反渗透水处理自动控制系统

反渗透水处理自动控制系统1 立项背景我国水资源的人均占有量仅为世界人均的 14，排名为世界 109 位。而目 前我国大部分地区还处于“粗放型、高消耗、低产出”的用水模式，它所造成的 结果是可用之水的严重减少。如何缓解缺水矛盾，己成为我国社会和国民经济可 持续发展的一个重大战略问题。反渗透膜水处理技术是一门崭新的跨学科实用型 技术，半个世纪以来，该技术已成功地在海水、苦咸水淡化，纯水、超纯水制备 以及工业废水处理等方面得到规模化应用。此外，它在食品加工、医药制造以及 化学工业的许多方面都有极佳表现，被公认为是当代最有前途的高新技术之一。 中国膜技术至今已走过四十年历程，在反渗透、超滤、微滤、纳滤、电渗析、气 体分离膜、无机膜、渗透汽化等领域进行了研究开发，其市场化的工业体系已经 形成。作为一项成熟的工业技术，我国膜技术的研制和应用共有企业 300 多家， 年工业总产值近 30 亿元。据了解，目前我国膜技术推广应用态势喜人，预测到 2006年，我国膜市场需求可达50 亿元以上。膜技术在水及水处理行业方面发展 迅速，水处理成套设备已成为近年我国环保行业一只崛起的新军。反渗透(逆渗透，ReverseOsmosis, R0)技术是一种先进和节能的膜分离技术， 已被认为是 21 世纪中最有前途的一项重大生产技术，在工业用水处理、海水淡 化、饮用水净化、食品、饮料用水、生物活性物质回收、精制等方面都有广泛应 用，并已迅速推广到纺织、化工、电力、食品、冶金、石油、机械、生物、制 药、发酵等各个领域。由于反渗透膜的膜孔径非常小，因此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9798%)。同传统的蒸馏 法和离子交换法制水工艺相比，反渗透工艺具有如下优点：连续运行，产品水水 质稳定；无须用酸碱再生；不会因再生而停机：无再生污水，不须污水处理设施； 无须酸碱储备和酸碱稀释运送设施；减小车间建筑面积：使用安全可靠，避免工 人接触酸碱；减低运行及维修成本；安装简单、费用低廉。由于反渗透膜具有特殊性质，对反渗透制水系统工艺运行条件要求严格，因 此自动控制系统的要求较高。在纯水处理控制领域，以美国的富来(FLECK)、阿 图祖(AUTOTROL)、德国普罗名特(PROMINENT)等公司的产品和技术最为出名，但 是这些公司的产品具有价格高、专一性强的特点，且要与本公司生产的测量仪表 结合使用，限制了客户对成本、选型的考虑。近年来国内的水处理企业也研制开 发了针对反渗透工艺的自动控制系统。由于PLC在逻辑时序控制方面的优势，比 较适合于水处理系统中泵、阀等设备的启停、联锁控制等，因而较多的是采用技 术成熟的 PLC 为控制核心。但是，目前设计的基于 PLC 的控制系统很多操作属于 开关(on-off)控制，很少涉及分析工艺过程的静态特性和动态特性。对水处理过 程中的具有非线性、滞后特点的过程量的控制效果不佳，由于过程量控制的复杂 性，常常导致信号不准、整机频繁停机。因此，深入研究反渗透水处理典型工艺 过程的静态和动态特性，建立控制系统数学模型或简易的控制算法，开发设计用 于典型工艺过程的测控系统，有针对性地提高水处理设备的效率，节省运行费用， 是研究开发的重点。为此，我们针对反渗透高纯水处理工艺，希望通过国际科技 合作，提高反渗透高纯水处理控制系统的研制开发效率和成本。全球对纯水的需求增长巨大。几乎在过去每一年中，全世界的水质都在恶化， 水处理已经变成一个全球关注的焦点问题，无论是个人，还是团体、国家以及国 际组织，都在努力探索保持目前水资源的合理利用和可持续发展问题。反渗透系 统作为一种有效的解决方案一直是水处理领域最具前景和发展前途的应有技术。 按照美国商业信息公司2001年发表的“水处理全球市场反渗透系统调查报告”， 全球市场对反渗透系统在2000年的需求量是1410亿美元，以后估计每年的增 长率为97，到2005年将达到2240亿美元。