郭輝兵

（上海市房地產(chǎn)學(xué)校，上海 201702）

隨著人類向海洋的探索和利用，人們對(duì)淡水的需求從陸地轉(zhuǎn)向了大海。淡水資源日益短缺已成為人們關(guān)切的問(wèn)題，能夠解決水資源短缺的海水淡化技術(shù)顯得尤為重要?，F(xiàn)在的遠(yuǎn)洋船舶為了增加載貨量，淡水儲(chǔ)存艙容積一般設(shè)計(jì)較小，所以在?？扛劭谘a(bǔ)充物資時(shí)無(wú)法裝載足夠的淡水。為了滿足船舶乘員和設(shè)備對(duì)淡水的使用需求，一般在遠(yuǎn)洋船舶上面裝有海水淡化裝置。對(duì)于發(fā)展中國(guó)家來(lái)說(shuō)，海水淡化自動(dòng)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(chǎn)效率都不能有效保證，帶來(lái)了人力物力的浪費(fèi)。因此設(shè)計(jì)一種自動(dòng)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(guó)內(nèi)外廣大客戶的青睞。本文設(shè)計(jì)了一套具有基于SiemensPLC的較高自動(dòng)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(chǎn)、居民生活的需求，并且減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省產(chǎn)業(yè)成本，增強(qiáng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力?？刂葡到y(tǒng)能夠保證系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)清洗，還能在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)報(bào)警或停機(jī)。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用Siemens PLC進(jìn)行控制，并通過(guò)串口與液晶觸摸屏進(jìn)行通信?？刂葡到y(tǒng)采集磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)、四個(gè)壓力傳感器、液位計(jì)、產(chǎn)水閥感應(yīng)開(kāi)關(guān)、開(kāi)機(jī)/停機(jī)按鈕信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海水淡化泵、兩個(gè)氣動(dòng)電磁閥、沖洗水泵、低壓電磁閥、高壓電磁閥和聲光報(bào)警器的動(dòng)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(shè)計(jì)

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(kāi)后，PLC自動(dòng)記錄各項(xiàng)時(shí)間及參數(shù)的變化，觸摸屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并在信息欄中顯示系統(tǒng)狀態(tài)。在任何時(shí)刻均實(shí)時(shí)顯示壓力數(shù)據(jù)，但流量數(shù)據(jù)僅在正常運(yùn)行流程中顯示。

如第一次進(jìn)入控制系統(tǒng)，可以通過(guò)觸摸屏選擇對(duì)裝置進(jìn)行調(diào)試，開(kāi)始初始化流程。初始化流程結(jié)束后，即進(jìn)行正常運(yùn)行狀態(tài)。一般情況下，按開(kāi)機(jī)/停機(jī)按紐，直接進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。如產(chǎn)水閥未打開(kāi)，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(guò)濾器、進(jìn)行長(zhǎng)期停機(jī)貯存、反滲透膜清洗時(shí)，須進(jìn)入停機(jī)流程。

2.1 初始化流程

在系統(tǒng)第一次運(yùn)行時(shí)，以及反滲透膜保養(yǎng)后第一次使用時(shí)，須進(jìn)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(nèi)部氣體；連接管路、電纜；打開(kāi)手動(dòng)閥門，做好初始化準(zhǔn)備。然后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行初始化流程。此時(shí)，高壓電磁閥自動(dòng)打開(kāi)，然后海水淡化泵啟動(dòng)。按下金屬濾芯過(guò)濾器、活性炭過(guò)濾器、保安過(guò)濾器上的紅色放氣按紐，進(jìn)行手動(dòng)排氣，直至沒(méi)有氣泡冒出。達(dá)到限定運(yùn)行時(shí)間（初始值為5min）后，高壓電磁閥自動(dòng)關(guān)閉。1h后，海水淡化泵停止運(yùn)行，兩個(gè)氣動(dòng)三通閥均置于功能口通高壓水位置，自動(dòng)依次打開(kāi)高壓電磁閥和低壓電磁閥，并打開(kāi)沖洗水泵對(duì)裝置進(jìn)行沖洗工作。待液位達(dá)到液位計(jì)下限時(shí)，停止沖洗水泵。然后，開(kāi)啟海水淡化泵，待水箱液位達(dá)到液位計(jì)上限時(shí)，停止海水淡化泵工作。自動(dòng)依次關(guān)閉低壓電磁閥和高壓電磁閥，氣動(dòng)三通閥恢復(fù)至原位。初始化流程結(jié)束后。

2.2 正常運(yùn)行流程

開(kāi)啟海水淡化泵后，將兩位五通閥其中一只打開(kāi)，另一只關(guān)閉。

當(dāng)能量回收泵內(nèi)部活塞運(yùn)行至某一末端時(shí)，磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)感應(yīng)到能量回收泵的位置后將位置信號(hào)傳遞給PLC，然后，PLC控制兩只氣動(dòng)二位五通電磁閥，進(jìn)而控制兩只氣動(dòng)三通閥動(dòng)作切換能量回收泵動(dòng)作方向。PLC記錄正常運(yùn)行時(shí)間、磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作次數(shù)，并進(jìn)而換算成進(jìn)水流量、出水流量與產(chǎn)水流量。

