基于OVATIONDCS的反渗透自动控制的设计与实现

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，沈阳 110006）

0 引言

反渗透（Reverse Osmosis，RO），通过对进水测施加压力，当进出水两侧压差大于半透膜的渗透压时，水溶剂则会透过半透膜至出水侧，胶体、无机离子和大分子溶质等杂志被截留在进水侧，实现了溶质和溶剂高效分离，从而得到净化水的过程。反渗透技术因其分离过程无相变无污染、装置用地面积少、操作简单、高效率低能耗[1～3]等优点，已经应用在海水和苦咸水淡化[4,5]、工业废水和城市中水处理[1,6]、锅炉补给水处理[7～9]等领域。

华能营口仙人岛热电采用反渗透作为锅炉补给水处理的组成部分，其设计为母管制给水、单套冲洗的运行方式，不但具有用地面积省、投资成本低、水泵利用率高、系统灵活、稳定性好等优点，而且具备经济节能特性。反渗透的自动运行能够保证产水水质、减少人工成本、提高运行稳定性。然而给水泵与高压泵数量不对等、单套冲洗等设计方式同时也给反渗透的自动控制带来了很大的困难，顺控逻辑中的“前冲洗”、“排放”、“制水”和“后冲洗”等工作流程非常复杂，并且需要依次控制阀门、冲洗水泵、给水泵、高压泵和加药泵的一系列动作。可见，反渗透的稳定运行关系着供热机组的水源供给，也是奠定母管制给水反渗透设计的重要基础。

华能营口仙人岛热电反渗透采用Ovation控制系统构建了DCS集散控制网络，结合母管制给水、单套冲洗方式的实际运行工况，确定了控制回路与信号，提出了顺控步序的设计方案，研究了顺控逻辑的编程方式，验证了反渗透运行的实际情况，总结了调试过程中的问题，并提出了合理化建议。通过顺控逻辑的编程优化和调整试验，制定出一套可靠地顺控逻辑，达到了反渗透自动启动和停机的目的，实现了反渗透的“一键启动”。在倡导经济节能的时代，为母管制给水方式的反渗透设计方案提供一种自动控制思路，为其他的实际工程应用提供经验参考。

1 反渗透系统

1.1 工艺组成

反渗透系统共配备6套反渗透装置，系统主要由给水泵、保安过滤器、高压泵、膜组件、加药设备以及仪表组成。反渗透膜采用GE公司型号为AG8040F-400LF的膜元件，此膜元件具有脱盐率高、透水量大、抗污染性能佳以及化学稳定好等优点；给水泵额定流量400m3/h，共4台；高压泵额定流量230m3/h，共6台；冲洗水泵额定流量230m3/h，1用1备，性能满足单套装置反洗条件的要求；单套反渗透额定产水量169m3/h；装置的进水管、产水管、浓水管以及转机设备装有电导率、pH和ORP等化学仪表与流量、温度、压力等热工仪表，进水、产水、段间和浓水设有取样点，浓水阀前为U型管段，以防止浓水侧水排空而影响膜性能和寿命。反渗透工艺流程如图1所示。

图1 反渗透工艺流程图

1.2 控制回路与信号

控制回路主要有四个方面。1）给水泵、保安过滤器、高压泵和膜组件的制水运行，保证反渗透系统出力正常；2）冲洗水泵的低压冲洗，冲刷掉膜表面的过滤杂质和化学药剂，保证膜表面清洁；3）加药设备向膜组件加入还原剂、阻垢剂和盐酸，保证膜组件寿命和产水pH；4）产水水质与回收率的在线监视，实时监测反渗透系统各项运行指标，确保性能优良。

控制信号主要包括超滤水箱液位低报警、加药箱液位低报警、高压泵入口压力低、出口压力高联锁、反渗透水箱液位高报警、进水ORP和pH、产水电导率和pH以及各流量、压力与温度变送器。保证反渗透系统在稳定可靠的前提下，获得合格的产水水质。

