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    专家智能pH测控仪及其应用

    来宝网2007年4月26日 11:43 点击:1737

    1 引  言
      酸碱中和是各类化工过程普遍存在的化学反应。反应中,pH值的变化通常呈严重非线性和时滞特性;加上不同生产工艺过程对pH值的要求各不相同,要取得理想控制比较困难。传统采用的由单元组合仪表构成的pH值控制系?#24120;?#20854;设计复杂、成本高且通用性差。国外于90年代开始研究用专家系?#21576;?#29616;pH控制,已取得较好效果。本文于1993年研制了基于专家系统的智能pH测控仪,在化工、环保等行业中初步推广应用,并取得良好效果。
    2控制原理
      2.1 酸碱中和特性
      图1显示了几种酸碱中和特性曲线。图中不难看到,曲线两端的变化缓慢,即随酸(或碱)的加入其pH值变化很小?#27426;?#22312;中和点附近灵敏度很高,这时少量酸(或碱)的加入都会使pH值显著变化。此外,这些反应通常在一些大容器里进行,从中和剂加入到溶液pH值的变化要经过较长时间;如果因检测不到pH值的变化而一?#23545;?#21152;中和剂,很容?#33258;?#25104;pH值超调。以上两点,使传统的pH控制系统很难取得理想效果。
      2.2 专家智能控制
      专家智能控制的基本特点是根据系统运行的不同工况与特点,分别采取不同的控制模式,以获取最佳的控制效果。对于酸碱中和过程,由图1所示曲线,可分成三?#26234;?#20917;如下。
      其一是pH值变化较平缓的阶段,如图1(a)中的ab段。该阶段需加入较多中和剂才能使pH值上升(或下降),因而应根据化学反应规律计算中和剂的需要量并一次性投入,使pH值迅速接近目标值。设N1、N2分别表示中和剂与被中和溶液的浓度,L1、L2分别表示两者体积,则由当量定律不难求得
             L1=L2.N2/N1
    ?#27426;?#23454;?#22987;?#27979;到的是两者的pH值而非浓度,还需转换。设N1为碱性,N2为酸性,pH1、pH2分别为它们的pH值,则由酸碱定义得
             N1=〔OH-〕=10-(14-pH1)
             N2=〔H+〕=10-pH2
      第二阶段取pH值变化较快的阶段,如图中的bc段。这时采用如下限速比例控制模式        
    式中 Kv、Kc、Kp、Kd分别表示溶液体积大小、搅拌作用强弱、pH变化斜率大小、中和剂单位时间的流量系数;ΔpH为pH检测值与目标值之差;a为限速因子。采取限速的目的是避免因pH变化的时滞而造成中和剂的过量加入。
      第三阶段如图中的cd段,该段pH值随中和剂的加入而迅速变化。另一方面,pH电极在pH值变化越小时其响应时间越长,因而尤需谨慎控制。为此采用间隙控制模式,即每添加一次中和剂后,等待?#27426;?#26102;间再进行下一次检测控制。间隔时间T的长短,同样与溶液多少、搅拌作用强弱等因素有关,即
      除上述因素外,控制模式还与生产工艺对pH值的控制要求有关。?#34892;?#21270;工过程(如烟碱提炼和工业废水处理)要求pH值达到某一目标值即可。?#34892;?#36807;程(如肥皂生产中的皂化过程)则要求pH值按某一时间规律变化。还有一些过程(如炸药生产)甚至要求酸、碱严格按?#27426;?#27604;例送入反应塔进行反应。针对不同控制要求,上述控制模式及其参数的选择也不相同。
      本仪器采用的控制模式及控制参数的选择过程如图2所示。图中,“化学反应”指出系统所进行的化学反应性质和参与反应的酸碱化学成份等;“控制指标”反映要求控制的类型、精度和目标值等;“系统工况”则反映系统容积、搅拌、加料等基本运行参数。推理机根据
    图2 专家智能控制系统
    化学反应、控制指标和系统工况,从知识库查取相应的数据资料并进行综合、分析、推理,再从知识库搜索相应的控制模式和控制参数,确定“控制输出”。
      2.3 知识库
