基于PLC的熱電廠反滲透水處理系統控制系統設計

席 巍，李 軍，鄭業明，劉長青

XI Wei1,2 , LI Jun2 , ZHENG Ye-ming2, LIU Chang-qing2

（1.北京市智能機械創新設計服務工程技術研究中心，北京 100020；2.北京聯合大學機器人學院，北京 100020）

0 引言

隨著我國經濟的發展與日益加快的城市化進程，在水資源日益短缺、節能減排的今天，熱電廠是用水、排水大戶，用水的費用占企業生產成本的比重在不斷地提高。因而伴隨著水資源的匱乏及環保法律的日趨嚴格，合理利用水資源，提高水的重復使用率已成為熱電廠面臨的重要且緊迫的任務[1]。電廠熱力系統中水的品質是影響電廠熱力設備安全、經濟運行的重要因素之一。沒有經過凈化處理的天然水含有雜質，這種水如果進入水汽循環系統，將會造成各種危害[2]。反滲透技術是目前比較先進和最有效節能的膜分離技術。通過高于溶液滲透壓的作用下，依據其他物質不能透過半透膜，將這些物質和水有效地分離開[3]。

本文針對某熱電廠120T/H反滲透水處理系統，應用PLC技術、PROFIBUS技術和組態軟件技術等，開發設計了自動化程度高的控制系統，實現了對反滲透水處理系統工況參數的在線實時監測以及故障和異常工作狀態的在線診斷，使現場工作人員可以實時地掌控系統的工作狀態，并根據其工作狀態進行控制和實時調度。這降低了工作人員的勞動強度，提高了控制精度，保證了水的品質。

1 反滲透水處理系統的結構及控制要求

1.1 系統結構

熱電廠反滲透水處理系統主要由機械過濾單元和反滲透單元兩個部分組成。機械過濾單元主要包括生水泵、加藥裝置、機械過濾器與反洗水泵。反滲透單元主要包括加藥裝置、保安過濾器、高壓泵、反滲透裝置、沖洗泵、除鹽水箱、除鹽水泵和濃水箱。系統主要機構的功能如下：

1）加藥裝置：在系統運行或者反洗時需要加入相關的藥劑，例如凝聚劑、氧化劑、還原劑與阻垢劑等。

2）機械過濾器：利用薄膜初步過濾生水，將生水中的懸浮物、泥沙、鐵質、錳等以及使用沉淀方法所不能去除的粘結膠質顆粒去除。生水經生水泵升壓后進入機械過濾器，在壓力的作用下，由下而上通過濾料層，進一步降低水中的濁度。

3）反洗水泵和沖洗泵：分別用于機械過濾器裝置和反滲透裝置的反向沖洗，可以消除由于長期正向運行產生的雜質，以防止發生污堵，來確保系統的可靠運行。

4）保安過濾器：即5μm精密過濾器，放置于反滲透單元的進口處，其目的是為了防止來水中可能攜帶的雜質顆粒進入反滲透單元后劃傷或擊穿反滲透膜，保護高壓泵和反滲透裝置中的膜元件，避免其損壞。

5）高壓泵：反滲透單元中的核心設備之一，向進入反滲透膜元件的原水提供壓力，用來克服滲透壓及運行阻力，使裝置達到額定的流量，維持反滲透單元的正常運轉。

6）反滲透裝置：采用膜分離技術，通過反滲透膜（或稱半透膜），用一定的壓力使溶液中的溶劑分離出來。該裝置的孔徑非常小，可以去除濾液中的分子量很小的有機物和離子范圍的溶質，例如病毒、細菌等。

1.2 控制工藝和控制要求

120T/H反滲透水處理系統的整個工藝流程如下：生水通過生水泵，在加入凝聚劑與氧化劑后進入機械過濾器，濾掉了其中大量的雜質；在加入還原劑與阻垢劑后，經保安過濾器進行再次過濾；然后通過高壓泵加壓進入反滲透裝置，經反滲透裝置產生的水進入除鹽水箱；最后經除鹽水泵加壓后進入主廠房，如圖1所示。

圖1 反滲透水處理的工藝流程

機械過濾單元共有4臺機械過濾器，其中3臺正常運行，1臺作為備用。機械過濾器的啟動與停止根據生水的流量進行控制，反洗水泵的啟動與停止可以是手動控制，也可以根據機械過濾器的運行時間進行自動控制。

每臺機械過濾器設有7個閥門，分別是進水閥F1、出水閥F2、反洗排水閥F3、正洗排水閥F4、反洗進水閥F5、壓風進氣閥F6和排氣閥F7，如圖2所示。機械過濾器在運行后必須進行清洗，清洗過程分為6步，即排水、空氣擦洗、反洗、靜止、正洗和備用，其中正洗與反洗時間可根據機械過濾器的運行情況或用戶需求，在上位監控畫面進行設置調整。

反滲透單元共有2套反滲透裝置，每套裝置可以并列運行工作，也可以相互獨立工作。生水經過預處理后達到反滲透的進水要求，經過高壓泵加壓后進入裝有反滲透膜的容器，高壓泵所加的壓力大于滲透壓時，水分子透過反滲透膜進入產水側，到達除鹽水箱。剩余的含有大量鹽分的濃水進入濃水箱。

