基于PLC的熱電廠反滲透水處理系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

席 巍，李 軍，鄭業(yè)明，劉長青

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

（1.北京市智能機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)服務(wù)工程技術(shù)研究中心，北京 100020；2.北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)器人學(xué)院，北京 100020）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與日益加快的城市化進(jìn)程，在水資源日益短缺、節(jié)能減排的今天，熱電廠是用水、排水大戶，用水的費(fèi)用占企業(yè)生產(chǎn)成本的比重在不斷地提高。因而伴隨著水資源的匱乏及環(huán)保法律的日趨嚴(yán)格，合理利用水資源，提高水的重復(fù)使用率已成為熱電廠面臨的重要且緊迫的任務(wù)[1]。電廠熱力系統(tǒng)中水的品質(zhì)是影響電廠熱力設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素之一。沒有經(jīng)過凈化處理的天然水含有雜質(zhì)，這種水如果進(jìn)入水汽循環(huán)系統(tǒng)，將會(huì)造成各種危害[2]。反滲透技術(shù)是目前比較先進(jìn)和最有效節(jié)能的膜分離技術(shù)。通過高于溶液滲透壓的作用下，依據(jù)其他物質(zhì)不能透過半透膜，將這些物質(zhì)和水有效地分離開[3]。

本文針對(duì)某熱電廠120T/H反滲透水處理系統(tǒng)，應(yīng)用PLC技術(shù)、PROFIBUS技術(shù)和組態(tài)軟件技術(shù)等，開發(fā)設(shè)計(jì)了自動(dòng)化程度高的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)反滲透水處理系統(tǒng)工況參數(shù)的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以及故障和異常工作狀態(tài)的在線診斷，使現(xiàn)場(chǎng)工作人員可以實(shí)時(shí)地掌控系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并根據(jù)其工作狀態(tài)進(jìn)行控制和實(shí)時(shí)調(diào)度。這降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了控制精度，保證了水的品質(zhì)。

1 反滲透水處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及控制要求

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱電廠反滲透水處理系統(tǒng)主要由機(jī)械過濾單元和反滲透單元兩個(gè)部分組成。機(jī)械過濾單元主要包括生水泵、加藥裝置、機(jī)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(tǒng)主要機(jī)構(gòu)的功能如下：

1）加藥裝置：在系統(tǒng)運(yùn)行或者反洗時(shí)需要加入相關(guān)的藥劑，例如凝聚劑、氧化劑、還原劑與阻垢劑等。

2）機(jī)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(zhì)、錳等以及使用沉淀方法所不能去除的粘結(jié)膠質(zhì)顆粒去除。生水經(jīng)生水泵升壓后進(jìn)入機(jī)械過濾器，在壓力的作用下，由下而上通過濾料層，進(jìn)一步降低水中的濁度。

3）反洗水泵和沖洗泵：分別用于機(jī)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(yùn)行產(chǎn)生的雜質(zhì)，以防止發(fā)生污堵，來確保系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

4）保安過濾器：即5μm精密過濾器，放置于反滲透單元的進(jìn)口處，其目的是為了防止來水中可能攜帶的雜質(zhì)顆粒進(jìn)入反滲透單元后劃傷或擊穿反滲透膜，保護(hù)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(shè)備之一，向進(jìn)入反滲透膜元件的原水提供壓力，用來克服滲透壓及運(yùn)行阻力，使裝置達(dá)到額定的流量，維持反滲透單元的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

6）反滲透裝置：采用膜分離技術(shù)，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(jī)物和離子范圍的溶質(zhì)，例如病毒、細(xì)菌等。

1.2 控制工藝和控制要求

120T/H反滲透水處理系統(tǒng)的整個(gè)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(jìn)入機(jī)械過濾器，濾掉了其中大量的雜質(zhì)；在加入還原劑與阻垢劑后，經(jīng)保安過濾器進(jìn)行再次過濾；然后通過高壓泵加壓進(jìn)入反滲透裝置，經(jīng)反滲透裝置產(chǎn)生的水進(jìn)入除鹽水箱；最后經(jīng)除鹽水泵加壓后進(jìn)入主廠房，如圖1所示。

