CN104803452A - 一种用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法，实施步骤包括：1）获取被处理重金属污水的检测指标值；2）将检测指标值输入预设的关系映射数学模型，得到使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值；3）控制电化学重金属污水处理系统的整流器输出使得整流器运行功率最小的输出电流值以使得电化学重金属污水处理系统以最小的运行功率运行。本发明电化学电流随检测指标值的高低变化而自动跟踪调节，使电化学电流值始终在临界值，从而能够在检测指标达标的情况下，使得电化学永远以最小的运行功率，从而实现节约电能和延长极板运行时间。

Description

一种用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法

技术领域

本发明涉及电化学重金属污水处理工程的自动控制系统控制技术，具体涉及一种用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法。

背景技术

电化学重金属污水处理技术具有施工周期短、运行成本低、处理效果好、设施占地面积小、工艺可自动化程度高、处理范围广、耐冲击负荷强、污泥产生量少、操作和维护简单等优点，因此在重金属污水治理领域得到广泛应用。现有技术基于电化学重金属污水处理技术的电化学重金属污水处理系统一般都包括被处理重金属污水的在线监测装置、整流器和极板，通过在线监测装置监测被处理重金属污水的监测指标值，同时通过整流器向极板输出电压和电流以实现对被处理重金属污水中重金属离子的电化学反应。

但是，随着电化学重金属污水处理技术的推广，现有技术的电化学重金属污水处理系统在实际工程应用中亦存在如下缺陷：（1）现有技术的电化学重金属污水处理系统中，整流器在调试完毕后总是以一个固定不变的功率运行，导致整流器的运行功率存在浪费，整流器运行功率不经济，有较大的节能空间；（2）极板是电化学反应的消耗品，现有技术的电化学重金属污水处理系统中，极板是否需要更换主要是依靠人的主观判断，时间难以精准控制，如果极板更换过早，则造成极板没有完全消耗，浪费极板；如果极板更换过晚，则由于极板过度消耗导致极板和联接铜排之间的接触面减小、电阻增大，容易造成接触面（或螺丝）发红发热起火。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有技术的上述问题，提供一种电化学电流随检测指标值的高低变化而自动跟踪调节，使电化学电流值始终在临界值，从而能够在检测指标达标的情况下，使得电化学永远以最小的运行功率，从而实现节约电能和延长极板运行时间的用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法，其实施步骤包括：

1）获取被处理重金属污水的检测指标值；

2）将所述检测指标值输入预设的关系映射数学模型，得到使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值，所述关系映射数学模型包括检测指标值和使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值之间的映射关系；

3）控制电化学重金属污水处理系统的整流器输出所述使得整流器运行功率最小的输出电流值以使得电化学重金属污水处理系统以最小的运行功率运行。

优选地，所述步骤2）中检测指标值和使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值之间的映射关系如式（1）所示；

y=250x                                                                （1）

式（1）中，y表示使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值，单位为A；x表示被处理重金属污水的检测指标值，单位为mg/L。

优选地，所述步骤1）中被处理重金属污水的检测指标值具体是指镉、砷、铅、锌、铊、六价铬、汞、铜、镍、钴、锰中任意一种物质的检测指标值或一种以上物质的检测指标值的平均值。

优选地，所述步骤2）还包括根据整流器输出电压进行极板消耗检测的步骤，其详细步骤包括：实时检测电化学重金属污水处理系统中整流器的输出电压，将所述输出电压与预设的极板消耗极限电压值进行比较，如果所述输出电压大于或等于预设的极板消耗极限电压值，则控制电化学重金属污水处理系统的整流器停止输出电流，否则进一步将所述输出电压与预设的极板消耗报警电压值进行比较，如果所述输出电压大于或等于预设的极板消耗报警电压值，则输出极板更换报警信号。

本发明用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法具有下述优点：

1、本发明实时获取被处理重金属污水的检测指标值，将检测指标值输入预设的关系映射数学模型，得到使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值，并控制电化学重金属污水处理系统的整流器输出使得整流器运行功率最小的输出电流值以使得电化学重金属污水处理系统以最小的运行功率运行，电化学电流随检测指标值的高低变化而自动跟踪调节，使电化学电流值始终在临界值，从而能够在检测指标达标的情况下，使得电化学永远以最小的运行功率，从而能够节约电能和延长极板运行时间，和现有技术的电化学重金属污水处理系统相比电能消耗要小，更加节能环保。

