基于PLC的反滲透純水處理監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張永權(quán)

摘 要： 市場上的水處理設(shè)備有多個種類，各種水處理設(shè)備均有各自的操作工藝，比較復(fù)雜。以往的控制系統(tǒng)中，水處理工藝流程由時間繼電器來控制運(yùn)行，并由人工操作來完成水質(zhì)指標(biāo)監(jiān)測。本文就用某純凈水廠現(xiàn)有的反滲透水處理設(shè)備條件，以WINCC 組態(tài)軟件為基礎(chǔ)，用可編程控制器（Programmable LogicController，PLC）來設(shè)計(jì)該水廠的反滲透純水處理結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： PLC；反滲透；純水處理系統(tǒng)；組態(tài)軟件

引言

反滲透技術(shù)通常又被稱為膜分離技術(shù)，過濾水中的有害物質(zhì)主要利用的半透膜的滲透原理。如果半透膜兩側(cè)具有不同的濃度液體，那么就會發(fā)生兩種液體之間的滲透現(xiàn)象，也就是高濃度溶液中的溶質(zhì)會向低濃度的溶液運(yùn)動。如果在這個時候在高濃度溶液附近施加一定壓力的話，該作用力就會反作用于自然溶液，致使溶劑在壓力的作用下從高濃度一側(cè)移向低濃度一側(cè)，這就是反滲透過程.反滲透制水裝置就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的。反滲透所使用到的壓力是通過壓力泵所提供的。通過反滲透膜的透析作用，將原水中的雜質(zhì)、膠體、有機(jī)物、重金屬、細(xì)菌、病毒等有害的物質(zhì)截留下來，然后通過污水處理口排出，經(jīng)過反透膜之后的水就成了最終的食品、化工等純水。該技術(shù)的特點(diǎn)是低能耗、無污染，其工藝先進(jìn)且只需簡便操作維護(hù)。

傳統(tǒng)操作方法存在工作人員較大的勞動強(qiáng)度，極有可能導(dǎo)致工作人員的誤操作行為，從而影響到純水水質(zhì)。在設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控方面，缺乏現(xiàn)場監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，不利于系統(tǒng)的集中化大型化控制。而設(shè)計(jì)開發(fā)自動化程度高的監(jiān)控系統(tǒng)，則能有效減輕工作人員的勞動強(qiáng)度，讓各種資源得到優(yōu)化分配，確保制水質(zhì)量和制水的控制精度。

1 反滲透水處理系統(tǒng)

1.1 水處理系統(tǒng)組成及工藝流程

由于原水通常情況是自來水，在水傳輸管網(wǎng)過程中污染是不可避免的，因而使得自來水中存在很多不同程度的污染包括重金屬、病毒以及病菌等，這些污染物質(zhì)非常容易造成反滲透膜的積垢和堵塞，使得滲透膜的濾出作用極大的降低了所產(chǎn)水的量，增大膜清洗所耗費(fèi)的成本也增加了。因而在設(shè)計(jì)水處理系統(tǒng)的過程中需要注意上述可能出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)并采取措施予以避免。

原水中的懸浮物和部分膠體物質(zhì)需要有石英砂過濾器來去除；再通過活性吸附罐和過濾器來過濾到原水中的有害物質(zhì)如重金屬、游離氯、氯仿等；然后原水流入陽離子軟化器，將水中的鈣、鎂離子除去。這就是系統(tǒng)的預(yù)處理裝置部分，主要為多介質(zhì)的過濾器。從陽離子軟化器經(jīng)高壓泵的原水進(jìn)入反滲透主機(jī)，得到粗純水，在通過臭氧殺菌后就可得到食品用的純水。

1.2 水處理系統(tǒng)控制對象及監(jiān)控要求

在反滲透水處理工藝中，需要對石英砂過濾器、活性碳過濾器、反滲透主機(jī)三部分進(jìn)行監(jiān)控。這三部分設(shè)備直接影響到水處理系統(tǒng)的壽命和制水水質(zhì)，由此，需要對運(yùn)行一段時間的這三部分設(shè)備進(jìn)行反洗和正洗或清洗。其中清洗最重要的是反滲透主機(jī)，這是由于該部分設(shè)備在長時期的運(yùn)轉(zhuǎn)下或者是預(yù)處理失效，就會因?yàn)榻Y(jié)垢而堵塞反滲透膜膜孔，損壞設(shè)備，影響制水水質(zhì)，必須定期清洗。當(dāng)水處理系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，必須對高壓泵前、后壓力是否符合要求進(jìn)行全程檢測，查看其是是否安全正常運(yùn)轉(zhuǎn)。要定期對陽離子軟化器作離子再生操作。在產(chǎn)水出來后，必須要查看水質(zhì)的電導(dǎo)率檢測結(jié)果，當(dāng)水質(zhì)電導(dǎo)率超過了所要求的產(chǎn)水值，表示產(chǎn)水水質(zhì)不合格，此時要自動排放出產(chǎn)水，不得讓所產(chǎn)生污染已產(chǎn)水，同時要清洗、再生流程，待一切正常后重新產(chǎn)水。原水箱水位直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)行，當(dāng)原水箱的水位比設(shè)定低位系統(tǒng)的水位要低，系統(tǒng)會待機(jī)，只有比設(shè)定高位系統(tǒng)高是，系統(tǒng)才會開始正常運(yùn)行。

