PLC自动控制技术在水处理行业的应用

（上海泓济环保科技股份有限公司 上海 200000）

随着社会的发展和科技的进步，我们生活的各个领域都在实现着不同程度的自动化。自动化使设备在操作、控制、监视和管理的过程中，能够在无人或少人的情况下按照预定的程序或计划自动地进行生产，有效的提高了生产中的安全性和可靠性，改善了劳动条件，在提高水质、降低药使用量和能耗方面都起到了重要作用。自动化控制系统分为三层网络结构：上层为生产管理层，由操作员站及工程师站计算机组成，生产管理层通过工业以太网或PROFIBUS-DP网络等和PLC（可编程控制器）连接，可实时查看生产数据和设备运行状况；中间层为控制层，有PLC（可编程控制器）和其I/O远程站组成，可按预订的程序对现场设备进行数据采集和发号施令，并将实时的生产数据和设备运行状况发送到生产管理层；现场层包含仪器仪表、变频器、电气元件以及成套设备等，现场设备的信息将有效收集到PLC的中央处理器中，并执行PLC中央处理器发出的指令。本文将以某项目为例介绍一下水处理行业的自动化系统，该项目采用超滤系统与反渗透系统的组合方式，其建设过程中所用的技术、控制流程以及控制要求及对设备运行状态进行管理和监测将得到较为详细的阐述。

1.控制要求

(1)系统控制

使用PLC技术对水处理系统进行自动化运行时，系统需能够实现自动操作与手动操作的自由切换。且不论在哪种操作模式下都应能够根据设备的运转情况对其工艺参数要求和控制方式进行调整。主要的工艺参数（如流量、压力和电导率等）均可直接在上位机或现场仪表上读出，实时了解系统各设备的运行数据。在手动操作模式中，系统将允许工作人员对各执行机构进行独立操作。

(2)报警及保护

报警发生的类型包括：高低液位报警、设备故障报警、流量低及高低压报警等。当清水箱、超滤产水箱、反渗透水箱及反渗透浓水箱等液位低于设定的低限或水位高于设定的高限时，将发出相应的液位报警信号。同时低液位报警时出口的相应设备要停止运行，高液位报警时入口相应的设备也要停止运行。加药箱的液位低于浮球的低限后将发出低液位报警，提醒运行人员补充药剂，同时停止加药泵的运行。泵类设备发生故障报警时，一般为控制本设备的热继电器发生了过载保护，配置有变频的一般为变频器发生了故障，需要现场电气专工进行相应的处理；阀门故障形成原因为打开或关闭的命令发出后不能在设定的时间内达到相应的效果，遇到此类问题就需要仪表专工对此阀门来进行问题诊断处理；超滤进水与浓水超压报警后需检查超滤系统的运行状态是否正常，如手动阀是否正常打开等；反渗透系统的进水与段间差压大报警、段间与浓水差压大报警、产水压力大报警及浓水流量低报警后需现场运行人员检查反渗透系统的使用状况，如是否反渗透膜有堵的状况或阀门未打开状况等。

保护措施主要包括：超滤系统的进水与浓水超压保护、高压泵的高低压保护、反渗透系统的产水超压保护及ORP保护。超滤系统的进水与浓水压力超过设定值时，说明超滤膜可能有堵的现象，超滤系统的程序将立即停止；高压泵的高低压保护是指高压泵的入口压力低于入口压力表的设定值，或高压泵出口压力高于出口压力表的设定值，这时需终止反渗透系统及高压泵的运行，然后检查现场手动阀门是不是有未打开或查找其它可能引起此问题的原因；反渗透系统的产水超压保护及ORP保护为产水压力超过设定压力及ORP值超过设定值时停止反渗透系统的运行，产水超压一般是因反渗透膜被穿透造成的，ORP值过高会对反渗透膜造成较大伤害。

(3)操作方式

通常情况下，系统采用自动运行的操作模式，整个工作过程不需要工作人员干预。在检修或应急时，系统切换到手动模式。

2.控制流程

由于本系统为超滤系统和反渗透系统的组合，中间由超滤水箱进行了过渡，所以超滤和反渗透系统能够相对比较独立的运行，它们的控制流程我们将进行分别论述。

(1)超滤系统

①系统启动，控制进水阀、产水阀和浓水阀的中间继电器吸合，阀门开始打开。待三个阀门全部打开到位后超滤供水泵对应的接触器KM吸合，超滤供水泵启动。超滤系统即进入了运行程序，运行人工设定的时间（20-30分钟）以后超滤系统进入反洗程序。

②超滤系统产水中止，进入反洗程序。按气洗→排水→反洗1→反洗2→正洗的步序分别进行打开或关闭相关各阀门、水泵及计量泵等。每步动作的详细命令均需参照工艺设计的步序图，每步的运行时间也需根据现场调试的情况进行人工设定。正洗结束后开始重新进入产水程序。