1.3 顺控步序设计

结合现场实际工况与工艺要求，将反渗透顺控步序设计为9个步骤。阀门开关和泵机启停的顺序和状态如表1所示，顺控步序是基于时序与状态的转换，每步指令编有相应的反馈，当前指令未执行完成，后面的指令不许执行。点击启动按钮后，顺控按照表1逐步依序进行，每步对应的反馈满足后，则继续执行后面的指令。步骤6制水是通过点击下一步按钮实现状态的转换，其他步骤的状态转换采取定时触发。

2 控制系统与控制思路

2.1 控制系统

本工程主网和辅网均采用艾默生控制系统有限公司基于Windows平台的Ovation控制系统构建了机组的DCS集散控制网络。锅炉补给水处理系统控制纳入辅助车间DCS控制，辅网与主网统一使用DCS控制，能够为系统检修维护带来极大的方便。DCS是安全可靠双冗余的高速通讯网络，具有可扩展性强、开放性好、模块更换便利、统一数据库以及支持现场总线技术等优点[10]；Ovation控制系统结合目前最先进的计算机与通讯技术于一身，同时支持现场总线控制，是过程控制与企业管理信息科技一体化的范例，Ovation控制器在电力工业的过程控制中功能极为强大，可以按工况需求实现多任务、多系统兼容性的操作和执行等功能，且能够完成完全的无扰切换，目前已在电力工业有良好广泛地应用[11,12]。同时本工程采用现场总线（Field bus）通信技术对现场执行机构、仪器仪表与控制器的数据进行采集，不仅使得控制系统更加分散，而且可以在高级控制系统和现场控制设备之间实现双向传输、多站以及数字化信息通讯，使得系统维护方便，从而实现数字化电厂。总线技术采用的是Foundation Fieldbus（简称FF）和Profibus-DP现场总线标准。不但可以达到现有系统的实际需求，而且有利于系统的拓展和升级。

表1 反渗透顺控步序表

2.2 控制思路

Ovation控制系统的组态内容包括点数据库组态、工艺流程图组态、控制逻辑图组态。反渗透系统控制逻辑组态主要利用系统的SEQ功能块、MASTERSEQ功能块和DEVICESEQ功能块实现的。其中，MASTERSEQ功能块是作为支配控制功能有序进行的一种监督算法，利用DEVICESEQ功能块衔接组态中每个步骤中执行的逻辑功能[13]。MASTERSEQ功能块控制运行指令，DEVICESEQ功能块控制设备的动作，具体到设备上，即连接表1中的阀门和泵机的动作顺序。

锅炉补给水水质的好坏会严重影响电力设备的寿命，因此，想要实现反渗透的自动控制需要结合实际工况，既要满足反渗透工艺自身的需求，也要达到产水水质合格的要求。从反渗透工艺角度看，母管制给水和加药方式，单元制高压泵和单套冲洗方式的实际工况。将反渗透的控制方式设计为有装置运行时启动加药泵，装置全部停运时停止加药泵；装置排队按时序进行冲洗，保证单套冲洗的工艺要求；高压泵与装置一一对应启停；根据给水泵和高压泵的额定流量来确定给水泵与高压泵投运的数量对应关系，即给水泵与装置的数量对应关系，具体情况如表2所示；再者考虑到反渗透系统较少6套同时运行的工况，将4#给水泵同时作为1#～3#给水泵的备用，从而能够达到定期切换泵机的目的，避免反渗透负荷较低，4#给水泵长期不运行而导致的泵体腐蚀和机械密封漏水等问题的发生。即反渗透系统的自动控制主要是控制给水泵、加药泵、高压泵、冲洗水泵以及设备本体上的阀门。

