PLC 控制系统在浸没式超滤膜系统中的应用

余天奇，李都望，黄草根

（江西省水务集团有限公司，江西南昌 330096）

以浸没式超滤膜工艺为主体的制水工艺流程占地面积小、出水水质稳定，适合应用于用地紧张的老旧水厂改造项目。相比较于传统制水工艺，浸没式超滤膜工艺更为复杂，其附属设备多，滤饼膜冲洗周期短（通常为1.5 h 左右）。 当膜池数量较多时，平均10 min 左右就有1 个膜池进行冲洗，如此高强度的冲洗工作，如果采用人工操作将很难保证超滤膜系统的正常运行。因此，构建1 个可靠的自动控制系统对于采用该工艺的水厂而言尤为重要[1-2]。

1 项目背景

罗桥水厂位于修水老城区， 建于1980 年代，有1×104m3/d、2×104m3/d 生产线各1 条，采用旋流絮凝斜管沉淀＋虹吸滤池/重力式无阀滤池工艺， 清水通过水泵提升后向老城区供水。 目前日常供水3 000~5 000 m3/d，高峰供水月2×104m3/d，厂区内无闲置的改造场地。随着修水县近几年的快速发展，修水县城水厂供水已无法满足人们日常生活、生产需要。 因此，需要重新启用罗桥水厂的1×104m3/d 生产线。 然而由于该水厂建厂较早，工艺处理流程不尽完善，制水工艺落后，部分构筑物出现风化、穿孔、损坏等状况，致使该生产线处于停滞和瘫痪状况，无法正常供水。 因此，需对其进行改造。

本次项目保留了混凝、沉淀等一期构筑物，对该生产线的虹吸砂滤池进行原址改造，在现有土建基础上改造为浸没式超滤膜工艺，原水经絮凝处理后直接进入超滤膜池，滤后水经消毒后直接进入清水池，再接至城区供水管网。

2 浸没式超滤膜工艺及自控系统方案

浸没式超滤膜工艺是基于超滤膜组件开发出的一种浸没式超滤系统，是MBR（膜生物反应器）的改进型工艺。 该工艺用膜组件替代了传统工艺中的二沉池，进行固相和液相分离[3]。

针对工艺特点，自控系统拓扑结构选用PLC＋HMI＋PC 框架：采用PLC 作为现场控制单元，HMI 触摸屏完成现场控制功能，中控室设置上位机PC 作为监控平台。 PLC 与HMI 通讯采用RS485 协议，PC与PLC 通讯采用工业以太网TCP/IP 协议，保证了系统的稳定性，也提升了系统的拓展性。

3 现场PLC 子站控制架构

在罗桥水厂改造工程中，根据新增的浸没式超滤膜设备及原有工艺设备的情况，综合考虑工艺流程相关性及区域位置分布，共设置了2 套PLC 子站，分别位于加药间和超滤膜池。

3.1 加药系统PLC 子站

加药系统由PAC 投加系统和絮凝沉淀池组成。

1）PAC 投加系统。为保证投加量精确度，加药系统设为自动控制，根据进水量大小改变投加量。 主要监测：进水流量信号、储罐液位信号、计量泵工作状态、搅拌机工作状态，从而实现精确化加药。系统能根据进水量大小自动控制PAC 投加量， 实现远程/就地控制加药计量泵。

2）絮凝沉淀池。 主要监测沉淀池搅拌机工作状态、排泥阀工作状态、原水浊度、pH/T、流量、沉淀后出水浊度。 实现功能包括：根据设定顺序、周期、开/关时间的要求，自动控制排泥阀进行排泥；远程操控搅拌机转速以改善絮凝效果； 接收并上传检测仪表数据。

3.2 超滤膜系统PLC 子站

超滤膜系统由膜池、滤饼层维护系统、CIP 药洗系统、曝气系统、真空引水系统等组成。

1）膜池。 本项目共有膜池8 个，单个膜池装有100 帘膜元件。池正常运行时，1 个产水周期包含产水90 min 和1 次气反冲洗。当完成5 个产水周期后，进行1 次膜池排空和气水混合反冲洗；当累计完成150个产水周期后，进行1 次药洗。自控系统的步序控制主要根据膜池的液位信号进行判定， 当膜池液位到达预设值时，便进行相应步序。该系统主要监测膜池的工作状态、液位信号、产水逻辑流程、反冲洗逻辑流程、药洗逻辑流程、鼓风机及反冲洗水泵的运行状态等。实现功能包括：根据预设值，能自动进行产水，反冲洗，药洗等逻辑流程；自动控制鼓风机及反冲洗水泵的启/停；接收并上传检测仪表数据。

