Sämtliche industriellen Abwässer des Industrieparks Wolfgang, in dem zehn Industrieunternehmen mit 4500 Mitarbeitern angesiedelt sind, fließen zunächst in ein Sammelbecken. Von dort wird das Abwasser in zwei redundant arbeitende Reaktoren (Dosierstationen) gepumpt. In den Durchfluss-Reaktoren sorgen spezielle Leitbleche für eine schnelle Vermischung der zur Neutralisation beigemengten Base oder Lauge. Nach der Aufarbeitung gelangt das Abwasser aus den chemischen Reaktoren in ein Klärbecken, dessen Überlauf in den städtischen Abwasserkanal mündet.

Jedes Bundesland, jeder Landkreis und jede Stadt hat eigene Abwassergesetze oder -satzungen. Darin sind unter anderem die Einleitungsbedingungen für Klärwerke vorgegeben. Beispielsweise dürfen Säuren und Basen im Abwasser festgelegte Grenzwerte nicht überschreiten. Die Abwasser-Satzung der Stadt Hanau, die für den Industriepark Wolfgang relevant ist, definiert für industrielle Abwässer zum Beispiel eine Maximaltemperatur von 35 °C und einen pH-Wert zwischen 6,5 und 10. Abwasser, das den ph-Wert über- oder unterschreitet, muss separat aufgefangen werden und ist „in gesetzlich zugelassener Art und Weise zu entsorgen".

Aufgabe war, ein Reglermodul für die exakte und zuverlässige pH-Regelung des Abwassers zu entwickeln und in das vorhandene Prozessleitsystem PCS 7 zu integrieren. Der Regler soll durch Zugabe von Salzsäure (HCl) und Natronlauge (NaOH) den pH-Wert des Abwassers konstant auf 9,6 halten, um die Grenzwerte für die Einleitung zu erfüllen.

Die Komplikationen Als die größten Herausforderungen bei der pH-Wert-Regelung gelten der ungewöhnlich große Messbereich (von pH 0 bis pH 14 über 14 000 Punkte skaliert) und die lange „Totzeit" der Regelstrecke von etwa zehn Sekunden. Deswegen reagiert der pH-Wert bei einer Änderung der Salzsäure- oder Natronlauge-Konzentration zunächst kaum, dann aber umso heftiger. Dieses nichtlineare Verhalten des Prozesses beschreiben sogenannte Titrations- oder Neutralisationskurven.

Im neutralen Bereich (pH = 7) reagiert der pH-Wert am empfindlichsten auf Änderungen des Mischungsverhältnisses. Der Übergang aus dem sauren in den alkalischen Bereich findet hier nicht mehr kontinuierlich statt, sondern sprunghaft. Dieser charakteristische „pH-Sprung" macht die Regelung so schwierig: Eine stabile pH-Wert-Regelung hängt deshalb besonders von folgenden Faktoren ab:

• der Größe und Ausführung der Dosierstationen,
• den genauen und richtig dimensionierten Zuführsystemen für Säure und Lauge
• sowie der Position der pH-Sonden.

Separate Reglerbaugruppe als Lösung

Abhängig vom pH-Messbereich nutzt der Regler verschiedene Neutralisationskurven und berechnet die Reglerparameter wie Proportionalband und Verzugszeit.

In der Applikation kommt eine universelle 4-kanalige Baugruppe R355A der Marke Gossen Metrawatt zum Einsatz, die über Profibus-DP und ein Slave- Modul der Firma Vipa (IM353-1DP01) mit dem Leitsystem (S7-400) kommuniziert. Softwareseitig sind die Hantierungsbausteine der Reglerbaugruppe in das PCS-7-Projekt des Klärwerks eingebunden. Die Mess-Eingänge der pH-Sonden werden bereits als skalierte Werte (von 0 bis 14 000) aus dem PCS-7-Projekt als externe Istwerte in die Datenbausteine der Reglerbaugruppe geschrieben.

Die Skalierung entspricht einem pH-Messbereich von 0 bis 14. Auf die gleiche Art und Weise überträgt der Regler die Ausgangssignale (Stellgrad 0 bis 100 %) für die Regelventile der Natronlauge und Salzsäure. Konfigurieren und Parametrieren lässt sich der Regler auf drei Arten: Mit dem Inbetriebnahme- und Ferndiagnosetool 355Remote besteht ein direkter Zugriff über die Schnittstelle der S7-CPU. Mit dem Konfigurationstool 355Config kann der Servicetechniker vor Ort die RS232- Schnittstelle am Regler nutzen. Darüber hinaus können die Parameter der Reglerbaugruppe über „Read/Write"-Anweisungen direkt aus dem Kanaldatenbaustein über den Simatic-Manager angesprochen werden.

Für die Applikation wurde ein Algorithmus für pH-Wert-Kennlinien entwickelt und in der Reglerbaugruppe hinterlegt. Mit dessen Hilfe lässt sich der pH-Wert für die Berechnung der Regelabweichung linearisieren und die Prozess-Totzeit kompensieren. Unter Berücksichtigung aller Prozessvariablen und Randbedingungen kann der Regler daraus schließlich sämtliche Parameter wie das Proportionalband sowie die Verzugszeit und die Regler- Zykluszeit für die Ausgangsgrößen ermitteln. Mittlerweile ist die pH-Wert-Regelung im Industriepark Wolfgang in Betrieb und hat die bis dahin genutzte Regelungstechnik abgelöst.

Autor: Michael Roick ist Produktmanager Regler und Reglersysteme bei GMC-I Messtechnik in Nürnberg.