（控制理论与控制工程专业论文）基于labview的反渗透海水淡化仿真系统的设计与实现.pdf

硕上论文 基于l a b v i e w 的反渗透海水淡化仿真系统的设计与实现 摘要 随着计算机控制和自动检测技术的快速发展，集散控制系统已被广泛地应用于工业 生产过程中。工业过程的自动化程度不断的提高，使得对操作人员的要求也越来越高。 因此加强操作人员的培训工作，提高其在工业生产中的技术水平以及对复杂工况的处理 应对能力就显得尤为必要。采用基于计算机仿真技术的仿真系统可以有效地弥补传统教 学培训的不足，帮助操作人员熟悉整个海水淡化装置的运行过程，锻炼操作人员分析系 统运行数据和处理突发故障的能力。因此，本课题针对实际1 0 0 0 0 t 反渗透海水淡化工 程项目开发了一套反渗透海水淡化仿真系统。 本文首先研究了反渗透海水淡化的工作原理及工艺过程，采用机理分析为主的综合 建模法，建立了反渗透海水淡化系统中主要运行对象的数学模型，并选择合适的算法， 将数学模型转化为可以在计算机仿真环境中运行的仿真模型。然后以图形化编程语言 l a b v i e w 为开发平台，对仿真系统的流程操作界面和后台运行管理进行软件设计，实 现了包括工艺流程界面动态显示、控制参数手动修改、故障运行状态设置、报警信息实 时更新等具体功能。系统采用基于c s 模式的t c p 数据通信模块，使操作员站与三维 现场站这两个系统工作站实时的交换仿真工况数据和现场操作数据等信息。本仿真系统 已经初步投入运行，显著地提高了培训工作的效果。 关键词：反渗透海水淡化，计算机仿真，系统建模，l a b v i e w ，过程控制，t c p 通信 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec y b e r n a t i o na n da u t o m a t i cm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y , d i s t r i b u t e dc o n t r 0 1s v n e m sa r ew i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lp r o c e s s e s t h ec o n s t a n t l yi m p r o v e d a m o m a t i s mo fi n d u s t r i a lp r o c e s sm a k e st h er e q u i r e m e n tt ot h eo p e r a t o r sh i g h e ra n dh i g h e r t h e r e f o r e ，i ti sp a r t i c u l a r l yn e c e s s a r yt os t r e n g t h e nt h et r a i n i n go fo p e r a t o r st oi m p r o v e t h e i r t e c h n o l o g i c a ll e v e lo fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n da b i l i t yo fc o p i n gw i t hc o m p l i c a t e dw o r k i n g c o n d i t i o n si ni n d u s t r i a lp r o c e s s t h es i m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nc o m p u t e rs i m u l a t i o n t e c h n i q u e s c a nm a k eu pf o rt h ed e f i c i e n c i e si nt r a d i t i o n a lt e a c h i n ga n dt r a i n i n g t oh e l p o p e r a t o r sf a m i l i a rw i t ht h eo p e r a t i o n a lp r o c e s so fs e a w a t e