③当超滤系统反洗次数累计到设定次数（如10次）时将进行CEB（碱）反洗，累计到另一个设定次数（如20次）时将进行CEB（酸）反洗，酸反洗结束后反洗次数清零，然后重新累计计数，累计次数设定值需根据现场设备运行的状况进行人工设定或调整。CEB（碱）或CEB（酸）反洗的步序为气洗→排水→反洗1→反洗2→正洗→排水→CEB（碱或酸）→浸泡→气洗→排水→反洗1→反洗2→正洗。同第二步，每阶段动作的详细命令也需参照工艺设计的步序图，进行打开或关闭相关阀门、水泵及计量泵等。每步的运行时间根据现场调试的情况进行人工设定。正洗结束后开始进入产水程序。

④以上每个步骤循环进行。

(2)反渗透系统

①系统启动，反渗透系统开始进行开机冲洗，控制产水排放阀和浓水排放阀的中间继电器吸合，阀门开始打开，待两个阀门全部打开到位后与反渗透增压泵对应的接触器KM吸合。反渗透增压泵启动，达到人工设定时间（5分钟左右）后开机冲洗结束。

②开机冲洗结束后反渗透系统进入运行阶段，浓水排放阀关闭，关闭到位后高压泵启动，高压泵的频率可在上位机画面上根据现场工况进行人工设定，由变频器来完成调节。待产水电导率低于设定值后，产水排放阀关闭，反渗透系统开始向反渗透水箱进行供水。

③当停机命令发出后，反渗透系统停止运行，高压泵和反渗透增压泵停止，进入停机冲洗过程。控制冲洗进水阀、产水排放阀和浓水排放阀的中间继电器吸合，待三个阀门都打开到位后，反渗透冲洗泵对应的接触器KM吸合，反渗透冲洗泵启动，达到人工设定时间（5分钟左右）后停机冲洗结束。反渗透系统回归待用状态。

3.自动控制系统的PLC程序设计

(1)PLC应用

水处理行业内PLC的应用非常广泛，品牌也非常多，但由以西门子的产品使用相对最为普及。本项目自动控制系统即采用了西门子公司的S7-300系列，控制程序采用配套提供的STEP7V5。5SP2版本来进行编程软件开发。控制程序由一个主程序、若干子程序构成，程序的编制在计算机上完成，编译后通过以太网把程序下载进PLC的CPU模块中，水处理系统的自动控制任务就是由在RUN模式下的CPU模块来计算处理，和其后装载的数字量与模拟量I/O模块来执行的。

(2)PLC编程

在原水箱、超滤水箱、反渗透水箱和反渗透浓水箱等内部可安装高、中、低不同高度的浮球开关；或者安装静压液位计，接入AI模块中，由CPU来计算液位，并设定高、中、低液位大小，以掌握液位的高低并控制水箱前后设备的运行和停止。

原水箱低于中液位时，原水泵启动，将原水注入原水箱中，原水箱到达高液位时，原水泵停止处于待启动状态。

当原水箱高于中液位，超滤水箱低于中液位时，超滤系统即具备了启动条件。当原水箱低于低液位或超滤水箱高于高液位时，运行中超滤系统将会立即停止。超滤系统在运行时，还需启动盐酸计量泵来调节超滤进水的PH值来保护超滤膜。到达反洗时间时，为保证超滤系统能顺利完成整个反洗流程，超滤水箱的液位需要在中液位以上，如果没有达到中液位以上超滤系统将会一直处于产水状态。

当超滤水箱高于中液位、反渗透水箱低于中液位和反渗透浓水箱低于中液位时，反渗透系统即具备了启动条件。反渗透系统运行中还需启动阻垢剂计量泵和还原剂计量泵，还原剂计量泵的启停同时还受入口ORP分析仪的连锁。当超滤水箱低于低液位、反渗透水箱高于高液位或反渗透浓水箱高于高液位时，运行中的反渗透系统将会立即停止并进入停机冲洗状态。停机冲洗结束后进入待启动状态，液位符合要求后直接启动反渗透系统，不再进行开机冲洗。

一些不经常使用的操作则可通过手动进行，无需程序控制，如超滤系统的化学清洗和反渗透膜清洗等。

本文分别从控制要求、控制流程和PLC编程等三方面对水处理自动化控制系统进行了阐述，简要说明了水处理系统的自动化过程。水作为人们日常生活中必不可少的重要资源，水处理的效果直接关系到相关水产品质量以及广大人民的身心健康，通过PLC自动控制技术在水处理中科学、有效的应用，不仅能极大地提高水质和供水的安全可靠性，而且在药耗、能耗和漏耗上得到有效的降低，实现了水处理系统在社会效益和经济效益的全面提升。