全膜法水處理中各個(gè)系統(tǒng)主要的PLC控制解析

曹煥義

摘 要：以本公司一套小型全膜法超純水的系統(tǒng)為例，對(duì)全膜法水處理系統(tǒng)進(jìn)行了論述；并對(duì)OMRON PLC在該系統(tǒng)中根據(jù)系統(tǒng)工藝要求和工作原理進(jìn)行的編譯控制做了詳細(xì)說(shuō)明，闡述了自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，介紹了在PLC的控制下該設(shè)備自動(dòng)控制水處理系統(tǒng)的全過(guò)程。

關(guān)鍵詞：全膜法；水處理；PLC

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

全膜法水處理是目前市場(chǎng)上普遍使用的水處理工藝之一，該水處理凈化工藝中具有眾多的電動(dòng)器件、閥門、在線儀表、各種水泵等，并有很強(qiáng)的順序性，若由人員手動(dòng)操作必將非常煩瑣并易出現(xiàn)失誤造成事故。為了提高系統(tǒng)的自動(dòng)化程度保證產(chǎn)水水質(zhì)，降低事故發(fā)生率，OMRONPLC控制系統(tǒng)無(wú)疑是全膜法制水過(guò)程中控制管理的最佳選擇。

可編程控制器（PLC）是微電腦處理系統(tǒng)，它是取代了傳統(tǒng)繼電器的升級(jí)產(chǎn)品，使得各種繼電器以程序指令方式輔助運(yùn)行，從而達(dá)到控制目的。PLC的主要工作原理是--在PLC上電后，它首先檢查硬件、IO模塊以及用戶程序，然后按照自上而下從左到右的順序逐條讀取用戶程序并執(zhí)行，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將結(jié)果儲(chǔ)存至影像寄存器中；掃描結(jié)束后計(jì)算掃描周期（通常是幾十毫秒），進(jìn)而刷新IO，讀取輸入點(diǎn)的狀態(tài)，并寫入輸入影像寄存器，之后將影像寄存器的狀態(tài)經(jīng)鎖存器輸出到輸出點(diǎn)；從而實(shí)現(xiàn)PLC與外界設(shè)備通信。

用戶通過(guò)編制相應(yīng)的程序，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯控制，并能完成各種順序控制和定時(shí)控制等的閉環(huán)控制功能。下面以本公司的一套小型超純水全膜法水處理系統(tǒng)為例進(jìn)一步分析闡述PLC的執(zhí)行控制過(guò)程。根據(jù)工藝控制要求選擇40點(diǎn)PLC，加一擴(kuò)展模塊增加8點(diǎn)輸入。確定PLC型號(hào)為OMRON CP1E-N40SDR-A。

1.全膜法水處理系統(tǒng)概述

（1）設(shè)備簡(jiǎn)介

全膜法水處理是指以膜法處理工藝取代傳統(tǒng)的砂濾、碳濾和離子交換工藝，整個(gè)水處理系統(tǒng)采用超濾膜+反滲透膜+電除鹽膜（EDI）系統(tǒng)。隨著全膜法技術(shù)的不斷成熟和推廣以及膜元件產(chǎn)品成本的不斷下降，全膜法水處理工藝越來(lái)越多地被應(yīng)用于不同的水處理系統(tǒng)。

（2）工藝介紹

膜法液體分離技術(shù)一般分為微濾（MF）、超濾（UF）、納濾（NF）、反滲透（RO）4類，它們的分離精度按照以上順序越來(lái)越高。電除鹽（EDI）因其應(yīng)用了電滲析技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)離子交換樹脂的連續(xù)再生，通常也被納入膜法分離技術(shù)之列。目前，用于全膜法水處理的膜處理技術(shù)主要有超濾、反滲透、電除鹽。

系統(tǒng)工藝如下：

原水箱—原水泵—超濾—超濾水箱—一級(jí)RO—二級(jí)RO—純水箱—EDI—超純水箱

2.分系統(tǒng)介紹

2.1超濾系統(tǒng)

