反渗透是主流海水淡化技术之一,具有技术成熟、能耗低、组合灵活等优点,在电力、化工、制药等行业得到了广泛应用^[1]。以天津港某码头反渗透海水淡化系统为例,对其一体化监控系统的设计进行了介绍。

　　 反渗透海水淡化工艺流程如图1所示。

　　 海水经潜水泵提取,投加杀菌剂和絮凝剂后,通过多介质过滤器进入原水箱;随后经原水泵加压进入超滤系统,截留海水中的微生物、胶体、有机物等杂质后进入中间水箱;被中间水泵加压后海水一部分经高压泵提压后直接进入反渗透系统,另一部分进入能量回收系统与反渗透浓水进行压力交换,再通过增压泵提压进入反渗透膜组。反渗透产出的淡水进入产品水箱,浓盐水经过能量交换后直接排放。

　　 反渗透技术对进水水质要求严格,本装置的预处理系统包括多介质过滤和连续超滤装置确保进水水质。在操作压力不变的情况下,海水渗透速率不断下降,需要分别对多介质过滤器和超滤系统进行运行、反冲等过程的自动循环控制。

　　 多介质过滤器的控制过程:采用压力差控制方式和流量累计控制方式^[2],PLC采集进出水管上的流量和压力值,内部程序进行进出水压力差比较和流量累计计算,判断过滤器是否需要进行冲洗。

　　 超滤系统的控制过程:超滤系统由5支并联中空纤维超滤膜构成,整个控制过程主要为各个工艺阀门的开闭操作,从而实现正冲、产水、气洗和反冲洗等过程的交替运行。根据为期2个月的现场试验经验,上述过程的运行时间分别设定为25 min、15s、20s、30s,各阀门开关状态见表1。超滤系统气动阀门分布如图2所示。此外,系统还可根据运行过程的实际需要,在HMI人机界面上对各个时间参数进行修改。

　　 反渗透系统是整个海水淡化装置的核心,在线仪表及控制设备分布如图3所示。控制过程包括开机、停机及紧急停机3部分。

　　 (1)系统开机。中间水箱液位中液位时,系统打开不合格水阀MV01,随后开启中间水泵和增压泵,将反渗透膜组内气体和不合格水排出。2 min后,启动高压泵。PLC监测到产水电导达到要求时,打开合格水阀MV02,关闭不合格水阀MV01,系统进入正常产水过程。产水过程中实时监测高压泵进出口压力以及产品水水质,随时进入系统停机或系统急停状态,实现系统的自保护。

　　 (2)系统停机。高压泵运转频率由变频器控制,阶梯式缓慢降低,当高压泵运转频率降到预设最低转速500r/min时关闭高压泵。增压泵设置2 min的延迟停机,在高压泵停转之后将膜组内残余压力通过能量回收系统循环排放。增压泵关闭之后,依次关闭中间水泵和合格水阀MV02。

　　 (3)系统急停。在自动运行状态下,PLC实时采集高压泵进出口压力值。当高压泵给水压力小于预设值或反渗透进水压力高于预设值时,系统依次停止高压泵、增压泵、中间水泵。为避免反渗透膜组件受到的冲击力过大,系统设置高压泵阶梯式停止保护,即在低转速稳定一段时间后再停止转动^[3]。

　　 加药系统运行直接关系到产水水质和反渗透膜的使用寿命,故将各加药泵的启停与相关水泵的启停相关联,并将程序固化到PLC控制器。

　　 反渗透膜化学清洗周期一般1次/3~6月。当PLC采集到的数据表明反渗透的跨膜压差上升15%或标准产水量下降10%,则需要清洗反渗透膜^[4]。停机清洗时,系统切换到手动控制,通过HMI触摸屏点触控制,依次打开清洗水泵和阀门,对反渗透膜组进行循环清洗。

　　 装置设计为集电气、控制、操作于一体的电控柜,HMI触摸屏被嵌在柜体表面,以减少集装箱内部空间占用。

　　 本装置共有11个模拟量输入点、3个模拟量输出点、29个开关量输入点和24 个开关量输出点。为避免调试期间通信电缆的频繁拔插,选用集成两个RS485通信口,本身包括24数字量输入/16数字量输出的6ES7 216-2BD23-0XB0可编程控制器^[5]。在设计阶段考虑I/O点数的裕量,扩展EM221 系列8点数字量输入模块1 块、EM222系列16点数字量输出模块1块,以及3点模拟量输入/1点模拟量输出的EM235模拟量模块3块。

　　 PLC梯形图程序使用Step7-microWIN4.0 编程软件编写。采用模块化结构设计,将程序划分为初始化模块、模拟量转换模块、系统报警模块、超滤系统以及反渗透模块等。反渗透模块的自动启动和故障报警程序的设计思路如图4所示。

　　 控制程序实现的连锁保护功能有:高压泵的进出口设置低压保护开关和高压保护开关,当供水压力不足使高压泵入口压力低于低压开关设定值(正常为0.12MPa)时,自动停止高压泵;当高压泵出口压力高于高压开关设定值(正常为5.5 MPa)时,自动停止反渗透系统。此外,各水箱均设置高低液位保护开关,要求水箱处于低液位或高液位情况下停止相应的水泵或系统。

　　 为方便数据的记录和存储,HMI触摸屏人机界面选用支持USB口和SD卡的MT81004i触摸屏。该触摸屏配备3个通讯接口,通过RS485通讯线与PLC进行串口通信。

　　 上位机组态画面使用组态软件Easybuild-er8000设计。与PLC的通讯参数为:波特率9 600b/s,8位数据位,1位停止位,偶校验。通过USB口将编制好的工程文件下载至触摸屏处理器中。画面包括系统首页、流程监控、参数设置和在线帮助,流程监控和参数设置画面分别如图5、图6所示。

　　 利用上位机取代传统控制面板上机械按钮操作,将运行过程中各测控点数据及计算结果等系统内部信息可视化的显示在流程界面上。实现了工艺流程介绍、运行状态监控、工艺参数调节、故障诊断帮助等功能。 直观地显示了系统运行状态,方便操作管理。此外,针对现场操作人员流动性大的问题,设计了数据自动记录程序,并以图表等多种形式存储于SD卡,便于对装置运行状况进行查询和分析。

　　 本文提出的基于PLC和HMI的反渗透海水淡化自动控制系统,已成功用于天津某码头反渗透海水装置。经过1年多的运行结果表明,该系统具有自动化程度高、运维操作便利等优点,能够满足自动生产需要,较好地实现了自动控制、流程监视、参数设定、故障报警等功能,对今后中小型海水淡化装置自动控制系统的开发和设计提供了相关经验,值得推广。