全膜法水處理中各個系統主要的PLC控制解析

曹煥義

摘 要：以本公司一套小型全膜法超純水的系統為例，對全膜法水處理系統進行了論述；并對OMRON PLC在該系統中根據系統工藝要求和工作原理進行的編譯控制做了詳細說明，闡述了自動控制系統的設計和實現，介紹了在PLC的控制下該設備自動控制水處理系統的全過程。

關鍵詞：全膜法；水處理；PLC

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A

0.引言

全膜法水處理是目前市場上普遍使用的水處理工藝之一，該水處理凈化工藝中具有眾多的電動器件、閥門、在線儀表、各種水泵等，并有很強的順序性，若由人員手動操作必將非常煩瑣并易出現失誤造成事故。為了提高系統的自動化程度保證產水水質，降低事故發生率，OMRONPLC控制系統無疑是全膜法制水過程中控制管理的最佳選擇。

可編程控制器（PLC）是微電腦處理系統，它是取代了傳統繼電器的升級產品，使得各種繼電器以程序指令方式輔助運行，從而達到控制目的。PLC的主要工作原理是--在PLC上電后，它首先檢查硬件、IO模塊以及用戶程序，然后按照自上而下從左到右的順序逐條讀取用戶程序并執行，對輸入的數據進行處理，將結果儲存至影像寄存器中；掃描結束后計算掃描周期（通常是幾十毫秒），進而刷新IO，讀取輸入點的狀態，并寫入輸入影像寄存器，之后將影像寄存器的狀態經鎖存器輸出到輸出點；從而實現PLC與外界設備通信。

用戶通過編制相應的程序，可以實現復雜的邏輯控制，并能完成各種順序控制和定時控制等的閉環控制功能。下面以本公司的一套小型超純水全膜法水處理系統為例進一步分析闡述PLC的執行控制過程。根據工藝控制要求選擇40點PLC，加一擴展模塊增加8點輸入。確定PLC型號為OMRON CP1E-N40SDR-A。

1.全膜法水處理系統概述

（1）設備簡介

全膜法水處理是指以膜法處理工藝取代傳統的砂濾、碳濾和離子交換工藝，整個水處理系統采用超濾膜+反滲透膜+電除鹽膜（EDI）系統。隨著全膜法技術的不斷成熟和推廣以及膜元件產品成本的不斷下降，全膜法水處理工藝越來越多地被應用于不同的水處理系統。

（2）工藝介紹

膜法液體分離技術一般分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）4類，它們的分離精度按照以上順序越來越高。電除鹽（EDI）因其應用了電滲析技術來實現離子交換樹脂的連續再生，通常也被納入膜法分離技術之列。目前，用于全膜法水處理的膜處理技術主要有超濾、反滲透、電除鹽。

系統工藝如下：

原水箱—原水泵—超濾—超濾水箱—一級RO—二級RO—純水箱—EDI—超純水箱

2.分系統介紹

2.1超濾系統

超濾是一種篩孔分離過程，分為內壓式和外壓式。在壓力的作用下，溶劑水和小溶質粒子透過超濾膜的微孔而到達低壓側，大粒子組分被膜阻擋而留在濃水側被定時排出系統外。超濾能夠有效地去除水中的懸浮物、膠體、有機大分子、細菌、微生物等雜質，有效降低濁度、SDI（污染指數）、COD（化學耗氧量）等，具有優良的凈化過濾性能。為下游的脫鹽系統提供進水水質保證。超濾與傳統工藝系統（化學加藥+多介質過濾器+活性炭過濾器）相比，超濾系統具有以下優點：占地面積小、出水水質好（出水污染指數SDI可以保持<2，傳統工藝的預處理出水SDI為4～5）、出水水質穩定、易實現全自動控制。

2.2反滲透系統

反滲透技術是最精密的膜法液體分離技術，它是對溶液施加足夠的壓力，使溶劑（一般是指水）通過反滲透膜（一種半滲透膜）從溶液中分離出來。透過液從中心收集管內引出，未能透過的離子、有機物、細菌、病毒等雜質從濃水端流出，從而達到淡化、凈化或濃縮分離的目的。由于反滲透膜（RO膜）的膜孔徑非常?。▋H為10?左右）能夠有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機物等（去除率高達98%以上）。反滲透具有能耗低，工藝先進，無污染等優點，是目前高純水設備中應用最廣泛的一種脫鹽技術。

2.3EDI系統

傳統的反滲透加二級除鹽系統或反滲透加混床除鹽系統，仍存在混床樹脂再生酸堿廢液排放和煩瑣的再生操作問題。近年來隨著EDI技術的應用，即應用EDI代替混床，徹底解決了酸堿排放問題。EDI技術是在電滲析技術基礎上發展起來的，利用具有選擇性陰陽膜和離子交換樹脂組成填充床生產高純水的技術。最常見的EDI系統設備由一系列模塊并聯組裝而成，每個模塊有一定的產水量，一般每小時幾噸。由于EDI系統設備的樹脂可以在線連續再生，因此能實現連續運行。最常見的模塊為板框式。由于EDI系統對進水的水質要求較高，為確保EDI系統運行正常，一般在EDI系統前面采用兩級RO配置。產水水質穩定，產水電阻率可達到10MΩ·cm（25℃）以上。

