基于PLC反滲透海水淡化控制系統的設計與開發

李雁飛,馮 濤,李 楠,邵天寶,俞永江,仲崇杰,王海軍

(1.海軍工程大學動力工程學院,湖北 武漢 430033;2.自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所,天津 300192;3.青島華歐海水淡化有限責任公司,山東 青島 266500;4.青島開投砼業有限公司,山東 青島 266500)

0 引言

隨著社會經濟的深入發展和人口的不斷增長,淡水資源的日漸短缺已經成為全球共同面臨的生態問題。而海水淡化作為重要的水資源開源增量手段,在解決全球水資源危機方面至關重要[1-5]。

反滲透作為海水淡化的主流技術之一,具備設備維護簡單、能耗低、組合靈活等優勢[6]。隨著反滲透技術的日益成熟,其工藝過程變得越來越復雜,對操作維護人員的專業技能要求也越來越高。國內外工程實踐表明,操作技能和維護水平對海水淡化裝置的穩定運行至關重要,進行充分的專業技能教學培訓也十分必要。

本文研建了1套面向高校教學的反滲透海水淡化實訓裝置。該裝置用于承擔反滲透海水淡化原理剖析、實操培訓、常見故障處理等教學任務。

本文以20 t/d的試驗裝置為依托,對控制系統的設計開發過程及應用效果進行詳細介紹[7-11]。

1 工藝介紹

反滲透海水淡化試驗裝置采用“多介質+精密過濾+保安過濾+一級反滲透”的工藝流程,主要由預處理、反滲透及化學清洗這3個單元組成。反滲透海水淡化工藝流程如圖1所示。

圖1 反滲透海水淡化工藝流程示意圖

①海水經提升泵加壓后依次進入多介質過濾器、精密過濾器和保安過濾器,以去除大部分海水中的沙粒、懸浮物,從而保證產水濁度小于1 NTU。

②經過預處理過濾后的海水分成兩路:一路經高壓泵加壓后進入到一級反滲透膜組;另一路進入能量回收裝置(energy recovery device,ERD),利用反滲透濃海水的余壓進行加壓,再由增壓泵加壓后進入反滲透膜組。

③經過反滲透處理的產水以及排放的濃海水,按照實際功能要求返回至配置水箱或直接排放。

2 控制需求分析

2.1 預處理單元

海水中的懸浮物、膠體等物質會堵塞膜孔,影響膜通量,引起反滲透膜元件的跨膜壓差升高,從而導致產水量下降。同時,海水中的大顆粒懸浮物會導致反滲透系統中ERD的轉子卡死,從而影響整套系統的運行。由此可見,預處理單元工藝的選擇對后續反滲透系統的可靠、穩定運行至關重要。因此,本文研發的反滲透海水淡化裝置采用“多介質過濾+精密過濾+保安過濾”的強化預處理工藝,以確保預處理產水水質滿足反滲透系統的進水要求。

多介質過濾器和保安過濾器在工作一段時間后,顆粒雜質會逐漸凝聚在濾料或濾芯表面,導致海水經過預處理的通量逐步下降,影響預處理系統的產水量。在控制過程中,通常采用以下方法對預處理系統的堵塞情況進行監控和判斷。

①多介質過濾器。通過程序設計累計運行時間的方式,判斷多介質過濾器是否需要進行正洗和反洗。程序對海水提升泵和進水電動三通閥信號進行監控。當海水提升泵處于運行狀態且進水電動三通閥處于進水狀態位累計運行24 h(在線可調)時,監控界面提示系統停機并對多介質過濾器進行正洗和反洗。

3臺電動三通球閥(MV02～MV04)安裝在多介質過濾器的進出水管路上。可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)程序根據不同的組合,可實現多介質過濾器產水、正洗和反洗等不同運行工況的自動切換。同時,根據具體情況通過觸摸屏,可對各工況的運行時間進行手動修改。多介質過濾器不同工況下閥門的狀態如表1所示。

表1 多介質過濾器不同工況下閥門的狀態

②保安過濾器。通過保安過濾器出口(也就是高壓泵進口)的電接點壓力表,可判斷保安過濾器的濾芯是否需要更換。當系統實際運行壓力小于等于電接點壓力表(PS03)低壓報警值(0.15 MPa,可調)時,監控界面會提示更換保安過濾器濾芯,同時整個系統會自動停機。

2.2 反滲透單元

反滲透單元是整個海水淡化裝置的重要組成部分。該單元涉及反滲透膜元件、高壓泵和能量回收這3大反滲透海水淡化核心部件。

反滲透海水淡化試驗裝置的主體設備選型如下。反滲透高壓泵選擇丹佛斯APP1.0型號產品。其流量為1 m3/h、揚程為550 m。能量回收選擇ERI的PX-30S系列產品。其流量為4.5～6.8 m3/h、效率為95.2%。反滲透膜元件選擇陶氏公司的SW30HRLE-400系列高壓海水膜。其單支膜脫鹽率為99.65%、有效膜面積為37 m2。反滲透設備及儀表分布如圖2所示。

圖2 反滲透設備及儀表分布圖

反滲透海水淡化試驗裝置的控制系統主要包括系統安全連鎖及報警條件、自動運行步序和自動停機步序。

①連鎖條件。

反滲透海水淡化試驗裝置的控制系統主要分為手動和全自動這2種模式。手動運行常用于設備單體調試階段或裝置教學環節中的單體設備教學。

自動模式下,系統設置多個安全連鎖條件,以保障設備安全、穩定運行。當連鎖條件均滿足時,點擊自動運行按鈕,設備將按照程序設計的步驟和順序啟動;反之,裝置將無法啟動,同時界面將彈出對應報警信息。反滲透自動運行需滿足的連鎖條件如表2所示。

