摘要：本文通过对德兴铜矿工业水处理站浓密机生产过程自动化控制系统设计和使用情况进行了介绍。针对主要的检测仪表和控制算法进行了详细的说明。系统在工业应用中达到了很好的控制效果，取得了巨大的经济效益、生态效益和社会效益。
关键词：废水处理 浓密机 自动化控制 过程检测仪表
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0018-03
1、前言
矿产资源是人类文明必需的物质基础。随着国民经济的加速发展，人类对矿产资源的需求量日益增长，在矿产资源的开采和加工过程中所产生的工业废水的排放量也随之增加。这些污染物中尤其以有色矿山废水污染范围最广，危害程度最大。因此，经济、适用、高效、先进的矿山废水处理控制方法对于改善矿山生态环境，消除矿山废水的危害具有十分重要的理论意义和现实意义。
浓密机作为重要的选矿设备在国内外有色、煤炭、环保、化工等行业得到广泛的应用，用于实现物料的浓缩、澄清，是目前矿山废水处理的核心设备。但目前国内浓缩机生产过程中大都存在以下问题：生产过程许多关键环节未实现在线检测，生产人员只能凭感觉和经验来判断生产情况、进行操作；絮凝剂添加基本采用人工控制甚至盲目添加，造成生产波动大、药剂浪费多、环境污染严重；浓密机工作负荷、浓密机溢流水浊度、浓密机即底流浓度等关键环节不能得到合理、有效地控制。这些问题都严重地制约了浓缩生产效率的提高，影响了后续工艺和最终产品的质量，亟待解决。
本文对在德兴铜矿工业废水处理站实施的浓密机自动化控制系统的研究和应进行介绍。该系统对浓密机生产关键过程检测仪表进行了较好地研究与应用，同时，设计、开发了基于PLC的浓密机生产控制系统，控制算法可以有效地对浓密机生产和絮凝剂添加进行控制。
2、生产工艺及系统方案简介
2.1 现场生产工艺
德兴铜矿精尾厂工业水处理站主要工艺流程为：酸性水、碱性水、电石渣首先在一段反应池内中和、反应，pH值调整至8.0左右；然后，废水经过明渠和迷宫式反应槽流到分配槽中；在分配槽中添加高分子絮凝剂后，浓密机中进行沉降；浓密机溢流水收集到澄清池后外排；沉降后的泥渣部分返回一段反应池重新进行反应，用于提高底流浓度，另外一部分则以尾矿形式排出，如图1所示。
整个工业废水处理生产工艺中浓密机关键生产控制环节包括分配槽絮凝剂添加量控制、浓密机溢流水悬浮物含量（或浊度）和底流排矿浓度控制、返砂流量控制。
在系统实施前，这些生产关键控制环节主要采用人工就地操作，存在着絮凝剂无法实现根据水处理量比例精确地添加；浓密机溢流水中的悬浮物含量没有在线监测和控制；浓密机泥层没有有效测量，易导致浓密机“跑混”、“跑渣”情况发生；浓密机底流浓度低，且波动范围较大；浓密机负荷无法得到实时的监测和有效地控制等问题。
2.2 生产过程自动化控制方案
生产过程自动化控制目标要完成絮凝剂添加量控制、浓缩过程控制、返砂流量控制等三个方面关键生产环节自动控制，从而解决影响浓密机生产过程稳定运行的问题。
系统采用了3+2网络结构：三层设备、两层网络。系统网络结构如图2所示。系统采用西门子S7-300 PLC控制器，用于集成新增加的过程检测仪表和执行设备信号，实现絮凝剂添加、浓密机底流控制算法。S7-300 PLC控制系统同原有控制系统采用MPI通讯，进行过程数据交换。同上位机WinCC软件采用西门子工业以太网进行数据传输。能够保证系统的稳定性和可靠性。
2.3 浓密机生产过程检测
浓密机生产过程信息和设备状态的检测是浓密机生产自动化控制的基本。所以，系统对这些生产信息进行了全面的检测，主要包括给料瞬时流量、给料Ph值、絮凝剂添加量、浓密机泥层高度、浓密机溢流水浊度、浓密机溢流水Ph值、排矿流量、排矿浓度、循环返砂流量等过程信号。浓缩机设备状态主要包括搅拌机电流、浓密机电流和扭矩、浓密机底流泵电流和转速，絮凝剂工作状态等信息。
