小型海水淡化裝置的控制系統(tǒng)設計研究

郭輝兵

（上海市房地產學校，上海 201702）

隨著人類向海洋的探索和利用，人們對淡水的需求從陸地轉向了大海。淡水資源日益短缺已成為人們關切的問題，能夠解決水資源短缺的海水淡化技術顯得尤為重要。現(xiàn)在的遠洋船舶為了增加載貨量，淡水儲存艙容積一般設計較小，所以在停靠港口補充物資時無法裝載足夠的淡水。為了滿足船舶乘員和設備對淡水的使用需求，一般在遠洋船舶上面裝有海水淡化裝置。對于發(fā)展中國家來說，海水淡化自動化程度不算很高。這就需要大量的人力，而且工人的作業(yè)環(huán)境、安全、生產效率都不能有效保證，帶來了人力物力的浪費。因此設計一種自動化程度高，便于操作、維修、監(jiān)控的海水淡化系統(tǒng)受到了國內外廣大客戶的青睞。本文設計了一套具有基于SiemensPLC的較高自動化水平的小型海水淡化裝置控制系統(tǒng)，使其能夠更好的滿足工業(yè)生產、居民生活的需求，并且減輕勞動強度，節(jié)省產業(yè)成本，增強企業(yè)的市場競爭力。控制系統(tǒng)能夠保證系統(tǒng)自動運行，自動清洗，還能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時報警或停機。

1 控制系統(tǒng)硬件設計

采用Siemens PLC進行控制，并通過串口與液晶觸摸屏進行通信。控制系統(tǒng)采集磁感應開關、四個壓力傳感器、液位計、產水閥感應開關、開機/停機按鈕信號，實現(xiàn)對海水淡化泵、兩個氣動電磁閥、沖洗水泵、低壓電磁閥、高壓電磁閥和聲光報警器的動作。小型海水淡化裝置控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 小型海水淡化裝置控制系統(tǒng)原理圖

2 控制系統(tǒng)軟件設計

觸摸屏布置以及系統(tǒng)軟件工作狀態(tài)分別如圖2、圖3所示。

圖2 觸摸屏布置示意圖

圖3 系統(tǒng)軟件工作狀態(tài)圖

在裝置電源打開后，PLC自動記錄各項時間及參數(shù)的變化，觸摸屏顯示實時數(shù)據(jù)，并在信息欄中顯示系統(tǒng)狀態(tài)。在任何時刻均實時顯示壓力數(shù)據(jù)，但流量數(shù)據(jù)僅在正常運行流程中顯示。

如第一次進入控制系統(tǒng)，可以通過觸摸屏選擇對裝置進行調試，開始初始化流程。初始化流程結束后，即進行正常運行狀態(tài)。一般情況下，按開機/停機按紐，直接進入正常運行狀態(tài)。如產水閥未打開，則系統(tǒng)處于暫停狀態(tài)。在水量足夠，或者需要更換前處理過濾器、進行長期停機貯存、反滲透膜清洗時，須進入停機流程。

2.1 初始化流程

在系統(tǒng)第一次運行時，以及反滲透膜保養(yǎng)后第一次使用時，須進行系統(tǒng)初始化。首先，將海水淡化泵豎直放置于水中，排空內部氣體；連接管路、電纜；打開手動閥門，做好初始化準備。然后，系統(tǒng)自動進行初始化流程。此時，高壓電磁閥自動打開，然后海水淡化泵啟動。按下金屬濾芯過濾器、活性炭過濾器、保安過濾器上的紅色放氣按紐，進行手動排氣，直至沒有氣泡冒出。達到限定運行時間（初始值為5min）后，高壓電磁閥自動關閉。1h后，海水淡化泵停止運行，兩個氣動三通閥均置于功能口通高壓水位置，自動依次打開高壓電磁閥和低壓電磁閥，并打開沖洗水泵對裝置進行沖洗工作。待液位達到液位計下限時，停止沖洗水泵。然后，開啟海水淡化泵，待水箱液位達到液位計上限時，停止海水淡化泵工作。自動依次關閉低壓電磁閥和高壓電磁閥，氣動三通閥恢復至原位。初始化流程結束后。

2.2 正常運行流程

開啟海水淡化泵后，將兩位五通閥其中一只打開，另一只關閉。

當能量回收泵內部活塞運行至某一末端時，磁感應開關感應到能量回收泵的位置后將位置信號傳遞給PLC，然后，PLC控制兩只氣動二位五通電磁閥，進而控制兩只氣動三通閥動作切換能量回收泵動作方向。PLC記錄正常運行時間、磁感應開關動作時間和動作次數(shù)，并進而換算成進水流量、出水流量與產水流量。

