全膜法水处理中各个系统主要的PLC控制解析

曹焕义

摘 要：以本公司一套小型全膜法超纯水的系统为例，对全膜法水处理系统进行了论述；并对OMRON PLC在该系统中根据系统工艺要求和工作原理进行的编译控制做了详细说明，阐述了自动控制系统的设计和实现，介绍了在PLC的控制下该设备自动控制水处理系统的全过程。

关键词：全膜法；水处理；PLC

中图分类号：TM76 文献标识码：A

0.引言

全膜法水处理是目前市场上普遍使用的水处理工艺之一，该水处理净化工艺中具有众多的电动器件、阀门、在线仪表、各种水泵等，并有很强的顺序性，若由人员手动操作必将非常烦琐并易出现失误造成事故。为了提高系统的自动化程度保证产水水质，降低事故发生率，OMRONPLC控制系统无疑是全膜法制水过程中控制管理的最佳选择。

可编程控制器（PLC）是微電脑处理系统，它是取代了传统继电器的升级产品，使得各种继电器以程序指令方式辅助运行，从而达到控制目的。PLC的主要工作原理是--在PLC上电后，它首先检查硬件、IO模块以及用户程序，然后按照自上而下从左到右的顺序逐条读取用户程序并执行，对输入的数据进行处理，将结果储存至影像寄存器中；扫描结束后计算扫描周期（通常是几十毫秒），进而刷新IO，读取输入点的状态，并写入输入影像寄存器，之后将影像寄存器的状态经锁存器输出到输出点；从而实现PLC与外界设备通信。

用户通过编制相应的程序，可以实现复杂的逻辑控制，并能完成各种顺序控制和定时控制等的闭环控制功能。下面以本公司的一套小型超纯水全膜法水处理系统为例进一步分析阐述PLC的执行控制过程。根据工艺控制要求选择40点PLC，加一扩展模块增加8点输入。确定PLC型号为OMRON CP1E-N40SDR-A。

1.全膜法水处理系统概述

（1）设备简介

全膜法水处理是指以膜法处理工艺取代传统的砂滤、碳滤和离子交换工艺，整个水处理系统采用超滤膜+反渗透膜+电除盐膜（EDI）系统。随着全膜法技术的不断成熟和推广以及膜元件产品成本的不断下降，全膜法水处理工艺越来越多地被应用于不同的水处理系统。

（2）工艺介绍

膜法液体分离技术一般分为微滤（MF）、超滤（UF）、纳滤（NF）、反渗透（RO）4类，它们的分离精度按照以上顺序越来越高。电除盐（EDI）因其应用了电渗析技术来实现离子交换树脂的连续再生，通常也被纳入膜法分离技术之列。目前，用于全膜法水处理的膜处理技术主要有超滤、反渗透、电除盐。

系统工艺如下：

原水箱—原水泵—超滤—超滤水箱—一级RO—二级RO—纯水箱—EDI—超纯水箱

2.分系统介绍

2.1超滤系统

超滤是一种筛孔分离过程，分为内压式和外压式。在压力的作用下，溶剂水和小溶质粒子透过超滤膜的微孔而到达低压侧，大粒子组分被膜阻挡而留在浓水侧被定时排出系统外。超滤能够有效地去除水中的悬浮物、胶体、有机大分子、细菌、微生物等杂质，有效降低浊度、SDI（污染指数）、COD（化学耗氧量）等，具有优良的净化过滤性能。为下游的脱盐系统提供进水水质保证。超滤与传统工艺系统（化学加药+多介质过滤器+活性炭过滤器）相比，超滤系统具有以下优点：占地面积小、出水水质好（出水污染指数SDI可以保持<2，传统工艺的预处理出水SDI为4～5）、出水水质稳定、易实现全自动控制。

