混床控制系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化

周占懷，陳勝虎

(1.健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 太倉 215400;2.蘇州科易特自動化科技有限公司，江蘇 太倉 215400)

0 引言

為了滿足工藝和設(shè)備對水質(zhì)的特殊要求，在微電子、生物制藥、表面清洗、表面涂裝、電解等行業(yè)廣泛采用離子混床水處理系統(tǒng)進(jìn)行純凈水的制備。雖然EDI電去離子系統(tǒng)利用了電化學(xué)原理實行連續(xù)的樹脂離子再生，不再需要加酸堿進(jìn)行再生，在環(huán)保上具有一定的優(yōu)勢，但由于離子混床工藝技術(shù)的成熟度高，水質(zhì)有保障且一次性投入相對較低，因而仍具有廣泛的應(yīng)用市場。

1 工藝概述

本系統(tǒng)應(yīng)用于電子元件器制造廠，滿足40 t/h純凈水或20 t/h超純水的用水需求。原水取自城市自來水管網(wǎng)，采用“石英砂過濾+活性炭過濾+保安過濾+一級反滲透+離子混床+終端過濾”工藝，所得超純水完全滿足水質(zhì)要求，出水電導(dǎo)率小于0.5 μS/cm，鈉含量小于 10 ug/l。

其中，原水塔中的進(jìn)水由變頻器拖動水泵，根據(jù)泵的出口壓力進(jìn)行PID控制，實現(xiàn)恒壓供水;由于原水水質(zhì)相對較好，省去了粗濾和超濾過程，由原水泵直接將原水送入活性炭過濾器。為了及時對活性炭進(jìn)行清洗，恢復(fù)其吸附能力，在管道中通過負(fù)壓吸入過氧乙酸稀釋液;同時，為了去除原水中的余氯，在管道中通過加藥機(jī)加入一定量的亞硫酸氫鈉(NaHSO3)。經(jīng)過前級活性炭和后級石英砂的吸附與凈化，高效去除原水中的有機(jī)微粒及膠體，得到感官無異味、無余氯、污染指數(shù)SDI≤4的水質(zhì)條件。進(jìn)水泵采用一用一備機(jī)制，以減少設(shè)備故障對產(chǎn)水量的影響。

為了截留有效直徑大于5 μm的顆粒，以免劃傷高壓泵葉輪，或進(jìn)入RO純水機(jī)造成膜組件的擊穿，在高壓泵前設(shè)保安過濾器。利用高壓泵將前級凈化水泵入RO設(shè)備，經(jīng)一級RO膜過濾后，可達(dá)到出水電導(dǎo)率≤4.5 μS/cm、PH 值約為 5.5～6.5 的水質(zhì)質(zhì)量。

經(jīng)RO處理后的純水通過混床，由強(qiáng)酸強(qiáng)堿性陰陽樹脂實現(xiàn)離子交換，最大限度地對水質(zhì)去鹽，正常生產(chǎn)時可達(dá)到出水電導(dǎo)率小于0.2 μS/cm(或SiO2小于20 μg/L)的超純水質(zhì)。當(dāng)混床出水的鈉含量大5 ug/l或電導(dǎo)率大于0.2 uS/cm時，可判斷為混床設(shè)備失效，需停運對樹脂進(jìn)行再生。由于再生所需的時間較長，為了提高產(chǎn)水量，系統(tǒng)采用兩套混床自動互為備用。

2 系統(tǒng)設(shè)計

為了實現(xiàn)上述系統(tǒng)功能，控制系統(tǒng)采用HMI－PLC－VFD結(jié)構(gòu)，分恒壓供水控制、凈水控制、混床控制等相對獨立的三部分，以滿足系統(tǒng)的實時監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作、自動切換、故障報警等功能。

2.1 恒壓供水控制系統(tǒng)

采用LG SV－110iGxA－4型水泵專用型變頻器(VFD)，配合壓力變送器(0～100 kPa)進(jìn)行PID恒壓供水。系統(tǒng)要求正常時維持出力為4 kgf/cm。將壓力變送器的輸出信號接到VFD的反饋輸入端，與電位器電源(0～10 V)采用反相連接，即負(fù)作用(見圖1)。

