基于PLC反渗透海水淡化控制系统的设计与开发

李雁飞,冯 涛,李 楠,邵天宝,俞永江,仲崇杰,王海军

(1.海军工程大学动力工程学院,湖北 武汉 430033;2.自然资源部天津海水淡化与综合利用研究所,天津 300192;3.青岛华欧海水淡化有限责任公司,山东 青岛 266500;4.青岛开投砼业有限公司,山东 青岛 266500)

0 引言

随着社会经济的深入发展和人口的不断增长,淡水资源的日渐短缺已经成为全球共同面临的生态问题。而海水淡化作为重要的水资源开源增量手段,在解决全球水资源危机方面至关重要[1-5]。

反渗透作为海水淡化的主流技术之一,具备设备维护简单、能耗低、组合灵活等优势[6]。随着反渗透技术的日益成熟,其工艺过程变得越来越复杂,对操作维护人员的专业技能要求也越来越高。国内外工程实践表明,操作技能和维护水平对海水淡化装置的稳定运行至关重要,进行充分的专业技能教学培训也十分必要。

本文研建了1套面向高校教学的反渗透海水淡化实训装置。该装置用于承担反渗透海水淡化原理剖析、实操培训、常见故障处理等教学任务。

本文以20 t/d的试验装置为依托,对控制系统的设计开发过程及应用效果进行详细介绍[7-11]。

1 工艺介绍

反渗透海水淡化试验装置采用“多介质+精密过滤+保安过滤+一级反渗透”的工艺流程,主要由预处理、反渗透及化学清洗这3个单元组成。反渗透海水淡化工艺流程如图1所示。

图1 反渗透海水淡化工艺流程示意图

①海水经提升泵加压后依次进入多介质过滤器、精密过滤器和保安过滤器,以去除大部分海水中的沙粒、悬浮物,从而保证产水浊度小于1 NTU。

②经过预处理过滤后的海水分成两路:一路经高压泵加压后进入到一级反渗透膜组;另一路进入能量回收装置(energy recovery device,ERD),利用反渗透浓海水的余压进行加压,再由增压泵加压后进入反渗透膜组。

③经过反渗透处理的产水以及排放的浓海水,按照实际功能要求返回至配置水箱或直接排放。

2 控制需求分析

2.1 预处理单元

海水中的悬浮物、胶体等物质会堵塞膜孔,影响膜通量,引起反渗透膜元件的跨膜压差升高,从而导致产水量下降。同时,海水中的大颗粒悬浮物会导致反渗透系统中ERD的转子卡死,从而影响整套系统的运行。由此可见,预处理单元工艺的选择对后续反渗透系统的可靠、稳定运行至关重要。因此,本文研发的反渗透海水淡化装置采用“多介质过滤+精密过滤+保安过滤”的强化预处理工艺,以确保预处理产水水质满足反渗透系统的进水要求。

多介质过滤器和保安过滤器在工作一段时间后,颗粒杂质会逐渐凝聚在滤料或滤芯表面,导致海水经过预处理的通量逐步下降,影响预处理系统的产水量。在控制过程中,通常采用以下方法对预处理系统的堵塞情况进行监控和判断。

①多介质过滤器。通过程序设计累计运行时间的方式,判断多介质过滤器是否需要进行正洗和反洗。程序对海水提升泵和进水电动三通阀信号进行监控。当海水提升泵处于运行状态且进水电动三通阀处于进水状态位累计运行24 h(在线可调)时,监控界面提示系统停机并对多介质过滤器进行正洗和反洗。

3台电动三通球阀(MV02～MV04)安装在多介质过滤器的进出水管路上。可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)程序根据不同的组合,可实现多介质过滤器产水、正洗和反洗等不同运行工况的自动切换。同时,根据具体情况通过触摸屏,可对各工况的运行时间进行手动修改。多介质过滤器不同工况下阀门的状态如表1所示。

表1 多介质过滤器不同工况下阀门的状态

②保安过滤器。通过保安过滤器出口(也就是高压泵进口)的电接点压力表,可判断保安过滤器的滤芯是否需要更换。当系统实际运行压力小于等于电接点压力表(PS03)低压报警值(0.15 MPa,可调)时,监控界面会提示更换保安过滤器滤芯,同时整个系统会自动停机。

2.2 反渗透单元

反渗透单元是整个海水淡化装置的重要组成部分。该单元涉及反渗透膜元件、高压泵和能量回收这3大反渗透海水淡化核心部件。

反渗透海水淡化试验装置的主体设备选型如下。反渗透高压泵选择丹佛斯APP1.0型号产品。其流量为1 m3/h、扬程为550 m。能量回收选择ERI的PX-30S系列产品。其流量为4.5～6.8 m3/h、效率为95.2%。反渗透膜元件选择陶氏公司的SW30HRLE-400系列高压海水膜。其单支膜脱盐率为99.65%、有效膜面积为37 m2。反渗透设备及仪表分布如图2所示。

