PLC自動控制技術在水處理行業的應用

（上海泓濟環保科技股份有限公司 上海 200000）

隨著社會的發展和科技的進步，我們生活的各個領域都在實現著不同程度的自動化。自動化使設備在操作、控制、監視和管理的過程中，能夠在無人或少人的情況下按照預定的程序或計劃自動地進行生產，有效的提高了生產中的安全性和可靠性，改善了勞動條件，在提高水質、降低藥使用量和能耗方面都起到了重要作用。自動化控制系統分為三層網絡結構：上層為生產管理層，由操作員站及工程師站計算機組成，生產管理層通過工業以太網或PROFIBUS-DP網絡等和PLC（可編程控制器）連接，可實時查看生產數據和設備運行狀況；中間層為控制層，有PLC（可編程控制器）和其I/O遠程站組成，可按預訂的程序對現場設備進行數據采集和發號施令，并將實時的生產數據和設備運行狀況發送到生產管理層；現場層包含儀器儀表、變頻器、電氣元件以及成套設備等，現場設備的信息將有效收集到PLC的中央處理器中，并執行PLC中央處理器發出的指令。本文將以某項目為例介紹一下水處理行業的自動化系統，該項目采用超濾系統與反滲透系統的組合方式，其建設過程中所用的技術、控制流程以及控制要求及對設備運行狀態進行管理和監測將得到較為詳細的闡述。

1.控制要求

(1)系統控制

使用PLC技術對水處理系統進行自動化運行時，系統需能夠實現自動操作與手動操作的自由切換。且不論在哪種操作模式下都應能夠根據設備的運轉情況對其工藝參數要求和控制方式進行調整。主要的工藝參數（如流量、壓力和電導率等）均可直接在上位機或現場儀表上讀出，實時了解系統各設備的運行數據。在手動操作模式中，系統將允許工作人員對各執行機構進行獨立操作。

(2)報警及保護

報警發生的類型包括：高低液位報警、設備故障報警、流量低及高低壓報警等。當清水箱、超濾產水箱、反滲透水箱及反滲透濃水箱等液位低于設定的低限或水位高于設定的高限時，將發出相應的液位報警信號。同時低液位報警時出口的相應設備要停止運行，高液位報警時入口相應的設備也要停止運行。加藥箱的液位低于浮球的低限后將發出低液位報警，提醒運行人員補充藥劑，同時停止加藥泵的運行。泵類設備發生故障報警時，一般為控制本設備的熱繼電器發生了過載保護，配置有變頻的一般為變頻器發生了故障，需要現場電氣專工進行相應的處理；閥門故障形成原因為打開或關閉的命令發出后不能在設定的時間內達到相應的效果，遇到此類問題就需要儀表專工對此閥門來進行問題診斷處理；超濾進水與濃水超壓報警后需檢查超濾系統的運行狀態是否正常，如手動閥是否正常打開等；反滲透系統的進水與段間差壓大報警、段間與濃水差壓大報警、產水壓力大報警及濃水流量低報警后需現場運行人員檢查反滲透系統的使用狀況，如是否反滲透膜有堵的狀況或閥門未打開狀況等。

保護措施主要包括：超濾系統的進水與濃水超壓保護、高壓泵的高低壓保護、反滲透系統的產水超壓保護及ORP保護。超濾系統的進水與濃水壓力超過設定值時，說明超濾膜可能有堵的現象，超濾系統的程序將立即停止；高壓泵的高低壓保護是指高壓泵的入口壓力低于入口壓力表的設定值，或高壓泵出口壓力高于出口壓力表的設定值，這時需終止反滲透系統及高壓泵的運行，然后檢查現場手動閥門是不是有未打開或查找其它可能引起此問題的原因；反滲透系統的產水超壓保護及ORP保護為產水壓力超過設定壓力及ORP值超過設定值時停止反滲透系統的運行，產水超壓一般是因反滲透膜被穿透造成的，ORP值過高會對反滲透膜造成較大傷害。

(3)操作方式

通常情況下，系統采用自動運行的操作模式，整個工作過程不需要工作人員干預。在檢修或應急時，系統切換到手動模式。

2.控制流程

由于本系統為超濾系統和反滲透系統的組合，中間由超濾水箱進行了過渡，所以超濾和反滲透系統能夠相對比較獨立的運行，它們的控制流程我們將進行分別論述。

(1)超濾系統

①系統啟動，控制進水閥、產水閥和濃水閥的中間繼電器吸合，閥門開始打開。待三個閥門全部打開到位后超濾供水泵對應的接觸器KM吸合，超濾供水泵啟動。超濾系統即進入了運行程序，運行人工設定的時間（20-30分鐘）以后超濾系統進入反洗程序。

②超濾系統產水中止，進入反洗程序。按氣洗→排水→反洗1→反洗2→正洗的步序分別進行打開或關閉相關各閥門、水泵及計量泵等。每步動作的詳細命令均需參照工藝設計的步序圖，每步的運行時間也需根據現場調試的情況進行人工設定。正洗結束后開始重新進入產水程序。

