eb a s i cc a p a b i i i t yo fi n d u s t r yc o n t r o ic o m p u t e rp l ca n dk i n g v i e w s o n w a r ei sa n a l y z e d ， c o n s i d e r i n gt h et e c h n 0 1 0 9 i c a lr e q u i r e m e n to fw a s t ew a t e rt r e a l m e n to f t h et o w e r ，t h es c h e m eo ft h ew a s t ew a t e rv 印o r i z a t i o nt o w e rc o n t r o ls y s t e m ( i p c & p l c ) u s i n g ”k i n g v i e w ”a ss u p e r v i s o i ys o f t w a r ea n do m r o nc 2 0 0 ha sf i e 】dc o n t r 0 1 】e ri sp u t f b r w a r d t h cs y s t e mi sm a d eu po fp l c ，t r a j l s d u c e r ，u n i t so fc h e m i c a ie n g i n e e r i n gp u m p sa 1 1 d e l e c t r om o t o r s ，s e n s o rg m u p ( t e m p e r a t u r e ，p r e s s u r ed i 丘e r e n c e ，n o w ，l i q 由dl o c a l i o n ， c t c ) ， i n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e ra n dc o n s o l e ，t h e8 y s t e m u s e s 疗e q u e n c yc o n v e r t e r ，p n e u m a t i c v a l v et oa c tl 1 a l i z ea u t o m a t i c a 】l yc o n t r o lo f t | 1 e 】i q u i dn o w ， v a p o rf l o w ， 】i q u i dl o c a t i o n ， t e m p e r a t u 陀o fp r o p o s i n gt h et o w e r ar e a lt i m es u p e r v i s o r yc o n t r o ls o r w a r eo fw a t e rs u p p l y s y s t e mi sd e v e l o p e dc o m m l u l i c a t i n gw i t hp l cw h i c hh a sm e 缸1 c t i o no fd a t ac o n n e c t i o n ， c o m m u n i c a t i o n ，s t a t ec o n t r 0 1o ff h c i l i t i e sa n dd a t am a n a 毋：m e n t i nt h ep r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，t h en o wc o n t r o l i sc a 玎i e do u tb yt h em e t h o dc o m b i n i n g s i n 9 1 en e u r a 】c e l la n de x p e n5 y s t e m ，a n dl j q u i dl o c a t i o ni sc o n t r o l l e db yi n t e l l i g c n tp 1w i t h i n t e g r a t i o ns e p a r a t i o nm e t h o d t h ep r a c t i c es h o w si ti se f b c t i v e a r e rd e b u g g i n ga n do p e r a t i n gp r o c e d u r e ，t h ec o m r o ls y s t e mc a na u t o m a t i c a l l yc o n t r o l w a s t ew a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sw h i c hc a ne f f e c