我国政府对反渗透技术的研究和开发工作十分重视，自“六五”以来，已连 续四个五年计划都把该技术作为重点项目进行支持，我国在2000年将膜材料和 膜产业列为国家重点支持的22项化工产业之一。2001年国家计委发布了国家 计委关于组织实施膜技术及其应用产业化专项公告，以期推动相关技术发展， 缓解日趋严重的水资源危机，使膜技术更好地为经济建设和社会可持续发展服 务。据统计，目前国内反渗透设备已形成了10亿元的市场，并且以15以上的 速度递增。因此，反渗透水处理及相关技术的应用有着极为广阔的市场前景。河南省自动化工程中心于2001年起开始了项目的前期工作，获得了河南省 重点科技攻关项目、国际科技合作计划项目、省工业攻关项目和省自然科学基础 研究基金项目等支持，现已完成如下工作：(1) 研制开发了反渗透水处理设备自动控制系统和全自动水处理成套设备， 技术成果已通过省级鉴定，达到国内领先水平。产品已在河南新乡、焦作、洛阳 以及河北、新疆等地10多家企业应用，性能先进、成熟。2003年又达成与加拿 大技术合作协议，引进E-cell公司EDI技术，开发新型高纯水处理成套设备； 2005 年申报的与德国道威茨水处理技术有限公司合作开发的反渗透水处理设备 自动控制系统项目获得河南省重点项目。(2) 对国内外专用处理剂产品的资料和样品进行调研、对比分析，完成了实验 室合成工作和应用配方筛选工作，对产品的阻垢分散性能、杀菌性能及脱氯性能 进行了评价。已完成了系列产品的中试，完善了生产工艺，中试产品经检测符合 应用要求。在不同应用单位、采用不同原水水源的大型工业反渗透水处理装置上 完成了工业应用，实际运行结果良好。 ，自动化工程中心具有较强的科研创新能力和将应用技术转化为实际产品与 服务的经验，在相关领域多次承担国家和省重大攻关项目，均已完成工业化，应 用项目研究曾获国家科技进步奖和国家发明奖，以及十余项河南省科技进步奖。 对国内外反渗透工艺和处理剂的组成及性能进行了全面的调查研究，具备对水质 和水处理剂全面性能指标检测的仪器设备、人员条件和对水中污染物、水垢的定 性、定量分析的能力。项目参加人员具有较强的科研工作能力和合理的专业结构， 包括数名自动控制、分析化学等相关专业的研究员、博士。 所属的水处理技术 中试基地建有车间2200平方米，拥有氩弧焊机、5T行吊、车床等设备多台套， 基本具备批量生产和设计安装能力，并可为反渗透膜专用水处理剂的工业运行提 供实验条件。2 技术原理水处理工艺作为控制对象来分析和研究是比较复杂的，采用简单的常规控制 系统很难达到预期效果。究其原因主要有二：一是非线性。非线性特征表现在药 剂的投放量与经济技术指标呈现极值函数曲线。例如：絮凝剂、阻垢缓蚀剂以 及各种添加剂的投放量必须适中，在保证技术指标的前提下最大限度地节省运行 费用。二是滞后。药剂投放时刻起到水体中进行的反应达到基本平衡需要经历一 段时间，加上过程静态特性的非线性，致使其对系统动态品质的影响相当明显。 絮凝剂自动投料系统在水处理工艺中最具典型意义。为此，我们在研究中将加药、 加酸控制作为重点。(1)控制系统结构设计： 反渗透水处理工艺过程既有典型的开关量顺序控制，如各种阀的开闭、电机 的启停，也有过程量的控制，如加药过程等，同时，由于水处理系统应用于不同 领域和场合，规模大小不一，还要考虑到客户投资、操作人员熟练程度等诸多因 素，因此，控制系统的设计应在实现功能的前提卜，可灵活适应客户的需要。 随着自动控制技术发展，在：I业控制领域，目前以可编程序控制器(PLC)、集 散控制系统(DCS)和PC-Based(lPC)为最广泛使用的三种控制技术，它们各自具有明显的优势及劣势，如PLC在高速的顺序控制中，与主导地位， 而DCS则在复杂的过程控制中占优势；PLC体积小， 使用灵活，价格相对较低，但在通讯功能及管理能力方面不及DCS,DCS虽然通讯及管理能力较强，但体积大， 价格相对较高。