3 顺序控制逻辑组态的实现

3.1 冲洗水泵自动控制的实现

为了保证反渗透膜的清洁程度和产水效率，需要定期对膜组件进行低压冲洗。现利用1#反渗透装置和1#冲洗水泵来说明冲洗的逻辑组态，实现单套装置冲洗的目的。

1#反渗透运行步序如图2所示，MASTERSEQ功能块支配顺控逻辑有序进行，DEVICESEQ功能块去实现每个步骤中的逻辑指令。联合表1可知，步序表中的1、2、8、9指令执行的是冲洗步骤。由图2知，触发步序启动按钮，进行到运行指令1时，1#反渗透顺控步序指令1发出与2#～6#装置顺控步序中1、2、8、9指令未发出同时满足时，自动进入1#反渗透顺控步序指令1；进行到运行指令7时，1#反渗透运行反馈7满足并且1、2、8、9指令未发出，则会继续运行指令8，进入冲洗步骤，否则顺控步序将处于等待状态中。这种逻辑组态方式能够达到6套装置排队冲洗的目的，满足了单套冲洗的工艺要求，确保了顺控逻辑的顺利进行。

对于1#冲洗水泵的自动控制为在1#冲洗水泵投用的条件下，有任意一套反渗透发出启动或者停止指令，则会自动启动或者停止1#冲洗水泵。由表1知，自动运行至步骤1和8时，当浓水阀、排水阀和冲洗阀按照次序开启后，再启动1#冲洗水泵进入冲洗步骤；自动运行至步骤2和9时，当1#冲洗水泵停止后，再关闭冲洗阀，同时根据工况来控制浓水阀和排水阀的开关状态。这种逻辑设计符合实际工况的要求且能够保证系统通路，避免因阀门故障无法开关时，发生憋泵甚至损坏膜组件的情况。

3.2 给水泵自动控制的实现

现利用1#反渗透和1#给水泵来说明给水泵的控制办法，1#给水泵的自动启动控制如图3所示。可知，逻辑组态通过count计数功能块计算出自动运行装置的数量X，用数值X和2作比较，只有在X=2，并且有任意装置发出启动1#给水泵指令时，1#给水泵即自动启动；结合表2得出，只有在X=3，并且有任意装置发出启动2#给水泵指令时，2#给水泵即自动启动；只有在X=4和5，并且有任意装置发出启动3#给水泵指令时，3#给水泵即自动启动；在4#给水泵为主用泵的条件下，只有在X=6，并且有任意装置发出启动4#给水泵指令时，4#给水泵即自动启动；在4#给水泵投备用状态下，当停止状态的1#～3#给水泵启动指令发出后20s内未运行，并且有任意装置发出启动相对应的给水泵指令时，即自动启动4#给水泵。

表2 给水泵与装置投运的对应关系

图2 1#反渗透运行步序

通过这种逻辑组态方式，在4#给水泵为主用状态下，能够满足6套装置同时运行的给水需求；在4#给水泵投备用状态下，当1#～3#给水泵故障或检修时，能够继续保证反渗透的自动运行，同时也能够达到定期切换泵机的目的。

图3 1#给水泵的自动启动控制

在反渗透自动运行的条件下，当任意装置运行至步骤7时，并且浓水阀和排水阀已开启、高压泵已停止，此装置即会向4台给水泵同时发出停止指令，然后由给水泵控制逻辑模块去判断如何动作。1#给水泵的自动停止控制如图4所示。由图4和表2可知，当count计数功能块计算到数值X＜6时，并且装置发出停止4#给水泵指令，即满足4#给水泵的自动停止条件，4#给水泵自动停止；理解为在6套装置同时自动运行的情况下，当有任意1套装置制水结束时，则停运4#给水泵。当count计数功能块计算到数值X＜4时，并且装置发出停止3#给水泵指令，即满足3#给水泵的自动停止条件，3#给水泵自动停止；理解为在5套装置同时自动运行的情况下，当有任意1套装置制水结束时，则停运3#给水泵。当count计数功能块计算到数值X＜3时，并且装置发出停止2#给水泵指令，即满足2#给水泵的自动停止条件，2#给水泵自动停止；理解为在3套装置同时自动运行的情况下，当有任意1套装置制水结束时，则停运2#给水泵。当count计数功能块计算到数值X＜1时，并且装置发出停止1#给水泵指令，即满足1#给水泵的自动停止条件，1#给水泵自动停止；理解为在2套装置同时自动运行的情况下，当有任意1套装置制水结束时，不停运1#给水泵，只有在运行的2套装置都制水结束时，才会自动停运1#给水泵。

