ОСНОВНЫЕ СРЕДСТВА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ
Жуков Б.Д. (zhub@mail.ru)
5.1. Принципиальные подходы к построению автоматизированных систем
Расширение возможностей автоматизации процесса водоочистки напрямую связано с наличием сравнительно дешевых, доступных массовому потребителю, средств получения информации на определенных стадиях водоочистки, т. е. первичных измерительных преобразователей (датчиков) измеряемый параметр — электрический сигнал, средств воздействия на определенные параметры технологического объекта управления (ТОУ), средств контроля и регулирования. Эти средства, как видно из приведенной ниже классификационной схемы (рис. 5.1), составляют фундамент автоматизированной системы любого уровня иерархии.
В рассматриваемой здесь системе управления процессом нижний уровень (1) — это средства получения информации о параметрах технологического объекта управления (датчики), средства непосредственного воздействия на ТОУ, включающие в себя внешние ингредиенты, необходимые для поддержания работоспособности ТОУ.
Второй уровень — это устройства первичного анализа, поступающей информации и выработки сигналов управления для технических средств первого уровня (дозаторов, регуляторов и других). В ряде случаев датчики и управляющие органы неотделимы. Поэтому ТОУ может получать управляющие воздействия от датчиков-регуляторов.
Третий уровень — средства централизованной обработки информации от датчиков и регуляторов ТОУ, а также внешней дополнительной информации, например адаптивных алгоритмов управления и выработки решений для регуляторов ТОУ с целью оптимизации процессов ТОУ для получения заданных критериев качества.
Высший четвертый уровень — это централизованная система управления целого комплекса технологических объектов, обеспечивающая контроль за работой локальных систем третьего уровня, статистический анализ качественных показателей отдельных ТОУ и выработки на этой основе частных оптимальных решений для конкретных систем третьего уровня.
Рис. 5.1. Классификация основных средств автоматизированной системы
В литературе приводится обширная информация о различных простейших средствах автоматизации механического дозирования жидкостей и порошков по массе, объему, регулированию температуры, например, [135] и т. д. Сравнительно недавно появились описания датчиков состава воды, специализированных для использования на небольших автоматизированных системах водоочистки. В [143] описан опытный образец специализированного зонда для непрерывного контроля состава технологических вод при автоматизации децентрализованной очистки бытовых стоков. Основу зонда составляет проточная оптическая ячейка, снабженная узлами регистрации интенсивностей флуоресценции, светорассеяния и прошедшего света. Эти интегральные характеристики раствора позволяют оценивать сумму взвешенных и растворенных органических веществ, а также мутность анализируемой жидкости. Схема оптической ячейки представлена на рис. 5.2.
Мутность определяется по интенсивности рассеянного света для исследуемой жидкости и некоторой контрольной жидкости с использованием уравнения Рэлея.
Определенный интерес представляет автоматизированный микропроцессорный прибор для прямого потенциометрического экспресс-определения химического потребления кислорода (ХПК) в водных средах, разработанный фирмой «Потенциал» (Санкт-Петербург) [144].
Рис. 5.2. Схема оптической ячейки:
1 — светофильтры возбуждающего потока света. Узлы регистрации световых эффектов: 2 — флуоресценции; 3 — прошедшего света; 4 — рассеянного света. Штуцеры ввода 5 и вывода 6 исследуемой жидкости.
По данным разработчиков измеритель ХПК позволяет:
— проводить непрерывный контроль за ходом окисления загрязнений вод с выводом сигнала на самопишущее устройство или компьютер;
— дифференцировать вклад в величину ХПК различных по скорости окисления групп органических веществ.
Серийно выпускаемый прибор имеет следующие технические характеристики:
Время анализа | Диапазон определений | Погрешность определений |
2 — 5 мин | 30 — 25000 мгО/л | 12 — 3% |
К сожалению, в известной нам литературе не описано применение этого прибора или датчиков ХПК без регистрирующего блока в системах автоматизированного контроля водоочистки. Это пока не позволяет оценить пригодность прибора для использования в небольших системах децентрализованной водоочистки.
5.2.1. Методы аналитического контроля сточных и технологических вод
На основе предварительных лабораторных исследований в [119] было показано, что для оптимальной работы блоков автономной очистки стоков по раздельной схеме (см. рис. 3.3) желательно поддерживать состав воды по компонентам и характеристикам, приведенным в табл. 5.1.