早期的PLC以数字量的顺序控制为主。随着PLC功能 不断扩充，PLC增加了模拟量控制功能、PID调节功能、通讯联网功能及分级控 制功能筹。DCS是由模拟仪表控制系统发展而来，初期的功能以回路调节为主， 之后又加入了顺序控制的功能。DCS的设计思想是操作管理集中，控制分散以提 高黎个系统的可靠性及管理能力。DCS的上述优势使它在控制系统的高端市场仍 占主流。但DCS比PLC价位高，对一些资金有限的中小烈企业有时难以承受。PC based(；：卜控机)以：；卜控机、I/O装置、监控器组成自动化系统，对人规 模系统要加上网络组成分布式系统，多级计算机系统，而且能够双机热备利冗余 配置。但是在可靠性方面不及PLC。综合三种控制技术的优缺点，我们设计了如图1所示控制系统结构： 该系统根据管理集中、控制分散的原则，采用分布式系统结构，即将整个控 制结构分为三层：第一层为中央控制室采用工业控制计算机的中央控制层(操作 站)，主要完成设定值的操作输入(如流量设定值、pH控制设定值)、通讯、系统 报警、运行管理以及所有工艺参数和设备运行状态的显示：第二层为现场控制层， 以PLC为控制核心，实现数据的采集、控制算法的实现、控制命令的下发以及工 艺信号的连锁等功能；第三层为执行层，即各类传感器、变送器和执行机构，完 成上一层下发的所有控制命令和数据采集。在实际的工程应用时，系统可灵活配置。第二、三层可脱离上级，建立一个 独立的控制系统，设置为现场控制柜、仪表柜(也可根据需要增加触摸屏)，完成 现场实时显示和操作。该设计考虑到了用户的需求和资金因素，同时也考虑到未来升级的需要。当 水处理设备规模较小，功能相对简单时，采用单独PLC电控系统完成；当用户在 增加新的生产设备或升级到厂级管理控制网络时，仅需在PLC上添置相应通讯模 块，实现与上位机数据通讯，如果控制功能有变化，也只需添置相应模块并进行 程序修改就可完成。当水处理设备规模较大、控制功能较复杂时，采用完整的集 散式控制结构，充分发挥PC机强大的运算处理能力和显示功能。(2)控制参数、控制策略设计：控制参数选取pH值，而非目前污水、自来水加药处理所采用的流动电流检 测仪(SCD),主要是由于反渗透法一般对原水水质要求较高，多为深井水或自来 水，所以加药处理过程相对简单；另一方面，由于pH检测仪表成熟、可靠，而 在大量工程实践中，pH值与药浓度呈现线性关系，因此该反渗透水处理工艺采 取pH值作为加药控制的参数。对于具有非线性、滞后特点的控制对象，目前常用的PID控制，由于难于建 立精确数学模型，在工程实践中，越来越多地引入了模糊控制方法，并取得了满 意效果。但是大多数采用的是利用PC机的强人运算能力，由上位机实现模糊算 法功能，再将参数传递到PLC执行。由于我们的系统设计采用了 PLC现场独立运 算，因此在算法设计中进行了优化。系统控制算法采用变比例因子与量化因子的 多级模糊控制，并根据经验引入偏移量函数。3 新颖性及项目水平 在反渗透工艺中，需要监控的主要内容有：脱盐率、压力、流量、电导率、 pH值、污染指数(SDl)。其中，进水SDI、pH、温度等是主要控制参数；脱盐率、 产水量及压降是主要监视性能参数。系统采用美国通用电气公司(GE FANUC)的控制技术和产品、德国道威茨水处 理技术有限公司的水处理设备和水处理药剂技术，以可编程控制器(PLC)为控制 核心，采用模糊PID控制策略，对水处理过程的脱盐率、压力差、流量、电导率、 pH值、污染指数(SDl)等工艺参数进行监控，对加药、酸碱进行自动调节，对各 工艺参数可以进行修改和重新设置。实现了水处理过程的无人值守，全自动操作。