每套反滲透裝置設有15個閥門，分別是保安過濾器入口閥F1、保安過濾器出口閥F2、保安過濾器排水閥F3、高壓泵出口閥F4（電動慢開閥）、淡水排水閥F5（手動）、濃水閥F6（電動）、清洗進水閥F7（手動）、沖洗進水閥F8、濃水排水閥F9（手動）、反滲透沖洗泵出口閥F10（手動）、濃水調節閥F11（手動）、一段清洗排水閥F12（手動）、二段清洗排水閥F13（手動）、淡水出水止回閥（手動）和膜進水調節閥（手動），如圖3所示。操作員可根據實際用水量的多少或反滲透裝置的運行情況，安排選擇反滲透裝置的運行臺數。同時，在反滲透單元運行過程中，也可以實現反滲透裝置之間的切換。反滲透裝置的操作可分為預沖洗、運行、停機、停機沖洗。

圖2 機械過濾器

圖3 反滲透單元

2 控制系統硬件設計

根據熱電廠120T/H反滲透水處理系統的控制工藝和控制要求，控制系統采用基于PROFIBUS-DP網絡的主從站結構，選擇西門子S7-300PLC的CPU314-2DP作為主站，ET200M作為從站，工控機（上位監控系統）與PLC之間同樣通過PROFIBUS進行通信。

控制系統需要對反滲透水處理系統的各個閥門、水泵、計量泵狀態以及壓力、流量、水質電導率、水箱液位等進行監控。經分析統計，共需要數字量信號208個，其中輸入信號104個，輸出信號104個；模擬量信號24個，其中輸入信號19個，輸出信號5個，控制系統的硬件組態如圖4所示。

圖4 硬件組態

3 控制系統軟件設計

控制系統軟件設計包括PLC控制程序設計和上位監控系統監控畫面的設計。

3.1 PLC控制程序設計

1）機械過濾單元控制程序

機械過濾單元的4臺機械過濾器具有相同的控制工藝和控制要求，圖5為機械過濾單元的控制程序流程圖。

2）反滲透單元控制程序

反滲透單元的2套反滲透裝置的控制工藝和控制要求是相同的，主要完成包括計量泵、高壓泵、電動慢開閥等機構的順序啟停和反滲透裝置的啟停。每套裝置停止運行時，都需進行低壓沖洗。反滲透裝置的控制流程由運行和停機沖洗組成。在不同的階段，需要根據控制要求啟停不同的閥和泵，圖6為反滲透單元的控制程序流程圖。

圖5 機械過濾單元的控制程序流程圖

圖6 反滲透單元的控制程序流程圖

3.2 監控畫面設計

上位監控系統采用西門子的WinCC組態監控畫面。本系統中，將監控畫面分為三大類，分別是系統登錄畫面、工藝流程畫面和其他功能畫面，畫面結構圖如圖7所示，箭頭代表了畫面之間的切換關系。工藝流程畫面中包括工藝總流程、過濾器單元、1號反滲透單元、2號反滲透單元和除鹽水單元5個畫面。其他功能畫面包括參數匯總、實時趨勢、實時報警顯示和報表打印4個畫面。

圖7 監控系統畫面結構

工藝總流程畫面是熱電廠反滲透水處理系統上位監控系統的核心，是實現過程可視化和過程控制的主要畫面，反映了整個系統的運行狀態和工作過程，使操作人員能夠直觀地監控反滲透水處理系統的運行，如圖8所示。例如閥門的開啟與關閉，開到位顯示紅色，關到位顯示綠色，開關均未到位以紅白色交替閃爍來表示；泵的運行與停機狀態，泵運行時顯示的是紅色，泵停機時顯示的是綠色。畫面還可以以數字形式在相應位置顯示各管路的流量和電導率等參數，可以顯示系統各設備當前處于手動或自動運行模式。

圖8 工藝總流程畫面

過濾器單元中每個過濾器都組態了相應的控制面板。用戶可以根據需求對每個過濾器的參數進行設置，例如可以選擇是“正洗”還是“反洗”，可以對正洗時間和反洗時間進行設置等等，如圖9所示。

圖9 過濾器單元畫面

圖10用于實時監控反滲透單元與除鹽水單元，用戶可以根據需求對每個單元分別進行控制。

圖10 一號反滲透單元與除鹽水單元

“參數匯總”畫面可以監視熱電廠120T/H反滲透水處理系統中24個模擬量的變化情況，如圖11所示。“實時報警顯示”用于監視反滲透水處理系統運行過程中的異常和事件，可幫助操作人員快速發現、定位并解決系統的故障和錯誤，有效地減少或避免停機事件和生產事故的發生，如圖12所示。

圖11 參數匯總畫面圖圖

圖12 實時報警顯示畫面

圖13所示的畫面可用曲線顯示各個過濾器進水流量與產品水流量，直觀地反應出水處理系統的運行情況。圖14是120T/H反滲透水處理系統中模擬量數據的報表打印畫面，用戶可以根據需求打印相關數據的“日報表”、“月報表”和“年報表”。

圖13 實時趨勢顯示畫面

圖14 報表打印畫面

4 結語

本文對熱電廠120T/H反滲透水處理的控制系統進行設計，整個控制系統由工控機、PLC主站、從站和現場設備等組成，采用PROFIBUS現場總線通信協議，提高了系統的集成度和可擴展性。使用西門子的WinCC軟件組態了上位監控系統，實現了控制過程的可視化和參數設置等功能，并具有故障報警功能，使系統的安全性進一步提高，減少了控制系統的維護工作量，此外還實現了系統數據的趨勢顯示和打印等功能。目前該反滲透水處理系統控制系統已經在某熱電廠完成了現場調試并投入運行，系統運行穩定，產生了預期的生產效益和經濟效益，減輕了工人的勞動強度，滿足了熱電廠的實際需求。