t i v e l yr e d u c ep o w e rc o n s u m p t i o nb ym a i n t a i n s s y s t e mi nt h eb e s to p e r a t i o nc o n d i t i o n s t h ed e s i g no fs y s t e mi sa d v 肌c e d ，i n s t a l l a t i o na n d m a i n c e n a n c eo ft 1 es y s f e mi s c o n v e n i e n ta c l ds y s t e mi sr e l i a b l et 0n 工ns t e a d i l yb e c a u s et h e s o f t w a r ei sm u l t i p l ef u n c t i o n a la 1 1 de a s yt ou s e ，t h em a 士1 一m a c h i n ei m e r f a c ei sf r i e n d ly ，t h e s y s t e mi sw e l c o m e dd e e p l yb ye n t e r p r i s e s ，a n dh a sb e c o m ec o m p a n yv a p o ra n dc a r r yt o w e r a u x i l i a r yp r o d u c t s k e yw o r d s ：w a t e rv a p o r i z a t i o nt o w e r ；f k q u e n c yc o n t r o l ：i n t e l l i g e n c ep i d c o n t r o l ；m o n i t or j n g c o n ”o is v s t e m i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中4 i 包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：乏毕导师签名 麓 免臣，豇 日期：竺! ：! ，。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 随着我国工业迅猛发展，工业污染已成为我国自然环境的主要污染源。必须采取有 效的环境保护措施，保护我们所生存和发展的自然环境。 日前国家治理污染的重点是“3 3 2 1 1 ”工程，即“三河”( 淮河、海河、辽河流域) 、“三 湖”( 太湖、巢湖、滇池) 、“两区”( 酸雨控制区、二氧化硫控制区) 、“一市”( 北京) 、 “一海”( 渤海海域) 【1 】。其中企业的工业污水排放已成为我国自然环境的主要污染源之 一。无论从发展污水处理技术( 包括污水处理工艺和自动化控制技术) 还是污水处理殴备 的需求来看，我国污水处理工业都将面临巨大的市场机遇和挑战。 污水处理系统已经成为企业内部生产过程自动化系统的一部分，如何把握这一朝阳 工业的脉搏，在污水处理市场的竞争中占有一席之地，对我国的污水处理工业来说，是 一个不得不面对的现实。加强污水处理控制技术的研究，提高我国污水处理工业的综合 竞争力，迫在眉睫。 1 2 专业研究领域现状与发展趋势 1 2 1 污水处理自动化技术研究现状与发展趋势 在环保治理的过程中，我国的环保理论、工艺研究虽然起步较晚，但与国外的差距 并不太大，差距比较大的是环保单元设备和自动控制系统，不能完全适应经济发展与环 境保护的需要，技术开发能力弱，产品技术含量低。 我国绝大多数环保企业的科研、设备力量薄弱，技术开发力量主要分布在大专院校、 研究院所，而且技术开发的投入不足，尚未形成以企业为主体的技术丌发和创新体系。 环保产品主要为常规产品，技术含量低。如：水处理主要为一般工业废水处理技术和产 品，大气污染治理主要是除尘设备。在大型燃煤电厂烟气脱硫、城市垃圾资源化、城市 生活污水处理和高浓度有机废水治理等重点领域的一些关键产品还没有自己的制造技 术。我国环保产品的总体水平相当于国际2 0 世纪8 0 年代的水平，大多数产品落后发达 国家2 0 年左右。我国现有的污水处理装置中大多只能实现现场监测和部分自动控制， 还不能完全实现自动控制。 污水处理工程自动化控制问题过去一直是由工艺人员提出要求，其它自控专家做设 计，需大量计算机的编程： 作，费人又费时。污水处理的自动化从二十几年前变频器的 发展开始，有老式继电器、电动仪表的使用，d c s 的推广，一直到现在的网络化，智能 化的f c s 的应用经历了一个漫长的过程。 变频调速技术己较成熟，我国己推广多年了，但由于价格问题还有扩展空间，有待 于进一步推广。