超濾是一種篩孔分離過(guò)程，分為內(nèi)壓式和外壓式。在壓力的作用下，溶劑水和小溶質(zhì)粒子透過(guò)超濾膜的微孔而到達(dá)低壓側(cè)，大粒子組分被膜阻擋而留在濃水側(cè)被定時(shí)排出系統(tǒng)外。超濾能夠有效地去除水中的懸浮物、膠體、有機(jī)大分子、細(xì)菌、微生物等雜質(zhì)，有效降低濁度、SDI（污染指數(shù)）、COD（化學(xué)耗氧量）等，具有優(yōu)良的凈化過(guò)濾性能。為下游的脫鹽系統(tǒng)提供進(jìn)水水質(zhì)保證。超濾與傳統(tǒng)工藝系統(tǒng)（化學(xué)加藥+多介質(zhì)過(guò)濾器+活性炭過(guò)濾器）相比，超濾系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：占地面積小、出水水質(zhì)好（出水污染指數(shù)SDI可以保持<2，傳統(tǒng)工藝的預(yù)處理出水SDI為4～5）、出水水質(zhì)穩(wěn)定、易實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制。

2.2反滲透系統(tǒng)

反滲透技術(shù)是最精密的膜法液體分離技術(shù)，它是對(duì)溶液施加足夠的壓力，使溶劑（一般是指水）通過(guò)反滲透膜（一種半滲透膜）從溶液中分離出來(lái)。透過(guò)液從中心收集管內(nèi)引出，未能透過(guò)的離子、有機(jī)物、細(xì)菌、病毒等雜質(zhì)從濃水端流出，從而達(dá)到淡化、凈化或濃縮分離的目的。由于反滲透膜（RO膜）的膜孔徑非常小（僅為10?左右）能夠有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機(jī)物等（去除率高達(dá)98%以上）。反滲透具有能耗低，工藝先進(jìn)，無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是目前高純水設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的一種脫鹽技術(shù)。

2.3EDI系統(tǒng)

傳統(tǒng)的反滲透加二級(jí)除鹽系統(tǒng)或反滲透加混床除鹽系統(tǒng)，仍存在混床樹脂再生酸堿廢液排放和煩瑣的再生操作問(wèn)題。近年來(lái)隨著EDI技術(shù)的應(yīng)用，即應(yīng)用EDI代替混床，徹底解決了酸堿排放問(wèn)題。EDI技術(shù)是在電滲析技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，利用具有選擇性陰陽(yáng)膜和離子交換樹脂組成填充床生產(chǎn)高純水的技術(shù)。最常見(jiàn)的EDI系統(tǒng)設(shè)備由一系列模塊并聯(lián)組裝而成，每個(gè)模塊有一定的產(chǎn)水量，一般每小時(shí)幾噸。由于EDI系統(tǒng)設(shè)備的樹脂可以在線連續(xù)再生，因此能實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行。最常見(jiàn)的模塊為板框式。由于EDI系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水的水質(zhì)要求較高，為確保EDI系統(tǒng)運(yùn)行正常，一般在EDI系統(tǒng)前面采用兩級(jí)RO配置。產(chǎn)水水質(zhì)穩(wěn)定，產(chǎn)水電阻率可達(dá)到10MΩ·cm（25℃）以上。

3.工藝要求中主要控制介紹

3.1水箱控制

在自動(dòng)控制中所有的泵、閥、超濾、RO、EDI等的啟停都是根據(jù)水箱液位為信號(hào)的，原水箱中有水且超濾水箱缺水是超濾系統(tǒng)啟動(dòng)的必要條件，超濾水箱有水且純水箱水缺水是反滲透系統(tǒng)啟動(dòng)的條件，純水箱有水且超純水箱缺水是EDI系統(tǒng)啟動(dòng)的必要條件。因此水箱的液位信號(hào)傳給PLC，由PLC來(lái)自動(dòng)控制超濾、RO和EDI系統(tǒng)的泵閥儀表等設(shè)施，使得不同系統(tǒng)根據(jù)不同需求控制運(yùn)行。

3.2超濾控制

超濾膜運(yùn)行一段時(shí)間后，由于其能有效地去除水中的懸浮物、膠體、有機(jī)大分子、細(xì)菌、微生物等雜質(zhì)，那么在膜的進(jìn)水側(cè)必然產(chǎn)生由于雜質(zhì)攔截對(duì)膜造成不同程度的污染；這樣必須對(duì)超濾進(jìn)行定時(shí)清洗控制；這需要編譯PLC而對(duì)其進(jìn)行時(shí)間控制，水泵控制，并對(duì)進(jìn)水閥、出水閥、反洗閥、排放閥進(jìn)行順序控制使其按照工藝要求對(duì)超濾膜進(jìn)行正反清洗。清洗時(shí)需滿足水箱控制條件。

