周占懷，陳勝虎

(1.健雄職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 太倉(cāng) 215400;2.蘇州科易特自動(dòng)化科技有限公司，江蘇 太倉(cāng) 215400)

0 引言

為了滿(mǎn)足工藝和設(shè)備對(duì)水質(zhì)的特殊要求，在微電子、生物制藥、表面清洗、表面涂裝、電解等行業(yè)廣泛采用離子混床水處理系統(tǒng)進(jìn)行純凈水的制備。雖然EDI電去離子系統(tǒng)利用了電化學(xué)原理實(shí)行連續(xù)的樹(shù)脂離子再生，不再需要加酸堿進(jìn)行再生，在環(huán)保上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但由于離子混床工藝技術(shù)的成熟度高，水質(zhì)有保障且一次性投入相對(duì)較低，因而仍具有廣泛的應(yīng)用市場(chǎng)。

1 工藝概述

本系統(tǒng)應(yīng)用于電子元件器制造廠(chǎng)，滿(mǎn)足40 t/h純凈水或20 t/h超純水的用水需求。原水取自城市自來(lái)水管網(wǎng)，采用“石英砂過(guò)濾+活性炭過(guò)濾+保安過(guò)濾+一級(jí)反滲透+離子混床+終端過(guò)濾”工藝，所得超純水完全滿(mǎn)足水質(zhì)要求，出水電導(dǎo)率小于0.5 μS/cm，鈉含量小于 10 ug/l。

其中，原水塔中的進(jìn)水由變頻器拖動(dòng)水泵，根據(jù)泵的出口壓力進(jìn)行PID控制，實(shí)現(xiàn)恒壓供水;由于原水水質(zhì)相對(duì)較好，省去了粗濾和超濾過(guò)程，由原水泵直接將原水送入活性炭過(guò)濾器。為了及時(shí)對(duì)活性炭進(jìn)行清洗，恢復(fù)其吸附能力，在管道中通過(guò)負(fù)壓吸入過(guò)氧乙酸稀釋液;同時(shí)，為了去除原水中的余氯，在管道中通過(guò)加藥機(jī)加入一定量的亞硫酸氫鈉(NaHSO3)。經(jīng)過(guò)前級(jí)活性炭和后級(jí)石英砂的吸附與凈化，高效去除原水中的有機(jī)微粒及膠體，得到感官無(wú)異味、無(wú)余氯、污染指數(shù)SDI≤4的水質(zhì)條件。進(jìn)水泵采用一用一備機(jī)制，以減少設(shè)備故障對(duì)產(chǎn)水量的影響。

為了截留有效直徑大于5 μm的顆粒，以免劃傷高壓泵葉輪，或進(jìn)入RO純水機(jī)造成膜組件的擊穿，在高壓泵前設(shè)保安過(guò)濾器。利用高壓泵將前級(jí)凈化水泵入RO設(shè)備，經(jīng)一級(jí)RO膜過(guò)濾后，可達(dá)到出水電導(dǎo)率≤4.5 μS/cm、PH 值約為 5.5～6.5 的水質(zhì)質(zhì)量。

經(jīng)RO處理后的純水通過(guò)混床，由強(qiáng)酸強(qiáng)堿性陰陽(yáng)樹(shù)脂實(shí)現(xiàn)離子交換，最大限度地對(duì)水質(zhì)去鹽，正常生產(chǎn)時(shí)可達(dá)到出水電導(dǎo)率小于0.2 μS/cm(或SiO2小于20 μg/L)的超純水質(zhì)。當(dāng)混床出水的鈉含量大5 ug/l或電導(dǎo)率大于0.2 uS/cm時(shí)，可判斷為混床設(shè)備失效，需停運(yùn)對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行再生。由于再生所需的時(shí)間較長(zhǎng)，為了提高產(chǎn)水量，系統(tǒng)采用兩套混床自動(dòng)互為備用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)功能，控制系統(tǒng)采用HMI－PLC－VFD結(jié)構(gòu)，分恒壓供水控制、凈水控制、混床控制等相對(duì)獨(dú)立的三部分，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程操作、自動(dòng)切換、故障報(bào)警等功能。

2.1 恒壓供水控制系統(tǒng)

采用LG SV－110iGxA－4型水泵專(zhuān)用型變頻器(VFD)，配合壓力變送器(0～100 kPa)進(jìn)行PID恒壓供水。系統(tǒng)要求正常時(shí)維持出力為4 kgf/cm。將壓力變送器的輸出信號(hào)接到VFD的反饋輸入端，與電位器電源(0～10 V)采用反相連接，即負(fù)作用(見(jiàn)圖1)。