2、本发明实时获取被处理重金属污水的检测指标值，将检测指标值输入预设的关系映射数学模型，得到使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值，并控制电化学重金属污水处理系统的整流器输出使得整流器运行功率最小的输出电流值以使得电化学重金属污水处理系统以最小的运行功率运行，在水质指标波动较大，极板过度消耗的因素，仍能确保水质达标，从而提高了电化学系统的安全系数。

3、本发明进一步包括根据整流器输出电压进行极板消耗检测的步骤，实时检测电化学重金属污水处理系统中整流器的输出电压，将输出电压与预设的极板消耗极限电压值进行比较，如果输出电压大于或等于预设的极板消耗极限电压值，则控制电化学重金属污水处理系统的整流器停止输出电流，并输出极板更换报警信号，能够减少由于极板更换过早而导致浪费极板，能够延长电化学设备极板的运行时间，减少了工人劳动强度。

4、本发明进一步包括根据整流器输出电压进行极板消耗检测的步骤，实时检测电化学重金属污水处理系统中整流器的输出电压，将输出电压与预设的极板消耗极限电压值进行比较，如果输出电压大于或等于预设的极板消耗极限电压值，则控制电化学重金属污水处理系统的整流器停止输出电流，确保不会发生因极板过度消耗，能够防止由于极板更换过晚而导致极板和联接铜排之间的接触面发红发热起火、产生温度过高烧坏电化学槽体以及爆炸等安全事故，更加安全可靠。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程示意图。

图2为应用本发明实施例方法的电化学重金属污水处理系统的基本结构示意图。

图3为应用本发明实施例方法的电化学重金属污水处理系统中的PLC控制器的详细信号传输结构示意图。

图4为本发明实施例中关系映射数学模型的曲线示意图。

图5为本发明实施例的方法中整流器的输出电流曲线示意图。

图6为本发明实施例的方法中整流器的输出电流曲线的参照输出电流曲线（现有技术电化学重金属污水处理系统中整流器的输出电流曲线）示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法的实施步骤包括：

1）获取被处理重金属污水的检测指标值；

2）将检测指标值输入预设的关系映射数学模型，得到使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值，关系映射数学模型包括检测指标值和使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值之间的映射关系；

3）控制电化学重金属污水处理系统的整流器输出使得整流器运行功率最小的输出电流值以使得电化学重金属污水处理系统以最小的运行功率运行。

结合前述的步骤1）～3），本实施例用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法实现了电化学电流随检测指标值的高低变化而自动跟踪调节，使电化学电流值始终在临界值，从而能够在检测指标达标的情况下，使得电化学永远以最小的运行功率，从而实现节约电能和延长极板运行时间。

如图2和图3所示，应用本实施例方法的电化学重金属污水处理系统包括工控机（WinCC）、仪表、PLC控制器、在线监测装置、1#整流器和2#整流器、极板、配电柜和现场控制箱。工控机用于监测电化学重金属污水处理系统的各类数据，显示工艺流程画面，工控机和PLC控制器之间基于多点接口MPI进行通信。PLC控制器采用S7300型PLC控制器，PLC控制器和1#整流器和2#整流器之间均基于Profibus总线进行通讯，用于监视电化学工作状态，监视并保存1#整流器和2#整流器的电流、电压数据，依据流量计数据通过Profibus通讯，自动控制1#整流器和2#整流器的启停，从而保证电化学设备安全运行。PLC控制器的数字量输入输出I/O模块控制电机（1#电机和2#电机）及调节阀等，PLC控制器的模拟量输入模块接收仪表（1#仪表和2#仪表，具体可为PH计、流量计、液位计等）、调节阀等设备的4～20mA信号并显示仪表现场实际读数，PLC控制器的Profibus总线则与变频器等工艺设备相连。PLC控制器用于接收现场的液位、流量、PH等仪表信号，调节调节阀的开度和电机的转速，从而使工艺参数值在可控状态，确保总套工艺可靠性和稳定性。在线监测装置用于监测获取监测点被处理重金属污水的检测指标值。在线监测装置检测水样的重金属污水的指标（一个指标）的高低，输出4～20mA信号，本实施例中具体采集处理重金属污水的镉（Cd）检测指标值。1#整流器和2#整流器两台整流器构成一个标准单位作为一套操作台，1#整流器和2#整流器均采用S7200型电化整流器，将整流器触摸屏集中于操作台构成一个电化学操作系统，S7200型电化整流器的数字量输入输出I/O模块控制电磁阀的启停，电化学操作系统的触摸屏操作台具有整流器启停、电磁阀控制，整流器电流、电压数据监控等功能。现场控制箱用于通过配电柜控制1#整流器和2#整流器的电源供给，1#整流器和2#整流器的输出端与极板连接以输出电化学反应所需的电压和电流。极板用于基于1#整流器和2#整流器输出的电压和电流和重金属污水进行电化学反应。