rd e s a l t i n ge n g i n e e r i n g ，t r a i n i n g o d e r a t o r st h ea b i l i t yt oa n a l y s i ss y s t e mr u n n i n gd a t aa n dh a n d l eu n e x p e c t e d f a i l u r e s t h e r e f o r e ，t h i ss u b j e c td e s i g n sar e v e r s eo s m o s i sd e s a l i n a t i o ns i m u l a t i o ns y s t e mw h i c h 1 s b a s e do n10 0 0 0 tr e v e r s eo s m o s i sd e s a l i n a t i o np r o j e c t f i r s t l yt h i sp a p e rs t u d i e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l ea n dt e c h n o l o g i c a lp r o c e s so f r e v e r s e o s m o s i sd e s a l i n a t i o np r o c e s s t h e na d o p t ss y n t h e t i cm o d e l i n gm e t h o dm a i n l y b a s e do n m e c h a n i s ma n a l y s i s ，b u i l d st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em a i no b j e c ti nr e v e r s eo s m o s i s d e s a li n a t i o ns y s t e m 。a n ds e l e c t st h ea p p r o p r i a t ea l g o r i t h m ，c o n v e r t st h em a t h e m a t i c a lm o d e l i n t ot h es i m u l a t i o nm o d e lr u n n i n gi nc o m p u t e rs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t a d o p t i n gl a b v i e w g r a p h i c a lp r o g r a m m i n gl a n g u a g ef o rt h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m s o f t w a r ed e s i g n o ft h e s i m u l a t i o ns y s t e mu s e ri n t e r f a c ea n db a c k s t a g ep r o c e s sm a n a g e m e n tp e r f o r m ss u c ht u n c t i o n s a st e c h n o l o g i c a lp r o c e s ss c r e e nd y n a m i cd i s p l a y , c o n t r o ls y s t e mp a r a m e t e rm o d i t i c a t l o n ， o d e r a t i o nf a i l u r es e t t i n gu p ，a l a r mm e s s a g eu p d a t i n ga n ds oo n t h es i m u l a t i o ns y s t e mu s e s t c pd a t ac o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do n s i m u l a t i o ns t a t i o na n d3 ds