2.3 清洗流程

（1）原水沖洗流程。當(dāng)反滲透膜兩端壓差超限定值（初始值為1.4bar）；或運(yùn)行時(shí)間超過(guò)限定值且為用水低谷（初始值為48h，凌晨2點(diǎn)）；或淡水置換前，自動(dòng)進(jìn)行原水沖洗。在認(rèn)為需要時(shí)，也可以手動(dòng)進(jìn)行原水沖洗。將兩只氣動(dòng)三通閥均置于功能口通高壓水位置，打開(kāi)高壓電磁閥。1h后將兩只氣動(dòng)三通閥恢復(fù)原位，關(guān)閉高壓電磁閥，原水沖洗流程結(jié)束。

（2）淡水置換流程。在運(yùn)行時(shí)間超過(guò)限定值后（初始值為96h，凌晨2點(diǎn)），系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行反滲透膜組件淡水置換。在認(rèn)為需要時(shí)，也可以手動(dòng)進(jìn)行淡水置換。反滲透膜組件淡水置換步驟同初始化。

2.4 設(shè)置流程

可設(shè)置的參數(shù)包括高壓超壓報(bào)警值、高壓超壓停機(jī)值、低壓超壓報(bào)警值、低壓超壓停機(jī)值、過(guò)濾器堵塞壓差值、反滲透膜堵塞壓差值、時(shí)間、日期和恢復(fù)出廠設(shè)置。

2.5 調(diào)試流程

可調(diào)試的流程包括初始化流程、海水淡化泵動(dòng)作調(diào)試流程、壓力傳感器調(diào)試流程、安全閥調(diào)試流程、低壓電磁閥調(diào)試流程、高壓電磁閥調(diào)試流程、磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)調(diào)試流程、兩位五通閥調(diào)試流程、液位計(jì)調(diào)試流程、沖洗水泵調(diào)試流程和聲光報(bào)警器調(diào)試流程。

2.6 查詢流程

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

2.7 報(bào)警流程

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入報(bào)警流程，啟動(dòng)聲光報(bào)警或停機(jī)，同時(shí)記錄報(bào)警時(shí)間及次數(shù)。當(dāng)達(dá)到退出報(bào)警條件后，退出報(bào)警流程，回到正常運(yùn)行流程中。

（1）當(dāng)系統(tǒng)低壓路超壓至報(bào)警值（初始值為6.5bar）時(shí)，低壓路超壓報(bào)警。當(dāng)系統(tǒng)低壓路超壓至停機(jī)值（初始值為7bar）時(shí)，低壓路嚴(yán)重超壓，停機(jī)。當(dāng)不再超壓（初始值為6.4bar）時(shí)，關(guān)閉聲光報(bào)警并正常運(yùn)行。

（2）當(dāng)系統(tǒng)高壓路超壓時(shí)至報(bào)警值（初始值為5MPa）時(shí)，高壓路超壓報(bào)警。

當(dāng)系統(tǒng)高壓路超壓至停機(jī)值時(shí)（初始值為6MPa）時(shí)，高壓路嚴(yán)重超壓，停機(jī)。當(dāng)不再超壓（初始值為4.5MPa）時(shí)，關(guān)閉聲光報(bào)警并正常運(yùn)行。

（3）在低壓路壓差值達(dá)到限定值（初始值為1bar）時(shí)，過(guò)濾器堵塞報(bào)警。

（4）當(dāng)反滲透膜堵塞經(jīng)原水沖洗3遍后仍堵塞，則報(bào)警并停機(jī)。

（5）在正常運(yùn)行流程中，當(dāng)反滲透膜膜前壓力小于1bar時(shí)，海水淡化泵氣堵報(bào)警。

（6）當(dāng)流量小于60L/min時(shí)，海水淡化泵供電不足或者主流路泄漏報(bào)警。

（7）當(dāng)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(shí)，海水淡化泵斷路或短路報(bào)警。

（8）當(dāng)海水淡化裝置進(jìn)出口壓力小于2MPa時(shí)，磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)短路或斷路報(bào)警。

4 結(jié)語(yǔ)

本控制系統(tǒng)運(yùn)用Siemens PLC作為自動(dòng)控制的核心設(shè)備，操作方便、靈活、安全可靠。結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠滿足對(duì)產(chǎn)量和水質(zhì)的實(shí)時(shí)控制要求，減輕了使用者管理和操作的強(qiáng)度。對(duì)于降低海水淡化成本，壯大海水淡化產(chǎn)業(yè)，緩解淡水嚴(yán)重缺乏的現(xiàn)狀，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，并對(duì)于相關(guān)海水淡化控制系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)有一定的借鑒意義。