本实施例中，步骤1）中的检测指标值具体是指被处理重金属污水的镉检测指标值；毫无疑问，本实施例同样也可以根据需要采用被处理重金属污水的其他检测指标值，例如采用砷、铅、锌、铊、六价铬、汞、铜、镍、钴、锰中任意一种物质的检测指标值或一种以上物质的检测指标值的平均值，同样也能够实现保障电化学重金属污水处理系统以最小的运行功率运行的效果。

本实施例用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法即为S7300型PLC控制器所实施的方法，该方法需要获取在线监测装置检测得到的模拟电流信号，PLC依据模拟电流信号、被处理重金属污水的镉检测指标值之间的对应关系即可获得被处理重金属污水的镉检测指标值。例如镉（Cd）0～10mg/L对应输出电流4～20mA，输入S7300型PLC控制器的数字量输入输出I/O模块的对应数字量0～27468，则输入S7300型PLC控制器的数字量输入输出I/O模块的数字量X和被处理重金属污水的镉检测指标值Cd之间的关系表达式为Cd=10／27648×(X)。例如，如果输入的数字量为13734，则被处理重金属污水的镉检测指标值Cd为10／27648×(13734)= 5mg/L。电化学重金属污水处理系统的S7300型PLC控制器会自动计算出被处理重金属污水的镉检测指标值Cd。

本实施例中，步骤2）中检测指标值和使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值之间的映射关系如式（1）所示（其曲线如图4所示）；

y=250x                                                                （1）

式（1）中，y表示使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值，单位为A；x表示被处理重金属污水的检测指标值（本实施例具体为镉检测指标值，此外也可以根据需要采用其他检测指标值），单位为mg/L。本实施例式（1）的映射关系是综合镉、砷、铅、锌、铊、六价铬、汞、铜、镍、钴、锰等多种物质综合得到的关系式，能够适用于采用镉、砷、铅、锌、铊、六价铬、汞、铜、镍、钴、锰中任意一种物质的检测指标值或者一种以上物质的检测指标值的平均值。例如当采用镉、砷两种物质时，将镉的检测指标值和砷的检测指标值求和再除以2得到的平均值作为被处理重金属污水的检测指标值x；当采用镉、砷、铅三种物质时，将镉的检测指标值、砷的检测指标值、铅的检测指标值求和再除以3得到的平均值作为被处理重金属污水的检测指标值x，依次类推。

参见图4可知，当镉检测指标值为6mg/L时，电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值为2000A；当镉检测指标值为8mg/L时，电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值为2500A；当镉检测指标值为10mg/L时，电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值为3000A。被处理重金属污水的镉检测指标值x不同，则对应的使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值y也会不同，因此整流器的实际运行电流就跟随镉检测指标值x的波动而改变，它运行电流和时间的关系是一条波浪线（如图5所示），所以在确保指标能达标的情况下，整流器始终是以最小临界功率运行的。而现有技术采用固定功率输出时，整流器的输出电流值为固定的，其运行电流和时间的关系是一条直线（如图6所示），因此应用本实施例用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法的平均运行功率远远要小于应用本实施例用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法前原方案的运行功率20KW至62.5KW，从而能够到达到节约电能和延长极板运行时间的目的。