2.2反渗透系统

反渗透技术是最精密的膜法液体分离技术，它是对溶液施加足够的压力，使溶剂（一般是指水）通过反渗透膜（一种半渗透膜）从溶液中分离出来。透过液从中心收集管内引出，未能透过的离子、有机物、细菌、病毒等杂质从浓水端流出，从而达到淡化、净化或浓缩分离的目的。由于反渗透膜（RO膜）的膜孔径非常小（仅为10?左右）能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等（去除率高达98%以上）。反渗透具有能耗低，工艺先进，无污染等优点，是目前高纯水设备中应用最广泛的一种脱盐技术。

2.3EDI系统

传统的反渗透加二级除盐系统或反渗透加混床除盐系统，仍存在混床树脂再生酸碱废液排放和烦琐的再生操作问题。近年来随着EDI技术的应用，即应用EDI代替混床，彻底解决了酸碱排放问题。EDI技术是在电渗析技术基础上发展起来的，利用具有选择性阴阳膜和离子交换树脂组成填充床生产高纯水的技术。最常见的EDI系统设备由一系列模块并联组装而成，每个模块有一定的产水量，一般每小时几吨。由于EDI系统设备的树脂可以在线连续再生，因此能实现连续运行。最常见的模块为板框式。由于EDI系统对进水的水质要求较高，为确保EDI系统运行正常，一般在EDI系统前面采用两级RO配置。产水水质稳定，产水电阻率可达到10MΩ·cm（25℃）以上。

3.工艺要求中主要控制介绍

3.1水箱控制

在自动控制中所有的泵、阀、超滤、RO、EDI等的启停都是根据水箱液位为信号的，原水箱中有水且超滤水箱缺水是超滤系统启动的必要条件，超滤水箱有水且纯水箱水缺水是反渗透系统启动的条件，纯水箱有水且超纯水箱缺水是EDI系统启动的必要条件。因此水箱的液位信号传给PLC，由PLC来自动控制超滤、RO和EDI系统的泵阀仪表等设施，使得不同系统根据不同需求控制运行。

3.2超滤控制

超滤膜运行一段时间后，由于其能有效地去除水中的悬浮物、胶体、有机大分子、细菌、微生物等杂质，那么在膜的进水侧必然产生由于杂质拦截对膜造成不同程度的污染；这样必须对超滤进行定时清洗控制；这需要编译PLC而对其进行时间控制，水泵控制，并对进水阀、出水阀、反洗阀、排放阀进行顺序控制使其按照工艺要求对超滤膜进行正反清洗。清洗时需满足水箱控制条件。

3.3反渗透控制

反渗透膜是一种靠压力驱动的半透膜，故需要对RO膜进行高低压控制，低于设定压力则不能运行（高压泵不启动），在较大的系统中同时需要设计高于某个压力高压泵停止运行的控制，如此控制目的是为了保护反渗透膜，以便使之长期稳定运行。为了满足EDI的进水要求，需要前道工艺设计两级反渗透系统。因为系统产水量小，故设计一级RO产水后直接经二级高压泵进二级RO系统；如此增加二级低压控制，确保二级进水达到设计压力后二级高压泵才可启动运行。由于RO膜在压力的驱动下拦截了水中99%的杂质，故在膜的浓水侧容易结垢，因此设计RO运行一段时间后，浓水侧的浓水通过该侧的浓水排放阀排放一定的时间，从而减少RO膜结构的倾向。该功能亦通过PLC完成。它的运行需满足水箱控制条件。

3.4 EDI控制

EDI又称电除盐，顾名思义是在电流的驱动下，离子通过阴阳膜到浓水室后回收到原水箱，从而使得淡水室的水得到进一步的提纯。关键控制是当EDI电源启动时，EDI水泵已经启动，也就是说设计编程时有压力信息反馈，目的是防止EDI开启电源时无水而致使EDI烧蚀损坏。EDI的运行需要满足水箱控制条件。