2.3 清洗流程

（1）原水沖洗流程。當反滲透膜兩端壓差超限定值（初始值為1.4bar）；或運行時間超過限定值且為用水低谷（初始值為48h，凌晨2點）；或淡水置換前，自動進行原水沖洗。在認為需要時，也可以手動進行原水沖洗。將兩只氣動三通閥均置于功能口通高壓水位置，打開高壓電磁閥。1h后將兩只氣動三通閥恢復原位，關閉高壓電磁閥，原水沖洗流程結束。

（2）淡水置換流程。在運行時間超過限定值后（初始值為96h，凌晨2點），系統(tǒng)自動進行反滲透膜組件淡水置換。在認為需要時，也可以手動進行淡水置換。反滲透膜組件淡水置換步驟同初始化。

2.4 設置流程

可設置的參數(shù)包括高壓超壓報警值、高壓超壓停機值、低壓超壓報警值、低壓超壓停機值、過濾器堵塞壓差值、反滲透膜堵塞壓差值、時間、日期和恢復出廠設置。

2.5 調試流程

可調試的流程包括初始化流程、海水淡化泵動作調試流程、壓力傳感器調試流程、安全閥調試流程、低壓電磁閥調試流程、高壓電磁閥調試流程、磁感應開關調試流程、兩位五通閥調試流程、液位計調試流程、沖洗水泵調試流程和聲光報警器調試流程。

2.6 查詢流程

可查詢的流程包括：工作總時間、最近一次工作時間、控制閥動作次數(shù)、最近一次控制閥動作時間、總產水量、原水沖洗次數(shù)、最近一次原水沖洗時間、淡水置換次數(shù)、最近一次淡水置換時間、總報警次數(shù)、高壓超壓報警次數(shù)、最近一次高壓超壓報警時間、低壓超壓報警次數(shù)、最近一次低壓超壓報警時間、前處理過濾器堵塞報警次數(shù)、最近一次前處理過濾器堵塞報警時間、反滲透膜堵塞報警次數(shù)、最近一次反滲透膜堵塞報警時間、低壓路壓傳損壞報警次數(shù)、最近一次低壓路壓傳損壞報警時間、高壓路壓傳損壞報警次數(shù)、最近一次高壓路壓傳損壞報警時間。

2.7 報警流程

當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，自動進入報警流程，啟動聲光報警或停機，同時記錄報警時間及次數(shù)。當達到退出報警條件后，退出報警流程，回到正常運行流程中。

（1）當系統(tǒng)低壓路超壓至報警值（初始值為6.5bar）時，低壓路超壓報警。當系統(tǒng)低壓路超壓至停機值（初始值為7bar）時，低壓路嚴重超壓，停機。當不再超壓（初始值為6.4bar）時，關閉聲光報警并正常運行。

（2）當系統(tǒng)高壓路超壓時至報警值（初始值為5MPa）時，高壓路超壓報警。

當系統(tǒng)高壓路超壓至停機值時（初始值為6MPa）時，高壓路嚴重超壓，停機。當不再超壓（初始值為4.5MPa）時，關閉聲光報警并正常運行。

（3）在低壓路壓差值達到限定值（初始值為1bar）時，過濾器堵塞報警。

（4）當反滲透膜堵塞經(jīng)原水沖洗3遍后仍堵塞，則報警并停機。

（5）在正常運行流程中，當反滲透膜膜前壓力小于1bar時，海水淡化泵氣堵報警。

（6）當流量小于60L/min時，海水淡化泵供電不足或者主流路泄漏報警。

（7）當反滲透膜膜前壓力和膜后壓力變化小于0.2bar且流量小于10L/min時，海水淡化泵斷路或短路報警。

（8）當海水淡化裝置進出口壓力小于2MPa時，磁感應開關短路或斷路報警。

4 結語

本控制系統(tǒng)運用Siemens PLC作為自動控制的核心設備，操作方便、靈活、安全可靠。結果表明，該控制系統(tǒng)能夠完全達到設計要求，能夠滿足對產量和水質的實時控制要求，減輕了使用者管理和操作的強度。對于降低海水淡化成本，壯大海水淡化產業(yè)，緩解淡水嚴重缺乏的現(xiàn)狀，具有重要的現(xiàn)實意義，并對于相關海水淡化控制系統(tǒng)的技術改進有一定的借鑒意義。