依据多个电化学重金属污水处理系统项目实践证明，极板的运行运时间越长、消耗越快，则整流器输出电压随之增大。跟据该原理，本实施例中，步骤2）还包括根据整流器输出电压进行极板消耗检测的步骤，其详细步骤包括：实时检测电化学重金属污水处理系统中整流器的输出电压，将输出电压与预设的极板消耗极限电压值进行比较，如果输出电压大于或等于预设的极板消耗极限电压值，则控制电化学重金属污水处理系统的整流器停止输出电流，否则进一步将所述输出电压与预设的极板消耗报警电压值进行比较，如果所述输出电压大于或等于预设的极板消耗报警电压值，则输出极板更换报警信号。通过上述步骤，使得极板快要消耗时（输出电压大于或等于预设的极板消耗报警电压值），电化学重金属污水处理系统自动控制系统报警提示操作工人换极板，且极板消耗极限时（输出电压大于或等于预设的极板消耗极限电压值）自动停止整流器从而达到确保电化学设备安全运行的目地。本实施例中，预设的极板消耗报警电压值为通过人工在上位机通过人机对话窗口设定。

应用本实施例方法的电化学重金属污水处理系统在工作状态下，所有项目现场的数据如流量、PH值、整流器的电流、电压等数据通过现场的S7300型PLC控制器传到工控机，在工控机上非专业人员可以轻松随时查询现场各个项目的每一个数据；同时，电化学重金属污水处理系统的报表管理系统提供了自由制作报表的工具报表编辑器，它是图文合一的报表组态工具，有丰富的编辑手段，支持任意复杂格式，支持表达式分析，报表可显示或打印，电化学重金属污水处理系统的报表管理系统为用户提供了非编程的与数据库数据连接的定义方法。S7300型PLC控制器和工控机实现了电化学重金属污水处理工程中现场实时数据的显示、保存远程传送等，各电化学重金属污水处理系统中各个单体控制设备的启动、停止、故障报警均为S7300型PLC控制器实现的全自动无人值班自控。针对整流器的电流自动调节，电化学电流随检测指标值的高低变化而自动跟踪调节，使电化学电流值始终在临界值，从而能够在检测指标达标的情况下，使得电化学永远以最小的运行功率，从而实现节约电能和延长极板运行时间，可有效改善电化学重金属处理工艺技术在工程应用中极板消耗浪费、整流器运行功率不经济的缺陷，可以延长现有电化学重金属处理设备极板使用寿命、降低电化学技术处理重金属废水的能耗、提高系统运行的安全性和稳定可靠性，使电化学处理工艺运行更加合理可靠、经济合算、运行控制管理简便。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法，其特征在于实施步骤包括：

1）获取被处理重金属污水的检测指标值；

2）将所述检测指标值输入预设的关系映射数学模型，得到使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值，所述关系映射数学模型包括检测指标值和使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值之间的映射关系；

3）控制电化学重金属污水处理系统的整流器输出所述使得整流器运行功率最小的输出电流值以使得电化学重金属污水处理系统以最小的运行功率运行。

2.根据权利要求1所述的用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法，其特征在于：所述步骤2）中检测指标值和使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值之间的映射关系如式（1）所示；

y=250x                                                                 （1）

式（1）中，y表示使得电化学重金属污水处理系统的整流器运行功率最小的输出电流值，单位为A；x表示被处理重金属污水的检测指标值，单位为mg/L。

3.根据权利要求2所述的用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法，其特征在于：所述步骤1）中被处理重金属污水的检测指标值具体是指镉、砷、铅、锌、铊、六价铬、汞、铜、镍、钴、锰中任意一种物质的检测指标值或一种以上物质的检测指标值的平均值。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于电化学重金属污水处理系统的自动控制方法，其特征在于，所述步骤2）还包括根据整流器输出电压进行极板消耗检测的步骤，其详细步骤包括：实时检测电化学重金属污水处理系统中整流器的输出电压，将所述输出电压与预设的极板消耗极限电压值进行比较，如果所述输出电压大于或等于预设的极板消耗极限电压值，则控制电化学重金属污水处理系统的整流器停止输出电流，否则进一步将所述输出电压与预设的极板消耗报警电压值进行比较，如果所述输出电压大于或等于预设的极板消耗报警电压值，则输出极板更换报警信号。