4. PLC工艺控制解析

4.1 输入输出说明（I/O分配表）

在控制系统中，以控制开关、压力传感器及液位控制作为输入信号；以交流接触器、热保护器、继电器等作为输出控制。其I/O分配见表1。

4.2控制解析

4.2.1液位控制解析（图1）

在水处理工艺中，具有众多的泵阀开关，系统为了实现自动运行必须首先对各工序的储水箱进行液位控制。液位控制是各个泵阀启停的主要条件之一，如图1所示。

原水箱有中位和低位两个输入控制，高位采用浮球控制。当编译输入点1.05中位和1.04低位是常开触点，它们满足时说明原水箱中有水，该辅助继电器220.00自锁，为后续泵阀启停提供条件。超滤水箱有高位、中位和低位3个输入控制，当编译输入点1.07中位和1.06低位是常开触点。它们满足时说明超滤水箱中有水，该辅助继电器220.01自锁，为后续泵阀启停提供条件。当编译输入点1.07中位和1.08高位是常闭触点，它们满足时说明超滤水箱中缺水，该辅助继电器220.02自锁，为后续泵阀启停提供条件。纯水箱有高位、中位和低位3个输入控制，当编译输入点1.10中位和1.09低位是常开触点。它们满足时说明纯水箱中有水，该辅助继电器220.03自锁，为后续泵阀启停提供条件。当编译输入点1.10中位和1.11高位是常闭触点，它们满足时说明纯水箱中缺水，该辅助继电器220.04自锁，为后续泵阀启停提供条件。超纯水箱有高位和低位两个输入控制，当编译输入点2.01低位是常开触点，它满足时说明超纯水箱有水，该辅助继电器220.05输出，为后续泵阀启停提供条件。当编译输入点2.03高位为常闭触点，它满足时说明超纯水箱中缺水，该辅助继电器220.06输出，为后续泵阀启停提供条件。

水箱水位的不同状态是水处理不同工艺系统运行的必要条件，可编译程序控制器（PLC）在给电后第一次循环扫描就已经确认不同水箱液位的状态，而PLC的循环扫描速度仅仅几十毫秒。

4.2.2超滤控制解析（图2）

超滤系统在全膜法水处理系统中起着预处理的作用；目前主要采用外压式聚丙烯超滤膜为材料，过滤精度为0.001—0.1微米，它可以去除水中的泥沙、铁锈、异色、异味、余氯、悬浮物、有机物、胶体、病毒等，超滤膜处理的结果必须满足反渗透膜（RO）的进水条件，以确保RO膜的长期稳定运行。

超滤膜运行的控制过程如图2所示，随着时间的运行，膜表面必将拦截了许多泥沙、铁锈、悬浮物、有机物等杂质，必须及时地清除掉方能减少拦截的杂质对膜的污染程度，即对超滤系统进行反洗运行；故自动编译控制设定为系统上电后，在原水箱有水220.00且超滤水箱缺水220.02的控制前提下，原水泵辅助继电器200.00输出，同时满足输入点0.00（原水泵开）的条件则原水泵启动；进水阀辅助201.00和出水阀辅助201.01开启进而进水阀101.02和出水阀101.03开启.原水泵启动后超滤系统运行，当其运行3600秒后（C010计数器采用1.0秒时钟脉冲）开始反洗超滤膜，同时反洗过渡时间3秒，即T011启动，进水阀辅助201.00和出水阀辅助201，01关闭，指示进水阀101.02和出水阀101.03关闭；反洗泵自辅200.01和排放阀自辅201.03开启进而指示排放阀101.05开启和反洗泵100.02运行，开启反洗过渡时间T013，3秒后开始反洗，反洗时间C012计时90秒，90秒后运反过渡时间3秒，即T013启动，使得C010和C012复位，原水泵自辅、进水阀自辅和出水阀自辅启动进而原水泵、进水阀和出水阀开启设备再次正常计时运行，周而复始做到自动清洗和正常运行。自动控制状态下，输入点0.00/0.02/0.09/0.10/0.11/1.00由面板开关控制都处于闭合状态。目前的超滤系统PLC控制，主要针对减少超滤膜的可能性污染而设计的，大型系统可能根据不同进水水质需要进一步对进水指标和阻垢剂加药量及ORP的控制设置，以便使得系统稳定运行。