3.3反滲透控制

反滲透膜是一種靠壓力驅(qū)動(dòng)的半透膜，故需要對(duì)RO膜進(jìn)行高低壓控制，低于設(shè)定壓力則不能運(yùn)行（高壓泵不啟動(dòng)），在較大的系統(tǒng)中同時(shí)需要設(shè)計(jì)高于某個(gè)壓力高壓泵停止運(yùn)行的控制，如此控制目的是為了保護(hù)反滲透膜，以便使之長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。為了滿足EDI的進(jìn)水要求，需要前道工藝設(shè)計(jì)兩級(jí)反滲透系統(tǒng)。因?yàn)橄到y(tǒng)產(chǎn)水量小，故設(shè)計(jì)一級(jí)RO產(chǎn)水后直接經(jīng)二級(jí)高壓泵進(jìn)二級(jí)RO系統(tǒng)；如此增加二級(jí)低壓控制，確保二級(jí)進(jìn)水達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后二級(jí)高壓泵才可啟動(dòng)運(yùn)行。由于RO膜在壓力的驅(qū)動(dòng)下攔截了水中99%的雜質(zhì)，故在膜的濃水側(cè)容易結(jié)垢，因此設(shè)計(jì)RO運(yùn)行一段時(shí)間后，濃水側(cè)的濃水通過(guò)該側(cè)的濃水排放閥排放一定的時(shí)間，從而減少RO膜結(jié)構(gòu)的傾向。該功能亦通過(guò)PLC完成。它的運(yùn)行需滿足水箱控制條件。

3.4 EDI控制

EDI又稱電除鹽，顧名思義是在電流的驅(qū)動(dòng)下，離子通過(guò)陰陽(yáng)膜到濃水室后回收到原水箱，從而使得淡水室的水得到進(jìn)一步的提純。關(guān)鍵控制是當(dāng)EDI電源啟動(dòng)時(shí)，EDI水泵已經(jīng)啟動(dòng)，也就是說(shuō)設(shè)計(jì)編程時(shí)有壓力信息反饋，目的是防止EDI開(kāi)啟電源時(shí)無(wú)水而致使EDI燒蝕損壞。EDI的運(yùn)行需要滿足水箱控制條件。

4. PLC工藝控制解析

4.1 輸入輸出說(shuō)明（I/O分配表）

在控制系統(tǒng)中，以控制開(kāi)關(guān)、壓力傳感器及液位控制作為輸入信號(hào)；以交流接觸器、熱保護(hù)器、繼電器等作為輸出控制。其I/O分配見(jiàn)表1。

4.2控制解析

4.2.1液位控制解析（圖1）

在水處理工藝中，具有眾多的泵閥開(kāi)關(guān)，系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行必須首先對(duì)各工序的儲(chǔ)水箱進(jìn)行液位控制。液位控制是各個(gè)泵閥啟停的主要條件之一，如圖1所示。

原水箱有中位和低位兩個(gè)輸入控制，高位采用浮球控制。當(dāng)編譯輸入點(diǎn)1.05中位和1.04低位是常開(kāi)觸點(diǎn)，它們滿足時(shí)說(shuō)明原水箱中有水，該輔助繼電器220.00自鎖，為后續(xù)泵閥啟停提供條件。超濾水箱有高位、中位和低位3個(gè)輸入控制，當(dāng)編譯輸入點(diǎn)1.07中位和1.06低位是常開(kāi)觸點(diǎn)。它們滿足時(shí)說(shuō)明超濾水箱中有水，該輔助繼電器220.01自鎖，為后續(xù)泵閥啟停提供條件。當(dāng)編譯輸入點(diǎn)1.07中位和1.08高位是常閉觸點(diǎn)，它們滿足時(shí)說(shuō)明超濾水箱中缺水，該輔助繼電器220.02自鎖，為后續(xù)泵閥啟停提供條件。純水箱有高位、中位和低位3個(gè)輸入控制，當(dāng)編譯輸入點(diǎn)1.10中位和1.09低位是常開(kāi)觸點(diǎn)。它們滿足時(shí)說(shuō)明純水箱中有水，該輔助繼電器220.03自鎖，為后續(xù)泵閥啟停提供條件。當(dāng)編譯輸入點(diǎn)1.10中位和1.11高位是常閉觸點(diǎn)，它們滿足時(shí)說(shuō)明純水箱中缺水，該輔助繼電器220.04自鎖，為后續(xù)泵閥啟停提供條件。超純水箱有高位和低位兩個(gè)輸入控制，當(dāng)編譯輸入點(diǎn)2.01低位是常開(kāi)觸點(diǎn)，它滿足時(shí)說(shuō)明超純水箱有水，該輔助繼電器220.05輸出，為后續(xù)泵閥啟停提供條件。當(dāng)編譯輸入點(diǎn)2.03高位為常閉觸點(diǎn)，它滿足時(shí)說(shuō)明超純水箱中缺水，該輔助繼電器220.06輸出，為后續(xù)泵閥啟停提供條件。