i m u l a t i o ns t a t i o n ) o p e r a t i n gd a t ai n r e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n c sm o d e ，s ot h a tt h ew o r k s t a t i o n s ( o p e r a t o r c o u l de x c h a n g es y s t e mw o r k i n gc o n d i t i o na n d t h i ss i m u l a t i o ns y s t e mh a sb e e np l a c e di n s e r v i c e ，a n dh a sb r o u g h t b e t t e ro p e r a t o rt r a i n i n ge f f e c t k e yw o r d ：r e v e r s eo s m o s i s d e s a l i n a t i o no fs e a w a t e r , c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，s y s t e m m o d e l i n g ，l a b v i e w , p r o c e s sc o n t r o l ，t c pc o m m u n i c a t i o n i l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：墟 7 。胗年多月坪日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：丛沁p 年6 刖日 硕十论文基于l a b v i e w 的反渗透海水淡化仿真系统的设计与实现 1 绪论 1 1 引言 水是生命之源，是社会经济发展的命脉，是人类宝贵的、不可替代的、赖以生存和 发展的珍贵自然资源，是生态环境的控制性要素之一，同时也是战略性的经济资源，是 一个国家综合国力的有机组成部分。地球上虽然7 0 的表面被水覆盖，水资源总量达到 1 4 亿立方公里，但是其中海洋成水占9 7 2 ，淡水仅占2 8 ，储量仅3 3 亿亿立方米， 其中绝大部分蕴藏在南极冰原和北极冰山中，人类生产和生活能利用的地表淡水仅为 1 0 5 万亿立方米。随着全球人口的增加和经济的发展，人类对水的需求增长也越来越快， 再加上水资源的分布不均匀，当自订已出现了全球性的水资源缺乏危机。目日订，约占世界 人口总数4 0 的8 0 多个国家和地区约1 5 亿人口淡水不足，其中2 6 个国家约3 亿人口 极度缺水。预计到2 0 2 5 年，世界上将会有3 0 亿人面临缺水的困境。联合国有关机构指 出“水将成为世界上最严重的资源问题 ，“缺水问题将严重制约下世纪经济和社会发 展并可能导致国家间的冲突”。 我国水资源总量位居全世界第四位，但人均水资源量为世界人均的1 4 ，另外，我 国水资源的地区性分布极不均匀，南方水多地少，北方水少地多，水资源年际分配也不 均匀【2 1 。随着经济持续的发展和人民生活水平的提高，对水量的需求越来越大，对水质 的要求越来越高，而水资源的不足，时空分布的不均，加上超限度的开采，无节制的浪 费，随意的污染，使本来紧张的水资源供需矛盾更加尖锐。遇到干旱年份，水资源的短 缺不仅严重影响正常的工农业生产，也影响到人们的生活。 全球水的总储量中9 6 5 为海水，而可取用的河水、湖水及浅层地下水等仅占0 2 左右。海水淡化是从水危机和水污染困境下解决水资源缺乏危机的重要手段之一。海水 淡化，又称海水脱盐，是将海水中的盐份和水分离，最终得到淡水和浓缩盐水的过程。 多年来，为了缓解水资源缺乏带来的危机，世界不少国家先后成立专门机构，投入大量 的人力和物力，研究和开发海水淡化技术。至今常用的海水淡化方法有蒸馏法、结晶法、 电渗析法、反渗透法、离子交换法等等。其中反渗透海水淡化技术近几十年来取得了飞 跃发展，膜与组件的生产已经相当成熟，二十世纪九十年代低压膜生产的工业化，使得 反渗透技术已经成为海水淡化、苦咸水淡化、纯水和超纯水制备最经济的手段。目前反 渗透法海水淡化已经占据了全世界海水淡化市场的8 8 ，被国内外的海水淡化工程广泛 利用【l 】【3 】【4 】【5 1 。 