自動(dòng)化專業(yè)外文翻譯--化工廢水自動(dòng)化處理系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)與分析

1、.中文譯文：2008年第十屆國(guó)際控制、自動(dòng)化、機(jī)器人與計(jì)算機(jī)視覺(jué)會(huì)議 越南河內(nèi) 2008年12月1720日化工廢水自動(dòng)化處理系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)與分析ANIRUDHA UPADHYAY，ABHISHEK AGARWAL韋洛爾大學(xué)電力科學(xué)學(xué)院電子與儀表工程系 印度泰米爾納德邦韋洛爾摘要本文包括了化工廢水處理廠的自動(dòng)控制設(shè)計(jì)及其基于美國(guó)國(guó)家儀器公司開(kāi)發(fā)的圖形化編程軟件LabVIEW的分析。此數(shù)學(xué)模型用于控制器設(shè)計(jì)并描述了化工廢水處理廠物理-化學(xué)的各個(gè)方面。執(zhí)行Cohen-Coon算法減化了傳遞函數(shù)的推導(dǎo)。閉環(huán)過(guò)程控制通過(guò)控制凈化器進(jìn)水流量維持了設(shè)置點(diǎn)的濃度從而提供了最佳效率。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的PID耦合死區(qū)

2、時(shí)間補(bǔ)償器使有害廢水的濃度維持在最佳濃度之下。前饋控制器通過(guò)測(cè)量輸入量的濃度能夠預(yù)測(cè)反應(yīng)器中的溫度。此外，串級(jí)控制通過(guò)控制冷卻水流量實(shí)現(xiàn)了對(duì)反應(yīng)器核心溫度的控制作用。傳感器的設(shè)置和集中控制也有利于實(shí)現(xiàn)全廠的自動(dòng)化。 關(guān)鍵詞傳遞函數(shù)，閉環(huán)過(guò)程控制，PID，前饋，串級(jí)，死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償器，Cohen-coon，LabVIEW。I. 引言 目前，在世界上先進(jìn)及現(xiàn)代化的工業(yè)中，幾乎所有的制造業(yè)和化工工業(yè)中都會(huì)產(chǎn)生成分中含有有害化學(xué)物質(zhì)的廢水。因此，非常有必要去處理這些廢水，以減少它們的有害作用，使之適用于進(jìn)一步的工業(yè)和農(nóng)業(yè)應(yīng)用?，F(xiàn)在的勞動(dòng)密集型化工廢水處理廠都采用人工操作，所以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化有利于減少化學(xué)品的

3、毒性，并且能夠節(jié)省大量的時(shí)間和成本。對(duì)此，本文提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)全廠工藝計(jì)算機(jī)化的先進(jìn)過(guò)程控制算法?？刂破鞅挥糜诳刂扑幚淼牧鞒滩襟E中，其中包括PID、前饋和串級(jí)控制器。這些控制器是在實(shí)時(shí)平臺(tái)LabVIEW 上被設(shè)計(jì)和仿真，用來(lái)控制水流量和工廠中的溫度，包括鍋爐用水和冷卻水。全廠因可靠和可測(cè)試的過(guò)程控制決策帶來(lái)了變革，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的電腦化，并將使工廠的效率高增長(zhǎng)。此外，在節(jié)省勞動(dòng)力和時(shí)間的同時(shí)，健康的脆弱性也將被消弱。II. 工廠描述化工廢水處理系統(tǒng)相當(dāng)于是一個(gè)減少有害廢水的凈水器。本文所研究的工廠是一個(gè)典型的采用試劑對(duì)水處理的物理化學(xué)廢水處理廠。未經(jīng)處理的工業(yè)廢水首先被過(guò)濾以除去顆粒和其他

