小型海水淡化装置的控制系统设计研究

郭辉兵

（上海市房地产学校，上海 201702）

随着人类向海洋的探索和利用，人们对淡水的需求从陆地转向了大海。淡水资源日益短缺已成为人们关切的问题，能够解决水资源短缺的海水淡化技术显得尤为重要。现在的远洋船舶为了增加载货量，淡水储存舱容积一般设计较小，所以在停靠港口补充物资时无法装载足够的淡水。为了满足船舶乘员和设备对淡水的使用需求，一般在远洋船舶上面装有海水淡化装置。对于发展中国家来说，海水淡化自动化程度不算很高。这就需要大量的人力，而且工人的作业环境、安全、生产效率都不能有效保证，带来了人力物力的浪费。因此设计一种自动化程度高，便于操作、维修、监控的海水淡化系统受到了国内外广大客户的青睐。本文设计了一套具有基于SiemensPLC的较高自动化水平的小型海水淡化装置控制系统，使其能够更好的满足工业生产、居民生活的需求，并且减轻劳动强度，节省产业成本，增强企业的市场竞争力。控制系统能够保证系统自动运行，自动清洗，还能在系统出现故障时报警或停机。

1 控制系统硬件设计

采用Siemens PLC进行控制，并通过串口与液晶触摸屏进行通信。控制系统采集磁感应开关、四个压力传感器、液位计、产水阀感应开关、开机/停机按钮信号，实现对海水淡化泵、两个气动电磁阀、冲洗水泵、低压电磁阀、高压电磁阀和声光报警器的动作。小型海水淡化装置控制系统原理如图1所示。

图1 小型海水淡化装置控制系统原理图

2 控制系统软件设计

触摸屏布置以及系统软件工作状态分别如图2、图3所示。

图2 触摸屏布置示意图

图3 系统软件工作状态图

在装置电源打开后，PLC自动记录各项时间及参数的变化，触摸屏显示实时数据，并在信息栏中显示系统状态。在任何时刻均实时显示压力数据，但流量数据仅在正常运行流程中显示。

如第一次进入控制系统，可以通过触摸屏选择对装置进行调试，开始初始化流程。初始化流程结束后，即进行正常运行状态。一般情况下，按开机/停机按纽，直接进入正常运行状态。如产水阀未打开，则系统处于暂停状态。在水量足够，或者需要更换前处理过滤器、进行长期停机贮存、反渗透膜清洗时，须进入停机流程。

2.1 初始化流程

在系统第一次运行时，以及反渗透膜保养后第一次使用时，须进行系统初始化。首先，将海水淡化泵竖直放置于水中，排空内部气体；连接管路、电缆；打开手动阀门，做好初始化准备。然后，系统自动进行初始化流程。此时，高压电磁阀自动打开，然后海水淡化泵启动。按下金属滤芯过滤器、活性炭过滤器、保安过滤器上的红色放气按纽，进行手动排气，直至没有气泡冒出。达到限定运行时间（初始值为5min）后，高压电磁阀自动关闭。1h后，海水淡化泵停止运行，两个气动三通阀均置于功能口通高压水位置，自动依次打开高压电磁阀和低压电磁阀，并打开冲洗水泵对装置进行冲洗工作。待液位达到液位计下限时，停止冲洗水泵。然后，开启海水淡化泵，待水箱液位达到液位计上限时，停止海水淡化泵工作。自动依次关闭低压电磁阀和高压电磁阀，气动三通阀恢复至原位。初始化流程结束后。

2.2 正常运行流程

开启海水淡化泵后，将两位五通阀其中一只打开，另一只关闭。

当能量回收泵内部活塞运行至某一末端时，磁感应开关感应到能量回收泵的位置后将位置信号传递给PLC，然后，PLC控制两只气动二位五通电磁阀，进而控制两只气动三通阀动作切换能量回收泵动作方向。PLC记录正常运行时间、磁感应开关动作时间和动作次数，并进而换算成进水流量、出水流量与产水流量。