随着工业生产的快速发展，电子技术的不断提高，以及仪器仪表的功能增强，集散 型控制系统( d i s t r i b u t ec o n t r o ls y s t e m ，d c s ) 也广泛应用于现代工业生产中，对过程控制 的要求目益提高【6 】【7 】【8 1 。与此同时，计算机控制系统被广泛应用于过程控制领域，实际 l l 绪论 硕上论文 生产过程中海水淡化装置与计算机技术、网络通讯技术、过程控制技术结合越来越紧密， 对技术人员和操作人员要求也越来越高。对操作人员使用传统的培洲方法，如在职培训 和课堂教学等，其效果已经难以满足需要。海水淡化工程项目一般情况下都长期在正常 工况下运行，对操作要求较高，误操作通常会造成严重后果，也使得在培训工作中被培 训人员很少有机会自己动手操作练习。另外，海水淡化装置长时f l 对地自动、正常运行， 导致操作人员对非正常情况及突发故障的处理能力逐渐减弱。因此，建立面向过程工业 的海水淡化仿真培训系统，加强人员的培训工作，提高工业生产中的操作人员对特殊情 况的应对能力就显得尤为必要。采用计算机仿真技术的海水淡化仿真系统可以有效地弥 补传统教学培训的不足，逼真地再现工程系统操作环境，帮助操作人员熟悉整个海水淡 化装置的运行过程，锻炼操作人员检查、分析、诊断、处理故障的能力，使培训效率大 大地提高，对培训高水平的操作技术人员有很大帮助。 1 2 计算机建模与仿真技术概况 1 2 1 计算机建模与仿真的基本概念 计算机建模与仿真是建立在控制理论、相似理论、信息处理技术和数值计算技术等 理论基础之上的，以计算机和其它专用物理设备为工具，用系统模型对真实或者假想的 系统进行动态研究的- - i - 新兴的多学科综合性技术。随着计算机仿真理论、数值计算算 法、控制理论以及计算机技术等学科的发展，计算机建模与仿真越来越得到人们的重视， 从最初作为对实际系统进行试验的简单辅助工具，逐渐发展成为如今在系统概念研究、 系统分析、系统设计与可行性研究、系统测试与评估、系统维护等诸多工程及非工程领 域发挥重大作用的综合性技术手段【9 】【l o 】。 系统仿真需要设计一个实际系统的模型，进而对其进行实验，根据模型的不同，系 统仿真可分为连续系统仿真和离散事件系统仿真。 l 、连续系统仿真。是指物理系统的状态随时间连续变化的系统，一般可以使用常 微分方程或偏微分方程组描述，这类系统也包括用差分方程描述的离散时间系统。 2 、离散事件系统仿真。是指物理系统的状态在某些随机时间点上发生离散变化的 系统。这类系统是由事件驱动的，事件一般发生在随机时间点上，系统的动态特性无法 用微分方程这类数学方程来描述。因此对离散事件系统的仿真的主要目的是对系统事件 的行为作统计特性的分析。 本文研究的海水淡化仿真系统，主要研究的对象是工业自动化系统和工业过程控制 系统，属于连续时间系统的计算机仿真。 1 2 2 计算机仿真的结构【1 2 1 1 1 3 l 计算机仿真系统的建立，一般都是面向具体系统和实际问题的，这类仿真系统的组 2 硕j j 论文基于l a b v i e w 的反渗透海水淡化仿真系统的设计与实现 成结构一般由仿真软件、仿真硬件、系统评估和校验验证与确认四部分组成，如图1 1 所示。 仿真系统 夕弋 i 系统硬件系统软件系统评估 校验验证与确认i 图1 1 仿真系统的组成 1 、仿真系统硬件：主要包括仿真计算机、接口、连接电缆、信号产生与激励设备、 数据采集与记录显示设备、通讯指挥监控设备、系统测试设备、能源动力设备以及各种 辅助设备等。硬件设备是进行计算机仿真的物质基础。 2 、仿真系统软件：包括系统模型软件、通用软件、专用软件、数据库软件等。随 着当前计算机硬设备的飞速发展，仿真软件的开发采用的技术手段也从结构化程序设计 发展到工程化、网络化和分布式、面向对象的设计形式。 3 、仿真系统的评估：主要包括硬件评估和软件评估两部分。硬件评估主要是评估 测试设备；软件评估包括评估方法、程序、指针测试方法。 4 、仿真系统的校验与确认：通过系统的仿真实验对仿真系统进行全面的考核，以 确定仿真系统是否满足要求，是否达到预定的目的并且有足够的可信度。 1 2 3 计算机仿真的工作流程 计算机仿真的工作过程一般有如下步骤【l2 | 。 1 、系统分析。根据仿真的目的和精度，对待研究真实系统的内部结构、系统功能 和边界及约束条件等进行分析研究。 2 、描述问题，建立数学模型。