水箱水位的不同狀態(tài)是水處理不同工藝系統(tǒng)運(yùn)行的必要條件，可編譯程序控制器（PLC）在給電后第一次循環(huán)掃描就已經(jīng)確認(rèn)不同水箱液位的狀態(tài)，而PLC的循環(huán)掃描速度僅僅幾十毫秒。

4.2.2超濾控制解析（圖2）

超濾系統(tǒng)在全膜法水處理系統(tǒng)中起著預(yù)處理的作用；目前主要采用外壓式聚丙烯超濾膜為材料，過(guò)濾精度為0.001—0.1微米，它可以去除水中的泥沙、鐵銹、異色、異味、余氯、懸浮物、有機(jī)物、膠體、病毒等，超濾膜處理的結(jié)果必須滿足反滲透膜（RO）的進(jìn)水條件，以確保RO膜的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

超濾膜運(yùn)行的控制過(guò)程如圖2所示，隨著時(shí)間的運(yùn)行，膜表面必將攔截了許多泥沙、鐵銹、懸浮物、有機(jī)物等雜質(zhì)，必須及時(shí)地清除掉方能減少攔截的雜質(zhì)對(duì)膜的污染程度，即對(duì)超濾系統(tǒng)進(jìn)行反洗運(yùn)行；故自動(dòng)編譯控制設(shè)定為系統(tǒng)上電后，在原水箱有水220.00且超濾水箱缺水220.02的控制前提下，原水泵輔助繼電器200.00輸出，同時(shí)滿足輸入點(diǎn)0.00（原水泵開(kāi)）的條件則原水泵啟動(dòng)；進(jìn)水閥輔助201.00和出水閥輔助201.01開(kāi)啟進(jìn)而進(jìn)水閥101.02和出水閥101.03開(kāi)啟.原水泵啟動(dòng)后超濾系統(tǒng)運(yùn)行，當(dāng)其運(yùn)行3600秒后（C010計(jì)數(shù)器采用1.0秒時(shí)鐘脈沖）開(kāi)始反洗超濾膜，同時(shí)反洗過(guò)渡時(shí)間3秒，即T011啟動(dòng)，進(jìn)水閥輔助201.00和出水閥輔助201，01關(guān)閉，指示進(jìn)水閥101.02和出水閥101.03關(guān)閉；反洗泵自輔200.01和排放閥自輔201.03開(kāi)啟進(jìn)而指示排放閥101.05開(kāi)啟和反洗泵100.02運(yùn)行，開(kāi)啟反洗過(guò)渡時(shí)間T013，3秒后開(kāi)始反洗，反洗時(shí)間C012計(jì)時(shí)90秒，90秒后運(yùn)反過(guò)渡時(shí)間3秒，即T013啟動(dòng)，使得C010和C012復(fù)位，原水泵自輔、進(jìn)水閥自輔和出水閥自輔啟動(dòng)進(jìn)而原水泵、進(jìn)水閥和出水閥開(kāi)啟設(shè)備再次正常計(jì)時(shí)運(yùn)行，周而復(fù)始做到自動(dòng)清洗和正常運(yùn)行。自動(dòng)控制狀態(tài)下，輸入點(diǎn)0.00/0.02/0.09/0.10/0.11/1.00由面板開(kāi)關(guān)控制都處于閉合狀態(tài)。目前的超濾系統(tǒng)PLC控制，主要針對(duì)減少超濾膜的可能性污染而設(shè)計(jì)的，大型系統(tǒng)可能根據(jù)不同進(jìn)水水質(zhì)需要進(jìn)一步對(duì)進(jìn)水指標(biāo)和阻垢劑加藥量及ORP的控制設(shè)置，以便使得系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2.3反滲透（RO）和電除鹽（EDI）控制解析（圖3）