4.2.3反渗透（RO）和电除盐（EDI）控制解析（图3）

反渗透系统的正常运行是全膜法水处理中的重要环节，RO膜具有其独特的特性，它的膜孔径非常小，只有0.0001微米，它可以滤除水中几乎一切的物质；由于RO膜拦截离子、粒子的效率非常高，脱除率可以达到98%以上，这样势必带来各种各样的杂质对RO膜的污染，为了减少污染，RO膜运行一段时间后需要把浓水侧的水定时排掉并加一定浓度的阻垢剂，同时设有低压（0.05MPA-0.1MPA）保护控制，以确保高压泵正常运行。如图3所示，当超滤水箱有水220.01和纯水箱缺水220.04条件满足后，一级高压泵100.03启动且阻垢剂加药泵连锁启动，同时C030计数器开始计时，二级低压1.02满足后启动计时器T040计时两秒，两秒后二级高压泵100.04启动正常产水运行；运行1200秒（C030设定的时间）后浓水排放阀自辅201.07启动，进而浓水阀101.01开启，且浓水排放阀自辅201.07常闭点断开使得二级高压泵关闭，在一级高压泵的驱动下RO膜濃水侧堆积的杂质被大流量的水给冲走排放掉，进而起到了保护RO膜的作用；C030时间到则启动C031计数器且C030复位，C031计时120秒后浓水排放阀自辅201.07关闭进而浓水阀关闭，且二级高压泵开启，RO设备再次产水，如此反渗透系统往复控制运行。

电除盐（EDI）它是通过电压驱动下水中离子通过阴阳离子选择性透过阴阳膜，从而除去水中的微量离子进一步提纯水质。为了防止膜被烧毁，必须先通水后通电，这是EDI控制的首要任务之一。当纯水箱有水220.03和超纯水箱缺水220.06条件满足时，EDI泵100.05启动同时计时器T041启动，两秒后EDI电源启动，EDI正常运行。

自动控制状态下，输入点0.03/0.04/0.05/0.06/0.07/0.08由面板开关控制都处于闭合状态。

由于系统不大，RO产水直接进水箱故没有设置高压保护，大系统中都设有高低压保护，高压保护是防止RO膜背压的产生以至于对膜造成伤害。

结语

以上介绍的全膜法水处理系统是由超滤、反渗透、和EDI等膜组件集成的，通过PLC控制了所有的泵阀件控制，即超滤的定时正洗和反洗带来的泵阀开关量，反渗透膜的正常运行需要的进水和产水的高低压控制、产水电导率控制，电除盐的泵阀的控制、不同处理工序的水箱液位控制等，实现了全膜法水处理系统中的基本控制。应用PLC控制，提高控制精度，使得系统运行稳定可靠，降低劳动强度，极大地提高了水处理过程的自动化程度，提高了劳动生产率，而且控制程序可随工艺流程需要而做相应的调整，通过对PLC编制相应程序即可实现。

参考文献

[1]王建.电气自动化通用设备应用系列：欧姆龙PLC 入门与典型应用[M].北京：中国电力出版社，2012：135-166.

[2]戴一平.可编程控制器技术及应用（欧姆龙机型）（第2版）[M].北京：机械工业出版社，2010：200-211.

3]李英辉，赵豫龙，戴青云.基于PLC的中水处理系统[J].石家庄职业技术学院学报，2008 20（2）：22-24

[4]董淑冷，茅红伟，唐晓俊.PLC在污水泵站控制系统中的应用[J].制造业自动化，2008，30（6）：55-57.

[5]吴泱.“全膜法”水处理工艺及应用[J].科技与企业， 2013（3）：165-167.

[6]赵芳，李从冰，基于PLC的污水处理控制系统[J].工業控制计算机，2006，19（4）：59-60.

[7]张建根，PLC在中水处理系统中的应用[J].科技创新导报，2008 12（4）：134-135.