根据对实际系统的分析，建立能够描述系统的数学 模型，如有可能，还应该给出评估系统有关性能的准则。 3 、建立仿真模型。根据物理系统的特点、仿真的要求和仿真计算机的性能对系统 的数学模型进行修改简化，选择合适的算法，用通用语言或仿真语言编成计算机程序。 4 、校验仿真模型。确定仿真和数学模型是否符合规定要求。若仿真结果与数学模 型得到的结果基本一致或者误差在允许的范围之内，则仿真模型可用。 5 、运行仿真模型。在不同的初始条件和参数下实验系统的响应或预测系统对各种 决策变量的响应。 计算机仿真的工作流程如图1 2 所示。 3 1 绪论 硕十论文 图1 2 计算机仿真的工作流程 从以上仿真过程中可以看到，此过程涉及到两次模型化和一次计算来处理物理系 统、数学模型和计算机之间的转换。第一次模型化将实际系统转化成数学模型，这种技 术通常被称为系统辨识技术；第二次模型化是将数学模型变成仿真模型，此过程与仿真 模型编程、校核和验证统称为仿真技术【9 】。二者所采用的研究方法虽然有一定的差别， 但二者之间也有着十分密切的联系。校验模型的过程也可以看成是不断修改完善模型使 之更加符合实际要求的过程。因此从某种意义上来讲，仿真过程其实也是建模过程的延 续。 1 3 计算机仿真培训的发展趋势 1 3 1 计算机仿真技术的发展趋势 计算机仿真技术自从2 0 世纪5 0 年代出现以来，由于对复杂大系统的分析与设计的 需要，随着计算机技术的突飞猛进，这一学科也得到了迅速的发展，越来越受到人们的 重视，计算机仿真技术的应用也越来越广泛。各种应用领域对计算机仿真提出了许多新 的要求： ( 1 ) 提高仿真的逼真性、可靠性和精确性。 ( 2 ) 提高建模与仿真的效率。 4 硕- 上论文基于l a b v i e w 的反渗透海水淡化仿真系统的设计与实现 ( 3 ) 改进仿真系统的体系结构。 为了满足上述要求，近年来相继出现了一系列计算机仿真的新概念、新技术和新方 , , z ： 1 4 1 1 5 1 1 6 1 二o 1 、面向对象仿真技术( o b j e c t o r i e n t e ds i m u l a t i o n ，o o s ) 。 传统仿真技术主要提供仿真运行的机制和通用的数据结构函数。不同的仿真软件采 用不同的术语、概念和仿真建模策略，具有不同意义的语法。而面向对象的仿真用应用 领域熟悉的直观的对象概念来建立仿真模型，建模观念与人们认识现实世界的思维方式 一致，不需要太多的概念上的转换，增强了仿真研究的直观性和易理解性。面向对象的 仿真具有内在的模块性、可扩充性和可重用性，而且便于实现仿真与计算机和人工智能 的结合，因而为仿真模拟大规模复杂系统提供了极为有效的手段。 2 、分布交互仿真技术( d i s t r i b u t e di n t e r a c t i v es i m u l a t i o n ，d i s ) 。 分布交互仿真( d i s ) 是采用协调一致的结构、标准、协议和数据库，通过局域网、 广域网将分布在各地的仿真设备互联并交互作用，同时可由人参与交互作用的一种综合 环境。它以计算机网络作为支撑，将分散在不同地域的独立的各类仿真器互联起来，构 成了一个大规模、多参与者协同作用的综合虚拟环境，以实现含人平台、非含人平台间 的交互以及平台与环境间的交互，进而达到资源共享，节省人力、物力、财力的目的。 3 、虚拟现实技术( v i r t u a lr e a l i t y , v r ) 。 虚拟现实技术又称“虚拟环境”、“灵境技术”，是在计算机技术支持下的一种人工 环境，是人类与计算机和极其复杂的数据进行交换的一种多学科综合技术。虚拟现实技 术以计算机技术为主，利用计算机等设备产生一个高度拟真的三维虚拟世界，这个虚拟 世界是人工建造的，存在于计算机内部的环境。在这个虚拟世界中，能实时的产生与真 实世界相同的感觉，使人与虚拟世界融合为一个整体，人们可以直接观察周围世界以及 物体的发展变化，与虚拟世界中的物体之间进行自然地交互( 包括感知环境与于预环 境) 。这项技术有着广泛的应用前景，通过与互联网技术的结合，可以构造出一个复杂 的虚拟世界。 4 、建模和仿真的校核、验证和确认( v v & a ) 技术。 