      在专家智能控制系统中,知识库显然起着重要的作用。本仪器的知识库中包含化学库、系统信息库、控制模式库、控制参数库、动态分析库、?#25910;?#24211;等6个子库。其中,化学库装载基本化学反应关系、常用的中和特性曲线以及当量计算等与pH控制有关的化学知识。这些知识可以是软件编入,?#37096;?#20197;根据控制需要通过人机界面进行输入或修改。系统信息库反映系统的物理特性(如反应罐容积系数、基本流量公式等),这些数据与系统工况相结合,即可算出溶液体积、中和剂加入量等,为控制计算提供依据。控制模式库装载着各种控制模式,供推理机选取。控制参数库是一系列参数表,每一个参数的选取?#21152;?#21270;学特性、控制要求和系统状态有关。这些表既有分析计算结果,也有通过试验取得的经验数据,它们是实现理想控制效果的重要因素之一。动态分析库存放检测结果和推理机的中间分析计算结果,其内容随系统运行而不断变化。?#25910;?#24211;则装载着各种可能出现的特殊情况的分析与排除方法。
      知识库是专家系统的核心。除知识内容外,知识的表达方式也很重要。本文采用产生式规则描述知识,其特点是每个规则都是一个独立的知识块,因此易于建立和修?#27169;欢?#19988;每个规则的形式一致,与专家经验的表述方式相同,易于表达和理解。其基本形式为
      if condition-1 and condition-2 …… and condition-n then result
    例:设反应是NaOH中和C10H14N2、要求定值控制、pH的目标值是10.5、当前值是4.5,由化学库已查知处于过?#23665;?#27573;,从而应对NaOH的加入量采用限速比例控制。?#32531;?#26681;据其他规则确定控制参数Kv、Kc、Kp、Kd和限速因子a等,最后确定出控制输出。
    3仪表结构
      仪表结构框图示于图3。来自传感器的信号经处理转?#32531;?#36890;过光电隔离输入计算机。计算机内部的专家系统经分析推理形成控制输出,再经光电隔离、功?#26159;?#21160;后,带动电磁阀、计量泵等执行器实现各种控制。
    信号处理转换单元由高阻放大、温度补偿、配套标定、A/D转换等电路组成,最多?#23665;??#21453;?#24863;器,以适应多数化工过程的控制要求。光电隔离单元既起抗干扰作用,也保护了计算机。人机界面提供并显示各种检测与控制数据,还可操作知识库,进行知识库数据的输入与修改。输出驱动单元主要由可控硅及其触发电路组成,以输出按时间比例调制的功率控制信号,直接带动电磁阀等执行器,省却外部驱动电路。使用时,只要将传感器与执行器连接好,通过面板对化学反应、控制指标和系统基本参量进行选择、输入和设定,即可投入运行。
    4应用举例
      曾对烟碱生产过程中的烟碱游离反应过程的pH控制进行了应用试验。流程如图4所示:经发酵、蒸发、冷凝的烟叶水溶液进入游离反应釜后,加入NaOH将烟碱从烟叶水溶液中游离出来。按工艺要求,游离过程需在pH值等于10.5±0.2、温度为60℃的情况下进行,才能取得高纯度烟碱。该游离过程实即酸碱中和反应。由于反应过程会消耗NaOH,要必求补充NaOH?#21592;?#25345;pH值符合工艺要求;反应釜?#26412;?.5m、长7m,具有严重的响应滞后与非线性特性;加上pH值的控制精度要求高且不允许超调,采用传统的控?#21697;?#27861;显得无能为力。
      本文采用专家智能pH测控仪,通过两次初步运行建立经验数据,并将所得经验数据输入知识库,?#32531;?#23545;反应过程实施正式控制。控制结果表明,系统能根据不同反应阶段自动搜索不同的控制模式与参数,整个控制过程不仅没有发生超调现象,而且反应速度快,控制精度高(最终误差在±0.2pH以内),达到良好的控制效果。
    5 结  语
      基于专家系统的智能控制技术,在解决具有严重非线性与时滞特性的复杂化学过程控?#21697;?#38754;,显示出极大的优越性和宽广的应用前景。本文介绍的专家智能pH测控仪,在化工过程与废水处理的pH值控制的实际应用中,已取得初步成效。但也存在不完善之处,主要是知识库还有待进一步完善和充实,以适应更多、更复杂的化学过程控制的要求。
    (来源: 来宝网 )


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