图4 1#给水泵的自动停止控制

在4#给水泵投备用条件下，当1#～3#给水泵接收到停止指令时，并且1#～3#给水泵处于停止状态时，即自动向4#给水泵发出停止指令。理解为，在1#～3#给水泵原本就处于停止状态时，再接收到停止指令时，就意味着4#给水泵作为备用在启动运行，此时实际需要停止的是4#给水泵，这种情况则会自动向4#给水泵发出停止指令将其停止。

此种逻辑组态编程不仅简化了逻辑数量和复杂程度，而且能够使得4台给水泵根据实际工况需要自动启停，4#给水泵作为备用时，也能够实现启动和停止的自动控制。同时备用泵的存在，也在一定程度上增加了系统的稳定性，为系统长期稳定运行提供了保障，而且便于以后的维护检修。

3.3 高压泵自动控制的实现

根据表2可知，步骤4中的第一个指令即是启动高压泵，高压泵低频率启动，手操缓慢升频率至合理范围内，避免瞬间高压损坏膜组件，然后将高压泵变频器切换到自动状态，通过PID调节反渗透产水流量在设计范围内。高压泵进出口设压力开关报警联锁，利用流量和压力协同作用，确保高压泵安全良好地运行。

即将结束制水时，首先将高压泵变频器切换到手动状态，然后缓慢降频率至20Hz，再点击下一步按钮实现状态转换。在执行步骤7时，需等浓水阀和排水阀都开启后，再发出停止高压泵指令。这是因为变频器从高频状态到完全停止的时间过长，会引发发电气故障信号显示；再者采取低频率停泵，还能减小对膜组件的冲击作用，避免法兰漏水情况的发生。

3.4 加药泵自动控制的实现

为了保证膜组件的化学稳定性、膜通量和产水pH，在运行中加入还原剂、阻垢剂和盐酸。根据表1可知，触发步序启动按钮，当运行至指令4并且高压泵已启动时，即启动加药泵。即1#加药泵选择投用并且有任意装置发出启动1#加药泵时，1#加药泵会自动启动。利用手动设置加药泵冲程，根据给水泵流量通过频率PID调整加药量。

在1#反渗透自动运行至步骤7的条件下，当1#高压泵停止信号和1#～6#高压泵全部未启动同时满足，运行步序中即会向加药泵发出停止指令。理解为在所有高压泵都未运行的状态下，会自动向加药泵发出停止指令。在1#加药泵的自动停止逻辑里，当有任意装置发出停止加药泵时，选择投用的加药泵就会自动停止。通过以上的组态编程，能够使得加药泵在有高压泵运行时启动，在所有高压泵未运行时停止，实现了加药系统启动和停止的自动控制。

4 调试过程中的问题与对策

1）在给水泵自动启动控制里，将进水阀已开与反渗透自动运行并联信号作为启动给水泵的判断条件，能够避免因阀门故障或勿动引发给水泵启动，从而确保反渗透顺控步序正常运行。

2）选取高压泵已启动的非指令代替高压泵已停止的指令，是为了避免因为高压泵出现故障导致没有停止信号反馈，从而造成顺控逻辑中断，有助于顺控稳定性。

5 结论

试验研究是依托于母管制给水、单套冲洗方式设计的工艺进行的。基于OVATIONDCS的控制系统对反渗透工艺进行设计与组态，通过顺控逻辑的优化和组态的编程简化以及现场实际的调整试验，能够确保自动控制满足母管制给水反渗透工艺的需求，实现反渗透装置的启动、冲洗、制水、加药、停机等自动控制；同时取得良好的出水水质，使得设计初衷为经济节能和灵活可靠的母管制给水的反渗透工艺能够良好稳定地运行，为实际工程中的母管制给水反渗透设计提供一种自动控制思路。