反渗透自动控制系统毕业设计VIP

1 反渗透自动控制系统 摘要 现今社会人民的生活水平的逐渐提高，人们对水的质量要求也越来越高。如今在很多领域都需要纯度极高的水，如 固态电子器件、厚膜和薄膜电路、印刷电路、真空管等的制作都要使用超纯水 。由于 使其在工业生产过程控制中得到了广泛的应用 , 能完善、操作简便等优点从而大大的提高了水处理的自动化水平。本文 主要介绍 了双级反渗透水处理的发展背景及前景 ，对其自控系统的控制方式，设备选型 进行了阐述。本文给出了双级反渗透水处理系统的主要电路原理图。 本装置 主要分为两大部分，一是水的预处理，经过预处理系统，将原水中的杂质、等有效去除。二是反渗透装置，反渗透水处理是渗透的反过程，利用压力去除杂质，从而得到纯度极高的水来满足工业、生活等多方面的需求。 为了增强系统运行的可靠性，提高控制精度和水质处理合格率，同时减轻操作负担，设计了基于 态软件和可编程控制器 ( 的反渗透水处理系统 。 此系统实现了自动控制 、 数据集中管理 、 故障报警等多方面功能，图形化的人机界面显示了设备运行全过程，操作简明快捷 。 关键词： 反渗透；自动控制； 过工艺流程图和 程序运行等模块即可说明 2 s of is to as to LC of in of of of In of is of in to in to of of of on a in 3 目 录 摘要 . 1 . 1 目 录 . 3 1 引言 . 5 计背景 . 5 渗透系统发展概况 . 7 . 8 . 9 . 10 2 反 渗透系统工艺流程 . 12 3 反渗透水处理系统硬件设计 . 14 编程控制器 . 14 介 . 14 制功能的选择 . 16 型（西门子 . 17 拟量 I/O 模块的种类 . 18 入、输出电路 . 19 制电路设计 . 21 频器简介 . 21 频器的选型 . 22 频器的端子接线 . 25 制电路 . 28 制面板及所需材料 . 29 电路设计 . 29 . 31 . 33 力变送器 . 33 接点压力表 . 35 线制和四线制仪表的接线区别 . 36 制原理、通讯 . 37 制结构和原理 . 37 讯 . 38 4 4 系统软件设计 . 38 统软件设计概述 . 38 件需求分析 . 39 件设计 . 39 . 40 制原理 . 40 制器的参数整定 . 41 反馈逻辑 . 41 、 I、 D 参数调整原则 . 41 压供水设计及实现 . 42 . 44 述 . 44 件组态与参数设计 . 44 . 46 . 47 介 . 47 控设备结构 . 51 程画面 . 54 5 结论 . 58 致谢 . 59 参考文献 . 60 附录 . 61 5 1 引言 反渗透技术是当今最先进和最节能有效的膜分离技术。其原理是在高于溶液渗透压的作用下，依据其他物质不能透过半透膜而将这些物质和水分离开来。由于反渗透膜的膜孔径非常小（仅 为 10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 97%。反渗透是目前高纯水设备中应用最广泛的一种脱盐技术，它的分离对象是溶液中的离子范围和分子量几百的有机物；反渗透（ 超过滤（ 微孔膜过滤（ 电渗析（ 术都属于膜分离技术。 二级反渗透装置是借助压力使水分子强迫透过对水分子有选择透过作用的反渗透膜，即是反渗透净水的原理，这种装置为反渗透装置根椐各种物料的不同渗透压，可以大于渗透压的反渗透法进行分离、提取、纯化和浓缩。 