圖1 反滲透水處理的工藝流程

機(jī)械過濾單元共有4臺(tái)機(jī)械過濾器，其中3臺(tái)正常運(yùn)行，1臺(tái)作為備用。機(jī)械過濾器的啟動(dòng)與停止根據(jù)生水的流量進(jìn)行控制，反洗水泵的啟動(dòng)與停止可以是手動(dòng)控制，也可以根據(jù)機(jī)械過濾器的運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)控制。

每臺(tái)機(jī)械過濾器設(shè)有7個(gè)閥門，分別是進(jìn)水閥F1、出水閥F2、反洗排水閥F3、正洗排水閥F4、反洗進(jìn)水閥F5、壓風(fēng)進(jìn)氣閥F6和排氣閥F7，如圖2所示。機(jī)械過濾器在運(yùn)行后必須進(jìn)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(shí)間可根據(jù)機(jī)械過濾器的運(yùn)行情況或用戶需求，在上位監(jiān)控畫面進(jìn)行設(shè)置調(diào)整。

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

每套反滲透裝置設(shè)有15個(gè)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(dòng)慢開閥）、淡水排水閥F5（手動(dòng)）、濃水閥F6（電動(dòng)）、清洗進(jìn)水閥F7（手動(dòng)）、沖洗進(jìn)水閥F8、濃水排水閥F9（手動(dòng)）、反滲透沖洗泵出口閥F10（手動(dòng)）、濃水調(diào)節(jié)閥F11（手動(dòng)）、一段清洗排水閥F12（手動(dòng)）、二段清洗排水閥F13（手動(dòng)）、淡水出水止回閥（手動(dòng)）和膜進(jìn)水調(diào)節(jié)閥（手動(dòng)），如圖3所示。操作員可根據(jù)實(shí)際用水量的多少或反滲透裝置的運(yùn)行情況，安排選擇反滲透裝置的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。同時(shí)，在反滲透單元運(yùn)行過程中，也可以實(shí)現(xiàn)反滲透裝置之間的切換。反滲透裝置的操作可分為預(yù)沖洗、運(yùn)行、停機(jī)、停機(jī)沖洗。

圖2 機(jī)械過濾器

圖3 反滲透單元

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)熱電廠120T/H反滲透水處理系統(tǒng)的控制工藝和控制要求，控制系統(tǒng)采用基于PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)的主從站結(jié)構(gòu)，選擇西門子S7-300PLC的CPU314-2DP作為主站，ET200M作為從站，工控機(jī)（上位監(jiān)控系統(tǒng)）與PLC之間同樣通過PROFIBUS進(jìn)行通信。

控制系統(tǒng)需要對(duì)反滲透水處理系統(tǒng)的各個(gè)閥門、水泵、計(jì)量泵狀態(tài)以及壓力、流量、水質(zhì)電導(dǎo)率、水箱液位等進(jìn)行監(jiān)控。經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)，共需要數(shù)字量信號(hào)208個(gè)，其中輸入信號(hào)104個(gè)，輸出信號(hào)104個(gè)；模擬量信號(hào)24個(gè)，其中輸入信號(hào)19個(gè)，輸出信號(hào)5個(gè)，控制系統(tǒng)的硬件組態(tài)如圖4所示。

圖4 硬件組態(tài)

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC控制程序設(shè)計(jì)和上位監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控畫面的設(shè)計(jì)。

3.1 PLC控制程序設(shè)計(jì)

1）機(jī)械過濾單元控制程序

機(jī)械過濾單元的4臺(tái)機(jī)械過濾器具有相同的控制工藝和控制要求，圖5為機(jī)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(jì)量泵、高壓泵、電動(dòng)慢開閥等機(jī)構(gòu)的順序啟停和反滲透裝置的啟停。每套裝置停止運(yùn)行時(shí)，都需進(jìn)行低壓沖洗。反滲透裝置的控制流程由運(yùn)行和停機(jī)沖洗組成。在不同的階段，需要根據(jù)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(jī)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(jiān)控畫面設(shè)計(jì)

