摘要：反渗透水处理技术作为一种科学技术含量较高的水处理工艺，越来越广泛地应用到各个领域，其处理水源也变得复杂多样化，因此要求在反渗透系统和反渗透预处理设计时予以高度关注。为确保系统长期稳定运行，文章根据控制功能需求，阐述了PLC、HMI和变频器的反渗透水处理系统节能设计，具有工程实践参考作用。
关键词：反渗透；水处理系统；节能设计
1 引言
反渗透技术是利用高于溶液渗透压的压力作用下，产生只允许水分子透过RO膜，而不允许源水中的无机盐、重金属离子、病毒等杂质透过的选择截留作用，最终将纯水严格分离出来的膜分离过滤技术，具有能耗低、无污染、工艺先进、操作维护简便等优点，其产水广泛应用于食品、化工、医药等行业。为了保证制水质量和控制精度，降低劳动强度，优化资源分配，很有必要开发设计自动化程度高的监控系统。基于此，笔者在反渗透水自动处理设备应用于污水处理基础上，将PLC、MCGS和变频器技术实现系统设备的自动控制，从而进行污水的深度处理和二级处理，在减小环境污染，达到排放要求的同时，达到污水回用的目的。
2 反渗透控制系统方案设计
反渗透又称逆渗透，一种以压力差为推动力，从溶液中分离出溶剂的膜分离操作。本方案单级反渗透控制系统设备由纯水箱、水泵机组、PLC及扩展模块、HMI、变频器、显示仪表、交流接触器和中间继电器等组成。单级反渗透污水处理控制系统原理图如图1所示。
图1 单级反渗透污水处理控制系统原理图
在系统运行时，可实时查看系统的电导率和ORP（氧化还原电位），根据此时系统所产生的值来确定加药的计量，使水质达到所需求的标准值。系统向外送水时，PLC会根据管道当前压力的高低（压力传感器反馈的电信号），去调整变频器的转速。压力传感器所检测到的压力反馈信号和压力设定单元的压力设定信号作对比，并将信号输入PLC，经内部PID控制程序的运算，输出转速控制信号给变频器，控制变频器的运转频率，当变频器运行频率达到频率上限值，而供水压力仍未达到预置值时，则PLC会实现增泵控制，反之则会实现减泵控制，以此实现控制水泵机组转速及运行台数，达到稳定供水压力和节能的目的。当给水压力降低而引起的反渗透出力下降等情况，产品水质降低，就应对其进行化学清洗。清洗时，因根据污水的性质加入相对应的化学清洗试剂。
系统增加了人机界面HMI，操作人员可进行向导式操作，实现参数设置，HMI实时显示系统运行状态及故障，操作方便，简单明了，使系统更加智能化和人性化。
3 硬件系统设计
3.1 主机PLC的选择与设计
表1 PLCI/O地址分配表
根据控制功能需求，本系统所需的I/O点数为10点开关量输入，10点开关量输出；5点模拟量输入，1点模拟量输出。综合考虑，选择西门子S7-200系列CPU224（DI14/DO10），一块EM235模拟量输入/输出扩展模块（AI4/AO1）和一块EM231模拟量输入扩展模块（AI4）。PLCI/O地址分配表如表1所示（端子接线图略）。
3.2 其他硬件选择
根据计算参数，选择型号CDL150-30水泵1台，功率37KW；选择型号CDL85-30-2水泵3台；电动机2功率18.5KW；ABB公司ACS550-01-087A-40型变频器，功率45KW；MCGSTCP7062KX人机界面1台及0~1.6MPA压力变送器1个；恩德斯豪斯体积流量变送器2个；+GF+SIGNET8750-1pH/ORP变送器1个；+GF+SIGNET8850-1电导率变送器1个；（其它低压元器件选型略）。
4 软件系统设计
4.1 PLC程序设计
程序主要分为主程序和子程序两大部分。主程序主要编写泵的启停、手动/自动选择、进入子程序。子程序分为：手动子程序、自动子程序、模拟量计算子程序、故障子程序和变频PID计算子程序等。
4.1.1 手动
图2 手动程序流程图