圖1 VFD端子接法

圖2 VFD的PID控制策略

為與上述接線(xiàn)對(duì)應(yīng)，VFD命令源采用端子電壓控制方式，頻率采用面板給定方式(H57=0)，并通過(guò)面板設(shè)定PID目標(biāo)頻率REF值(與4 kgf/cm對(duì)應(yīng)的頻率或%值)。同時(shí)須設(shè) H40=2、H49=1和H50=1，選擇使用PID并通過(guò) V1端子執(zhí)行(0～10 V)PID反饋控制。PID的調(diào)節(jié)效果要通過(guò)修改參數(shù)H51、H52和H53對(duì)應(yīng)的P、I、D值，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。調(diào)試時(shí)可通過(guò)Fbk參數(shù)監(jiān)視實(shí)際的PID反饋量。具體的策略見(jiàn)圖2。

水泵電機(jī)采用一用一備機(jī)制，由兩只交流接觸器切換，控制電路要求VFD未輸出時(shí)兩臺(tái)水泵可自由切換，當(dāng)變頻輸出時(shí)不可切換以保護(hù)VFD免受沖擊?？刂齐娐芬?jiàn)圖3，其中KA為VFD命令源信號(hào)，由轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA發(fā)出。

2.2 凈水控制系統(tǒng)

本系統(tǒng)由原水泵將原水加壓，通過(guò)活性炭過(guò)濾—加藥—保安過(guò)濾—RO過(guò)濾，完成原水凈化。系統(tǒng)分自動(dòng)運(yùn)行和手動(dòng)控制方式，自動(dòng)運(yùn)行包括產(chǎn)水與清洗兩個(gè)工藝，由PLC實(shí)現(xiàn)原水泵星三角啟動(dòng)、高壓泵星三角啟動(dòng)、加藥機(jī)和電磁閥控制，并由 HMI實(shí)施監(jiān)控和參數(shù)設(shè)定。正常時(shí)自動(dòng)運(yùn)行產(chǎn)水程序，當(dāng)活性炭和石英砂需要清洗時(shí)，可通過(guò)HMI手動(dòng)強(qiáng)制進(jìn)入清洗程序，或按指定周期自動(dòng)停止產(chǎn)水運(yùn)行清洗程序，清洗結(jié)束后重新產(chǎn)水。由于斷電等原因中止程序后，重新工作時(shí)，特別是清洗程序，不可重復(fù)執(zhí)行已完成的任務(wù)，要求按原執(zhí)行步驟繼續(xù)向下執(zhí)行，以提高運(yùn)行效率。產(chǎn)水時(shí)，高壓泵需要在原水泵啟動(dòng)延時(shí)10秒后啟動(dòng)，首次啟動(dòng)高壓泵或每隔一定時(shí)間(3～5 h)須執(zhí)行沖洗任務(wù)，對(duì)RO膜進(jìn)行高壓沖洗一定時(shí)間(約1 min)后再開(kāi)始產(chǎn)水。清洗時(shí)不需要啟動(dòng)高壓泵。加藥機(jī)與原水泵同時(shí)工作，系統(tǒng)設(shè)高低液位保護(hù)及高低壓報(bào)警指示功能。原水泵和高壓泵都采用一用一備，因故需要手動(dòng)切換時(shí)，停止原執(zhí)行程序，泵需重新啟動(dòng)。

程序結(jié)構(gòu)包括主程序、清洗程序、產(chǎn)水程序、沖洗程序、泵控制程序、泵啟動(dòng)程序和手動(dòng)程序，各程序間的調(diào)用關(guān)系見(jiàn)圖4。

程序的設(shè)計(jì)思想遵循功能優(yōu)先原則。主程序主要完成產(chǎn)水、清洗和手動(dòng)子程序的調(diào)用，以及時(shí)間讀取并轉(zhuǎn)換(與HMI上設(shè)置的自動(dòng)清洗時(shí)間對(duì)應(yīng))、高低液位、高低壓及泵過(guò)載報(bào)警等功能。當(dāng)出現(xiàn)上述報(bào)警信號(hào)后，對(duì)應(yīng)的產(chǎn)水或清洗程序暫停執(zhí)行、復(fù)位輸出，故障解除后繼續(xù)暫停前的動(dòng)作。手動(dòng)程序的調(diào)整功能優(yōu)先，但需HMI上密碼進(jìn)入，調(diào)整結(jié)束后，復(fù)位各轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)后進(jìn)入自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。自動(dòng)程序中清洗程序優(yōu)先，產(chǎn)水過(guò)程中可手動(dòng)強(qiáng)制或按設(shè)定周期轉(zhuǎn)入清洗程序，清洗結(jié)束后自動(dòng)產(chǎn)水。

2.3 混床控制系統(tǒng)