老式继电接触式控制系统还有许多厂家在用，由于其故障率较高，占地 工程硕士学位论文 面积大，f 在被p l c 控制系统所代替。控制系统向集散化、网络化和智能化发展。 污水处理处自动化技术是一个国际上的热点问题，国外对这一问题的研究工作开展 较早，而且技术力量较雄厚，无沦从硬件还是软件开发都比中国国内实力强。一些发达 国家如美、日和西欧等在研究新的理论和工艺之外，更重视污水处理自动控制这个问题。 先后纷纷投资开发研究高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。美国 艾姆科工艺公司于1 9 9 6 年成功开发了多元组合式智能型一体化污水处理装置，荷兰大 学开发成功计算机控制内循环式水解生化塔，意大利丌发出一系列在线水质监测控制 仪，美国米顿罗公司也相继开发出了一系列在线水质监测控制仪等。 污水处理处自动化技术这一技术领域发展之快是惊人的，因此，我国既面临挑战又 有机遇，虽然国外也是更新换代产品接连不断，但在这一领域还有一定的发展潜力。我 们必须加强这方面的研究工作，以提高我国水处理企业的技术装备水平，提升综合竞争 力。 污水处理的自动化与模型化是一个必然趋势。然而，当前自动化技术在废水处理中的 应用主要限于常规运行、检测和管理方面；而对于如何自动调节最佳反应条件( 如有机 负荷、水力负荷、溶解氧、水压、温度、酸碱度等) 提高反应速率及保证出水质量( b o d 、 c o d 、n 、p 等) 等方面，自动化技术在污水处理中的渗透不够。国内外任活性污泥模型 的计算机动态模拟，以及将c o d 、p h 、温度等作为反应时间控制参数，s b r 反应时间 程序的计算机控制方面作了一些有益的探讨。可以预见，自动化理论与技术在有机废水 处理的试验研究与工程实践中将会发挥更大的作用。 1 2 2 有机废水处理的主要方法 在水环境保护领域里，我国与世界大多数国家都将控制由城市生活污水和各种工 业、农业、养殖业排放的有机废水所导致的有机质为主的水质污染放在优先考虑的地位。 环境生物技术，尤其是生化处理方法因其高效、低耗、处理量大、适用而广及安全的特 点，成为世界各国有机废水处理的主要方法1 3 】。在这一领域中以生化反应为基础的处理 方法( 好氧和厌氧处理工艺) 和以生物自然净化功能为主体。 生化处理是基于微生物消化和分解有机污染物，从中获取碳与能源的原理建立起来 的技术体系。由于生化反应的过程、条件和参与反应的微生物种类不同，生化处理可简 单地分为好氧与厌氧降解两大类，两类生化反应的基本过程如下： 好氧降解：有机物+ 氧气+ 好氧微生物酶水+ 二氧化碳+ 无机养分+ 能量。 厌氧降解：有机物+ 厌氧与兼氧微生物酶降解的有机产物+ 无机养分+ 能量。 厌氧过程有两个重要作用：一是可以降低废水中有机物质的浓度；二是可以转化一 些好氧微生物难以直接分解利用的难降解有机物质。因此，厌氧技术在高浓度和难降解 有机废水处理中具有十分重要的地位。对于可生化性低的有机废水，厌氧通常作为好氧 降解的预处理。 第一童绪论 厌氧生物处理技术厌氧消化工艺在其它领域( 例如发酵工业、酿酒、制酱等) 的应用 具有悠久的历史。但直到18 8 1 年英l o u i s m o u r a s 开发了处理污水污泥的自动净化器，这 项技术才在水环境保护中得到应用和发展。随后世界国设计研制了多种早期的厌氧装置， 如化粪池、双层沉淀池、专用消化池等，今天仍用于下水道污液处理和污水厂污泥消化 中。2 0 世纪7 0 年代起，厌氧消化工艺由于兼备产能和低能耗的双重优点引起人们的重 视，继而制和开发出一大批类似好氧降解技术的厌氧反应器，如厌氧滤池f a f ) 、升流式厌 氧污泥床( u a s b ) 、厌氧流床( a f b ) 、厌氧附着膨胀床( a a f e b ) 、厌氧生物转盘( a b r d ) 和厌氧折流板反应器( a b r ) 等。新型厌氧反应的共同特点是有机负荷大( 2 0 6 0 k g v s s m 3 ) 与反应时间( h r t ) 相对短( 由原来数天、数十天缩短至数十小时，甚至数小 时1 。 近年来，厌氧技术的应用范围已扩展到高、中、低浓度的多类工、农、养殖、世有机 废水和生活污水的处理。 1 3 相关理论与技术 1 3 1 过程控制技术【4 】【5 1 污水处理处自动化技术是工业生产过程技术的一个重要分支。工业生产过程自动化 技术的发展直接影响污水处理处自动化技术的更新。 过程控制技术经历了一个由简单到复杂，从低级到高级，并日臻完善的过程。过程 控制所涉及到的领域比较广泛，刑新技术的发展极为敏感。对其影响最大的是自动化理 论与技术、自动化仪表技术。 1 第一代过程控制体系基地式气动控制仪表系统 基地式仪表控制系统始于4 0 年代，可完成简单的就地操作模式实现现场的单回路 控制，适用于单机自动控制。典型的基地仪表是0 4 型调节器，当时过程控制的目的主 要是几种参数( 如温度、压力、流量及液位) 的定值控制。 