上位監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子的WinCC組態(tài)監(jiān)控畫面。本系統(tǒng)中，將監(jiān)控畫面分為三大類，分別是系統(tǒng)登錄畫面、工藝流程畫面和其他功能畫面，畫面結(jié)構(gòu)圖如圖7所示，箭頭代表了畫面之間的切換關(guān)系。工藝流程畫面中包括工藝總流程、過濾器單元、1號(hào)反滲透單元、2號(hào)反滲透單元和除鹽水單元5個(gè)畫面。其他功能畫面包括參數(shù)匯總、實(shí)時(shí)趨勢(shì)、實(shí)時(shí)報(bào)警顯示和報(bào)表打印4個(gè)畫面。

圖7 監(jiān)控系統(tǒng)畫面結(jié)構(gòu)

工藝總流程畫面是熱電廠反滲透水處理系統(tǒng)上位監(jiān)控系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)過程可視化和過程控制的主要畫面，反映了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和工作過程，使操作人員能夠直觀地監(jiān)控反滲透水處理系統(tǒng)的運(yùn)行，如圖8所示。例如閥門的開啟與關(guān)閉，開到位顯示紅色，關(guān)到位顯示綠色，開關(guān)均未到位以紅白色交替閃爍來表示；泵的運(yùn)行與停機(jī)狀態(tài)，泵運(yùn)行時(shí)顯示的是紅色，泵停機(jī)時(shí)顯示的是綠色。畫面還可以以數(shù)字形式在相應(yīng)位置顯示各管路的流量和電導(dǎo)率等參數(shù)，可以顯示系統(tǒng)各設(shè)備當(dāng)前處于手動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行模式。

圖8 工藝總流程畫面

過濾器單元中每個(gè)過濾器都組態(tài)了相應(yīng)的控制面板。用戶可以根據(jù)需求對(duì)每個(gè)過濾器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，例如可以選擇是“正洗”還是“反洗”，可以對(duì)正洗時(shí)間和反洗時(shí)間進(jìn)行設(shè)置等等，如圖9所示。

圖9 過濾器單元畫面

圖10用于實(shí)時(shí)監(jiān)控反滲透單元與除鹽水單元，用戶可以根據(jù)需求對(duì)每個(gè)單元分別進(jìn)行控制。

圖10 一號(hào)反滲透單元與除鹽水單元

“參數(shù)匯總”畫面可以監(jiān)視熱電廠120T/H反滲透水處理系統(tǒng)中24個(gè)模擬量的變化情況，如圖11所示?！皩?shí)時(shí)報(bào)警顯示”用于監(jiān)視反滲透水處理系統(tǒng)運(yùn)行過程中的異常和事件，可幫助操作人員快速發(fā)現(xiàn)、定位并解決系統(tǒng)的故障和錯(cuò)誤，有效地減少或避免停機(jī)事件和生產(chǎn)事故的發(fā)生，如圖12所示。

圖11 參數(shù)匯總畫面圖圖

圖12 實(shí)時(shí)報(bào)警顯示畫面

圖13所示的畫面可用曲線顯示各個(gè)過濾器進(jìn)水流量與產(chǎn)品水流量，直觀地反應(yīng)出水處理系統(tǒng)的運(yùn)行情況。圖14是120T/H反滲透水處理系統(tǒng)中模擬量數(shù)據(jù)的報(bào)表打印畫面，用戶可以根據(jù)需求打印相關(guān)數(shù)據(jù)的“日?qǐng)?bào)表”、“月報(bào)表”和“年報(bào)表”。

圖13 實(shí)時(shí)趨勢(shì)顯示畫面

圖14 報(bào)表打印畫面

4 結(jié)語

本文對(duì)熱電廠120T/H反滲透水處理的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)控制系統(tǒng)由工控機(jī)、PLC主站、從站和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等組成，采用PROFIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議，提高了系統(tǒng)的集成度和可擴(kuò)展性。使用西門子的WinCC軟件組態(tài)了上位監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了控制過程的可視化和參數(shù)設(shè)置等功能，并具有故障報(bào)警功能，使系統(tǒng)的安全性進(jìn)一步提高，減少了控制系統(tǒng)的維護(hù)工作量，此外還實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)顯示和打印等功能。目前該反滲透水處理系統(tǒng)控制系統(tǒng)已經(jīng)在某熱電廠完成了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試并投入運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，產(chǎn)生了預(yù)期的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟(jì)效益，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，滿足了熱電廠的實(shí)際需求。