基于PLC的反滲透純水處理監控系統的設計

張永權

摘 要： 市場上的水處理設備有多個種類，各種水處理設備均有各自的操作工藝，比較復雜。以往的控制系統中，水處理工藝流程由時間繼電器來控制運行，并由人工操作來完成水質指標監測。本文就用某純凈水廠現有的反滲透水處理設備條件，以WINCC 組態軟件為基礎，用可編程控制器（Programmable LogicController，PLC）來設計該水廠的反滲透純水處理結構系統。

關鍵詞： PLC；反滲透；純水處理系統；組態軟件

引言

反滲透技術通常又被稱為膜分離技術，過濾水中的有害物質主要利用的半透膜的滲透原理。如果半透膜兩側具有不同的濃度液體，那么就會發生兩種液體之間的滲透現象，也就是高濃度溶液中的溶質會向低濃度的溶液運動。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移向低濃度一側，這就是反滲透過程.反滲透制水裝置就是根據這一原理設計的。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、膠體、有機物、重金屬、細菌、病毒等有害的物質截留下來，然后通過污水處理口排出，經過反透膜之后的水就成了最終的食品、化工等純水。該技術的特點是低能耗、無污染，其工藝先進且只需簡便操作維護。

傳統操作方法存在工作人員較大的勞動強度，極有可能導致工作人員的誤操作行為，從而影響到純水水質。在設備運行監控方面，缺乏現場監控和數據采集，不利于系統的集中化大型化控制。而設計開發自動化程度高的監控系統，則能有效減輕工作人員的勞動強度，讓各種資源得到優化分配，確保制水質量和制水的控制精度。

1 反滲透水處理系統

1.1 水處理系統組成及工藝流程

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水的量，增大膜清洗所耗費的成本也增加了。因而在設計水處理系統的過程中需要注意上述可能出現問題的環節并采取措施予以避免。

原水中的懸浮物和部分膠體物質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。這就是系統的預處理裝置部分，主要為多介質的過濾器。從陽離子軟化器經高壓泵的原水進入反滲透主機，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 水處理系統控制對象及監控要求

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、反滲透主機三部分進行監控。這三部分設備直接影響到水處理系統的壽命和制水水質，由此，需要對運行一段時間的這三部分設備進行反洗和正洗或清洗。其中清洗最重要的是反滲透主機，這是由于該部分設備在長時期的運轉下或者是預處理失效，就會因為結垢而堵塞反滲透膜膜孔，損壞設備，影響制水水質，必須定期清洗。當水處理系統在運行過程中，必須對高壓泵前、后壓力是否符合要求進行全程檢測，查看其是是否安全正常運轉。要定期對陽離子軟化器作離子再生操作。在產水出來后，必須要查看水質的電導率檢測結果，當水質電導率超過了所要求的產水值，表示產水水質不合格，此時要自動排放出產水，不得讓所產生污染已產水，同時要清洗、再生流程，待一切正常后重新產水。原水箱水位直接影響到系統的運行，當原水箱的水位比設定低位系統的水位要低，系統會待機，只有比設定高位系統高是，系統才會開始正常運行。

2 監控系統組成

本水處理系統采用上下位機的監控系統形式，具體如下圖。組態軟件工控機作為上位機部分，對下位機、實時數據顯示與存儲進行監控管理；而PLC就算下位機部分，主要對現場水處理設備、上傳設備實時數據到上位機進行控制。上下位機之間的數據通信依靠工業以太網完成。觸摸屏作為界面，由 PLC 來控制和顯示。

3 監控系統設計

3.1 監控系統硬件

本案例中的監控硬件設備為西門子 S7-1200 PLC，以CPU 1215C作為其處理器模塊，具備較好的擴展性能，其程序和數據存儲空間高達128KB，I/O能夠擴展到248 點數字量或64 路模擬量，其以太網通信口共有2個，還兼具PID 自整定功能。CPU 1215C使得PLC 的運動、過程、位置等控制得以增強，擴大了數據監視與采集、通信等功能，符合本文所述水處理系統的和監控系統的功能需求。而以工控計算機作為上位機，帶給系統可靠穩定的運行性能。

3.2 位機 PLC 程序編寫

以西門子STEP 7 （TIA Portal） 軟件作為下位機PLC 的控制程序的編程，編程采取梯形圖語言編寫，根據控制要求，分成了運行、清洗、再生等不同的設備模塊，然后分別對這些模塊進行編程，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行編程，最后是對再生模塊進行程序編程，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 上位機軟件設計

本系統的上位機以組態軟件技術為基礎，其特點在于集圖形、人機界面、數據庫、網絡與通信、控制等各項技術為一體，完成上位機軟件設計，只需采取可視化的組態方式，就能設計出監控軟件。由此，組態軟件的應用能夠帶來較高的開發效率，使得軟件開發周期縮短。上位機監控程序的組態軟件為西門子公司提供的WINCC 7.3 組態程序，可以應用與Windows 平臺，在現場數據采集處理后，可以對工程實際問題通過動畫顯示、報警處理的方式進行解決。上位機軟件設計的環境共有兩部分，分別是組態、運行這兩部分，前者為組態生成應用系統，后者則是解釋執行組態結果。

系統組態監控界面。上位機的組態監控界面具有多個顯示功能，包括工藝流程顯示、測量值顯示、設備運行顯示、操作模式顯示等；顯示實時曲線數據和歷史曲線數據，將現場數據存儲到數據庫中，并將設備運行報警信息記錄保存；可以修改流量等系統參數設定值；能夠快速切換監控系統的操作模式（自動/手動）。

4 通信

本系統利用以太網電纜將工控機和 PLC 進行通信連通，其S7-1215C以太網編程口直接連接到工控機以太網口，設置好下位機編程環境，再設置好WINCC7.3組態軟件，將網絡主站定為工控機，將網絡從站定為S7-1200CPU。而下位機PLC和觸摸屏也是通過工業以太網進行通訊。

5 結語

綜述，工控機組態軟件具有強大的數據處理和圖形功能，而具備較強抗干擾的PLC比較適用在工業現場，這樣的系統設計能夠便于聯機運行中的設備的全自動化控制，降低人工操作負荷，所得到的產水質量好，設備運行的可靠性和安全性得到了提升。

參考文獻

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