基于PLC的反渗透纯水处理监控系统的设计

张永权

摘 要： 市场上的水处理设备有多个种类，各种水处理设备均有各自的操作工艺，比较复杂。以往的控制系统中，水处理工艺流程由时间继电器来控制运行，并由人工操作来完成水质指标监测。本文就用某纯净水厂现有的反渗透水处理设备条件，以WINCC 组态软件为基础，用可编程控制器（Programmable LogicController，PLC）来设计该水厂的反渗透纯水处理结构系统。

关键词： PLC；反渗透；纯水处理系统；组态软件

引言

反渗透技术通常又被称为膜分离技术，过滤水中的有害物质主要利用的半透膜的渗透原理。如果半透膜两侧具有不同的浓度液体，那么就会发生两种液体之间的渗透现象，也就是高浓度溶液中的溶质会向低浓度的溶液运动。如果在这个时候在高浓度溶液附近施加一定压力的话，该作用力就会反作用于自然溶液，致使溶剂在压力的作用下从高浓度一侧移向低浓度一侧，这就是反渗透过程.反渗透制水装置就是根据这一原理设计的。反渗透所使用到的压力是通过压力泵所提供的。通过反渗透膜的透析作用，将原水中的杂质、胶体、有机物、重金属、细菌、病毒等有害的物质截留下来，然后通过污水处理口排出，经过反透膜之后的水就成了最终的食品、化工等纯水。该技术的特点是低能耗、无污染，其工艺先进且只需简便操作维护。

传统操作方法存在工作人员较大的劳动强度，极有可能导致工作人员的误操作行为，从而影响到纯水水质。在设备运行监控方面，缺乏现场监控和数据采集，不利于系统的集中化大型化控制。而设计开发自动化程度高的监控系统，则能有效减轻工作人员的劳动强度，让各种资源得到优化分配，确保制水质量和制水的控制精度。

1 反渗透水处理系统

1.1 水处理系统组成及工艺流程

由于原水通常情况是自来水，在水传输管网过程中污染是不可避免的，因而使得自来水中存在很多不同程度的污染包括重金属、病毒以及病菌等，这些污染物质非常容易造成反渗透膜的积垢和堵塞，使得渗透膜的滤出作用极大的降低了所产水的量，增大膜清洗所耗费的成本也增加了。因而在设计水处理系统的过程中需要注意上述可能出现问题的环节并采取措施予以避免。

原水中的悬浮物和部分胶体物质需要有石英砂过滤器来去除；再通过活性吸附罐和过滤器来过滤到原水中的有害物质如重金属、游离氯、氯仿等；然后原水流入阳离子软化器，将水中的钙、镁离子除去。这就是系统的预处理装置部分，主要为多介质的过滤器。从阳离子软化器经高压泵的原水进入反渗透主机，得到粗纯水，在通过臭氧杀菌后就可得到食品用的纯水。

1.2 水处理系统控制对象及监控要求

在反滲透水处理工艺中，需要对石英砂过滤器、活性碳过滤器、反渗透主机三部分进行监控。这三部分设备直接影响到水处理系统的寿命和制水水质，由此，需要对运行一段时间的这三部分设备进行反洗和正洗或清洗。其中清洗最重要的是反渗透主机，这是由于该部分设备在长时期的运转下或者是预处理失效，就会因为结垢而堵塞反渗透膜膜孔，损坏设备，影响制水水质，必须定期清洗。当水处理系统在运行过程中，必须对高压泵前、后压力是否符合要求进行全程检测，查看其是是否安全正常运转。要定期对阳离子软化器作离子再生操作。在产水出来后，必须要查看水质的电导率检测结果，当水质电导率超过了所要求的产水值，表示产水水质不合格，此时要自动排放出产水，不得让所产生污染已产水，同时要清洗、再生流程，待一切正常后重新产水。原水箱水位直接影响到系统的运行，当原水箱的水位比设定低位系统的水位要低，系统会待机，只有比设定高位系统高是，系统才会开始正常运行。

2 监控系统组成

本水处理系统采用上下位机的监控系统形式，具体如下图。组态软件工控机作为上位机部分，对下位机、实时数据显示与存储进行监控管理；而PLC就算下位机部分，主要对现场水处理设备、上传设备实时数据到上位机进行控制。上下位机之间的数据通信依靠工业以太网完成。触摸屏作为界面，由 PLC 来控制和显示。

3 监控系统设计

3.1 监控系统硬件

本案例中的监控硬件设备为西门子 S7-1200 PLC，以CPU 1215C作为其处理器模块，具备较好的扩展性能，其程序和数据存储空间高达128KB，I/O能够扩展到248 点数字量或64 路模拟量，其以太网通信口共有2个，还兼具PID 自整定功能。CPU 1215C使得PLC 的运动、过程、位置等控制得以增强，扩大了数据监视与采集、通信等功能，符合本文所述水处理系统的和监控系统的功能需求。而以工控计算机作为上位机，带给系统可靠稳定的运行性能。

3.2 位机 PLC 程序编写

以西门子STEP 7 （TIA Portal） 软件作为下位机PLC 的控制程序的编程，编程采取梯形图语言编写，根据控制要求，分成了运行、清洗、再生等不同的设备模块，然后分别对这些模块进行编程，最后再将各模块的编程合为一体，具体的主程序流程为：首先是编写主程序流程，然后再对清晰模块进行编程，最后是对再生模块进行程序编程，具体如下：

主程序流程→清晰模块程序流程→再生模块程序流程编制图

3.3 上位机软件设计

本系统的上位机以组态软件技术为基础，其特点在于集图形、人机界面、数据库、网络与通信、控制等各项技术为一体，完成上位机软件设计，只需采取可视化的组态方式，就能设计出监控软件。由此，组态软件的应用能够带来较高的开发效率，使得软件开发周期缩短。上位机监控程序的组态软件为西门子公司提供的WINCC 7.3 组态程序，可以应用与Windows 平台，在现场数据采集处理后，可以对工程实际问题通过动画显示、报警处理的方式进行解决。上位机软件设计的环境共有两部分，分别是组态、运行这两部分，前者为组态生成应用系统，后者则是解释执行组态结果。

系统组态监控界面。上位机的组态监控界面具有多个显示功能，包括工艺流程显示、测量值显示、设备运行显示、操作模式显示等；显示实时曲线数据和历史曲线数据，将现场数据存储到数据库中，并将设备运行报警信息记录保存；可以修改流量等系统参数设定值；能够快速切换监控系统的操作模式（自动/手动）。

4 通信

本系统利用以太网电缆将工控机和 PLC 进行通信连通，其S7-1215C以太网编程口直接连接到工控机以太网口，设置好下位机编程环境，再设置好WINCC7.3组态软件，将网络主站定为工控机，将网络从站定为S7-1200CPU。而下位机PLC和触摸屏也是通过工业以太网进行通讯。

5 结语

综述，工控机组态软件具有强大的数据处理和图形功能，而具备较强抗干扰的PLC比较适用在工业现场，这样的系统设计能够便于联机运行中的设备的全自动化控制，降低人工操作负荷，所得到的产水质量好，设备运行的可靠性和安全性得到了提升。

参考文献

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