2 第二代过程控制体系电动单元组合式模拟控制仪表系统 2 0 世纪5 0 年代末，随着电子技术的发展，出现了电动单元组合式模拟控制仪表。 电动单元组合式模拟控制仪表的结构特点是：根据自动检测及调节系统中各组成环节的 不同功能和实用要求，将整套仪表划分为能独立实现一定功能的若干单元，各单元之间 采用统一的标准信号，由这些不多的单元经过不同的组合，构成多种多样的、复杂程度 不同的自动控制系统。 单元组合式仪表采用模拟技术和经典控制理论，实现了对生产过程的“集中式”管 理。电动单元组合式模拟控制仪表系统一般只能实现简单参数的p i d 调节和简单的串 级、前馈控制，无法实现如自适应控制、最优化控制等复杂的控制形式，难于实现高度 集中管理和操作。 工程硕士学位论文 3 第三代过程控制体系计算机集中式数字控制系统 计算机从自5 0 年代中后期就被应用到控制系统中。6 0 年代初，出现了由计算机完 全替代模拟控制的控制系统，被称为直接数字控制( d i r e c td i g i t a lc o n t r o l ，d d c ) 。 这是一种崭新的控制技术，是人们将数字技术引入工业自动化过程控制的初步尝试。它 经历了计算机直接控制系统d d c 、计算机集中监督控制系统s c c ( s u p e r v i s o r yc o m p u t e r c o n t r o ls y s t e m ) 等阶段。 d d c 系统是用一台计算机配以模数、数模转换器等输入输出设各，从生产中获得信 息，按照预先规定的控制算法算出控制量，并通过输出通道，直接作用在执行机构上， 实现对生产过程的闭环控制。现场传输信号大部分沿用4 2 0 m a 电流模拟信号，但内部 信号的传输采用：进制。它不但能实现简单的p l d 控制，而且能实现如多变量解耦控制、 最优控制、自适应控制等复杂的运算，控制规律中的参数变化范围宽，容易实现无扰切 换。其特点是结构紧凑、轻便灵活、操作方便，但其抗干扰能力差、可靠性差。 监督控制系统s c c 是将操作指导和d d c 综合起来的一种较高形式的控制系统。它 实现了分级控制：生产过程的闭环自动调节是依靠d d c 计算机完成，s c c 计算机对生 产过程的工艺参数进行巡检以获取信息，按照由实现生产过程的最优指标或平稳操作所 建立的控制模型，计算出相应的工艺操作参数，作为d d c 用计算机的设定值，以实现生 产过程的最优化或平稳工况。s c c 系统改进了d d c 系统在实时控制时采用周期一i 能太 长的缺点，能完成较为复杂的计算，可实时实现优化控制。 复杂的控制过程，是一个多输入、多输出、多回路、非线性、相互关联与耦台的对 象，计算机控制系统比电动单元组合式仪表有较大的优势，在复杂的控制过程较为流行。 但d d c 和s c c 系统都属于集中控制系统，这种集中型计算机控制系统在将控制集中的 同时，也将危险集中，因此可靠性不高。随着生产的发展，生产规模越来越大，信息源越 来越多，仅靠一台大型计算机来完成过程控制和生产管理的全部任务是不恰当也是不可 能的。生产实际呼唤新的计算机控制系统。 4 第四代过程控制体系集散式控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r 0 1s y s t e m ) 7 0 年代中期开始，随着i p c 的大量采用以及控制理论与技术、数字通信技术的发展， 在多年计算机控制研究基础上，产生了一种新的设计思想，即通过功能分散，达到分散 危险、提高可靠性的目的。这就是新型的集散式控制系d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r 0 1 s y s l e m ) 。 它的主导思想是将复杂的对象划分为几个子对象，然后用局部控制器( 现场控制站) 作为第级，直接作用于被控对象，即所谓水平分散；第二级是操纵各现场控制站的协 凋控制器( 操作临视站) ，它使各子系统协调配合，共同完成系统的总任务。 d c s 实际上是种分布式控制系统，它紧密依赖着计算机技术、网络通信技术和的 控制技术的发展。在系统软件配置方面，集散系统可采用组态方式，大大提高了通用性。 4 第章绪论 d c s 被称为自动控制领域的又一次革命，成为当时解决过程控制自动化最成功的系统， 直到今天，d c s 仍有其一席之地。但集散系统大多采用封闭式的网络通信体系结构，采 用本公司专用的标准和协议，加之受到现场仪表在数字化、智能化方面的限制，它没能 将控制功能“彻底地”分散到现场。 5 第五代过程控制体系现场总线控制系统( f c s ) 计算机与电子技术的发展及当今对自动化控制系统数字化、智能化、网络化( 或分 散化) 的要求，产生了以现场总线技术为核心的现场总线控制系统f c s ( f j e l d b u s c o n t r 0 1s y s t e m ) ，通过现场总线，将工、【k 现场具有通信特点的智能化仪器仪表、控制 器、执彳j 二机构等现场设备和通信设备连接成网络系统。