3、控制算法
3.1 絮凝剂比例添加控制算法
絮凝过程是目前国内外众多水处理工艺中应用最广泛、最普遍的工艺操作之一，是废水处理过程中不可缺少的关键环节。絮凝效果的好坏往往决定了后续流程的运行状况。由于给料废水性质和水量变化较大，导致了手动调节絮凝剂添加量无法适应现场生产的需要，必须实现絮凝剂添加的自动化控制。
系统通过计算出酸性水和碱性水的总流量。按照絮凝剂投加量设定值计算出絮凝剂干药量，并根据絮凝剂制备浓度计算出要投加的絮凝剂溶液设定用量。然后，通过絮凝剂添加管道上安装的流量计和调节阀构成闭环控制，从而控制絮凝剂溶液实际添加量同絮凝剂溶液设定用量相等。
（公式1）
公式1为絮凝剂添加量计算公式。其中，代表絮凝剂溶液设定用量，代表酸性水流量，代表碱性水流量，代表絮凝剂干药投加量设定值，D代表絮凝剂溶液制备浓度。
由于工业废水量受上游生产情况、季节变化等多方面因素影响，会经常出现波动。所以，絮凝剂添设定加量也应随废水量的变化而变化。为了达到絮凝剂精确控制的目标。需要构建絮凝剂添加的随动控制系统，即给定量按照事先未知的时间函数变化，要求输出量跟随给定量的变化。控制流程如图4所示：
3.2 浓密机生产自动控制算法
由于浓密机工艺机理复杂，内部状态不易观察，并具有大惯性、非线性、入料性质波动频繁的特点。所以实现浓密机的自动控制将会极大提高工业废水处理能力和质量。系统根据工业现场的实际情况，实现了浓密机的底流流量自动控制、泥层自动控制、负荷连锁控制等。
3.2.1 底流流量自动控制
操作员可以远程设置浓密机底流流量，浓密机底流渣浆泵转速同底流流量构成闭环控制，可以实现浓密机流量的自动调节，确保底流实际流量同浓密机设定流量基本相同。浓密机底流流量控制回路如图5所示：
3.2.2 浓密机泥层自动控制
浓密机泥层的稳定控制对于提高浓密机底流浓度、减小溢流水悬浮物数量都有重要的作用。浓密机底流渣浆泵转速同泥水界面仪检测到的泥层高度构成闭环控制，具体算法如图6所示：
3.2.3 浓密机负荷连锁控制
浓密机连锁控制是针对防止浓密机负荷过大而设计的连锁控制程序。当浓密机的负荷超过一定数值以后，则底流泵加大转速工作，尽快的将浓密机的泥层排出，使浓密机到达稳定符合状态。达到设定的稳定负荷状态以后，浓密机恢复之前的控制状态，继续生产。
3.3 排矿、返砂量远程控制
系统集成了浓密机底流泵控制阀、排矿阀和返砂阀的远程控制。用户可以在控制室中进行底流泵控制切换、排矿管路切换和返砂量调整的功能。
4、工业应用
浓密机生产过程控制系统于2010年在德兴铜矿精尾综合厂工业水处理站正式投入使用。在使用过程当中对于工业废水的处理量和处理效率都有很大的提高。在系统投入使用期间，日处理工业废水量最高时可达到60000吨/天以上，酸性水处理能力最大时可达到20000吨/天，较原有额定处理能力提高了20%。同时，系统能够有效地提高浓密机的底流浓度，最大底流浓度可达到30%，较系统应用前浓度提高了15%。并且，系统可对溢流水浊度进行有效地检测和控制，保证了溢流水达标排放。
5、结语
通过对浓密机生产过程的自动化控制，提高了絮凝剂添加的及时性和精度，稳定了工业废水处理的连续生产；提高了工业水站的处理能力和外排清水的监控能力；降低了矿山废水排放对环境产生的破坏，取得了巨大的经济效益、生态效益和社会效益。
参考文献
[1] 耿增显，柴天佑，岳恒.浓密机生产过程综合自动化系统.控制工程[M]，2008（4）353-356.
[2] 杨慧.高压缩性浓密机系统的自动控制.矿冶工程[M]，2004（8）44-46.