4、粒子，之后被送入預(yù)熱器，在那里廢水被加熱到一個(gè)在試劑作用下能夠產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)的溫度，然后被倒入主鍋爐中。在鍋爐中輕輕倒入試劑，接著混合液被加熱到設(shè)定溫度。不斷地測(cè)量濃度，當(dāng)達(dá)到設(shè)定極限，廢水被倒出來(lái)。整個(gè)過(guò)程采用手動(dòng)控制閥門的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，濃度的測(cè)量采用滴定法和化學(xué)探針。這種方法需持續(xù)監(jiān)控，導(dǎo)致了高成本，大量勞動(dòng)力和低效率。此外工廠中的一些地方對(duì)人來(lái)說(shuō)是無(wú)法達(dá)到的，同時(shí)有害化學(xué)品的介入對(duì)人體健康也是有害的。本文完整地提出了一種控制化工廢水處理廠工藝過(guò)程的全自動(dòng)解決方案。水流量，鍋爐加熱溫度和冷卻水的溫度流量都是依靠化工廢水的輸入輸出濃度和加熱溫度來(lái)被調(diào)控。（在串級(jí)控制器的情況下）III.數(shù)學(xué)模

5、型 工廠的數(shù)學(xué)模型是基于同步獲得的隨機(jī)輸入輸出信號(hào)的特點(diǎn)。這個(gè)構(gòu)想已經(jīng)被應(yīng)用到定常線性動(dòng)態(tài)化工處理廠中，其模型是由加權(quán)函數(shù)和傳遞函數(shù)描述的。該工廠的加權(quán)函數(shù)是由采用積分Wiener-Hopf方程求得輸入的自相關(guān)函數(shù)和輸入輸出的互相關(guān)函數(shù)確定的。傳遞函數(shù)涉及到加權(quán)函數(shù)的拉普拉斯變換。 (1) 在參考1中實(shí)現(xiàn)的方法對(duì)于廣大工業(yè)用戶去推導(dǎo)化工廢水處理廠的傳遞函數(shù)是簡(jiǎn)單，有效和可行的，因?yàn)樗捎昧藰?biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)方法并且通過(guò)含有時(shí)域和頻域動(dòng)態(tài)特性的確定的平均數(shù)學(xué)模型描述了整個(gè)系統(tǒng)。該方法還可以構(gòu)建一個(gè)粗略的結(jié)構(gòu)，這對(duì)于一個(gè)真實(shí)的化工廢水處理廠的綜合和分析是很有必要的。本文提出的控制相關(guān)參數(shù)如輸出濃度，反應(yīng)器

6、溫度，流量，冷卻水溫度和處理廠流量的設(shè)計(jì)的輸入輸出關(guān)系是由傳遞函數(shù)決定的。在設(shè)計(jì)中，先進(jìn)的過(guò)程控制算法和控制技術(shù)被采用，并且通過(guò)實(shí)時(shí)工業(yè)數(shù)據(jù)表可以進(jìn)行分析工作。 IV. 系統(tǒng)設(shè)置化工廢水處理廠包括嵌有流量傳感器的輸入管道，在凈化裝置前端放置一個(gè)密度傳感器，PID、串級(jí)、前饋控制器和反應(yīng)器一起構(gòu)成了凈化裝置。輸出管道也設(shè)置了密度計(jì)和流量傳感器，整個(gè)自動(dòng)化工廠都是由PLC控制的。此外，輸出單元還包括了一個(gè)廢棄物分離器和一個(gè)固體干燥器，他們的用途是把廢棄物從廢水中分離出來(lái)并且加熱干燥用于進(jìn)一步的工業(yè)應(yīng)用中。圖-1 自動(dòng)化化工廢水處理廠設(shè)計(jì)布局附控制器和傳感器S1,S2,S3,S4流量傳感器 P1，P

7、2密度計(jì) PLC可編程控制器圖-1展示了自動(dòng)化化工廢水處理廠的整體結(jié)構(gòu)，所用的控制器和傳感器都在圖上顯示。圖-2提供了用于控制輸出濃度的控制器安裝的設(shè)計(jì)方案，被指出的控制算法用于分析所用。圖-2 控制器設(shè)計(jì)V. 工作及分析 普通化工處理廠及對(duì)其的分析是沒(méi)有控制作用，其系統(tǒng)是三階的并且高度不穩(wěn)定。傳遞函數(shù)可表述為公式（1） （2）該模型考慮了原水和處理后水的四個(gè)主要指標(biāo)的相互關(guān)系，借助隨機(jī)的相關(guān)函數(shù)統(tǒng)計(jì)平均值，通過(guò)分析該過(guò)程傳遞函數(shù)被減少為一階系統(tǒng)。Cohen-coon法能夠減少階數(shù)，PID增益也是通過(guò)Cohen-coon公式進(jìn)行計(jì)算。 （3） （4） （5） Cohen-coon參數(shù)整定運(yùn)用過(guò)