系统主要功能：(1) 运行方式：自动运行和手动操作无扰动切换；(2) 用户界面：现场工艺流程图显示；(3) 生产过程数据实时监控：动态显示水箱的液位、阀泵的开关状态等， 水流、水质、温度，PH值、液位、阀、泵的开关状态，自动控制泵阀的开关、 流量的大小和出口回流等：(4) 报警功能：实时报警和历史报警的功能，记录故障时间、原因等信息：(5) 实时趋势和历史趋势显示功能；(6) 报表打印输出：系统能定时或时时打印故障信息、水箱液位、流量、水质、 温度等信息。(7) 保存数据：系统具有自动保存数据和与其它应用程序交换数据的功能。 主要指标：pH值：5. 57. 5,控制精度土0. 1,产水指数、污染指数(SDl)符合设计要求。4 应用领域范围由自动化中心研制的 WTC-1 型反渗透水处理自动控制系统属于技术密集型 产品，生产所需设备、材料消耗、厂房较少，无污染。技术含量高。目前，我国已有一些企业开展了反渗透水处理装置及相关产品的开发和生 产。但是除少数有实力的企业外，多数为滤芯、滤料等辅配件生产商，国外企业 产品代理商或工程服务商，缺乏拥有自主知识产权的核心技术和产品，大型成套 装置生产能力不足，国内所使用的高效反渗透装置预处理剂大部分是由国外反渗 透设备厂家及其设在国内的代理商提供的进口产品。河南省自动化工程中心近年来通过省重点攻关、国际科技合作等科研项目， 进行了全自动反渗透水处理装置和专用预处理剂的研究开发，取得了良好成果。 在前期研发基础上组建了水处理技术中试基地郑州霖泉科技发展有限公司， 成套设备已在省内外售出20余套。本项目根据反渗透水处理行业的需要独立研究开发的新技术、新产品，全自 动反渗透水处理成套设备目前已在中试基地小批量生产，由自动化：1：程技术 中心研制的关键技术“WTC-1型反渗透水处理自动控制系统”已在2003年通过 了省科技厅鉴定，经鉴定达到国内领先水平。反渗透专用水处理剂的主要技术指标如络合阻垢率、分散阻垢性能、杀菌灭 藻性能和除氯率等参照 HGT2024-1991、HG51598-1985 等相应行业技术标准所 规定的方法检测，达到美国 KingLee 公司 PTP-0150 等的水平；并对阻垢性能的 测定方法进行了探讨，对于碳酸钙、镁垢采用EDTA滴定法，对含Fe、Zn离子的 垢采用原子吸收光谱法，还对不同的原水用 DRDT 型水垢测定仪做动态条仆下的 模拟试验，探索和完善应用方案，进而在：I：业反渗透水处理装置上替代进口 产品，完成了对比运转试验和工业应用。目前系列中试产品已经在河南金星啤酒 集团、河南省巩县电厂等企业的大型工业反渗透水处理装置上分别运转了 912 个月，均运转正常，膜效率高，延长了组件的清洗周期。国内在河南省人民医院、 郑州华美、郑州博赛等生物制剂企业应用，符合国家 GMP 认证要求。结果表明： 本项目研制的新列高效反渗透装置预处理剂的综合性能达到了美国 KingLee 公 司PTP0150等国际同类产品的水平，可以替代进口产品使用，产品性能和应用 技术居国内领先水平，工艺成熟，具备产业化条件。自2003 年以来，采用了 WTC1 型水处理自动控制系统的反渗透水处理成套 设备已往我省新乡龙泉集团电厂锅炉补给水设备、焦作孟州金玉米有限公司电厂 锅炉补给水设备、解放军 460 医院血液透析机用纯水设备、郑州市工程质量监督 站化验室用纯水设备以及河北、新疆等十多家单位应用，使设备生产企业新增销 售收入 1600 多万元，产生了显著的经济、社会和环境效益，具有良好的市场前 景。经新乡、焦作等地企业使用情况表明，同原离子交换制水工艺相比，采用了 全自动反渗透水处理设备后，在年产水量相同情况下（电厂锅炉补给水设备，554 万吨年），离子交换盐耗量降低90，再生周期从8 小时次延长到 500 小时 次，每班人员从 23 人降低到 12 人，人工费用降低 50，维护费用降低 40，控制精度提高，酸碱污染排放基本消除，综合各项费用计算，一年可节约 运行费用 50 万元，排放达到国家环保要求。 用户普遍反映，采用该全自动控制系统的水处理设备，由于其具有在线测试功能， 各种参数清晰、明了，易于掌握生产进度和情况，操作简单，培训周期短，便于 企业的生产管理。