圖1 VFD端子接法

圖2 VFD的PID控制策略

為與上述接線對應(yīng)，VFD命令源采用端子電壓控制方式，頻率采用面板給定方式(H57=0)，并通過面板設(shè)定PID目標(biāo)頻率REF值(與4 kgf/cm對應(yīng)的頻率或%值)。同時須設(shè) H40=2、H49=1和H50=1，選擇使用PID并通過 V1端子執(zhí)行(0～10 V)PID反饋控制。PID的調(diào)節(jié)效果要通過修改參數(shù)H51、H52和H53對應(yīng)的P、I、D值，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試。調(diào)試時可通過Fbk參數(shù)監(jiān)視實際的PID反饋量。具體的策略見圖2。

水泵電機(jī)采用一用一備機(jī)制，由兩只交流接觸器切換，控制電路要求VFD未輸出時兩臺水泵可自由切換，當(dāng)變頻輸出時不可切換以保護(hù)VFD免受沖擊。控制電路見圖3，其中KA為VFD命令源信號，由轉(zhuǎn)換開關(guān)SA發(fā)出。

2.2 凈水控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)由原水泵將原水加壓，通過活性炭過濾—加藥—保安過濾—RO過濾，完成原水凈化。系統(tǒng)分自動運行和手動控制方式，自動運行包括產(chǎn)水與清洗兩個工藝，由PLC實現(xiàn)原水泵星三角啟動、高壓泵星三角啟動、加藥機(jī)和電磁閥控制，并由 HMI實施監(jiān)控和參數(shù)設(shè)定。正常時自動運行產(chǎn)水程序，當(dāng)活性炭和石英砂需要清洗時，可通過HMI手動強(qiáng)制進(jìn)入清洗程序，或按指定周期自動停止產(chǎn)水運行清洗程序，清洗結(jié)束后重新產(chǎn)水。由于斷電等原因中止程序后，重新工作時，特別是清洗程序，不可重復(fù)執(zhí)行已完成的任務(wù)，要求按原執(zhí)行步驟繼續(xù)向下執(zhí)行，以提高運行效率。產(chǎn)水時，高壓泵需要在原水泵啟動延時10秒后啟動，首次啟動高壓泵或每隔一定時間(3～5 h)須執(zhí)行沖洗任務(wù)，對RO膜進(jìn)行高壓沖洗一定時間(約1 min)后再開始產(chǎn)水。清洗時不需要啟動高壓泵。加藥機(jī)與原水泵同時工作，系統(tǒng)設(shè)高低液位保護(hù)及高低壓報警指示功能。原水泵和高壓泵都采用一用一備，因故需要手動切換時，停止原執(zhí)行程序，泵需重新啟動。

程序結(jié)構(gòu)包括主程序、清洗程序、產(chǎn)水程序、沖洗程序、泵控制程序、泵啟動程序和手動程序，各程序間的調(diào)用關(guān)系見圖4。

程序的設(shè)計思想遵循功能優(yōu)先原則。主程序主要完成產(chǎn)水、清洗和手動子程序的調(diào)用，以及時間讀取并轉(zhuǎn)換(與HMI上設(shè)置的自動清洗時間對應(yīng))、高低液位、高低壓及泵過載報警等功能。當(dāng)出現(xiàn)上述報警信號后，對應(yīng)的產(chǎn)水或清洗程序暫停執(zhí)行、復(fù)位輸出，故障解除后繼續(xù)暫停前的動作。手動程序的調(diào)整功能優(yōu)先，但需HMI上密碼進(jìn)入，調(diào)整結(jié)束后，復(fù)位各轉(zhuǎn)換開關(guān)后進(jìn)入自動運行狀態(tài)。自動程序中清洗程序優(yōu)先，產(chǎn)水過程中可手動強(qiáng)制或按設(shè)定周期轉(zhuǎn)入清洗程序，清洗結(jié)束后自動產(chǎn)水。

2.3 混床控制系統(tǒng)

混床系統(tǒng)有兩套設(shè)備(混床、純水泵、PLC、HMI各一套，酸泵堿泵共用一套)，正常時一臺產(chǎn)水，一臺備用，當(dāng)出現(xiàn)水質(zhì)不合格信號時，備用的設(shè)備投入產(chǎn)水，原產(chǎn)水的設(shè)備自動轉(zhuǎn)入再生清洗，清洗結(jié)束后等待備用。產(chǎn)水時純水泵、1#和2#閥ON，其余OFF。再生清洗的設(shè)計流程見圖5。

