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 интервалы ионометрических 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-за многостадийности 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 ионометрических измерениях, 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.

 

 

 


ООО «Сибирские водные технологии »
www.water-tec.ru