PLC 控制系統(tǒng)在浸沒(méi)式超濾膜系統(tǒng)中的應(yīng)用

余天奇，李都望，黃草根

（江西省水務(wù)集團(tuán)有限公司，江西南昌 330096）

以浸沒(méi)式超濾膜工藝為主體的制水工藝流程占地面積小、出水水質(zhì)穩(wěn)定，適合應(yīng)用于用地緊張的老舊水廠改造項(xiàng)目。相比較于傳統(tǒng)制水工藝，浸沒(méi)式超濾膜工藝更為復(fù)雜，其附屬設(shè)備多，濾餅?zāi)_洗周期短（通常為1.5 h 左右）。 當(dāng)膜池?cái)?shù)量較多時(shí)，平均10 min 左右就有1 個(gè)膜池進(jìn)行沖洗，如此高強(qiáng)度的沖洗工作，如果采用人工操作將很難保證超濾膜系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，構(gòu)建1 個(gè)可靠的自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)于采用該工藝的水廠而言尤為重要[1-2]。

1 項(xiàng)目背景

羅橋水廠位于修水老城區(qū)， 建于1980 年代，有1×104m3/d、2×104m3/d 生產(chǎn)線各1 條，采用旋流絮凝斜管沉淀＋虹吸濾池/重力式無(wú)閥濾池工藝， 清水通過(guò)水泵提升后向老城區(qū)供水。 目前日常供水3 000~5 000 m3/d，高峰供水月2×104m3/d，廠區(qū)內(nèi)無(wú)閑置的改造場(chǎng)地。隨著修水縣近幾年的快速發(fā)展，修水縣城水廠供水已無(wú)法滿足人們?nèi)粘Ｉ睢⑸a(chǎn)需要。 因此，需要重新啟用羅橋水廠的1×104m3/d 生產(chǎn)線。 然而由于該水廠建廠較早，工藝處理流程不盡完善，制水工藝落后，部分構(gòu)筑物出現(xiàn)風(fēng)化、穿孔、損壞等狀況，致使該生產(chǎn)線處于停滯和癱瘓狀況，無(wú)法正常供水。 因此，需對(duì)其進(jìn)行改造。

本次項(xiàng)目保留了混凝、沉淀等一期構(gòu)筑物，對(duì)該生產(chǎn)線的虹吸砂濾池進(jìn)行原址改造，在現(xiàn)有土建基礎(chǔ)上改造為浸沒(méi)式超濾膜工藝，原水經(jīng)絮凝處理后直接進(jìn)入超濾膜池，濾后水經(jīng)消毒后直接進(jìn)入清水池，再接至城區(qū)供水管網(wǎng)。

2 浸沒(méi)式超濾膜工藝及自控系統(tǒng)方案

浸沒(méi)式超濾膜工藝是基于超濾膜組件開(kāi)發(fā)出的一種浸沒(méi)式超濾系統(tǒng)，是MBR（膜生物反應(yīng)器）的改進(jìn)型工藝。 該工藝用膜組件替代了傳統(tǒng)工藝中的二沉池，進(jìn)行固相和液相分離[3]。

針對(duì)工藝特點(diǎn)，自控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用PLC＋HMI＋PC 框架：采用PLC 作為現(xiàn)場(chǎng)控制單元，HMI 觸摸屏完成現(xiàn)場(chǎng)控制功能，中控室設(shè)置上位機(jī)PC 作為監(jiān)控平臺(tái)。 PLC 與HMI 通訊采用RS485 協(xié)議，PC與PLC 通訊采用工業(yè)以太網(wǎng)TCP/IP 協(xié)議，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也提升了系統(tǒng)的拓展性。

3 現(xiàn)場(chǎng)PLC 子站控制架構(gòu)

在羅橋水廠改造工程中，根據(jù)新增的浸沒(méi)式超濾膜設(shè)備及原有工藝設(shè)備的情況，綜合考慮工藝流程相關(guān)性及區(qū)域位置分布，共設(shè)置了2 套PLC 子站，分別位于加藥間和超濾膜池。