8、程反映曲線方法來(lái)確定控制器的增益。直接階躍變化送入末級(jí)控制單元，輸出和時(shí)間的曲線如圖-3所示。三個(gè)計(jì)算的參數(shù)：靜態(tài)增益K，死區(qū)時(shí)間，時(shí)間常數(shù)t圖-3 COHEN-COON參數(shù)整定方法面板從圖計(jì)算可得K=0.09；t=3.0；，因此分析可得該系統(tǒng)從三階減少為一階。 （6）PID增益利用公式得到：輸出濃度利用密度傳感器P2測(cè)量，反應(yīng)器中包含了一個(gè)耦合死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償器的PID控制器，PID中有比例、積分、微分三種控制模式。其分析表述為：其中： 測(cè)量的輸出濃度與設(shè)定的濃度進(jìn)行比較，偏差信號(hào)被送入驅(qū)動(dòng)末級(jí)控制單元調(diào)節(jié)流量的控制器，滯后時(shí)間的產(chǎn)生歸因于液體的長(zhǎng)距離傳輸，長(zhǎng)周期的培養(yǎng)或者為了完成對(duì)輸出測(cè)量結(jié)果

9、的取樣和分析所花費(fèi)的大量時(shí)間，其可通過(guò)死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償器得以解決。令死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償器輸出為，因此，新的偏差信號(hào)可表述為：修改后的偏差信號(hào)E(s)再次送回控制器來(lái)控制流量。A.無(wú)控制的系統(tǒng)分析：圖-4 機(jī)械控制該系統(tǒng)高度不穩(wěn)定，需采用控制B. 帶有PID控制器和死區(qū)時(shí)間補(bǔ)償器的系統(tǒng)分析：圖-5 PID控制得到設(shè)置點(diǎn)的濃度和被控輸出的響應(yīng)C. 前饋控制 廢水通過(guò)在化學(xué)試劑存在的情況下加熱處理降低其濃度從而減少其有害影響。反應(yīng)器中的溫度由前饋控制器來(lái)控制，它直接測(cè)量擾動(dòng)量，并且預(yù)期擾動(dòng)對(duì)過(guò)程輸出將會(huì)產(chǎn)生的影響，通過(guò)改變操縱變量溫度來(lái)消除擾動(dòng)濃度的影響并將流量作為過(guò)程輸出。PID控制器的輸入是原始濃度而不是

10、被測(cè)量的輸出濃度。前饋控制器的增益和PID反饋控制器一樣都是利用COHEN-COON法計(jì)算。圖-6設(shè)置反應(yīng)器的核心溫度為350，分析預(yù)期被控輸出響應(yīng)D. 串級(jí)控制 串級(jí)控制反應(yīng)器的中心溫度以保持其恒溫。它由兩個(gè)控制器串聯(lián)組成，一個(gè)測(cè)量反應(yīng)器的溫度變化，另一個(gè)測(cè)量冷卻水的溫度變化。兩個(gè)控制作用都被加到末級(jí)控制單元來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)器溫度使其達(dá)到設(shè)定溫度。串級(jí)控制器選擇P或者PI，其增益通過(guò)Zinegler-Nichols法計(jì)算的到。PI控制器：P控制器：圖-7 設(shè)置反應(yīng)器的溫度為，設(shè)置冷卻水的溫度為E. 傳感器線路在安裝中兩個(gè)超聲波流量傳感器（S1和S2）被嵌入在輸入管道中用來(lái)測(cè)量注入凈化器的化工廢水的