反渗透技术应用很广如 电 子、医疗、食品、锅炉补给水等工业中纯水、超纯水的制备 ， 太空水、蒸馏水的制备及啤酒和饮料用水的净化 ， 高压锅炉补给水的预脱盐处理 ，海水、苦咸水的脱盐淡化 ， 制药、轻纺、化工、食品等工业用于分离、浓缩、液体脱色为目的的工艺 ， 其它以分离细菌、热源、胶体微粒及有机物为目的的分离过程 等 1。 计背景 (1) 渗透：是指稀溶液中的水分子自发地透过半透膜进入浓溶液的过程。 (2) 渗透压：是指某溶液在自然渗透过程中，浓溶液液面不断升高，稀溶液液面相应降低，直到两侧形成的水柱压力抵消了水分子的迁移，溶液两侧的液面不 再变化，渗透达到平衡点，此时的液柱高差称为该溶液的渗透压。 (3) 反渗透：渗透平衡时，如果在浓溶液侧施加一个压力，那么浓侧的溶剂会在压力作用下向淡水一侧渗透，这个渗透由于与自然渗透相反，故叫反渗透（ 图 渗透的基本原理 (4) 渗透压的计算：渗透压的大小取决于溶液的种类、浓度和温度而与半透膜本身无关。计算公式如下（仅适用于稀溶液）： 渗透压 C 离子浓度差 R 气体常数 6 T 绝对温度 (5) 影响反渗透性能的因素： 产水通量和脱盐率是反渗透过程中的关键参数，针对特定系统条件，水通量和脱盐率主要受压力、温度、回收率、进水含盐量和 基本关系式 1、产水率： 2、盐通量： (6) 反渗透预处理的选择： 反渗透预处理的必要性：反渗透的预处理是为了保证膜组件良好的设计性能和长时间的安全稳定运行、保证膜的使用寿命。 反渗透预处理解决的问题：解决反渗透系统的污堵结垢和膜本身发生化学变化。 污堵：有机物、胶体在膜表面上的沉积。 结垢：部分盐类的浓度超过其溶度积在膜表面的沉淀，例如碳酸钙、硫酸钙、硫酸钡、硫酸锶、氟化钙、磷酸钙等。 膜本身发生化学变化：使 到强 酸强碱的溶解等。 图 渗透系统的配置 (7) 反渗透系统的设计步骤： 考虑进水水源、水质，进水和产水流量以及所需的产水水质。 选择系统排列和级数。 膜元件的选择。 膜平均通量的确定。 计算所需的元件数量。 计算所需的压力容器数。 段数的确定。 确定排列比。 分析和优化膜系统。 运用反渗透计算软件进行系统模拟运算。 7 渗透系统发展概况 1748 年法国学者阿贝诺伦特 (现，水能 自然地扩散到装有酒精溶液的猪膀胱内，首次揭示了膜分离现象，证实了这种膜的渗透过程，并创造了“ 词来描述半透膜的这种现象。 1854 年， 表了第一篇证实存在膜渗透现象方面的论文，并于 1866 年第一次提出了透过膜的机理。该机理至今仍具有实用价值。而关于渗透膜的发现及应用是从 1860 年开始的。 1861 年， 人通过进一步实验，提出了透过与非透过的机理在于膜的孔径。首先提出了膜孔径的理论。同年， 次发现了膜超滤现象，并公开了第一个超滤 实验，证明牛心胞膜能部分截留溶解的阿拉伯树胶。 1907 年， H 表了第一篇系统研究微孔滤膜性质的报告，并首先提出了用气泡法测定滤膜的孔径。而且他第一次在报告中使用了“超滤” (词。 1911 年， 出了膜平衡的概念，后称 论，至今仍被用于解释半透膜和离子交换膜的选择透过性。 1931年， 子显微镜开始出现，并用于对细胞膜的观察研究。从此细胞膜的存在得到了确认，进一步促使了膜分离技术的飞速发展。1935 年， 始引出了离子具有主动迁移 (概念。 1936 年， 及 过实验表明荷电型膜既体现了 平衡理论，又体现了扩散电位学说。 1942年， 一步补充和发展了膜学说。 1945 年， G E (司成功地用放射线痕迹腐蚀法制得核孔性超滤膜。 1950 年， 证了从电解质水溶液中分离水和电解质的可能性，并用人工合成的方法制得了第一张离子交换膜，促进了电渗析技术 的发展。同年，加利福尼亚大学的 一次提出了关于海水渗透膜的设想，同时也开始了对离子交换膜和电渗析技术的研究。 