2）滤饼层维护系统。 滤饼层维护系统包含水反洗单元、滤池水循环单元、药液回收单元。当水反洗单元执行时，水反洗管路相应阀门打开，2 台反洗泵根据程序设定从膜池产水总管上取水进行水反冲洗步序；当滤池水循环单元执行时，滤池水循环管路相应阀门打开，通过循环泵驱动水力，连通储药罐与膜池，达到药剂循环利用、药洗充分反应的目的；当药液回收单元执行时，现场配备了大小2 个储罐，小储罐为高浓度药剂罐，需抽加至大储药罐进行稀释，然后才投入药洗步序。为避免药剂浪费，当药剂浓度降低时，便通过高浓度药罐及其附属管道对大储药罐进行重新配比。该系统主要检测各个阀门的工作状态、储罐液位信号、循环泵及输药泵的工作状态、检测仪表数据信号等。实现功能包括：根据程序预设值，能够自动运行上诉单元的逻辑步序及相应阀门的开/关；远程控制循环泵及输药泵的启/停；接收并上传检测仪表数据。

3）维护性化学清洗系统。 维护性化学清洗系统包含柠檬酸加药单元、次氯酸钠加药单元、氢氧化钠中和加药单元、还原剂加药单元。柠檬酸加药单元即维护性酸化学清洗，去除膜的有机污染及结垢物质。根据程序设定的累计取水周期达到150 次后启用；次氯酸钠加药单元即维护性碱化学清洗，当酸洗效果不明显时，启用此单元进行碱洗。氢氧化钠中和加药单元即用于中和柠檬酸，于酸洗完成后启用。还原剂加药单元即用于中和次氯酸钠，于碱洗完成后启用。该系统主要检测搅拌机的工作状态、储罐液位信号、各个投加泵的工作状态、检测仪表数据信号等。实现功能包括：根据程序预设值，能够自动运行上诉单元的逻辑步序及相应设备的启/停；远程控制投加泵及搅拌机的启/停；接收并上传检测仪表数据。

4）曝气系统。 曝气系统由2 台罗茨风机交替运行工作，为超滤膜提供气反冲洗。该系统主要监测鼓风机的运行状态、气管压力参数，阀门工作状态等。实现功能包括：自动控制鼓风机的启/停；远程控制相关阀门的开/关。

5）真空系统。真空系统是膜运行的配套系统，为超滤膜实现虹吸产水的前提条件。 该系统同时包含膜系统的气检系统，通过加装在真空管路上的真空表数据传输，能采集真空系统的运行情况，出现故障时，能及时指导运营人员进行维修。其主要监测真空系统压力，实现功能为远程查看真空系统的运行状态。

6）消毒药剂投加系统。 水处理前后端次氯酸钠加药系统主要提供原水前端及滤后水消毒用，可根据余氯仪反馈值进行加氯范围调整。主要监测余氯分析仪数据、投加泵及输药泵的工作状态、压力计、相应阀门的工作状态等。实现功能包括：前加氯根据原水流量等比例投加；后加氯根据滤后余氯值及进水流量进行负反馈闭环控制投加。

4 自控系统控制叙述

本项目自控系统针对浸没式超滤膜的逻辑控制主要分为两类步序，分别是产水步序（含反冲洗）、药洗步序（含维护性酸洗、维护性碱洗、恢复性药洗）。

4.1 产水步序

启动产水步序允许条件：膜池液位>预设值（2.70 m）；膜池液位<预设值（4.00 m）；无其他膜池单元正在进行补水流程。

1）启动等待：查询并判定允许条件，true 则延时5 s，进入下一步。

2）膜池补水：开进水阀至预设值（50%~100%），待膜池液位>预设值（2.70 m）后，延时1 s 进入下一步； 如果膜池液位在进水阀门开启后120 s 后仍未达到设定液位，发出“膜池补水故障报警”并进入停机报警状态。