3.工藝要求中主要控制介紹

3.1水箱控制

在自動控制中所有的泵、閥、超濾、RO、EDI等的啟停都是根據水箱液位為信號的，原水箱中有水且超濾水箱缺水是超濾系統啟動的必要條件，超濾水箱有水且純水箱水缺水是反滲透系統啟動的條件，純水箱有水且超純水箱缺水是EDI系統啟動的必要條件。因此水箱的液位信號傳給PLC，由PLC來自動控制超濾、RO和EDI系統的泵閥儀表等設施，使得不同系統根據不同需求控制運行。

3.2超濾控制

超濾膜運行一段時間后，由于其能有效地去除水中的懸浮物、膠體、有機大分子、細菌、微生物等雜質，那么在膜的進水側必然產生由于雜質攔截對膜造成不同程度的污染；這樣必須對超濾進行定時清洗控制；這需要編譯PLC而對其進行時間控制，水泵控制，并對進水閥、出水閥、反洗閥、排放閥進行順序控制使其按照工藝要求對超濾膜進行正反清洗。清洗時需滿足水箱控制條件。

3.3反滲透控制

反滲透膜是一種靠壓力驅動的半透膜，故需要對RO膜進行高低壓控制，低于設定壓力則不能運行（高壓泵不啟動），在較大的系統中同時需要設計高于某個壓力高壓泵停止運行的控制，如此控制目的是為了保護反滲透膜，以便使之長期穩定運行。為了滿足EDI的進水要求，需要前道工藝設計兩級反滲透系統。因為系統產水量小，故設計一級RO產水后直接經二級高壓泵進二級RO系統；如此增加二級低壓控制，確保二級進水達到設計壓力后二級高壓泵才可啟動運行。由于RO膜在壓力的驅動下攔截了水中99%的雜質，故在膜的濃水側容易結垢，因此設計RO運行一段時間后，濃水側的濃水通過該側的濃水排放閥排放一定的時間，從而減少RO膜結構的傾向。該功能亦通過PLC完成。它的運行需滿足水箱控制條件。

3.4 EDI控制

EDI又稱電除鹽，顧名思義是在電流的驅動下，離子通過陰陽膜到濃水室后回收到原水箱，從而使得淡水室的水得到進一步的提純。關鍵控制是當EDI電源啟動時，EDI水泵已經啟動，也就是說設計編程時有壓力信息反饋，目的是防止EDI開啟電源時無水而致使EDI燒蝕損壞。EDI的運行需要滿足水箱控制條件。

4. PLC工藝控制解析

4.1 輸入輸出說明（I/O分配表）

在控制系統中，以控制開關、壓力傳感器及液位控制作為輸入信號；以交流接觸器、熱保護器、繼電器等作為輸出控制。其I/O分配見表1。

4.2控制解析

4.2.1液位控制解析（圖1）

在水處理工藝中，具有眾多的泵閥開關，系統為了實現自動運行必須首先對各工序的儲水箱進行液位控制。液位控制是各個泵閥啟停的主要條件之一，如圖1所示。

原水箱有中位和低位兩個輸入控制，高位采用浮球控制。當編譯輸入點1.05中位和1.04低位是常開觸點，它們滿足時說明原水箱中有水，該輔助繼電器220.00自鎖，為后續泵閥啟停提供條件。超濾水箱有高位、中位和低位3個輸入控制，當編譯輸入點1.07中位和1.06低位是常開觸點。它們滿足時說明超濾水箱中有水，該輔助繼電器220.01自鎖，為后續泵閥啟停提供條件。當編譯輸入點1.07中位和1.08高位是常閉觸點，它們滿足時說明超濾水箱中缺水，該輔助繼電器220.02自鎖，為后續泵閥啟停提供條件。純水箱有高位、中位和低位3個輸入控制，當編譯輸入點1.10中位和1.09低位是常開觸點。它們滿足時說明純水箱中有水，該輔助繼電器220.03自鎖，為后續泵閥啟停提供條件。當編譯輸入點1.10中位和1.11高位是常閉觸點，它們滿足時說明純水箱中缺水，該輔助繼電器220.04自鎖，為后續泵閥啟停提供條件。超純水箱有高位和低位兩個輸入控制，當編譯輸入點2.01低位是常開觸點，它滿足時說明超純水箱有水，該輔助繼電器220.05輸出，為后續泵閥啟停提供條件。當編譯輸入點2.03高位為常閉觸點，它滿足時說明超純水箱中缺水，該輔助繼電器220.06輸出，為后續泵閥啟停提供條件。

水箱水位的不同狀態是水處理不同工藝系統運行的必要條件，可編譯程序控制器（PLC）在給電后第一次循環掃描就已經確認不同水箱液位的狀態，而PLC的循環掃描速度僅僅幾十毫秒。