表2 反滲透自動運行需滿足的連鎖條件

②自動啟動。

在自動模式下,設備的全流程啟動均由PLC程序自動實現,無需人工操作。反滲透系統邏輯流程如圖3所示。

反滲透主體設備自動啟動完畢后,系統進入運行狀態。設備運行過程中,如不滿足上述連鎖條件,系統將在觸摸屏界面進行報警,并根據報警情況判斷是否對系統進行停機處理。系統自動停機過程與自動啟動過程相反。

2.3 化學清洗單元

反滲透化學清洗周期一般為1～2季度/次。由于清洗系統使用率較低,系統只設計離線清洗程序。系統是否需要停機清洗主要通過以下指標進行判斷。

①反滲透系統產水量(FT01)下降超過設計值10%以上。

②反滲透系統產水電導(AT03)較初始值上升15%以上。

③反滲透進水壓力(PT01)和濃水壓力(PT02)之間的壓差值較初始值上升15%以上。

上述情況發生后,表明系統需要停機清洗。系統進行離線化學清洗時,先將觸摸屏界面“自動模式”切換至“手動模式”,再在觸摸操作界面依次打開對應閥門和清洗泵(P004)進行清洗。

3 控制系統設計

3.1 硬件設計

本文控制系統選取西門子S7-200 Smart系列的 6ES7-288-1SR40型號產品作為控制系統的中央處理器(central processing unit,CPU),同時搭載1塊數字量輸入(digital input,DI)擴展模塊、3塊模擬量輸入(analog input,AI)擴展模塊和1塊模擬量輸出(analog output,AO)擴展模塊。西門子系列產品具有較強的擴展性,同時支持和集成了以太網、RS-485和Profibus DP等通信協議,使得組態方式更加靈活多變[12-13]。反滲透海水淡化試驗裝置的PLC通信硬件配置如表3所示。

表3 PLC通信硬件配置

3.2 PLC程序設計

PLC編程采用西門子的Step7-MicroWIN Smart V2.2軟件進行。根據生產過程控制要求的復雜程度不同,其采用模塊化的編程思想,將程序按結構形式分為主程序塊和其他子程序塊,以提高程序的擴展性和可復制性[14-15]。具體程序塊共6個,分別為主程序塊(OB1)、初始化程序塊(SBR0)、4～20 mA量程轉換程序塊(SBR1)、模擬量程序塊(SBR1)、反滲透程序塊(SBR3)和化學清洗程序塊(SBR4)。

①主程序塊。主程序塊是用于對其他子程序塊上電后進行通電。

②初始化程序塊。程序初次通電后,初始化程序塊可用于對水泵頻率給定、系統報警參數等進行初始化復制。

③量程轉換及模擬量程序塊。量程轉換及模擬量程序塊用于實現現場儀表4～20 mA模擬量信號到監控界面浮點實數的轉換。在Smart V2.2的PLC開發程序軟件中,4～20 mA對應整數5 530～27 648,因此現場儀表的最終讀數應由現場傳輸的信號進行二次轉換。

(1)

式中:Rdis為控制終端顯示參數;Rmax為對應儀表量程上限;Rmin為對應儀表量程下限;YAI為對應儀表模擬量輸入。

④反滲透及化學清洗程序塊。反滲透及化學清洗程序塊用于實現反滲透主機或化學清洗系統中各水泵、閥門的手動啟動及自動啟動。

3.3 人機界面組態設計

控制終端選用昆侖通態的TPC1261Hi系列12英寸(1英寸=25.4 mm)觸摸屏作為人機交互界面(human-machine interface,HMI)。觸摸屏程序采用MCGS7.0組態軟件進行開發。根據工藝和控制需要,HMI設計4幅監控界面,分別為工藝監控界面、參數設置界面、歷史數據查詢界面和在線幫助界面。

①工藝監控界面。工藝監控界面主要展示裝置的整體工藝流程,集中顯示各運行工藝段水泵、閥門的工作狀態及壓力、流量、溫度等參數。工藝監控界面可分為手動和自動2種模式。手動界面可實現對整個工藝流程中各單體設備的啟停。自動界面則可以實現設備的一鍵啟停。

②參數設置界面。參數設置界面用于實現水泵啟動頻率、故障報警等參數的實時在線修改。

③歷史數據查詢界面。歷史數據查詢界面可以查看各工藝參數歷史趨勢情況,并存儲、導出及打印生成的記錄數據。

④在線幫助界面。在線幫助界面可提示系統運行及停機步驟中需要注意的關鍵點。

4 結論

本文針對反滲透海水淡化工藝流程,通過分析預處理、反滲透及化學清洗等反滲透海水淡化具體工藝單元,從硬件設備選型和軟件程序開發等方面設計并開發了1套完整的反滲透海水淡化控制系統。運行結果表明:控制系統設計合理、自動化程度較高、操作界面簡潔直觀、契合高校實操教學和專業培訓。此外,該系統運行穩定、可靠,實現了各子系統之間的高效匹配和協同運行。該系統的成功應用對提高高校教學對象的專業技能和操作水平具有指導意義。