席 巍，李 军，郑业明，刘长青

XI Wei1,2 , LI Jun2 , ZHENG Ye-ming2, LIU Chang-qing2

（1.北京市智能机械创新设计服务工程技术研究中心，北京 100020；2.北京联合大学机器人学院，北京 100020）

0 引言

随着我国经济的发展与日益加快的城市化进程，在水资源日益短缺、节能减排的今天，热电厂是用水、排水大户，用水的费用占企业生产成本的比重在不断地提高。因而伴随着水资源的匮乏及环保法律的日趋严格，合理利用水资源，提高水的重复使用率已成为热电厂面临的重要且紧迫的任务[1]。电厂热力系统中水的品质是影响电厂热力设备安全、经济运行的重要因素之一。没有经过净化处理的天然水含有杂质，这种水如果进入水汽循环系统，将会造成各种危害[2]。反渗透技术是目前比较先进和最有效节能的膜分离技术。通过高于溶液渗透压的作用下，依据其他物质不能透过半透膜，将这些物质和水有效地分离开[3]。

本文针对某热电厂120T/H反渗透水处理系统，应用PLC技术、PROFIBUS技术和组态软件技术等，开发设计了自动化程度高的控制系统，实现了对反渗透水处理系统工况参数的在线实时监测以及故障和异常工作状态的在线诊断，使现场工作人员可以实时地掌控系统的工作状态，并根据其工作状态进行控制和实时调度。这降低了工作人员的劳动强度，提高了控制精度，保证了水的品质。

1 反渗透水处理系统的结构及控制要求

1.1 系统结构

热电厂反渗透水处理系统主要由机械过滤单元和反渗透单元两个部分组成。机械过滤单元主要包括生水泵、加药装置、机械过滤器与反洗水泵。反渗透单元主要包括加药装置、保安过滤器、高压泵、反渗透装置、冲洗泵、除盐水箱、除盐水泵和浓水箱。系统主要机构的功能如下：

1）加药装置：在系统运行或者反洗时需要加入相关的药剂，例如凝聚剂、氧化剂、还原剂与阻垢剂等。

2）机械过滤器：利用薄膜初步过滤生水，将生水中的悬浮物、泥沙、铁质、锰等以及使用沉淀方法所不能去除的粘结胶质颗粒去除。生水经生水泵升压后进入机械过滤器，在压力的作用下，由下而上通过滤料层，进一步降低水中的浊度。

3）反洗水泵和冲洗泵：分别用于机械过滤器装置和反渗透装置的反向冲洗，可以消除由于长期正向运行产生的杂质，以防止发生污堵，来确保系统的可靠运行。

4）保安过滤器：即5µm精密过滤器，放置于反渗透单元的进口处，其目的是为了防止来水中可能携带的杂质颗粒进入反渗透单元后划伤或击穿反渗透膜，保护高压泵和反渗透装置中的膜元件，避免其损坏。

5）高压泵：反渗透单元中的核心设备之一，向进入反渗透膜元件的原水提供压力，用来克服渗透压及运行阻力，使装置达到额定的流量，维持反渗透单元的正常运转。

6）反渗透装置：采用膜分离技术，通过反渗透膜（或称半透膜），用一定的压力使溶液中的溶剂分离出来。该装置的孔径非常小，可以去除滤液中的分子量很小的有机物和离子范围的溶质，例如病毒、细菌等。

1.2 控制工艺和控制要求

120T/H反渗透水处理系统的整个工艺流程如下：生水通过生水泵，在加入凝聚剂与氧化剂后进入机械过滤器，滤掉了其中大量的杂质；在加入还原剂与阻垢剂后，经保安过滤器进行再次过滤；然后通过高压泵加压进入反渗透装置，经反渗透装置产生的水进入除盐水箱；最后经除盐水泵加压后进入主厂房，如图1所示。

图1 反渗透水处理的工艺流程

机械过滤单元共有4台机械过滤器，其中3台正常运行，1台作为备用。机械过滤器的启动与停止根据生水的流量进行控制，反洗水泵的启动与停止可以是手动控制，也可以根据机械过滤器的运行时间进行自动控制。

每台机械过滤器设有7个阀门，分别是进水阀F1、出水阀F2、反洗排水阀F3、正洗排水阀F4、反洗进水阀F5、压风进气阀F6和排气阀F7，如图2所示。机械过滤器在运行后必须进行清洗，清洗过程分为6步，即排水、空气擦洗、反洗、静止、正洗和备用，其中正洗与反洗时间可根据机械过滤器的运行情况或用户需求，在上位监控画面进行设置调整。

反渗透单元共有2套反渗透装置，每套装置可以并列运行工作，也可以相互独立工作。生水经过预处理后达到反渗透的进水要求，经过高压泵加压后进入装有反渗透膜的容器，高压泵所加的压力大于渗透压时，水分子透过反渗透膜进入产水侧，到达除盐水箱。剩余的含有大量盐分的浓水进入浓水箱。