3）真空排气：开真空系统，真空度达到预设值后延时30 s（延时时间可变）进入下一步；如果真空度在真空系统开启后120 s 后认为达到设定值， 发出“膜池真空故障报警”并进入停机报警状态。

4）产水：关真空系统，关排气蝶阀，开产水蝶阀，进水阀开度与膜池液位进行PID 调节，保持液位稳定在产水液位（3.50 m）。当产水时间达到预设值（90 min）后，自动触发，转入产水气洗步序；当PLC计时器累计达到预设值（5 次）后，自动触发，转入降液步序；当PLC 计时器累计达到预设值（150 次）后，弹出提示画面，询问运行人员是否转入酸洗步序。

5）产水气洗： 开鼓风机，进行产水气洗（60 s）。

6）降液：当计数器累计达到预设值（5 次）后，关进水调节阀，延时5 s。 当液位小于预设值（2.75 m）时，转入下一步，最大延时120 s。

7）气洗：关产水蝶阀，开反洗进气蝶阀，关排空蝶阀，开鼓风机，进行气洗（100 s），转入下一步。

8）气水洗：开反冲洗水泵，开反洗进水蝶阀，进行气水洗（60 s），转入下一步。

9）排污：前置逻辑判断，若膜池液位到达排污设定水位（4.00 m）时，打开排污阀，执行排污步序；若膜池液位未达到排污设定水位，则跳过本步序，转入下一步。

10）排空：关反冲洗水泵，关反洗进水蝶阀，开排空蝶阀，开反洗排放蝶阀，关反洗进气蝶阀，停鼓风机。 当膜池液位降低到预设值（0.20 m）延时5 s，转入补水步序。

产水步序见图1 所示。

图1 产水步序

4.2 酸洗步序

当计数器累计次数达到预设值（150 次）时，由运行人员确定是否进入酸洗步序。 投加药剂为柠檬酸。启动允许条件：无其他膜池单元正在反洗或化学清洗（如有其他膜池单元执行化学清洗，则该膜池进入化学清洗等待队列， 当其他膜池单元化学清洗完毕后，自动进入化学清洗步序）；膜池液位<2.75 m；输药泵无故障；循环泵无故障。

1）酸洗等待：查询并判定允许条件，true 则延时5 s，进入下一步。

2）加药：关反洗排放阀，开加药入口蝶阀，开反洗进水阀，关排放阀，开反冲洗水泵，开柠檬酸计量泵，当膜池液位达到预设值（3.50 m）时，关反冲洗水泵，关计量泵，关反洗进水阀，延时1 s 进入下一步。

3）浸泡：关加药入口蝶阀，关排放阀，关循环阀，浸泡设定值（24 h）。

4）气洗：间隔时间（60 min）,开反洗进气阀，开鼓风机，气洗时间（120 s）。

5）循环：开循环阀，开循环泵，循环时间（300 s）。

6）输送药液：将废旧药液输往大储药罐，进行二次循环利用。

7）补水：开进水阀，待膜池液位>预设值（3.50 m）后，延时1 s 进入下一步。

8）中和循环：开NaOH 加药泵，中和柠檬酸。

9）排空：关反洗进水蝶阀，开排空蝶阀，当膜池液位降低到预设值（0.20 m）延时5 s，转入下一步序。

酸洗步序见图2所示。

图2 酸洗步序

4.3 碱洗步序

作为酸洗的配合步序，当酸洗效果不佳时，人工进入碱洗步序。步序流程相似，投加药剂变为次氯酸钠，具体步序见图3，在此不再赘述。

图3 碱洗步序

4.4 恢复性药洗步序

当膜组件受到相当程度的污染时， 人工进入此步序。 步序流程相似，药剂种类及药剂量有所变化，具体步序见图4，在此不再赘述。

图4 恢复性药洗步序

5 结语

浸没式超滤膜系统为老水厂改造及新建水厂提供了新的工艺思路。其具有占地面积小、原水抗冲击负荷强、出水水质稳定、自动化程度高的特点，尤其适合运用于中小型水厂改造工程，其自控系统能极大地减轻人工强度。