3.1 加藥系統(tǒng)PLC 子站

加藥系統(tǒng)由PAC 投加系統(tǒng)和絮凝沉淀池組成。

1）PAC 投加系統(tǒng)。為保證投加量精確度，加藥系統(tǒng)設(shè)為自動(dòng)控制，根據(jù)進(jìn)水量大小改變投加量。 主要監(jiān)測(cè)：進(jìn)水流量信號(hào)、儲(chǔ)罐液位信號(hào)、計(jì)量泵工作狀態(tài)、攪拌機(jī)工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)精確化加藥。系統(tǒng)能根據(jù)進(jìn)水量大小自動(dòng)控制PAC 投加量， 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程/就地控制加藥計(jì)量泵。

2）絮凝沉淀池。 主要監(jiān)測(cè)沉淀池?cái)嚢铏C(jī)工作狀態(tài)、排泥閥工作狀態(tài)、原水濁度、pH/T、流量、沉淀后出水濁度。 實(shí)現(xiàn)功能包括：根據(jù)設(shè)定順序、周期、開(kāi)/關(guān)時(shí)間的要求，自動(dòng)控制排泥閥進(jìn)行排泥；遠(yuǎn)程操控?cái)嚢铏C(jī)轉(zhuǎn)速以改善絮凝效果； 接收并上傳檢測(cè)儀表數(shù)據(jù)。

3.2 超濾膜系統(tǒng)PLC 子站

超濾膜系統(tǒng)由膜池、濾餅層維護(hù)系統(tǒng)、CIP 藥洗系統(tǒng)、曝氣系統(tǒng)、真空引水系統(tǒng)等組成。

1）膜池。 本項(xiàng)目共有膜池8 個(gè)，單個(gè)膜池裝有100 簾膜元件。池正常運(yùn)行時(shí)，1 個(gè)產(chǎn)水周期包含產(chǎn)水90 min 和1 次氣反沖洗。當(dāng)完成5 個(gè)產(chǎn)水周期后，進(jìn)行1 次膜池排空和氣水混合反沖洗；當(dāng)累計(jì)完成150個(gè)產(chǎn)水周期后，進(jìn)行1 次藥洗。自控系統(tǒng)的步序控制主要根據(jù)膜池的液位信號(hào)進(jìn)行判定， 當(dāng)膜池液位到達(dá)預(yù)設(shè)值時(shí)，便進(jìn)行相應(yīng)步序。該系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)膜池的工作狀態(tài)、液位信號(hào)、產(chǎn)水邏輯流程、反沖洗邏輯流程、藥洗邏輯流程、鼓風(fēng)機(jī)及反沖洗水泵的運(yùn)行狀態(tài)等。實(shí)現(xiàn)功能包括：根據(jù)預(yù)設(shè)值，能自動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)水，反沖洗，藥洗等邏輯流程；自動(dòng)控制鼓風(fēng)機(jī)及反沖洗水泵的啟/停；接收并上傳檢測(cè)儀表數(shù)據(jù)。

2）濾餅層維護(hù)系統(tǒng)。 濾餅層維護(hù)系統(tǒng)包含水反洗單元、濾池水循環(huán)單元、藥液回收單元。當(dāng)水反洗單元執(zhí)行時(shí)，水反洗管路相應(yīng)閥門(mén)打開(kāi)，2 臺(tái)反洗泵根據(jù)程序設(shè)定從膜池產(chǎn)水總管上取水進(jìn)行水反沖洗步序；當(dāng)濾池水循環(huán)單元執(zhí)行時(shí)，濾池水循環(huán)管路相應(yīng)閥門(mén)打開(kāi)，通過(guò)循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)水力，連通儲(chǔ)藥罐與膜池，達(dá)到藥劑循環(huán)利用、藥洗充分反應(yīng)的目的；當(dāng)藥液回收單元執(zhí)行時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)配備了大小2 個(gè)儲(chǔ)罐，小儲(chǔ)罐為高濃度藥劑罐，需抽加至大儲(chǔ)藥罐進(jìn)行稀釋，然后才投入藥洗步序。為避免藥劑浪費(fèi)，當(dāng)藥劑濃度降低時(shí)，便通過(guò)高濃度藥罐及其附屬管道對(duì)大儲(chǔ)藥罐進(jìn)行重新配比。該系統(tǒng)主要檢測(cè)各個(gè)閥門(mén)的工作狀態(tài)、儲(chǔ)罐液位信號(hào)、循環(huán)泵及輸藥泵的工作狀態(tài)、檢測(cè)儀表數(shù)據(jù)信號(hào)等。實(shí)現(xiàn)功能包括：根據(jù)程序預(yù)設(shè)值，能夠自動(dòng)運(yùn)行上訴單元的邏輯步序及相應(yīng)閥門(mén)的開(kāi)/關(guān)；遠(yuǎn)程控制循環(huán)泵及輸藥泵的啟/停；接收并上傳檢測(cè)儀表數(shù)據(jù)。