4.2.2超濾控制解析（圖2）

超濾系統在全膜法水處理系統中起著預處理的作用；目前主要采用外壓式聚丙烯超濾膜為材料，過濾精度為0.001—0.1微米，它可以去除水中的泥沙、鐵銹、異色、異味、余氯、懸浮物、有機物、膠體、病毒等，超濾膜處理的結果必須滿足反滲透膜（RO）的進水條件，以確保RO膜的長期穩定運行。

超濾膜運行的控制過程如圖2所示，隨著時間的運行，膜表面必將攔截了許多泥沙、鐵銹、懸浮物、有機物等雜質，必須及時地清除掉方能減少攔截的雜質對膜的污染程度，即對超濾系統進行反洗運行；故自動編譯控制設定為系統上電后，在原水箱有水220.00且超濾水箱缺水220.02的控制前提下，原水泵輔助繼電器200.00輸出，同時滿足輸入點0.00（原水泵開）的條件則原水泵啟動；進水閥輔助201.00和出水閥輔助201.01開啟進而進水閥101.02和出水閥101.03開啟.原水泵啟動后超濾系統運行，當其運行3600秒后（C010計數器采用1.0秒時鐘脈沖）開始反洗超濾膜，同時反洗過渡時間3秒，即T011啟動，進水閥輔助201.00和出水閥輔助201，01關閉，指示進水閥101.02和出水閥101.03關閉；反洗泵自輔200.01和排放閥自輔201.03開啟進而指示排放閥101.05開啟和反洗泵100.02運行，開啟反洗過渡時間T013，3秒后開始反洗，反洗時間C012計時90秒，90秒后運反過渡時間3秒，即T013啟動，使得C010和C012復位，原水泵自輔、進水閥自輔和出水閥自輔啟動進而原水泵、進水閥和出水閥開啟設備再次正常計時運行，周而復始做到自動清洗和正常運行。自動控制狀態下，輸入點0.00/0.02/0.09/0.10/0.11/1.00由面板開關控制都處于閉合狀態。目前的超濾系統PLC控制，主要針對減少超濾膜的可能性污染而設計的，大型系統可能根據不同進水水質需要進一步對進水指標和阻垢劑加藥量及ORP的控制設置，以便使得系統穩定運行。

4.2.3反滲透（RO）和電除鹽（EDI）控制解析（圖3）

反滲透系統的正常運行是全膜法水處理中的重要環節，RO膜具有其獨特的特性，它的膜孔徑非常小，只有0.0001微米，它可以濾除水中幾乎一切的物質；由于RO膜攔截離子、粒子的效率非常高，脫除率可以達到98%以上，這樣勢必帶來各種各樣的雜質對RO膜的污染，為了減少污染，RO膜運行一段時間后需要把濃水側的水定時排掉并加一定濃度的阻垢劑，同時設有低壓（0.05MPA-0.1MPA）保護控制，以確保高壓泵正常運行。如圖3所示，當超濾水箱有水220.01和純水箱缺水220.04條件滿足后，一級高壓泵100.03啟動且阻垢劑加藥泵連鎖啟動，同時C030計數器開始計時，二級低壓1.02滿足后啟動計時器T040計時兩秒，兩秒后二級高壓泵100.04啟動正常產水運行；運行1200秒（C030設定的時間）后濃水排放閥自輔201.07啟動，進而濃水閥101.01開啟，且濃水排放閥自輔201.07常閉點斷開使得二級高壓泵關閉，在一級高壓泵的驅動下RO膜濃水側堆積的雜質被大流量的水給沖走排放掉，進而起到了保護RO膜的作用；C030時間到則啟動C031計數器且C030復位，C031計時120秒后濃水排放閥自輔201.07關閉進而濃水閥關閉，且二級高壓泵開啟，RO設備再次產水，如此反滲透系統往復控制運行。

電除鹽（EDI）它是通過電壓驅動下水中離子通過陰陽離子選擇性透過陰陽膜，從而除去水中的微量離子進一步提純水質。為了防止膜被燒毀，必須先通水后通電，這是EDI控制的首要任務之一。當純水箱有水220.03和超純水箱缺水220.06條件滿足時，EDI泵100.05啟動同時計時器T041啟動，兩秒后EDI電源啟動，EDI正常運行。

自動控制狀態下，輸入點0.03/0.04/0.05/0.06/0.07/0.08由面板開關控制都處于閉合狀態。

由于系統不大，RO產水直接進水箱故沒有設置高壓保護，大系統中都設有高低壓保護，高壓保護是防止RO膜背壓的產生以至于對膜造成傷害。

結語

以上介紹的全膜法水處理系統是由超濾、反滲透、和EDI等膜組件集成的，通過PLC控制了所有的泵閥件控制，即超濾的定時正洗和反洗帶來的泵閥開關量，反滲透膜的正常運行需要的進水和產水的高低壓控制、產水電導率控制，電除鹽的泵閥的控制、不同處理工序的水箱液位控制等，實現了全膜法水處理系統中的基本控制。應用PLC控制，提高控制精度，使得系統運行穩定可靠，降低勞動強度，極大地提高了水處理過程的自動化程度，提高了勞動生產率，而且控制程序可隨工藝流程需要而做相應的調整，通過對PLC編制相應程序即可實現。

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