连接在总线上的设备之间可直接 进行数控传输和信息交换，同时，现场设务和远程监控计算机也可实现信息传输。此系 统具有设备间数据通信能力和设备自控制、自调整、自诊断、自标定等功能。由于它位 于网络结构的底层，即成为i n f r a n e t ，也叫做现场总线控制网络。 f c s 较好第解决了过程控制的两大基本问题，即现场设备的实时控制和现场信号的 网络通信。另一方面，现场总线的出现导致了目前生产的自动化仪表、集散控制系统 ( d c s ) 、可编程控制器( p l c ) 在产品体系结构、功能结构方面的较大变革，使相关的制 造厂家面临产品更新换代的又一次挑战，它标志着工业控制技术领域又一个时代的开 始。过程控制技术在发展之初采用基地式仪表控制系统来实现现场的单回路控制，如今 的现场总线控制f c s 实现了将控制功能彻底分散到现场的目标。从当初的“基地式”控 制到现在的“现场式”控制，我们发玑了这样一个有趣的“回归”，种过程自动控制理 论与技术向更高层次演化的“回归”。 纵观工业过程控制技术的发展，经历了三次大革命：电动单元组合式模拟控制仪表 系统( d d z i i l 为代表) 一集散控制系统( d c s ) 一现场总线控制系统( f c s ) 。过程控制技术与 控制理论、自动化仪表技术、计算机技术、通信技术同步发展，其趋势是：过程控制技术 由分离设备向共享设备发展，自动化技术由模拟仪表向智能仪表发展，计算机网络技术 向现场延伸，工业控制系统向化散化、网络化和智能化发展，从而，过程控制走向过程信 息资源共享。 1 3 2 变频调速技术 汽提塔流量、液位控制采用了变频调速技术。 在我国6 0 的发电量是通过电动机消耗掉的，合理地使用电动机，以节约电能和控 制机械的运转状态( 位置、速度、加速度等) ，实现电能一机械能的转换，达到优质、高 产、低耗的目的，一直得到工业界重视。电机交流变频调速技术是当今节电，改善工艺 流程以提高产品质量和改善不断恶化的环境，推动技术进步的一种主要手段。 交流变频调速技术是强、弱电混合，机电一体的综合性技术，既要处理巨大电能的 转换( 整流、逆变) ，又要处理信息的收集、变换和传输。因此它的共性技术必定是分成 工程硕士学位论文 功率和控制两大部分。前者要解决与高压大电流有关的技术问题和新型电力电子器件的 应用技术问题，后者要解决( 基于现代控制理论的控制策略和基于智能控制策略问题) 硬、 软件开发问题( 在目前状况下主要是全数字控制技术) 。 化工与环保企业中的旋转设备多，其中机泵占相当数量，近年来各厂对已有的机泵 做了大量的节能改造工作，如更换能耗大的老设备、改造能耗过大的设备、改用高效机 泵和电机等，取得了显著的节能效果，靠阀门调节要进一步节能难度己很大。由于工艺 过程需要变换速度( 或提高产品质量调节转速，或因季节变化、气温变化需要改变流量， 如根据供给水量高低峰调节水量等) ，都需要调节设备的转速，调速节能已经提到推广 应用的日程上来了。 石化厂应用的各种调速中，变频调速f 交一直一交) 倍受青睐，它优于调压调速、变级 调速、滑差调速、串机调速、整流子调速和离合器调速等。 变频调速控制的主要特点是： ( i ) 体积小、重量轻、可挂墙安装，不占用地面积，操作简便，根据需要，可实行 手控、自控、遥控。 ( 2 ) 配备一台变频调速器，其输入端与电源相接，输出端与鼠笼异步电机进线相接， 即可调速。或根据需要，以温度、压力、液面、介质成分等参数的信号输入变频调速外 部接口，或用可编程控制器、计算机等连接，即可实行闭环控制。 ( 3 ) 电机呵低速直接在线启动，启动电流低，约为电机额定电流的1 7 倍( 电机启 动电流通常为5 6 倩额定电流) ，对电网和设备减少冲击。 ( 4 ) 有多种保护功能( 如过电压、欠电压、瞬时停电、过电流、短路等) ，用数字显 示故障。 ( 5 ) 降低设备转速后可减少噪音和振动，避免泵的抽空，延长设备使用寿命。 1 3 3 工业过程p i d 控制。1 汽提塔流量、液位控制的稳定性精度与控制规律采用有关系密切。 虽然自动化仪表中的调节仪表，经历了基地式仪表、单元组合仪表或组装仪表、d d c 工业控制机、d c s 或p l c 已发展至现场总线系统。装置在信号传送方式、计算运算方式、 元器件等方面都发生了巨大的变化，然而核心的控制模式或控制算式却始终以p l d 为主。 p i d 控制的研究历史最悠久，在过程控制中，应用最广泛，获得的成效也很大，这同 p i d 本质的鲁棒性、本质的优化结构模式与本质的智能化特色密切相关。 经历6 0 多年的应用考验，已证明p 1 d 控制是种很好的控制器模式，近年来电气传 动及机电控制等非自动化仪表传统的应用领域，也都采用p i d ，p i d 应用领域不断扩大。 