3）維護(hù)性化學(xué)清洗系統(tǒng)。 維護(hù)性化學(xué)清洗系統(tǒng)包含檸檬酸加藥單元、次氯酸鈉加藥單元、氫氧化鈉中和加藥單元、還原劑加藥單元。檸檬酸加藥單元即維護(hù)性酸化學(xué)清洗，去除膜的有機(jī)污染及結(jié)垢物質(zhì)。根據(jù)程序設(shè)定的累計(jì)取水周期達(dá)到150 次后啟用；次氯酸鈉加藥單元即維護(hù)性堿化學(xué)清洗，當(dāng)酸洗效果不明顯時(shí)，啟用此單元進(jìn)行堿洗。氫氧化鈉中和加藥單元即用于中和檸檬酸，于酸洗完成后啟用。還原劑加藥單元即用于中和次氯酸鈉，于堿洗完成后啟用。該系統(tǒng)主要檢測(cè)攪拌機(jī)的工作狀態(tài)、儲(chǔ)罐液位信號(hào)、各個(gè)投加泵的工作狀態(tài)、檢測(cè)儀表數(shù)據(jù)信號(hào)等。實(shí)現(xiàn)功能包括：根據(jù)程序預(yù)設(shè)值，能夠自動(dòng)運(yùn)行上訴單元的邏輯步序及相應(yīng)設(shè)備的啟/停；遠(yuǎn)程控制投加泵及攪拌機(jī)的啟/停；接收并上傳檢測(cè)儀表數(shù)據(jù)。

4）曝氣系統(tǒng)。 曝氣系統(tǒng)由2 臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)交替運(yùn)行工作，為超濾膜提供氣反沖洗。該系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、氣管壓力參數(shù)，閥門(mén)工作狀態(tài)等。實(shí)現(xiàn)功能包括：自動(dòng)控制鼓風(fēng)機(jī)的啟/停；遠(yuǎn)程控制相關(guān)閥門(mén)的開(kāi)/關(guān)。

5）真空系統(tǒng)。真空系統(tǒng)是膜運(yùn)行的配套系統(tǒng)，為超濾膜實(shí)現(xiàn)虹吸產(chǎn)水的前提條件。 該系統(tǒng)同時(shí)包含膜系統(tǒng)的氣檢系統(tǒng)，通過(guò)加裝在真空管路上的真空表數(shù)據(jù)傳輸，能采集真空系統(tǒng)的運(yùn)行情況，出現(xiàn)故障時(shí)，能及時(shí)指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)人員進(jìn)行維修。其主要監(jiān)測(cè)真空系統(tǒng)壓力，實(shí)現(xiàn)功能為遠(yuǎn)程查看真空系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

6）消毒藥劑投加系統(tǒng)。 水處理前后端次氯酸鈉加藥系統(tǒng)主要提供原水前端及濾后水消毒用，可根據(jù)余氯儀反饋值進(jìn)行加氯范圍調(diào)整。主要監(jiān)測(cè)余氯分析儀數(shù)據(jù)、投加泵及輸藥泵的工作狀態(tài)、壓力計(jì)、相應(yīng)閥門(mén)的工作狀態(tài)等。實(shí)現(xiàn)功能包括：前加氯根據(jù)原水流量等比例投加；后加氯根據(jù)濾后余氯值及進(jìn)水流量進(jìn)行負(fù)反饋閉環(huán)控制投加。