图2 反渗透设备及仪表分布图

反渗透海水淡化试验装置的控制系统主要包括系统安全连锁及报警条件、自动运行步序和自动停机步序。

①连锁条件。

反渗透海水淡化试验装置的控制系统主要分为手动和全自动这2种模式。手动运行常用于设备单体调试阶段或装置教学环节中的单体设备教学。

自动模式下,系统设置多个安全连锁条件,以保障设备安全、稳定运行。当连锁条件均满足时,点击自动运行按钮,设备将按照程序设计的步骤和顺序启动;反之,装置将无法启动,同时界面将弹出对应报警信息。反渗透自动运行需满足的连锁条件如表2所示。

表2 反渗透自动运行需满足的连锁条件

②自动启动。

在自动模式下,设备的全流程启动均由PLC程序自动实现,无需人工操作。反渗透系统逻辑流程如图3所示。

反渗透主体设备自动启动完毕后,系统进入运行状态。设备运行过程中,如不满足上述连锁条件,系统将在触摸屏界面进行报警,并根据报警情况判断是否对系统进行停机处理。系统自动停机过程与自动启动过程相反。

2.3 化学清洗单元

反渗透化学清洗周期一般为1～2季度/次。由于清洗系统使用率较低,系统只设计离线清洗程序。系统是否需要停机清洗主要通过以下指标进行判断。

①反渗透系统产水量(FT01)下降超过设计值10%以上。

②反渗透系统产水电导(AT03)较初始值上升15%以上。

③反渗透进水压力(PT01)和浓水压力(PT02)之间的压差值较初始值上升15%以上。

上述情况发生后,表明系统需要停机清洗。系统进行离线化学清洗时,先将触摸屏界面“自动模式”切换至“手动模式”,再在触摸操作界面依次打开对应阀门和清洗泵(P004)进行清洗。

3 控制系统设计

3.1 硬件设计

本文控制系统选取西门子S7-200 Smart系列的 6ES7-288-1SR40型号产品作为控制系统的中央处理器(central processing unit,CPU),同时搭载1块数字量输入(digital input,DI)扩展模块、3块模拟量输入(analog input,AI)扩展模块和1块模拟量输出(analog output,AO)扩展模块。西门子系列产品具有较强的扩展性,同时支持和集成了以太网、RS-485和Profibus DP等通信协议,使得组态方式更加灵活多变[12-13]。反渗透海水淡化试验装置的PLC通信硬件配置如表3所示。

表3 PLC通信硬件配置

3.2 PLC程序设计

PLC编程采用西门子的Step7-MicroWIN Smart V2.2软件进行。根据生产过程控制要求的复杂程度不同,其采用模块化的编程思想,将程序按结构形式分为主程序块和其他子程序块,以提高程序的扩展性和可复制性[14-15]。具体程序块共6个,分别为主程序块(OB1)、初始化程序块(SBR0)、4～20 mA量程转换程序块(SBR1)、模拟量程序块(SBR1)、反渗透程序块(SBR3)和化学清洗程序块(SBR4)。

①主程序块。主程序块是用于对其他子程序块上电后进行通电。

②初始化程序块。程序初次通电后,初始化程序块可用于对水泵频率给定、系统报警参数等进行初始化复制。

③量程转换及模拟量程序块。量程转换及模拟量程序块用于实现现场仪表4～20 mA模拟量信号到监控界面浮点实数的转换。在Smart V2.2的PLC开发程序软件中,4～20 mA对应整数5 530～27 648,因此现场仪表的最终读数应由现场传输的信号进行二次转换。

(1)

式中:Rdis为控制终端显示参数;Rmax为对应仪表量程上限;Rmin为对应仪表量程下限;YAI为对应仪表模拟量输入。

④反渗透及化学清洗程序块。反渗透及化学清洗程序块用于实现反渗透主机或化学清洗系统中各水泵、阀门的手动启动及自动启动。

3.3 人机界面组态设计

控制终端选用昆仑通态的TPC1261Hi系列12英寸(1英寸=25.4 mm)触摸屏作为人机交互界面(human-machine interface,HMI)。触摸屏程序采用MCGS7.0组态软件进行开发。根据工艺和控制需要,HMI设计4幅监控界面,分别为工艺监控界面、参数设置界面、历史数据查询界面和在线帮助界面。

①工艺监控界面。工艺监控界面主要展示装置的整体工艺流程,集中显示各运行工艺段水泵、阀门的工作状态及压力、流量、温度等参数。工艺监控界面可分为手动和自动2种模式。手动界面可实现对整个工艺流程中各单体设备的启停。自动界面则可以实现设备的一键启停。

②参数设置界面。参数设置界面用于实现水泵启动频率、故障报警等参数的实时在线修改。

③历史数据查询界面。历史数据查询界面可以查看各工艺参数历史趋势情况,并存储、导出及打印生成的记录数据。

④在线帮助界面。在线帮助界面可提示系统运行及停机步骤中需要注意的关键点。

4 结论

本文针对反渗透海水淡化工艺流程,通过分析预处理、反渗透及化学清洗等反渗透海水淡化具体工艺单元,从硬件设备选型和软件程序开发等方面设计并开发了1套完整的反渗透海水淡化控制系统。运行结果表明:控制系统设计合理、自动化程度较高、操作界面简洁直观、契合高校实操教学和专业培训。此外,该系统运行稳定、可靠,实现了各子系统之间的高效匹配和协同运行。该系统的成功应用对提高高校教学对象的专业技能和操作水平具有指导意义。