兩套設(shè)備分別采用兩臺PLC和HMI控制和監(jiān)控，兩PLC之間由于需要交換的數(shù)據(jù)較少，采用連線方式進(jìn)行信號傳遞，可以節(jié)約一次性投入。如圖6，清洗完成后本機(jī)Q0.7信號復(fù)位。當(dāng)一套設(shè)備的PLC同時出現(xiàn)Q0.7 和 I2.6為1的信號，即對方還未完成再生，本機(jī)水質(zhì)再次不合格(產(chǎn)水時間太短)，則說明本機(jī)所用強(qiáng)酸強(qiáng)堿性樹脂壽命周期已到，需要更換。停機(jī)程序如圖7，除報警信號外其余輸出全部復(fù)位。

控制系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化編程方法，設(shè)手動和自動程序，自動程序包括產(chǎn)水程序和再生清洗程序，分別可由主程序調(diào)用。兩臺PLC的程序相同，主程序中再生清洗和產(chǎn)水功能的切換程序見圖8。

圖8 PLC的再生清洗與產(chǎn)水功能程序

2.4 HMI組態(tài)

選用威綸10寸彩屏組態(tài)監(jiān)控畫面，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、監(jiān)視、數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)修改、信息統(tǒng)計等功能。混床系統(tǒng)的實際組態(tài)的主畫面如圖9。

圖9 混床系統(tǒng)主畫面

3 控制策略

除變頻恒壓供水系統(tǒng)采用PID控制策略外，凈水和混床系統(tǒng)采取了如下控制策略進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計:

(1)柔性控制:包括凈水系統(tǒng)的清洗周期、高壓泵的延時啟動時間、清洗程序的正反洗時間、沖洗時間及沖洗時間間隔，以及混床系統(tǒng)再生程序的各步驟時間，均可在HMI上根據(jù)實際工藝要求靈活設(shè)置，混床的實際產(chǎn)水時間及已完成的再生時間可通過HMI動態(tài)顯示，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的柔性控制。

(2)狀態(tài)保持:在石英砂和活性炭過濾器的清洗程序、混床樹脂的再生清洗程序中，對各步的狀態(tài)元件和計時元件均采用掉電保持型，系統(tǒng)恢復(fù)運行時重原狀態(tài)繼續(xù)向下執(zhí)行，提高系統(tǒng)運行效率。

(3)低溫補償:在系統(tǒng)中設(shè)計了熱交換器，當(dāng)氣溫低于5(C時，在熱交換器中通入蒸汽，提高水溫以保證RO膜的逆滲透效果。

(4)備用機(jī)制:混床的互為備用機(jī)制由電導(dǎo)率信號自動控制，一套產(chǎn)水，一套清洗，由于剛進(jìn)入產(chǎn)水時的水質(zhì)不能保證，對清洗轉(zhuǎn)換5分鐘內(nèi)的電導(dǎo)率信號進(jìn)行屏蔽，完成再生清洗程序后等待備用，與實際生產(chǎn)過程完全匹配。

(5)終結(jié)報警:如因為樹脂使用壽命臨近，完成再生后系統(tǒng)產(chǎn)水時間較短，甚至在對方仍處于清洗過程中就已水質(zhì)不合格，則發(fā)出報警信號，且停機(jī)等待更換樹脂，而正在清洗的系統(tǒng)繼續(xù)清洗程序，實現(xiàn)系統(tǒng)的科學(xué)管理。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)經(jīng)控制策略和程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)化處理，設(shè)備的一次性投入較少，且具有高可靠性和高穩(wěn)定性特征。經(jīng)上海某合資企業(yè)引進(jìn)運行試驗后，產(chǎn)水量和水質(zhì)均能滿足工藝要求，已正常運行一年，期間各狀態(tài)切換有序進(jìn)行，運行狀況和效率均得到用戶滿意。

[1]張乃東，鄭威.Fenton法在水處理中的發(fā)展趨勢[J].化工進(jìn)展，2001，20(12):1 －3.

[2]林燦銘，陳暖文.給水泵變頻改造應(yīng)用實例[J].廣東電力，2010，23(3):76－79.

[3]陳成勇，多泵自動循環(huán)切換恒壓供水變頻調(diào)速系統(tǒng)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29(1):114 －117，123.

[4]袁生貴，方東，李小凱.三維交互在水處理自動化系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].工業(yè)控制計算機(jī)，2010，23(9):20－22.

[5]周江紅，郜生法.RO系統(tǒng)后置二級混床二氧化硅超標(biāo)的原因分析及處理[J].Canadian Metallurgical Quarterly，2011，31(1)49－51.