国际著名的自动化仪表厂商都十分注意p i d 功能的应用，从d c s 的p i d 组态，扩大各种 p i d 控制功能( 如抗积分饱和、叠加逻辑状态等) 到推出自整定p i d 控制器( 如日本东芝公 司的f u j i m i c e r 自整定调节器、美国f o x b o r o 公司的e x a c t 自整定调节器、日本横河电 第一章绪论 机株式会社的y s - 8 0 专家自整定调节器) 。h o n e y w e l l l 公司t d g 一3 0 0 0 的d c s 装置、p l c 系统装置、o m r o m 等国外著名d c s 公司还都纷纷将仿人智能控制作为软件植入系统 装置，从而使智能控制进入了商品化与实用化。 p l d 的研究包括如下几个方面：p i d 最优参数整定：p i d 算式的最优化结构：以 p i d 为基础的先进控制系统：自适应p i d ：专家系统与智能p i d 。其中，后两个方面在 模糊集理论、神经网络、遗传算法、混沌集理论等研究的推动下，可以说已经到了白炽 化 智能p l d 优化同确定性p i d 优化的差别在于智能p i d 优化是不考虑被控制对象的特 性，它仅根据被控制系统的控制偏差e 、偏差变化速度d e d t 及其历史状态，应用各种智 能优化推理方法、模糊推理、神经网络等，确定最优的控制器输出量或决定p 、i 、d 三 个参数的最优加权系数，这就是无对象模型的p i d 优化控制。 模糊智能p i d 控制器的研究，许多是重复前人的二维控制器的设计思路，以误差e ( t ) 及误差变化d e ( t ) d t 作为输入量，后经模糊量化处理成模糊量e 与e c ，送入模糊算法模 块运算，产生控制输出决策u ，再经反模糊化处理，变成闭环系统的统一信号，二维模糊控 制器可以理解为非线性p d 控制器，非线性可增加系统的适应性，但p d 控制有一个明显的 缺点，就是无法消除白衡对象的控制偏差，确定性p i d 控制有一系列的成熟整定参数的经 验，而模糊p d p i 或p i p d 的参数整定却不成熟，而且固定的模糊控制算法难以适应过程控 制系统多变的环境，因而不少学者研究以模糊控制、p i d 控制备为一模的双模控制，或p p i 的双模控制，目的都是为提高f u z z y 控制系统的环境适应性。 神经网络控制器( n n p i d ) 是将控制算式对误差、误差积分、与误差微分、进行加权 运算，以此作为神经网络的输入层，隐含层则多数采用si g m o i d 函数，并同输入层、输出 层一起构成神经网络向前三层结构模型，其控制器的好坏在很大程度上是取决于输入层 权系数的选择。 近几年来，有一个值得注意的动向是利用遗传算法g a 对神经劂络的p i d 控制器的权 系数w ，i = l ，2 ，3 进行寻优。由于g a 中寻优的“交叉”与“变异”可以使搜寻过程跳出 局部优化区域，而“选择”又可使局部区域的优化解保留与复制下来，因而是一种较理想 的参数寻优方法，比穷举法可大大节约参数寻优的时间，但对于某些对象参数寻优的时 间仍需很长。无论那种大滞后补偿结构，对象误差模型的参数灵敏度都较大，系统的鲁棒 性不高，这些都是应用中存在的问题。至于非线性问题，可在控制器与对象之问插入一种 称之为逆非线性补偿器的函数模块，将非线性控制转换成准线性控制，再采用n n p i d 控 制，但目前仅见诸于学术研究，尚未见到工程成功实例，这些研究能否获得工程应用，关 键是要看最终结果是否简单且有效，简单有效则意味着实用。 1 3 4 可编程逻辑控制器 p l c 是以微处理器技术为基础，综合计算机技术、自动化技术和通讯技术的一种新 工程硕士学位论文 型工业控制装置。具有可靠性极高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便等特点。p l c 与 机器人技术、c a d c a m 并列称为工业生产自动化的三大支柱。它是国外称为“先进国家 三大支柱”之首的工业自动化理想控制装置。p l c 近年来发展极为迅速，应用面极广， 现己广泛应用于自动化的各个领域。 可编程序控制器属于存储程序控制，其控制功能是通过存放在存储器内的程序来实 现的。从软件来讲，它的程序可编、也不难编：从硬件上讲，它的配置可变、也易变。 p l c 特点： ( 1 ) 控制程序可变、具有很好的柔性 在生产工艺流程改变或生产设备更新的情况下不必改变p l c 的硬设备，只需改变 程序就可满足要求。因此，除单机控制外，p l c 在柔性制造单元( f m c ) ，柔性制造系统 ( f m s ) 、以至工厂自动化( f a ) 中也被大量采用。 ( 2 ) 具有高度可靠性、适用于工业环境 p l c 产品的平均故障间隔时间一般可达到5 年以上，因此是一种高度可靠的工业产 品，大大提高了生产设备的运行效率，p l c 不要求专用设施的机房，这就为工业现场的 大量直接使用提供了方便。 ( 3 ) 功能完善 现代p l c 具有数字和模拟量输入输出、逻辑和算术运算、定时、计数、顺序控制、 p i d 调节、各种智能模块、远程i o 模块、通信、人机对话、自诊断记录和图形显示、 组态等功能。除了适用于离散型开关量控制系统外，现在也能应用于连续的流程控制系 统，从而使设备的控制水平大人提高。 ( 4 ) 易于掌握、便于维修。 p l c 是一种工业控制计算机，它具有计算机共性的一面，但由于历史发展的原因和 它的设备适用现场控制使它具有区别与普通计算机的特点。p l c 的设计者着重于高可靠 性和密封结构，适用于恶劣的工业环境，可靠性高。从应用范围来说，可编程控制器是 专用机，而微机属通用机。从工业控制角度来说，可编程控制器是控制通用机，而徽机 可做成某一控制设备的专用机。 p l c 工作目的是生产过程自动化，普通计算机主要用于科学计算、数据处理；p l c 的工作环境是工业现场，普通计算机是机房；p l c 的工作方式是扫描工作方式，普通计 算机是中断工作方式；p l c 编程采用了面向操作者的逻辑语言，普通计算机采用高级语 言；可编程控制器的输入输出响应速度慢( m s 级) ，有较大滞后现象，而微机反应速度很 快( 微秒级) ；输入输出设备不同，在自动化控制系统中，使用可编程控制器集中在控制 功能上，而使微机集中在处理信息上，使之各用所长、相辅相成，共同发展。 国内外p l c 产业发展应用：顺序控制、运动控制、过程控制( p i d ) 、数据处理、通信。 ( 1 ) 用于开关逻辑控制：这是p l c 最基本的应用范围。可取代传统继电接触器控制( 如 第一章绪论 机床电气、电机控制中心等) 、顺序控制( 如电梯控制、运输、检测等) 。总之，p l c 可用 于单机、多机群以及生产线的自动化控制 ( 2 ) 用于机械加工的数字控制：p l c 和计算机( c n c ) 装置组合成一体，可实现数值控 制，组成数控机床。 ( 3 ) 用于机器人控制：可用台p l c 实现36 轴的机器人控制。 ( 4 ) 用于闭环过程控制：配有p i d 模块，可实现单回路、多回路的调节控制。 ( 5 ) 用于组成多级控制系统，实现工厂自动化网络。p l c 可与计算机组成功能更强的 分布式控制系统( d is t r i b u t e dc o n t r o ls v s t e m ) 。 国外p l c 发展的明显特征是产品的集成度越来越高，工作速度越来越快，功能越来 越强，使用越来越方便，工作越来越可靠。特别是远程通信功能的实现，易于实现柔性 加工和制造系统( f m s ) 国内通过技术引进、消化吸收、仿制和国产化工作。 1 3 5 组态软件 传统的d c s 系统，其软件功能主要靠程序员编程实现，工作量惊人，对于每个不 同的应用对象，都要重新设计或修改程序，软件系统的开发周期很长，无法保证软件系 统的成熟可靠性。为了解决上述问题，提高软件生产率，人们纷纷寻找d c s 软件开发 的新途径，设计组态软件就是其中的一种简便实用的方法。 所谓组态，就是工程技术人员按应用要求，选择所需的功能模块，确定其运行方式， 结合相关信息组成合适的应用系统。组态软件，就是一种通过其运行从而帮助人们完成 组态的工具软件。 在国外，如美国，组态软件已较为成熟，推入市场的组态软件有很多种。如i m e l l u t i o n 公司的i f i x ，w o n d e r w a r e 公司的i m o u c h ，u s d a t e 公司的f a c t o r v l i n k ，i b m 公司的 p l a n t w o r k s ，美国g e 公司的c i m p l i c i 咄头国a b 公司( r o c k w e u 自动化) 的r s v i e w 3 2 ，德 国两门子公司的w i n c c 等【”。 组态软件产品于8 0 年代初出现，并在8 0 年代末期进入我国。但在9 0 年代中期之 前，组态软件在我国的应用并不普及。 随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们 逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式，对项目来说是费时费力、得不偿失的。同时， m i s ( 管理信息系统) 和c i m s ( 计算机集成制造系统) 的大量应用，要求工业现场为企业的 生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因 此，在1 9 9 5 年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。