2.3 清洗流程

（1）原水冲洗流程。当反渗透膜两端压差超限定值（初始值为1.4bar）；或运行时间超过限定值且为用水低谷（初始值为48h，凌晨2点）；或淡水置换前，自动进行原水冲洗。在认为需要时，也可以手动进行原水冲洗。将两只气动三通阀均置于功能口通高压水位置，打开高压电磁阀。1h后将两只气动三通阀恢复原位，关闭高压电磁阀，原水冲洗流程结束。

（2）淡水置换流程。在运行时间超过限定值后（初始值为96h，凌晨2点），系统自动进行反渗透膜组件淡水置换。在认为需要时，也可以手动进行淡水置换。反渗透膜组件淡水置换步骤同初始化。

2.4 设置流程

可设置的参数包括高压超压报警值、高压超压停机值、低压超压报警值、低压超压停机值、过滤器堵塞压差值、反渗透膜堵塞压差值、时间、日期和恢复出厂设置。

2.5 调试流程

可调试的流程包括初始化流程、海水淡化泵动作调试流程、压力传感器调试流程、安全阀调试流程、低压电磁阀调试流程、高压电磁阀调试流程、磁感应开关调试流程、两位五通阀调试流程、液位计调试流程、冲洗水泵调试流程和声光报警器调试流程。

2.6 查询流程

可查询的流程包括：工作总时间、最近一次工作时间、控制阀动作次数、最近一次控制阀动作时间、总产水量、原水冲洗次数、最近一次原水冲洗时间、淡水置换次数、最近一次淡水置换时间、总报警次数、高压超压报警次数、最近一次高压超压报警时间、低压超压报警次数、最近一次低压超压报警时间、前处理过滤器堵塞报警次数、最近一次前处理过滤器堵塞报警时间、反渗透膜堵塞报警次数、最近一次反渗透膜堵塞报警时间、低压路压传损坏报警次数、最近一次低压路压传损坏报警时间、高压路压传损坏报警次数、最近一次高压路压传损坏报警时间。

2.7 报警流程

当系统出现故障时，自动进入报警流程，启动声光报警或停机，同时记录报警时间及次数。当达到退出报警条件后，退出报警流程，回到正常运行流程中。

（1）当系统低压路超压至报警值（初始值为6.5bar）时，低压路超压报警。当系统低压路超压至停机值（初始值为7bar）时，低压路严重超压，停机。当不再超压（初始值为6.4bar）时，关闭声光报警并正常运行。

（2）当系统高压路超压时至报警值（初始值为5MPa）时，高压路超压报警。

当系统高压路超压至停机值时（初始值为6MPa）时，高压路严重超压，停机。当不再超压（初始值为4.5MPa）时，关闭声光报警并正常运行。

（3）在低压路压差值达到限定值（初始值为1bar）时，过滤器堵塞报警。

（4）当反渗透膜堵塞经原水冲洗3遍后仍堵塞，则报警并停机。

（5）在正常运行流程中，当反渗透膜膜前压力小于1bar时，海水淡化泵气堵报警。

（6）当流量小于60L/min时，海水淡化泵供电不足或者主流路泄漏报警。

（7）当反渗透膜膜前压力和膜后压力变化小于0.2bar且流量小于10L/min时，海水淡化泵断路或短路报警。

（8）当海水淡化装置进出口压力小于2MPa时，磁感应开关短路或断路报警。

4 结语

本控制系统运用Siemens PLC作为自动控制的核心设备，操作方便、灵活、安全可靠。结果表明，该控制系统能够完全达到设计要求，能够满足对产量和水质的实时控制要求，减轻了使用者管理和操作的强度。对于降低海水淡化成本，壮大海水淡化产业，缓解淡水严重缺乏的现状，具有重要的现实意义，并对于相关海水淡化控制系统的技术改进有一定的借鉴意义。