反滲透系統(tǒng)的正常運(yùn)行是全膜法水處理中的重要環(huán)節(jié)，RO膜具有其獨(dú)特的特性，它的膜孔徑非常小，只有0.0001微米，它可以濾除水中幾乎一切的物質(zhì)；由于RO膜攔截離子、粒子的效率非常高，脫除率可以達(dá)到98%以上，這樣勢(shì)必帶來(lái)各種各樣的雜質(zhì)對(duì)RO膜的污染，為了減少污染，RO膜運(yùn)行一段時(shí)間后需要把濃水側(cè)的水定時(shí)排掉并加一定濃度的阻垢劑，同時(shí)設(shè)有低壓（0.05MPA-0.1MPA）保護(hù)控制，以確保高壓泵正常運(yùn)行。如圖3所示，當(dāng)超濾水箱有水220.01和純水箱缺水220.04條件滿足后，一級(jí)高壓泵100.03啟動(dòng)且阻垢劑加藥泵連鎖啟動(dòng)，同時(shí)C030計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，二級(jí)低壓1.02滿足后啟動(dòng)計(jì)時(shí)器T040計(jì)時(shí)兩秒，兩秒后二級(jí)高壓泵100.04啟動(dòng)正常產(chǎn)水運(yùn)行；運(yùn)行1200秒（C030設(shè)定的時(shí)間）后濃水排放閥自輔201.07啟動(dòng)，進(jìn)而濃水閥101.01開(kāi)啟，且濃水排放閥自輔201.07常閉點(diǎn)斷開(kāi)使得二級(jí)高壓泵關(guān)閉，在一級(jí)高壓泵的驅(qū)動(dòng)下RO膜濃水側(cè)堆積的雜質(zhì)被大流量的水給沖走排放掉，進(jìn)而起到了保護(hù)RO膜的作用；C030時(shí)間到則啟動(dòng)C031計(jì)數(shù)器且C030復(fù)位，C031計(jì)時(shí)120秒后濃水排放閥自輔201.07關(guān)閉進(jìn)而濃水閥關(guān)閉，且二級(jí)高壓泵開(kāi)啟，RO設(shè)備再次產(chǎn)水，如此反滲透系統(tǒng)往復(fù)控制運(yùn)行。

電除鹽（EDI）它是通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)下水中離子通過(guò)陰陽(yáng)離子選擇性透過(guò)陰陽(yáng)膜，從而除去水中的微量離子進(jìn)一步提純水質(zhì)。為了防止膜被燒毀，必須先通水后通電，這是EDI控制的首要任務(wù)之一。當(dāng)純水箱有水220.03和超純水箱缺水220.06條件滿足時(shí)，EDI泵100.05啟動(dòng)同時(shí)計(jì)時(shí)器T041啟動(dòng)，兩秒后EDI電源啟動(dòng)，EDI正常運(yùn)行。

自動(dòng)控制狀態(tài)下，輸入點(diǎn)0.03/0.04/0.05/0.06/0.07/0.08由面板開(kāi)關(guān)控制都處于閉合狀態(tài)。

由于系統(tǒng)不大，RO產(chǎn)水直接進(jìn)水箱故沒(méi)有設(shè)置高壓保護(hù)，大系統(tǒng)中都設(shè)有高低壓保護(hù)，高壓保護(hù)是防止RO膜背壓的產(chǎn)生以至于對(duì)膜造成傷害。

結(jié)語(yǔ)

以上介紹的全膜法水處理系統(tǒng)是由超濾、反滲透、和EDI等膜組件集成的，通過(guò)PLC控制了所有的泵閥件控制，即超濾的定時(shí)正洗和反洗帶來(lái)的泵閥開(kāi)關(guān)量，反滲透膜的正常運(yùn)行需要的進(jìn)水和產(chǎn)水的高低壓控制、產(chǎn)水電導(dǎo)率控制，電除鹽的泵閥的控制、不同處理工序的水箱液位控制等，實(shí)現(xiàn)了全膜法水處理系統(tǒng)中的基本控制。應(yīng)用PLC控制，提高控制精度，使得系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，極大地提高了水處理過(guò)程的自動(dòng)化程度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，而且控制程序可隨工藝流程需要而做相應(yīng)的調(diào)整，通過(guò)對(duì)PLC編制相應(yīng)程序即可實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王建.電氣自動(dòng)化通用設(shè)備應(yīng)用系列：歐姆龍PLC 入門與典型應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，2012：135-166.

[2]戴一平.可編程控制器技術(shù)及應(yīng)用（歐姆龍機(jī)型）（第2版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：200-211.

3]李英輝，趙豫龍，戴青云.基于PLC的中水處理系統(tǒng)[J].石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008 20（2）：22-24

[4]董淑冷，茅紅偉，唐曉俊.PLC在污水泵站控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2008，30（6）：55-57.

[5]吳泱.“全膜法”水處理工藝及應(yīng)用[J].科技與企業(yè)， 2013（3）：165-167.

[6]趙芳，李從冰，基于PLC的污水處理控制系統(tǒng)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2006，19（4）：59-60.

[7]張建根，PLC在中水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2008 12（4）：134-135.