1952 年，美国研制成功实用性离子交换膜，并组装成功第一台电渗析苦咸水淡化装置。 1953年，美国佛罗里达大学的 始反渗透的研究，并向美国国会提交了脱盐报告，首次建议把反渗透用于脱盐。 1954年，世界上第一台离子交换膜电渗析的工业装置在美国诞生。同年，沙特阿拉伯也开始使用离子交换膜电渗析装置进行地下水除盐。 1960 年洛布和索里拉金制成了第一张高通 量和高脱盐率的醋酸纤维索膜。为反渗透和超滤膜的分离技术奠定了基础。同年， 他们研制成功的醋酸纤维索反渗透膜研究并组装成功第一个实验室规模的板框式反渗透膜装置。 1961年美国 1964年美国通用原子公司研制出螺旋式反渗透组件； 1965 年美国加利福尼亚大学制造出用于苦咸水淡化的管式反渗透装置，生产能力为 19 t d； 1967年美国社邦公司首先研制出以尼龙一 66为膜材料的中空纤维膜组件； 1970年又研制出以芳香聚酰胺为膜材料的“ 空纤维膜组件，并获得 1971 年美国柯克帕特里克化学工程最高奖 1。 反渗透技术在美国、日本的研究应用较早。我国的反渗透研究始于 1965年，而 1967年开始的全国海水淡化会战则为 对称反渗透膜的开发打下了良好的基础。因此我国对反渗透的开发与国外起步时间相差不大。但事实上由于原材料及基础工业条件限制，生产的膜元件性能偏低，生产成本高，还没有形成规模化生产。而对超滤的研究探索则开始于 70 年代初。近年来反渗透技术在我国已得到广泛应用。反渗透技术最初只用于海水淡化，后来逐步扩大到苦咸水淡化、食品加工、医 药卫生、饮料净化、超纯水制备等方面，产生了很高的经济效益。 8 内反渗透膜及其应用 我国从 60 年代中期开始研制反渗透膜，与国外起步时间相距不远，但由于原材料及基础工业条件限制，生产的膜元件性能偏低，生产成本高，还没有形成规模化生产。相比面言，我国的超滤、微滤膜研制虽晚于反渗透，始于 70 年代，但目前已发展到数百个生产厂。虽然有品种少、质量、性能不够完善等问题，但因价格低廉，不仅有效地阻挡了国外同类产品的大量流入，而且也扩大了应用范围。 国内反渗透应用始于 70年代后期，最早多限于电子、半导体纯水， 80年代 以后逐渐扩大到电力及其它工业， 90 年代起在饮用水处理方面获得普及，现在反渗透已进入到家庭饮用纯水。最近三年是反渗透应用大发展阶段。根据保守的估计，各种反渗透膜元件 1997年的国内销售额在 1 着国内几条引进生产线的陆续开工生产，预计今后国产反渗透膜的市场份额会有上升。纵观国内反渗透应用市场，有以下几个特点： 据不完全统计，我国已建成和在建的 100 吨 /小时以上的反渗透装置已超过 50套，但除少数电子等行业以外，大多数都集中于锅炉补给水用途。最早是火力发 电厂，后来扩展到炼油、石化、化肥、化工等行业。其中最大规模为 600 吨 /小时，估计本世纪内会出现超过 1000吨 /小时的超大型反渗透水处理装置。国内在此领域已积累了丰富的设计、施工和运行经验，现国内承建过 100 吨 /小时以上规模反渗透装置的水处理工程公司已超过 10家。 规模 在国外， 1000 10000 吨 /小时规模的超大型反渗透或纳滤装置多用于城市供水系统，而国内在饮用水用途的反渗透装置还都是数十吨 /小时以下的中、小规模。随着经济发展和膜技术的普及，这一领域的应用前景很大。 及废水处理应用还有待开发 由于这一领域的应用技术难度较高和经济成本原因，目前国内还处于研究、开发阶段，伴随石油工业发展和水再利用、环境保护呼声日益高涨，膜技术大量进入这一领域已为时不会太远，对膜厂家和工程公司也是一个商业机会。 