11、流量。利用微控制器和補(bǔ)償器在LabVIEW工具包上進(jìn)行邏輯分析比較S1和S2的輸出，當(dāng)前者大于后者時(shí)能夠發(fā)現(xiàn)存在的泄漏。流量傳感器S3和S4輸出與它們?nèi)魏我粋€(gè)在系統(tǒng)中檢查的泄漏量類似。因?yàn)镾1 o/p大于S2，又因?yàn)镾3>S4,所以就如指示器上指示的那樣，泄漏同時(shí)存在于輸入和輸出管道。F. 可變成控制器 整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)是由可編程控制器（PLC）控制的。密度傳感器P1測(cè)量在管道中流動(dòng)的液體密度，其被用于計(jì)算廢水的濃度。傳感器與微控制器配和得到一個(gè)線性化輸出，并與一個(gè)符合凈化水環(huán)保規(guī)范的設(shè)定濃度進(jìn)行比較。當(dāng)P1濃度大于設(shè)定值時(shí)，廢水被注入凈化器中，偏差信號(hào)（P1-）作為前饋控制器的輸入，如果

12、反之廢水則不需要進(jìn)行凈化，將其送入下一個(gè)工段。泄漏量被送入PLC，當(dāng)S1和S2的輸出不相等或者S3和S4的輸出如IabVIW 上分析的那樣不相等時(shí)PLC觸發(fā)警報(bào)。此外P1和P2的o/p與PLC連接。當(dāng)P1測(cè)量的濃度小于設(shè)定濃度時(shí)，PLC產(chǎn)生控制作用，引導(dǎo)廢水直接通過(guò)第二管道直接輸出，而不需要再被凈化。此外，當(dāng)P2的輸出濃度在輸出管路上小于設(shè)定值時(shí)，PLC則超控PID，在末級(jí)控制單元不產(chǎn)生變化。VI. 有效可靠的技術(shù)該自動(dòng)控制系統(tǒng)具有高度穩(wěn)定性并且很容易實(shí)現(xiàn)，就時(shí)間，人力，效率，靈活性，和可靠性而言都優(yōu)于現(xiàn)存的控制系統(tǒng)。除了所提及的其在健康危害方面也有重大意義。通常在化工廠工作的人容易得許多疾病

13、，自動(dòng)化工廠將引導(dǎo)一個(gè)沒(méi)有健康問(wèn)題的可程序化設(shè)置。鑒于其成本效益，它是一個(gè)低維護(hù)成本的一次性投資。凈化廢水的時(shí)間被大量減少，因此可以處理更多的廢水用于進(jìn)一步的工業(yè)利用，收成可以用于肥料生產(chǎn)上。結(jié)論 工廠的計(jì)算機(jī)化將導(dǎo)致化工廢水處理工業(yè)的偉大變革，通過(guò)實(shí)時(shí)平臺(tái)LabVIEW的使用，我們能夠得到控制參數(shù)的數(shù)值并且完美地分析實(shí)時(shí)情形。前饋和串級(jí)控制器的傳遞函數(shù)利用更好的改進(jìn)的技術(shù)可以被推導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)控制。人們利用有效的，可程序化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以很容易地保持流量，濃度，反應(yīng)器的溫度從而得到期望的結(jié)果。為了實(shí)現(xiàn)先進(jìn)控制算法和采用工業(yè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)水處理的全廠自動(dòng)化，工廠的其他部分如固體廢棄物分離器、干燥器也可以

14、被設(shè)計(jì)其中。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了化工廠的自動(dòng)化，就化學(xué)危害，時(shí)間，和效率都有很大優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。致謝 Dean和全體成員對(duì)于本文的完成都做出了寶貴的貢獻(xiàn)，我們對(duì)此表示非常的感謝！a.) Dr. Z.C. Alex, Dean SES,VIT University.b.) Dr. D.S. Emmaneul, Program Manager, EIE, SES,VITU.c.) Dr. Parthasarathy Mallick, Program Manager, ECE,SES, VITU.d.) Mr. S. K. Sudheer, Research Associate, SES, V

15、ITU.e.) Ms. D. Pradeepa, Lecturer, SES, VITU.參考文獻(xiàn)1 S. Masiuk and J. Kawecka-Typek, Department of Chemical Engineering,Technical University of Szczecin, Al. Piastow 42, 70-065, Szczecin,Poland “Transfer and weighting functions of a sewage treatment plant based on random input and output signal charac

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