Методы определения этих веществ должны быть экспрессными, надежными и пригодными для использования в автоматизированных системах.
Т а б л и ц а 5.1
Компоненты и характеристики, по которым следует регулировать составы воды в блоках системы водоочистки
Блок | Компоненты и характеристики | Частота анализов |
Фильтр-усреднитель | Органическое вещество, рН, общая минерализация, редокс-потенциал | 1 — 2 раза в сутки |
Аэробный биофильтр | Редокс-потенциал, pH, NO3– | По потребности |
Кондиционер воды для орошения | рН, NO3–, Ca2+, органическое вещество | По потребности |
Блок очистки ПАВ | ПАВ | По потребности |
Анализ литературных данных показывает, что для оценок концентраций ионов наиболее перспективны методы потенциометрии [145], а для контроля содержания органических веществ и ПАВ метод измерения флуоресценции этих веществ [146] с использованием проточных измерительных ячеек.
В табл. 5.2 сопоставлены нормативы ПДК для воды разного качества и интервалыионометрических определений некоторых ионов с помощью аттестованных методик. Табл. 5.2 представляет собой фрагмент таблицы из работы [147].
Выбор флуоресцентных методов определения сумму органических веществ связан с тем, что широко применяемые в настоящее время косвенные методы определения суммарного содержания органических веществ по химическому и биологическому потреблению кислорода (ХПК и БПК) не могут быть автоматизированы из-замногостадийности операций, являются трудоемкими, субъективными и требуют большого расхода реак—
Т а б л и ц а 5.2
Нормативы ПДК и интервалы ионометрических определений [147]
Ион, pH | Интервал для очищенной | ПДК, мг/л для воды | ||
сточной воды*, мг/л | питьевой | сточной | рыбохоз. назнач. | |
Аммоний | 0,4 — 180 | 0,5 | 8,0 | 0,5 |
Медь | 1,0 — 100 | 0,1 | 0,001 | |
Нитрат | 0,14 — 1400 | 10 | 10,4 | 40,0 |
рН | 1 — 12 | 6,0 — 9,0 | — | — |
Фторид | 0,1 — 1900 | 0,7 — 1,5 | 3,3 | 0,05 |
*ПДК для сточных вод Новосибирской области.
тивов. Кроме того, эти методы не полностью обеспечивают контроль загрязнения сточных вод ввиду неполноты и неоднозначности окисления различных органических веществ.
Но применение этих методов сталкивается с определенными трудностями, связанными с адсорбцией на рабочих поверхностях электродов и кювет отдельных компонентов сточных вод. Особенно значительные нарушения возникают при ионометрическихизмерениях, поскольку электроды находятся в прямом контакте с исследуемой средой. В этом случае на поверхности индикаторных электродов часто протекают процессы, меняющие электродные характеристики и прежде всего крутизну электродной функции S. Это способно существенно изменить градуировку электрода.
Чтобы избежать значимые ошибки в результатах измерений индикаторные электроды следует эпизодически калибровать. Особенно важен контроль величины S при работе со старыми электродами или электродами, долго находящимися в сточной воде, содержащей потенциальные яды для электродов, например гуматы и фульваты, основной поток которых поступает в очистные устройства из почвенно-растительного фильтра.
Для использования в системе автоматизации представляет интерес методика калибровки ионоселективных электродов [139] путем титрования исследуемой пробы с концентрацией определяемого вещества Cx добавками титранта с много большим содержанием определяемых ионов и обработкой данных по уравнению:
DE = S lgDC — S lgCx.
Уравнение выполняется при условии, что DC >> Cx.
Здесь DE = E (исходный раствор + добавка) — E (исходный раствор) — изменение потенциала индикаторного электрода при внесении добавки определяемого иона;
DC — изменение концентрации определяемого иона при внесении добавки;
S — крутизна электродной функции, равная RT/nF.
Погрешность определения S рассчитывается по формуле
d =Cx/(Cx + DC).
Следует отметить, что в данном методе вполне сохраняются преимущества техники стандартных добавок, делающие ненужными моделирование состава контролируемого раствора.