国内比较著名的组态软 件有组态王，力控，世纪星等。 组态软件大都由专业软件公司开发，提高了系统的可靠性，减轻了工程开发人员的 工作量。组态软件通常有以下几方面的功能： 强大的画面显示组态功能目前，工控组态软件大都运行于w i n d o w s 环境下，充分 工程硕士学位论文 显示了、“j l d l o w s 的图形功能完备，界面美观的特点，提供给用户丰富的作图工具，可随 心所欲的绘制出各种工业画面，并可任意编辑，从而将丌发人员从繁重的画面设计中解 放出来，丰富的动画连接方式，如隐含、闪烁、移动等等，使画面生动、直观。 良好的丌放性开放性是指组态软件能与多种通讯协议互联，支持多种硬件设备。 开放性是衡量一个组态软件好坏的重要指标。组态软件向下应能与低层的数据采集设备 通讯，向上能与管理层通讯，实现上位机和下位机的双向通一讯。 丰富的功能模块提供丰富的控制功能库，满足用户的测控要求和现场要求。利用 功能模块，完成实时监控、产生报表、显示历史曲线、实时曲线、提供报警等功能，使 系统具有良好的人机界面，易于操作。系统既可适用于单机集中式控制，d c s 分布式， 也可以是带远程通信能力的远程测控系统。 强大的数据库配有实时数据库，可存储各种数据，如模拟型；离散型，字符型等。 实现与外部设备的数据交换。 可编程的命令语言拥有可编程命令语言，使用户可根据自己的需要编写程序，增 强图形界面。 周密的系统安全防范对不同的操作者，赋予不同的操作权限，保证整个系统的安 全可靠运行。 仿真功能提供强大的仿真功能，使系统并行设计，从而缩短开发周期。 1 4 本课题研究的主要内容及意义 本课题来源于扬州大学与江阴市飞鸿化纤设备有限公司合作项目“废水处理汽提塔 自动控制系统研制与开发”，其目的在于解决工业污水中污染负荷高、技术难度大的高 浓度有机废水处理设备自动控制问题，实现水处理设备现场监测和自动控制。提高汽提 工艺塔控制系统的自动化程度、稳定性、可靠性、安全性、节能性扩展性。降低设备成 本，提升综合竞争力。 化工企业中，聚酯类化纤企业生产过程中产生的酯化水c o d 含量较高( 约为2 5 0 0 0 3 ( ) 0 0 0 ) m g i ，浓度已大大超过污水处理厌氧池的接收浓度，为使浓度达到厌氧池的接 收标准，目前国内厂家大多采用稀释法( 使用浓度较低的生产用水与酯化水混合) ，将 其稀释至厌氧池的接收浓度( 约c o d 2 5 0 0 3 0 0 0 ) m g 1 。显然，稀释法会大大增加厌氧 池的处理量，通常会增加至原酯化水处理量的1 2 1 5 倍，极大增加了厌氧池处理成本 和处理效果。造成许多聚酯类化纤企业外排污水的c o d 含量大大超标，环境污染严重。 许多聚酯类化纤企业被勒令限期整改。 基于上述原因，本厂与江阴市飞鸿化纤设备有限公司在反复考察国内厂家生产状况 的基础上，经多次试验，研制成功该套废水预处理汽提工艺塔。大大降低进入厌氧池之 水量，降低厌氧池的运行成本。该汽提塔的设计达到了先进水平。深受企业欢迎。 但随着科技水平的进步和管理要求的不断提高，对汽提工艺塔控制系统的自动化程 第一章绪论 度、稳定性、可靠性、安全性，节能有了新的要求。 1 国外酯化废水汽提工艺处理中、产生的高浓酯化混合气体实行高空烛火排放，将 大量酯类化工资源浪费并可能造成大气环境二次污染。本汽提废水处理工艺中加入冷凝 回收工艺、回收后的液态甲醇，完全可以进入市场进行外销，回收了宝贵资源，既有环 境效益，又有经济效益。 2 国外汽提塔自动控制系统d c s 控制，进水泵、排液泵采用自动阀控制。能耗火， 成本高、设备昂贵，汽体塔的价格达3 0 0 多万元，本系统采用工控机、p i ，c 、变频器、 一体化智能化仪表传感器，实现实时监控，并可远程监控，进水泵、排液泵采用变频器 控制，能耗小，成本低、控制安全可靠、且设备价格仅为国外l 3 、适应了我国企业发 展和环保的需要。 3 国内还没有同类大型废水汽提工艺处理设备，汽提塔自动控制系统控制思路与现 代控制系统分散控制、集中数据处理，智能化与信息化相结合的思路一致、且节能效果 显著、具有先进水平。其控制思路与方式可应用于大量化工设备控制中。 本人研制与开发汽提塔自动控制系统，可实现废水处理工艺集中数据显示、分析、 处理，与分散控制。 本课题通过新技术的综合应用，实现汽提工艺塔的自动控制。本课题的完成，不仅 成功地解决塔类设备自动控制的一些技术难题，提高了汽提工艺塔自动化水平；而且提 高了开发汽提塔自动控制系统的稳定性、可靠性、安全性，节能性。对污水处理运行的 经济效益和社会效益具有深远的意义。 工程硕士学位论文 第二章汽提塔自动控制系统的总体设计 2 1 废水处理汽提塔 2 1 1 废水处理汽提工艺塔工作过程及其流程 汽提塔工作原理：通过与水蒸气的直接接触，使废水中的挥发性物质按一定比例扩 散到气相中去，从而达到从废水中分离污染物的目的。 1 汽提塔工作过程及其流程 根据污