混床系統(tǒng)有兩套設(shè)備(混床、純水泵、PLC、HMI各一套，酸泵堿泵共用一套)，正常時(shí)一臺(tái)產(chǎn)水，一臺(tái)備用，當(dāng)出現(xiàn)水質(zhì)不合格信號(hào)時(shí)，備用的設(shè)備投入產(chǎn)水，原產(chǎn)水的設(shè)備自動(dòng)轉(zhuǎn)入再生清洗，清洗結(jié)束后等待備用。產(chǎn)水時(shí)純水泵、1#和2#閥ON，其余OFF。再生清洗的設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖5。

兩套設(shè)備分別采用兩臺(tái)PLC和HMI控制和監(jiān)控，兩PLC之間由于需要交換的數(shù)據(jù)較少，采用連線(xiàn)方式進(jìn)行信號(hào)傳遞，可以節(jié)約一次性投入。如圖6，清洗完成后本機(jī)Q0.7信號(hào)復(fù)位。當(dāng)一套設(shè)備的PLC同時(shí)出現(xiàn)Q0.7 和 I2.6為1的信號(hào)，即對(duì)方還未完成再生，本機(jī)水質(zhì)再次不合格(產(chǎn)水時(shí)間太短)，則說(shuō)明本機(jī)所用強(qiáng)酸強(qiáng)堿性樹(shù)脂壽命周期已到，需要更換。停機(jī)程序如圖7，除報(bào)警信號(hào)外其余輸出全部復(fù)位。

控制系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化編程方法，設(shè)手動(dòng)和自動(dòng)程序，自動(dòng)程序包括產(chǎn)水程序和再生清洗程序，分別可由主程序調(diào)用。兩臺(tái)PLC的程序相同，主程序中再生清洗和產(chǎn)水功能的切換程序見(jiàn)圖8。

圖8 PLC的再生清洗與產(chǎn)水功能程序

2.4 HMI組態(tài)

選用威綸10寸彩屏組態(tài)監(jiān)控畫(huà)面，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作、監(jiān)視、數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)修改、信息統(tǒng)計(jì)等功能。混床系統(tǒng)的實(shí)際組態(tài)的主畫(huà)面如圖9。

圖9 混床系統(tǒng)主畫(huà)面

3 控制策略

除變頻恒壓供水系統(tǒng)采用PID控制策略外，凈水和混床系統(tǒng)采取了如下控制策略進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì):

(1)柔性控制:包括凈水系統(tǒng)的清洗周期、高壓泵的延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間、清洗程序的正反洗時(shí)間、沖洗時(shí)間及沖洗時(shí)間間隔，以及混床系統(tǒng)再生程序的各步驟時(shí)間，均可在HMI上根據(jù)實(shí)際工藝要求靈活設(shè)置，混床的實(shí)際產(chǎn)水時(shí)間及已完成的再生時(shí)間可通過(guò)HMI動(dòng)態(tài)顯示，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的柔性控制。

(2)狀態(tài)保持:在石英砂和活性炭過(guò)濾器的清洗程序、混床樹(shù)脂的再生清洗程序中，對(duì)各步的狀態(tài)元件和計(jì)時(shí)元件均采用掉電保持型，系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行時(shí)重原狀態(tài)繼續(xù)向下執(zhí)行，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

(3)低溫補(bǔ)償:在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了熱交換器，當(dāng)氣溫低于5(C時(shí)，在熱交換器中通入蒸汽，提高水溫以保證RO膜的逆滲透效果。

(4)備用機(jī)制:混床的互為備用機(jī)制由電導(dǎo)率信號(hào)自動(dòng)控制，一套產(chǎn)水，一套清洗，由于剛進(jìn)入產(chǎn)水時(shí)的水質(zhì)不能保證，對(duì)清洗轉(zhuǎn)換5分鐘內(nèi)的電導(dǎo)率信號(hào)進(jìn)行屏蔽，完成再生清洗程序后等待備用，與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程完全匹配。

(5)終結(jié)報(bào)警:如因?yàn)闃?shù)脂使用壽命臨近，完成再生后系統(tǒng)產(chǎn)水時(shí)間較短，甚至在對(duì)方仍處于清洗過(guò)程中就已水質(zhì)不合格，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)，且停機(jī)等待更換樹(shù)脂，而正在清洗的系統(tǒng)繼續(xù)清洗程序，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的科學(xué)管理。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)經(jīng)控制策略和程序結(jié)構(gòu)的優(yōu)化處理，設(shè)備的一次性投入較少，且具有高可靠性和高穩(wěn)定性特征。經(jīng)上海某合資企業(yè)引進(jìn)運(yùn)行試驗(yàn)后，產(chǎn)水量和水質(zhì)均能滿(mǎn)足工藝要求，已正常運(yùn)行一年，期間各狀態(tài)切換有序進(jìn)行，運(yùn)行狀況和效率均得到用戶(hù)滿(mǎn)意。

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