每套反渗透装置设有15个阀门，分别是保安过滤器入口阀F1、保安过滤器出口阀F2、保安过滤器排水阀F3、高压泵出口阀F4（电动慢开阀）、淡水排水阀F5（手动）、浓水阀F6（电动）、清洗进水阀F7（手动）、冲洗进水阀F8、浓水排水阀F9（手动）、反渗透冲洗泵出口阀F10（手动）、浓水调节阀F11（手动）、一段清洗排水阀F12（手动）、二段清洗排水阀F13（手动）、淡水出水止回阀（手动）和膜进水调节阀（手动），如图3所示。操作员可根据实际用水量的多少或反渗透装置的运行情况，安排选择反渗透装置的运行台数。同时，在反渗透单元运行过程中，也可以实现反渗透装置之间的切换。反渗透装置的操作可分为预冲洗、运行、停机、停机冲洗。

图2 机械过滤器

图3 反渗透单元

2 控制系统硬件设计

根据热电厂120T/H反渗透水处理系统的控制工艺和控制要求，控制系统采用基于PROFIBUS-DP网络的主从站结构，选择西门子S7-300PLC的CPU314-2DP作为主站，ET200M作为从站，工控机（上位监控系统）与PLC之间同样通过PROFIBUS进行通信。

控制系统需要对反渗透水处理系统的各个阀门、水泵、计量泵状态以及压力、流量、水质电导率、水箱液位等进行监控。经分析统计，共需要数字量信号208个，其中输入信号104个，输出信号104个；模拟量信号24个，其中输入信号19个，输出信号5个，控制系统的硬件组态如图4所示。

图4 硬件组态

3 控制系统软件设计

控制系统软件设计包括PLC控制程序设计和上位监控系统监控画面的设计。

3.1 PLC控制程序设计

1）机械过滤单元控制程序

机械过滤单元的4台机械过滤器具有相同的控制工艺和控制要求，图5为机械过滤单元的控制程序流程图。

2）反渗透单元控制程序

反渗透单元的2套反渗透装置的控制工艺和控制要求是相同的，主要完成包括计量泵、高压泵、电动慢开阀等机构的顺序启停和反渗透装置的启停。每套装置停止运行时，都需进行低压冲洗。反渗透装置的控制流程由运行和停机冲洗组成。在不同的阶段，需要根据控制要求启停不同的阀和泵，图6为反渗透单元的控制程序流程图。

图5 机械过滤单元的控制程序流程图

图6 反渗透单元的控制程序流程图

3.2 监控画面设计

上位监控系统采用西门子的WinCC组态监控画面。本系统中，将监控画面分为三大类，分别是系统登录画面、工艺流程画面和其他功能画面，画面结构图如图7所示，箭头代表了画面之间的切换关系。工艺流程画面中包括工艺总流程、过滤器单元、1号反渗透单元、2号反渗透单元和除盐水单元5个画面。其他功能画面包括参数汇总、实时趋势、实时报警显示和报表打印4个画面。

图7 监控系统画面结构

工艺总流程画面是热电厂反渗透水处理系统上位监控系统的核心，是实现过程可视化和过程控制的主要画面，反映了整个系统的运行状态和工作过程，使操作人员能够直观地监控反渗透水处理系统的运行，如图8所示。例如阀门的开启与关闭，开到位显示红色，关到位显示绿色，开关均未到位以红白色交替闪烁来表示；泵的运行与停机状态，泵运行时显示的是红色，泵停机时显示的是绿色。画面还可以以数字形式在相应位置显示各管路的流量和电导率等参数，可以显示系统各设备当前处于手动或自动运行模式。

图8 工艺总流程画面

过滤器单元中每个过滤器都组态了相应的控制面板。用户可以根据需求对每个过滤器的参数进行设置，例如可以选择是“正洗”还是“反洗”，可以对正洗时间和反洗时间进行设置等等，如图9所示。

图9 过滤器单元画面

图10用于实时监控反渗透单元与除盐水单元，用户可以根据需求对每个单元分别进行控制。

图10 一号反渗透单元与除盐水单元

“参数汇总”画面可以监视热电厂120T/H反渗透水处理系统中24个模拟量的变化情况，如图11所示。“实时报警显示”用于监视反渗透水处理系统运行过程中的异常和事件，可帮助操作人员快速发现、定位并解决系统的故障和错误，有效地减少或避免停机事件和生产事故的发生，如图12所示。

图11 参数汇总画面图图

图12 实时报警显示画面

图13所示的画面可用曲线显示各个过滤器进水流量与产品水流量，直观地反应出水处理系统的运行情况。图14是120T/H反渗透水处理系统中模拟量数据的报表打印画面，用户可以根据需求打印相关数据的“日报表”、“月报表”和“年报表”。

图13 实时趋势显示画面

图14 报表打印画面

4 结语

本文对热电厂120T/H反渗透水处理的控制系统进行设计，整个控制系统由工控机、PLC主站、从站和现场设备等组成，采用PROFIBUS现场总线通信协议，提高了系统的集成度和可扩展性。使用西门子的WinCC软件组态了上位监控系统，实现了控制过程的可视化和参数设置等功能，并具有故障报警功能，使系统的安全性进一步提高，减少了控制系统的维护工作量，此外还实现了系统数据的趋势显示和打印等功能。目前该反渗透水处理系统控制系统已经在某热电厂完成了现场调试并投入运行，系统运行稳定，产生了预期的生产效益和经济效益，减轻了工人的劳动强度，满足了热电厂的实际需求。