建模与仿真的校核、验证和确认( v e r i f i c a t i o n 、v a l i d a t i o na n da c c r e d i t a t i o n ，v v & a ) 的定义如下： ( 1 ) 校核是确认仿真系统是否准确的代表了开发者的概念描述和设计的过程。 ( 2 ) 验证是从仿真系统的应用目的出发，确定仿真系统代表真实世界的准确程度 的过程。 ( 3 ) 确认是官方正式的接受仿真系统能够为专门的应用目的服务的一种资格认可。 v v & a 是三个既相互联系又相互区别的过程，它们贯穿于建模与仿真的全部生命 周期中，保证和提高了仿真和建模的精度和可信度，使得仿真系统满足可重用性、操作 5 l 绪论硕上论文 性等仿真需求。v v & a 有利于对仿真对象的深入分析，可以降低仿真系统的总投资， 扩大仿真系统的应用范围，促进仿真系统质量管理，以及仿真软件工程、系统测试与评 估等工作的深入开展。 1 3 2 仿真培训系统的发展趋势 目前的仿真培训系统虽然比传统的培训方法有了很大的进步，但仍然存在不少的不 足。在学员进行培训的过程中，仿真培训器本身并不进行主动的教学活动，学员得到的 知识取决于他操作仿真培训器的过程中的自我领悟，这样就有可能造成重要的理论性知 识得不到很好的理解和掌握，当然这些理论性的知识可以通过阅读文献数据、课堂教学 或讲座等途径得到弥补。另外，随着现代仿真培训系统的f 1 趋复杂，监视和维护培训练 习的工作就显得愈发繁重，这将会增加培训教师的负担，降低培训效率。如果能让仿真 培训系统完全或者部分的替代培训教师的主要工作，将会有效地解决这些问题，这也是 仿真培训系统未来发展的趋势。 在仿真培训器中加入智能辅助系统( i n t e l l i g e n tt u t o r i n gs y s t e m ，i t s ) 就可以解决这 些问题【l 。i t s 为培训学员提供了一个可以练习操作技能的保护和指导环境，包括异常 处理和事故情况；允许收集和整理专业知识用于仿真培训器；可以测试和精制仿真培训 器中的课程；同时，学员的知识或错误还可用来修正教学工作。 使用仿真培训系统的最终目的是在保证学员较高培训质量基础上节约资金，或是提 高操作人员技能与事故反应处理能力带来的潜在效益。如果仿真培训系统的成本超过了 使用它能带来的利益，那它就失去了意义。目前计算机性能价格比不断提高，为仿真培 训系统的成本下降铺平了道路，但仍有许多工作要做。无论怎样，如果开发成本过高、 时问过长，将使智能培训系统的普遍应用带来巨大的障碍。对目前的仿真培训器，让仿 真培训器代替一部分培训教师的工作更加现实，如自动评分、自动分析操作过程的质量、 自动记录操作步骤以及实现操作过程的自动复现等。 1 4 本文的主要研究内容 本课题来源于教研室与计算机学院虚拟现实与系统仿真实验室合作的反渗透海水 淡化仿真培训平台项目，该项目是国家海洋局海水淡化与综合利用研究所的“十一五” 课题。项目的目标是设计一套能够用于反渗透海水淡化装置操作人员培训工作的仿真系 统，操作人员可以在模拟的计算机监控画面上进行操作，通过良好的用户接口实现教练 员对受训人员的培训考核，使工程技术人员加深对生产过程和专业理论知识的了解。 本文的主要研究内容如下： 第一章概述了本课题的背景、发展现状与未来发展趋势，包括国内外水处理技术现 状、计算机仿真建模领域的概况、计算机仿真技术的发展趋势等等，明确了课题研究的 6 硕：i = 论文基于l a b v l e w 的反渗透海水淡化仿真系统的设计与实现 理论基础和实际意义。 第二章对反渗透海水淡化系统的结构机理和运行流程进行了具体的分析，以模块化 的形式总结了反渗透海水淡化工程项目中的各个子系统的工作原理和工作流程。 第三章系统地介绍了整个仿真系统的软硬件设计方案，对仿真系统主要模块单元的 设计原理与工作过程进行了简要的说明。 第四章在系统建模的理论知识基础之上，对系统的主要对象进行数学建模，选用适 当的算法对系统连续模型进行离散化处理，并介绍了控制系统在计算机仿真环境的实现 方法。 第五章对仿真系统的操作员站软件进行开发设计，在l a b v i e w 编程平台实现了仿 真系统的具体功能。 第六章对初步开发完成的反渗透海水淡化仿真系统进行运行检查和功能测试，以确 定仿真系统是否达到预期设计要求。 第七章对全文工作作出总结，并指出了系统有待扩充和完善的部分。 7 2 反渗透海水淡化系统的工作原理与工艺流程 硕上论文 2 反渗透海水淡化系统的工作原理和工艺流程 2 1 反渗透海水淡化的工作原理 反渗透( r e v e r s eo s m o s i s ，r o ) 技术是膜分离技术的一个重要组成部分。