4 自控系統(tǒng)控制敘述

本項(xiàng)目自控系統(tǒng)針對(duì)浸沒(méi)式超濾膜的邏輯控制主要分為兩類步序，分別是產(chǎn)水步序（含反沖洗）、藥洗步序（含維護(hù)性酸洗、維護(hù)性堿洗、恢復(fù)性藥洗）。

4.1 產(chǎn)水步序

啟動(dòng)產(chǎn)水步序允許條件：膜池液位>預(yù)設(shè)值（2.70 m）；膜池液位<預(yù)設(shè)值（4.00 m）；無(wú)其他膜池單元正在進(jìn)行補(bǔ)水流程。

1）啟動(dòng)等待：查詢并判定允許條件，true 則延時(shí)5 s，進(jìn)入下一步。

2）膜池補(bǔ)水：開(kāi)進(jìn)水閥至預(yù)設(shè)值（50%~100%），待膜池液位>預(yù)設(shè)值（2.70 m）后，延時(shí)1 s 進(jìn)入下一步； 如果膜池液位在進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)啟后120 s 后仍未達(dá)到設(shè)定液位，發(fā)出“膜池補(bǔ)水故障報(bào)警”并進(jìn)入停機(jī)報(bào)警狀態(tài)。

3）真空排氣：開(kāi)真空系統(tǒng)，真空度達(dá)到預(yù)設(shè)值后延時(shí)30 s（延時(shí)時(shí)間可變）進(jìn)入下一步；如果真空度在真空系統(tǒng)開(kāi)啟后120 s 后認(rèn)為達(dá)到設(shè)定值， 發(fā)出“膜池真空故障報(bào)警”并進(jìn)入停機(jī)報(bào)警狀態(tài)。

4）產(chǎn)水：關(guān)真空系統(tǒng)，關(guān)排氣蝶閥，開(kāi)產(chǎn)水蝶閥，進(jìn)水閥開(kāi)度與膜池液位進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)，保持液位穩(wěn)定在產(chǎn)水液位（3.50 m）。當(dāng)產(chǎn)水時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)值（90 min）后，自動(dòng)觸發(fā)，轉(zhuǎn)入產(chǎn)水氣洗步序；當(dāng)PLC計(jì)時(shí)器累計(jì)達(dá)到預(yù)設(shè)值（5 次）后，自動(dòng)觸發(fā)，轉(zhuǎn)入降液步序；當(dāng)PLC 計(jì)時(shí)器累計(jì)達(dá)到預(yù)設(shè)值（150 次）后，彈出提示畫(huà)面，詢問(wèn)運(yùn)行人員是否轉(zhuǎn)入酸洗步序。

5）產(chǎn)水氣洗： 開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)，進(jìn)行產(chǎn)水氣洗（60 s）。

6）降液：當(dāng)計(jì)數(shù)器累計(jì)達(dá)到預(yù)設(shè)值（5 次）后，關(guān)進(jìn)水調(diào)節(jié)閥，延時(shí)5 s。 當(dāng)液位小于預(yù)設(shè)值（2.75 m）時(shí)，轉(zhuǎn)入下一步，最大延時(shí)120 s。

7）氣洗：關(guān)產(chǎn)水蝶閥，開(kāi)反洗進(jìn)氣蝶閥，關(guān)排空蝶閥，開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)，進(jìn)行氣洗（100 s），轉(zhuǎn)入下一步。

8）氣水洗：開(kāi)反沖洗水泵，開(kāi)反洗進(jìn)水蝶閥，進(jìn)行氣水洗（60 s），轉(zhuǎn)入下一步。

9）排污：前置邏輯判斷，若膜池液位到達(dá)排污設(shè)定水位（4.00 m）時(shí)，打開(kāi)排污閥，執(zhí)行排污步序；若膜池液位未達(dá)到排污設(shè)定水位，則跳過(guò)本步序，轉(zhuǎn)入下一步。