③當超濾系統反洗次數累計到設定次數（如10次）時將進行CEB（堿）反洗，累計到另一個設定次數（如20次）時將進行CEB（酸）反洗，酸反洗結束后反洗次數清零，然后重新累計計數，累計次數設定值需根據現場設備運行的狀況進行人工設定或調整。CEB（堿）或CEB（酸）反洗的步序為氣洗→排水→反洗1→反洗2→正洗→排水→CEB（堿或酸）→浸泡→氣洗→排水→反洗1→反洗2→正洗。同第二步，每階段動作的詳細命令也需參照工藝設計的步序圖，進行打開或關閉相關閥門、水泵及計量泵等。每步的運行時間根據現場調試的情況進行人工設定。正洗結束后開始進入產水程序。

④以上每個步驟循環進行。

(2)反滲透系統

①系統啟動，反滲透系統開始進行開機沖洗，控制產水排放閥和濃水排放閥的中間繼電器吸合，閥門開始打開，待兩個閥門全部打開到位后與反滲透增壓泵對應的接觸器KM吸合。反滲透增壓泵啟動，達到人工設定時間（5分鐘左右）后開機沖洗結束。

②開機沖洗結束后反滲透系統進入運行階段，濃水排放閥關閉，關閉到位后高壓泵啟動，高壓泵的頻率可在上位機畫面上根據現場工況進行人工設定，由變頻器來完成調節。待產水電導率低于設定值后，產水排放閥關閉，反滲透系統開始向反滲透水箱進行供水。

③當停機命令發出后，反滲透系統停止運行，高壓泵和反滲透增壓泵停止，進入停機沖洗過程。控制沖洗進水閥、產水排放閥和濃水排放閥的中間繼電器吸合，待三個閥門都打開到位后，反滲透沖洗泵對應的接觸器KM吸合，反滲透沖洗泵啟動，達到人工設定時間（5分鐘左右）后停機沖洗結束。反滲透系統回歸待用狀態。

3.自動控制系統的PLC程序設計

(1)PLC應用

水處理行業內PLC的應用非常廣泛，品牌也非常多，但由以西門子的產品使用相對最為普及。本項目自動控制系統即采用了西門子公司的S7-300系列，控制程序采用配套提供的STEP7V5。5SP2版本來進行編程軟件開發。控制程序由一個主程序、若干子程序構成，程序的編制在計算機上完成，編譯后通過以太網把程序下載進PLC的CPU模塊中，水處理系統的自動控制任務就是由在RUN模式下的CPU模塊來計算處理，和其后裝載的數字量與模擬量I/O模塊來執行的。

(2)PLC編程

在原水箱、超濾水箱、反滲透水箱和反滲透濃水箱等內部可安裝高、中、低不同高度的浮球開關；或者安裝靜壓液位計，接入AI模塊中，由CPU來計算液位，并設定高、中、低液位大小，以掌握液位的高低并控制水箱前后設備的運行和停止。

原水箱低于中液位時，原水泵啟動，將原水注入原水箱中，原水箱到達高液位時，原水泵停止處于待啟動狀態。

當原水箱高于中液位，超濾水箱低于中液位時，超濾系統即具備了啟動條件。當原水箱低于低液位或超濾水箱高于高液位時，運行中超濾系統將會立即停止。超濾系統在運行時，還需啟動鹽酸計量泵來調節超濾進水的PH值來保護超濾膜。到達反洗時間時，為保證超濾系統能順利完成整個反洗流程，超濾水箱的液位需要在中液位以上，如果沒有達到中液位以上超濾系統將會一直處于產水狀態。

當超濾水箱高于中液位、反滲透水箱低于中液位和反滲透濃水箱低于中液位時，反滲透系統即具備了啟動條件。反滲透系統運行中還需啟動阻垢劑計量泵和還原劑計量泵，還原劑計量泵的啟停同時還受入口ORP分析儀的連鎖。當超濾水箱低于低液位、反滲透水箱高于高液位或反滲透濃水箱高于高液位時，運行中的反滲透系統將會立即停止并進入停機沖洗狀態。停機沖洗結束后進入待啟動狀態，液位符合要求后直接啟動反滲透系統，不再進行開機沖洗。

一些不經常使用的操作則可通過手動進行，無需程序控制，如超濾系統的化學清洗和反滲透膜清洗等。

本文分別從控制要求、控制流程和PLC編程等三方面對水處理自動化控制系統進行了闡述，簡要說明了水處理系統的自動化過程。水作為人們日常生活中必不可少的重要資源，水處理的效果直接關系到相關水產品質量以及廣大人民的身心健康，通過PLC自動控制技術在水處理中科學、有效的應用，不僅能極大地提高水質和供水的安全可靠性，而且在藥耗、能耗和漏耗上得到有效的降低，實現了水處理系統在社會效益和經濟效益的全面提升。