系统上电后，开RO进水阀到位（启阻垢剂、还原剂计量泵）→开RO浓排阀到位→启超滤产水泵（过滤器有水排除时关排空阀，浓水流量稳定）→启高压泵（正常压力应≥0.05Mpa，如果小于则关机，原由：1）可能滤芯被污垢堵住，需更换；2）人为的转动进水和浓水调节阀，需重新调试。（40秒后））→关RO浓排阀。流程图见图2。
RO设备每运行1小时开浓排阀1分钟。RO关机时，先开浓排阀→（40秒后）→关高压泵→关RO泵（超滤产水泵）→关RO进水阀→关RO浓排阀→打开保安过滤器排气阀。
4.1.2 自动
高压泵、反渗透皆在远程位、HMI无停止信号、系统无故障发生，此时启动反渗透运行信号。为防止工作人员误操作，添加高压泵及反渗透远程按钮的自保功能。
打开反渗透进水电动阀（同时打开阻垢剂和还原剂计量泵）→进水阀开到位→启动原水泵并且延时40S→启超滤产水泵（过滤器有水排除时关排空阀，浓水流量稳定）→启动高压泵及浓水排放阀（进行开机冲洗），冲洗时间到→反渗透运行时间到设定时间，第二次冲洗→关RO浓排阀。
两次的冲洗时间及反渗透运行时间可根据实际情况在HMI触摸屏上设定。运行标志和运行时间到进行时间累计清零。流程图见图3。
图3 自动程序流程图
4.1.3 模拟量计算程序
方法：传感器传给仪表电信号，仪表相对应显示读数（在仪表调试无误的情况下），根据设定的量程与所采集的电信号，算出当前的实际值。
1）反渗透电导率，仅做显示，供观察和检测水质。
2）反渗透流量，v做显示，供观察和检测实际流量情况，方便及时调整。
3）ORP（氧化还原电位），仅做显示，供观察和检测水质。
4）液位变送器上采集过来的实际值与在触摸屏上的设定值作比较；当实际值≥设定值，反渗透处于高液位状态。当实际值≤设定值，反渗透处于低液位状态。状态表示用置位和复位指令。
4.1.4 故障程序
把系统所有的故障点相并，输出报警信号。当报警发生时，蜂鸣器发出警告声。
4.1.5 变频PID控制
压力反馈信号和压力设定单元的压力设定信号作对比，并将信号输入PLC，经内部PID控制程序的运算，输出转速控制信号给变频器，控制变频器的运转频率，当变频器运行频率达到频率上限值，而供水压力仍未达到预置值时，则PLC会实现增泵控制，反之则会实现减泵控制，以此实现控制水泵机组转速及运行台数，达到稳定供水压力和节能的目的。
4.2 人机界面HMI程序设计
本系统的HMI（MCGSTCP7062KX）的画面是通过MCGS嵌入版V7.6完成。操作者可以通过画面来设定运行参数和远程设备的启停，实时监控进水阀、排放阀、高压阀、外送泵等远程设备运行状态和故障信息。单极反渗透污水处理工艺流程界面如图4所示。
图4 工艺流程画面
5 结束语
综上所述，反渗透水处理技术能有效去除水中各种盐份，在系统设计中增加HMI，使整个系统运行稳定可靠，具有很好的控制效果。该系统PLC控制变频器进行PID运算，在稳定供水压力和节能的基础上，实现了数据的集中管理、自动控制。在实际联机运行中，提高了水质处理合格率，减轻了运行人员的负担，同时结合人机界面HMI 的应用，实现系统的状态可视化和控制智能化，达到节能环保要求及大规模污水回用的目的。
参考文献：
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[2]林庆峰，俞威，狄小伟等． 反渗透系统的设计与应用［J］．工业水处理，2008，28（4）：74－77．
[3]赵兴圣，崔天柱，郭亚凡，反渗透水处理系统的节能设计[J]人造纤维.2012，42（02）30-31
论文作者:陈伟华
论文发表刊物:《电力设备》2017年第24期
论文发表时间:2017/12/18
标签：反渗透论文; 系统论文; 变频器论文; 压力论文; 子程序论文; 水泵论文; 信号论文; 《电力设备》2017年第24期论文;