纳滤膜在饮用水净化处理，污、废水排放处理，各种水溶液的浓缩与精制领域的优越性虽然已逐渐为人们所认识，但由于膜成本较高的和应用经验不足，国内在此领域还刚刚起步，预计今后会有很大发展。 9 外反渗透及其应用 我国从 60 年代中期开始研制反 渗透膜，与国外起步时间相距不远，但由于原材料及基础工业条件限制，生产的膜元件性能偏低，生产成本高，还没有形成规模化生产。相比面言，我国的超滤、微滤膜研制虽晚于反渗透，始于 70 年代，但目前已发展到数百个生产厂。虽然有品种少、质量、性能不够完善等问题，但因价格低廉，不仅有效地阻挡了国外同类产品的大量流入，而且也扩大了应用范围。 国内反渗透应用始于 70年代后期，最早多限于电子、半导体纯水， 80年代以后逐渐扩大到电力及其它工业， 90 年代起在饮用水处理方面获得普及，现在反渗透已进入到家庭饮用纯水。最近三年是反渗透应用 大发展阶段。根据保守的估计，各种反渗透膜元件 1997年的国内销售额在 1 着国内几条引进生产线的陆续开工生产，预计今后国产反渗透膜的市场份额会有上升。纵观国内反渗透应用市场，有以下几个特点： 据不完全统计，我国已建成和在建的 100 吨 /小时以上的反渗透装置已超过 50套，但除少数电子等行业以外，大多数都集中于锅炉补给水用途。最早是火力发电厂，后来扩展到炼油、石化、化肥、化工等行业。其中最大规模为 600 吨 /小时，估计本世纪内会出现超过 1000吨 /小时的超 大型反渗透水处理装置。国内在此领域已积累了丰富的设计、施工和运行经验，现国内承建过 100 吨 /小时以上规模反渗透装置的水处理工程公司已超过 10家。 规模 在国外， 1000 10000 吨 /小时规模的超大型反渗透或纳滤装置多用于城市供水系统，而国内在饮用水用途的反渗透装置还都是数十吨 /小时以下的中、小规模。随着经济发展和膜技术的普及，这一领域的应用前景很大。 由于这一领域的应用技术难度较高和经济成本原因，目前国内还处于研究、开发阶段，伴随石油工业发 展和水再利用、环境保护呼声日益高涨，膜技术大量进入这一领域已为时不会太远，对膜厂家和工程公司也是一个商业机会。 纳滤膜在饮用水净化处理，污、废水排放处理，各种水溶液的浓缩与精制领域的优越性虽然已逐渐为人们所认识，但由于膜成本较高的和应用经验不足，国内在此领域还刚刚起步，预计今后会有很大发展。 10 滤膜及其应用 纳滤 (早期称为松散反渗透 (O)膜，是 80 年代初继典型的反渗透 (合膜之后开发出来的。其准确定义到目 前为止，学术界还没有一个统一的解释，这里暂表达为： (1) 脱除率在 90%以 下， 只对特定的溶质具有高脱除率； (2) 个纳米 (右的溶质粒子，截留 分子量为 100 1000，在饮用水领域主要用于脱除三卤甲 烷中间体、异味、色度、农药、合成洗涤剂，可溶性有机 物、 硬度成分及蒸发残留物质。 纳滤膜的一个很大特征是膜本体带有电荷性。这是它 在很低压力下仍具有较高脱盐性能和截留分子量为数百的膜也可脱除无机盐的重要原因。例如日东电工的 鉴于国内许多科研及使用单位对纳滤膜不如反渗透膜那样熟悉，现将国外主要的纳滤膜及其性能列于表 3和表 4，以供参考。 (1) 软化水处理 对苦咸水进行软化、脱盐是纳滤膜应用的最大市场。在美国目前已有超过 40万吨 /日规模的纳滤膜装置在运转，大型装置多数分布在佛罗里达半岛，其中最大的两套装置规模分别为 吨 /日 (1989 年 )和 吨 /日 (1992 年 )，这两套装置均为用聚乙烯醇材质的 日以上的大型装置中获得了成功应用。 (2) 饮用水中有害物质的脱除 传统的饮用水处理主要通过絮凝、沉降、砂滤和加氯消毒来去除水中的悬浊物和细菌，而对各种溶解性化学物质的脱除作用很低。随着水源的环境污染加剧和各国饮水标准的提高，可脱除各种有机物和有害化学物质的“饮用水深度处理”日益受到人们的重视。目前的深度处理方法主要有活性炭吸附、臭氧处理和膜分离。膜分离中的微滤 (超滤 (不能脱除各种低分子物质，故单独使用时不能称之为深度处理。纳滤膜由于本身的性能特点，故十分适用于此用途的应用。美国环保局 (用大型装置证实了纳滤膜脱除有机物、合成化学物的实际效果。日本也曾于 1991 1996 年组织国家攻关项目“ 1” (1)开发膜法水净化系统。该项目的前三年侧重于微滤 /超滤膜的固液分离，后三年重点开发以纳滤膜为核心，以脱除砂滤法不能脱除的溶解性微量有机污染物为目的的饮水深度净化系统。大量工业装置的运行实践表明，纳滤膜 可用于脱除河水及地下水中含有的三卤甲烷中间体 氯消毒时的副产物为致癌物质）、低分子有机物、农药、异味物质、硝酸盐、硫酸盐、氟、硼、砷等有害物质。 (3) 中水、废水处理 中水一般指将大型建筑物（宾馆、写字楼、商场等）中排出的生活污水处理后用于厕所冲洗等非饮用再利用水，在中水领域的膜利用，日本作了很多的工作。 11 纳滤膜在各种工业废水的应用也有很多实例，如造纸漂白废水处理等。生活废水中，纳滤膜与生物处理（活性污泥）相结合也已进入实用阶段。 (4) 食品、饮料、制药行业 此领域中的纳滤膜应用十分活跃，如 各种蛋白质、氨基酸、维生素、奶类、酒类、酱油、调味品等的浓缩、精制。 (5) 化工工艺过程水溶液的浓缩、分离 如化工、染料的水溶液脱盐处理。 12 2 反渗透系统工艺流程 本设计的主体工艺流程图如下： (1) 原水： 原水为城市管网水，要求达到条件送水量。 (2) 原水箱： 主要是减少管网水的压力及供水量的波动对系统的影响。 13 (3) 活性碳过滤器： 主要用于除去原水中的余氯，以防止余氯对膜的氧化破坏作用；活性炭同时可以部分 吸附水中可能存在的有机物，减少对膜的污染。总处理水量约为 7 3 ，操作方式为按设定时间自动运行。 (4) 阻垢加药系统： 反渗透膜的工作原理是原水在膜的一侧从一端流向另一端，水分子透过膜从原水侧到达另一侧，而无机盐离子就留在原来的一侧。随着原水的向前流动，水分子不断从原水中取走，留在原水中的盐含量逐步增大，即原水逐步得到浓缩，而最终成为浓 水从装置中排出。浓水 被 浓缩后各种离子浓度将成倍增加，基本上接近于原水浓度的 4倍。而自然水源中的 以不会有结垢出现，但经浓缩后，各种离子的浓度积常数都有可能超过平衡常数，因此会产生严重的结垢现象。本系统推荐选用的进口阻垢剂是绿色环保型非磷有机复合物，它可以大大提高水中的难溶物质的饱和度，从而防止结垢的产生。 (5)高压泵： 原水在经过预处理后，已满足反渗透膜进水水质的要求，通过高压泵加压之后，达到反渗透系统的工作压力（ 高压泵 为变频启动。 高压泵采用 南方特种泵厂生产的立式多 级离心 泵，其出力及扬程满足工艺系统产水水量的变化要求，高压泵 所有过流部分为 304不锈钢。 (9) 反渗透装置： 采用反渗透膜组件 。 (10) 反渗透清洗系统： 定期清洗反渗透设备。 14 3 反渗透水处理系统硬件设计 编程控制器 统模块设计 介 (1) 早期的可编程控制器称作可编程逻辑控制器 (它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用 微型 计算机技术 的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称 是为了避免与个人计算机 (简称混淆，所以将可编程序控制器简称 966 年美国数据设备公司（ 制出现，现行美国，日本，德国的可编程序控制器质量优良，功能强大。 (2) 储器、 I/设接口、电源、编程设备等组成。 图 (2) 在 系统程序的监控下，周而复始地按固定顺序对系统内部的各种任务进行查询、判断和执行，这个过程实质上是一个不断循环的顺序扫描过程。一个循环扫描过程称为扫描周期 5。 15 运行监控任务。为了保证系统可靠工作， 3倍，通常为 100 200 与编程器交换信息任务。编程器在 外部设备中占有非常重要的地位，用户把应用程序输入到 对应用程序进行在线运行监视和修改都要用到 它。编程器在完成处理任务或达到信息交换的规定时间后，就把控制权交还给 与数字处理器 (换信息任务。一般大中型 个是字节处理器 (另一个是数字处理器 (，在一般小型 与外部设备交换信息任务。如果没有连接外部设备，则该任务跳过。 执行用户程序任务。系统的全部控制功能都在这一任务中实现。 输入 /输出信息处理任务。 图 工作过程 (3) 本工作原理： 顺序扫描，不断循环 ” 的工作方式 ： 每次扫描过程集中对输入信号进行采样 ， 集中对输出信号进行刷新。 内部处理 输入处理（输入传送、远程 I/O） 通信服务（外设、 线服务） 更新时钟、特 殊寄存器 行方式？ 执行程序 处理程序 执行自诊断 常？ 存放自诊断错误结果 致命错误？ 制为 N 16 输入刷新过程 ， 当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描时，新状态才被读入。 一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 扫描周期的长短由三条决定 ： 行指令的速度 ， 指令本身占有的时间 ， 指令条数 。 由于采用集中采样 、 集中输出的方式。存在输入 /输 出滞后的现象，即输入 /输出响应延迟。 制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 1、运算功能 简单可编程逻辑控制器的运算功能包括逻辑运算、计时和计数功能；普通可编程逻辑控制器的运算功能还包括数据移位、比较等运算功能；较复杂运算功能有代数运算、数据传送等；大型可编程逻辑控制器中还有模拟量的 着开放系统的出现，目前在可编程逻辑控制器中都已具有通信功能，有些产品具有与下位机的通信，有些产品具有与同位机或上位机 的通信，有些产品还具有与工厂或企业网进行数据通信的功能。 2、控制功能 控制功能包括 制运算、前馈补偿控制运算、比值控制运算等，应根据控制要求确定。可编程逻辑控制器主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出单元完成所需的控制功能，提高可编程逻辑控制器的处理速度和节省存储器容量。例如采用 速计数器、带速度补偿的模拟单元、 3、通信功能 大中型可编程逻辑控制器系统应支持多种现场总线和标准通信协议 (如 P)，需要时应能与工厂管理网 (P)相连接。通信协议应符合 信标准，应是开放的通信网络。可编程逻辑控制器系统的通信接口应包括串行和并行通信接口、 用 口等；大中型可编程逻辑控制器通信总线 (含接口设备和电缆 )应1:1 冗余配置，通信总线应符合国际标准，通信距离应满足装置实际要求。为减轻 据网络组成的实际需要，应选择具有不同通信功能的 (如点对点、现场总线 )通信处理器。 4、编程功能 离线编程方式：可编程逻辑控制器和编程器公用一个 程器在编程 模式时，对现场设备进行控制。完成编程后，编