2 監(jiān)控系統(tǒng)組成

本水處理系統(tǒng)采用上下位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)形式，具體如下圖。組態(tài)軟件工控機(jī)作為上位機(jī)部分，對下位機(jī)、實(shí)時數(shù)據(jù)顯示與存儲進(jìn)行監(jiān)控管理；而PLC就算下位機(jī)部分，主要對現(xiàn)場水處理設(shè)備、上傳設(shè)備實(shí)時數(shù)據(jù)到上位機(jī)進(jìn)行控制。上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信依靠工業(yè)以太網(wǎng)完成。觸摸屏作為界面，由 PLC 來控制和顯示。

3 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件

本案例中的監(jiān)控硬件設(shè)備為西門子 S7-1200 PLC，以CPU 1215C作為其處理器模塊，具備較好的擴(kuò)展性能，其程序和數(shù)據(jù)存儲空間高達(dá)128KB，I/O能夠擴(kuò)展到248 點(diǎn)數(shù)字量或64 路模擬量，其以太網(wǎng)通信口共有2個，還兼具PID 自整定功能。CPU 1215C使得PLC 的運(yùn)動、過程、位置等控制得以增強(qiáng)，擴(kuò)大了數(shù)據(jù)監(jiān)視與采集、通信等功能，符合本文所述水處理系統(tǒng)的和監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求。而以工控計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，帶給系統(tǒng)可靠穩(wěn)定的運(yùn)行性能。

3.2 位機(jī) PLC 程序編寫

以西門子STEP 7 （TIA Portal） 軟件作為下位機(jī)PLC 的控制程序的編程，編程采取梯形圖語言編寫，根據(jù)控制要求，分成了運(yùn)行、清洗、再生等不同的設(shè)備模塊，然后分別對這些模塊進(jìn)行編程，最后再將各模塊的編程合為一體，具體的主程序流程為：首先是編寫主程序流程，然后再對清晰模塊進(jìn)行編程，最后是對再生模塊進(jìn)行程序編程，具體如下：

主程序流程→清晰模塊程序流程→再生模塊程序流程編制圖

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的上位機(jī)以組態(tài)軟件技術(shù)為基礎(chǔ)，其特點(diǎn)在于集圖形、人機(jī)界面、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)與通信、控制等各項(xiàng)技術(shù)為一體，完成上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，只需采取可視化的組態(tài)方式，就能設(shè)計(jì)出監(jiān)控軟件。由此，組態(tài)軟件的應(yīng)用能夠帶來較高的開發(fā)效率，使得軟件開發(fā)周期縮短。上位機(jī)監(jiān)控程序的組態(tài)軟件為西門子公司提供的WINCC 7.3 組態(tài)程序，可以應(yīng)用與Windows 平臺，在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理后，可以對工程實(shí)際問題通過動畫顯示、報(bào)警處理的方式進(jìn)行解決。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的環(huán)境共有兩部分，分別是組態(tài)、運(yùn)行這兩部分，前者為組態(tài)生成應(yīng)用系統(tǒng)，后者則是解釋執(zhí)行組態(tài)結(jié)果。

系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控界面。上位機(jī)的組態(tài)監(jiān)控界面具有多個顯示功能，包括工藝流程顯示、測量值顯示、設(shè)備運(yùn)行顯示、操作模式顯示等；顯示實(shí)時曲線數(shù)據(jù)和歷史曲線數(shù)據(jù)，將現(xiàn)場數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中，并將設(shè)備運(yùn)行報(bào)警信息記錄保存；可以修改流量等系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定值；能夠快速切換監(jiān)控系統(tǒng)的操作模式（自動/手動）。

4 通信

本系統(tǒng)利用以太網(wǎng)電纜將工控機(jī)和 PLC 進(jìn)行通信連通，其S7-1215C以太網(wǎng)編程口直接連接到工控機(jī)以太網(wǎng)口，設(shè)置好下位機(jī)編程環(huán)境，再設(shè)置好WINCC7.3組態(tài)軟件，將網(wǎng)絡(luò)主站定為工控機(jī)，將網(wǎng)絡(luò)從站定為S7-1200CPU。而下位機(jī)PLC和觸摸屏也是通過工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行通訊。

5 結(jié)語

綜述，工控機(jī)組態(tài)軟件具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和圖形功能，而具備較強(qiáng)抗干擾的PLC比較適用在工業(yè)現(xiàn)場，這樣的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠便于聯(lián)機(jī)運(yùn)行中的設(shè)備的全自動化控制，降低人工操作負(fù)荷，所得到的產(chǎn)水質(zhì)量好，設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性得到了提升。

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