10）排空：關(guān)反沖洗水泵，關(guān)反洗進(jìn)水蝶閥，開(kāi)排空蝶閥，開(kāi)反洗排放蝶閥，關(guān)反洗進(jìn)氣蝶閥，停鼓風(fēng)機(jī)。 當(dāng)膜池液位降低到預(yù)設(shè)值（0.20 m）延時(shí)5 s，轉(zhuǎn)入補(bǔ)水步序。

產(chǎn)水步序見(jiàn)圖1 所示。

圖1 產(chǎn)水步序

4.2 酸洗步序

當(dāng)計(jì)數(shù)器累計(jì)次數(shù)達(dá)到預(yù)設(shè)值（150 次）時(shí)，由運(yùn)行人員確定是否進(jìn)入酸洗步序。 投加藥劑為檸檬酸。啟動(dòng)允許條件：無(wú)其他膜池單元正在反洗或化學(xué)清洗（如有其他膜池單元執(zhí)行化學(xué)清洗，則該膜池進(jìn)入化學(xué)清洗等待隊(duì)列， 當(dāng)其他膜池單元化學(xué)清洗完畢后，自動(dòng)進(jìn)入化學(xué)清洗步序）；膜池液位<2.75 m；輸藥泵無(wú)故障；循環(huán)泵無(wú)故障。

1）酸洗等待：查詢并判定允許條件，true 則延時(shí)5 s，進(jìn)入下一步。

2）加藥：關(guān)反洗排放閥，開(kāi)加藥入口蝶閥，開(kāi)反洗進(jìn)水閥，關(guān)排放閥，開(kāi)反沖洗水泵，開(kāi)檸檬酸計(jì)量泵，當(dāng)膜池液位達(dá)到預(yù)設(shè)值（3.50 m）時(shí)，關(guān)反沖洗水泵，關(guān)計(jì)量泵，關(guān)反洗進(jìn)水閥，延時(shí)1 s 進(jìn)入下一步。

3）浸泡：關(guān)加藥入口蝶閥，關(guān)排放閥，關(guān)循環(huán)閥，浸泡設(shè)定值（24 h）。

4）氣洗：間隔時(shí)間（60 min）,開(kāi)反洗進(jìn)氣閥，開(kāi)鼓風(fēng)機(jī)，氣洗時(shí)間（120 s）。

5）循環(huán)：開(kāi)循環(huán)閥，開(kāi)循環(huán)泵，循環(huán)時(shí)間（300 s）。

6）輸送藥液：將廢舊藥液輸往大儲(chǔ)藥罐，進(jìn)行二次循環(huán)利用。

7）補(bǔ)水：開(kāi)進(jìn)水閥，待膜池液位>預(yù)設(shè)值（3.50 m）后，延時(shí)1 s 進(jìn)入下一步。

8）中和循環(huán)：開(kāi)NaOH 加藥泵，中和檸檬酸。

9）排空：關(guān)反洗進(jìn)水蝶閥，開(kāi)排空蝶閥，當(dāng)膜池液位降低到預(yù)設(shè)值（0.20 m）延時(shí)5 s，轉(zhuǎn)入下一步序。

酸洗步序見(jiàn)圖2所示。

圖2 酸洗步序

4.3 堿洗步序

作為酸洗的配合步序，當(dāng)酸洗效果不佳時(shí)，人工進(jìn)入堿洗步序。步序流程相似，投加藥劑變?yōu)榇温人徕c，具體步序見(jiàn)圖3，在此不再贅述。

圖3 堿洗步序

4.4 恢復(fù)性藥洗步序

當(dāng)膜組件受到相當(dāng)程度的污染時(shí)， 人工進(jìn)入此步序。 步序流程相似，藥劑種類及藥劑量有所變化，具體步序見(jiàn)圖4，在此不再贅述。

圖4 恢復(fù)性藥洗步序

5 結(jié)語(yǔ)

浸沒(méi)式超濾膜系統(tǒng)為老水廠改造及新建水廠提供了新的工藝思路。其具有占地面積小、原水抗沖擊負(fù)荷強(qiáng)、出水水質(zhì)穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高的特點(diǎn)，尤其適合運(yùn)用于中小型水廠改造工程，其自控系統(tǒng)能極大地減輕人工強(qiáng)度。