能够让溶 液中一种或者几种组分通过而其它组分不能通过的选择性膜组件叫做半透膜。当用半透 膜隔丌纯溶剂和溶液( 或不同浓度的溶液) 时，纯溶剂通过膜向溶液相( 或者从低浓度 溶液向高浓度溶液) 有一个自发的流动，这一现象叫做渗透。当渗透运动完全平衡时， 溶剂和溶液两端会产生一定的压降，这一平衡的压降称为渗透压。反渗透是渗透的反向 迁移运动，是一种在压力驱动下，借助于半透膜的选择截留作用将溶液中的溶质与溶剂 分开的分离方法i l 引。其原理如图2 1 所示。 宙型出 渗透 渗透平衡反渗透 图2 1 反渗透原理图 当渗透运动完全平衡时，溶剂和溶液两端会产生一定的压降a i - i ，这一平衡的压降 称为渗透压。渗透压是溶液的一种性质，与膜无关。如果在溶液端施加大于渗透压的外 加压力，渗透平衡被打破，则会引起溶剂的反向渗透流动，即为反渗透现象。 反渗透技术是一项高效节能的技术，它将进料中的水( 或溶剂) 和离子( 或小分子) 分离，从而达到纯化和浓缩的目的。该过程无相变，一般不需要加热，工艺过程简便， 能耗低，操作和控制简单。反渗透技术广泛应用于各种溶液的提纯与浓缩，其中最普遍 的应用实例便是在水处理工艺中，用反渗透技术将原水中的无机离子、细菌、病毒、有 机物及胶体等杂质去除，以获得高质量的纯净水。反渗透技术闳具有产水水质高、运行 成本低、无污染、操作方便、运行可靠等诸多的优点，而成为海水和苦咸水淡化，以及 纯水制备的最节能、最简便的技术之一”j 。 2 2 反渗透海水淡化系统的工艺流程 反渗透海水淡化( r e v e r s eo s m o s i sd e s a l i n a t i o no fs e a w a t e r ，s w r o ) 的主要工作过 程如下：首先，迸料海水经预处理，去除悬浮固体和其它有害物；预处理过的进料海水 8 硕： = 论文 基于l a b v i e w 的反渗透海水淡化仿真系统的设汁与实现 经高压泵加压后，进入膜脱盐设备；反渗透设备产出的中问淡水进入后处理设施( 按淡 水不同用途选择，如作饮用水，需p t i 调节和加氯杀菌设备) ，最终精制成产品淡水。 浓盐水自膜脱盐设备排出。反渗透海水淡化系统的主要组成部分有进水及预处理系统、 反渗透装置、能量回收系统、加药系统和冲洗系统等等，其中预处理系统和反渗透装置 是整个系统的核心部分ij j l 3 】。系统的工艺流程陶如图2 2 所示。 厂传统预魁理工艺l ： 机竣过滤器 橱佯橱件 ： 礁增祸轮佬量回收裴置酌主枫工艺i 噼j 羹避滤制 反渗透黢缀 ： ：蓐麓i 厂- r = = k i lw ；：照二尉l 嫒料蹴ir 一一一一一一一一1i 鼍嚆栽了：i l 醢珐颓处理工艺i 使融壕力交接德照匮收缓键翰老嚣l 互艺。 图2 2 反渗透海水淡化系统t 艺流程图 2 2 1 进水和预处理系统 反渗透淡化系统的原水包括天然海水和生活、工业用水等等，水质成分比较复杂， 并且杂质比较多，如果不经处理直接进入反渗透装置，在膜脱盐的过程中很可能会产生 沉淀，对膜组件造成污染和损伤。因此必须对进水进行必要的预处理工作，使得进水水 质符合反渗透过程的工艺要求，才能确保反渗透过程的正常进行，降低膜组件的污染， 减少膜的清洗次数，延长膜的寿命，使产水质量等到保证。预处理的主要目标为f l j ： ( 1 ) 去除悬浮固体和胶体，降低浊度； ( 2 ) 防止和控制微溶性盐( 如碳酸钙) 和某些金属氧化物( 如铁、锰的氧化物) 的沉淀； ( 3 ) 去除各种有机物和微生物并抑制其生长； ( 4 ) 调节和控制原水的温度和p h 值等指标。 本仿真培训系统是基于黄岛1 0 0 0 0 吨反渗透海水淡化项目为原型开发的，其进水预 处理系统主要由进水泵、原水沉淀池、加药系统和超滤装置组成。原料水经过进水泵加 压进入原水沉淀池进行沉降，以去除固体杂质及可沉降物，同时加药系统加入消毒剂、 絮凝剂等控制微生物污染并去除胶体等杂质，调节原水的p h 值以分解各种微溶盐防止 其结垢。超滤( u l t r a f i l t r a t i o n ，u f ) 技术是近年来新兴的一种先进的膜分离技术，主要 9 2 反渗透海水淡化系统的t 作原理与工艺流程硕一l 论文 用于分离大分子溶质，而能使小分子溶质和溶剂通过。超滤是一种简单、安全的预处理 方法，使用超滤装置进行原水预处理操作简单，成本低廉，可以大大减轻反渗透膜组件 的污染，延长反渗透膜组件的使用寿命1 9 】【2 0 】。但是由于超滤预处理装置效果较好，原 水中的各种污染物很容易附着在膜面上，造成水通量的衰减，因此对u f 装置必须进行 及时的反冲洗，以保证超滤膜的畅通。 2 2 2 反渗透装置 反渗透装置是整个海水淡化过程的核心组成部分，而反渗透装雹的核心部件足半透 膜组件，反渗透过程会去除绝大部分的盐，同时还能除去有机物、病毒、热原、细菌和 微粒等1 2 。 预处理过程中产出的中间水经过供水泵抽出，再由高压泵加压后进入反渗透装置。 为了提高产水质量，1 0 0 0 0 t 反渗透海水淡化工程项目的反渗透装置采用二级反渗透设备 串联工作，第一级反渗透装置的产水作为第二级反渗透装置的进水进行进一步净化，最 后产出高质量的淡水。每一级反渗透装置都采用多组件并联方式，方便管理和紧急情况 的应对。反渗透装置的简单流程如图2 。3 。 进水 水 浓水排放 浓水排放 图2 3 多组件并联二级反渗透装置 二级反渗透淡化装置主要用于制取饮用级淡水，由于经过了第一级反渗透的净化， 第二级进水的含盐量比较低，通常小于1 0 0 0 m g l ，所以该级的回收率很高，可达9 0 以上【1 1 【18 1 。 2 2 3 能量回收系统 在反渗透过程中，膜组件进水的压力很高，为进水提供动力的高压泵的扬程高达 6 0 0 m ，因此相应的经过滤后的浓水的压力也比较高。如果不经处理直接把浓盐水排放， 那么将导致很大一部分的能量没有得到利用而白白浪费，在反渗透海水淡化中高压浓水 有5 0 以上的能量可以加以回收【1 9 】。所l _ 、a - 台f j 匕匕量回收装置从节能和经济的方面考虑，都 是十分重要的。当今的反渗透海水淡化工程设计中，都要考虑设计能量回收环节以降低 系统的总能耗。 1 0 $ j 论空 单于l a b v i e w 的反谗逢拇m 渍化仿真系统的设计日宴现 常用的能黾同收设备主要包括涡轮增压机、各利- 旋转策、冲击水轮机和压力交换嚣 等口。本仿真系统的设计娘型黄岛1 0 0 0 0 吨反渗透海水演化项日采用e r i 公司牛产的 p x 6 5 系列压力交换器，如图2 4 所i 。压力交换器是近些年来新兴的新型能量划收装 置，它出国桂形的转了、套筒和封盖等组件组成，高压浓盐水水流和低压进水水流在转 予的内通道内完成压力交换。p x 能量同收装置采用正位移的原理，直接传递浓盐水的 能量补偿给进料辩水，提高进料海水的压力。 图2 4e r i 公司的p x 一2 2 0 能量回收装置 p x 能量回收装置的引入改变，反渗透海水淡化的工艺流程，图25 显示了使用了 p x 装置的反渗透海水淡化系统的简单流程。系统反渗透装置排放出的高压浓盐水通过 p x 能量回收装霄后，其能量直接传递给进入的预处理海水，与浓盐水压力相近的加压 进水流经过循环增压裂增压后，与高压泵出水混合进入反渗透膜组件。 反渗透膜组 压 泵 进水 l 刊2 5s w r o 系统中的p x 能量回收装置工作流程 在实际海水淡化工程中，为了达到预定的容量、压力等指标，可以使用多个压力交 换器并联的方- 【= 【：配置。这种高效率的能量回收装置，其交换效率高达9 0 以上，川时分 担r 通过高压泵的进水流量，大大降低了工程投资和运行的成本，节约了能耗吲。 2 反渗透海水淡化系统的工作原理与工艺流程 硕j j 论文 2 2 4 清洗和冲洗系统 由于反渗透膜能滤除绝大多数溶解与不溶解的物质，常规的预处理再完善，污染也 是有可能发生的，同时由于长时间运行，膜表面难免会有一定的沉积物，因此反渗透海 水淡化装置与其它大多数水处理设备一样，都需要定时的清洗消毒。针对本系统的预处 理超滤过程和反渗透过程的不同特点，主要用两套清洗和冲洗系统定期的对主要设备进 行清洗。 ( 1 ) 停机清洗系统。长期运行中，反渗透膜表面会逐渐出现各利，污染物的沉淀引 起膜的污染，从而造成系统性能( 脱盐率和产水量) 的下降，所以膜污染问题必须得到 足够的重视，预处理过程就显得更为必要，同时需要定期的停机清洗措施。在正常运行 停机后，用r o 产水自动( 或手动) 冲洗膜组件，防止污染物的沉淀。之后将清洗液从 反渗透组件进水处导入，从浓水排放口导出，循环进出清沈r o 组件。 ( 2 ) 超滤定时循环反洗系统。由于流入超滤预处理系统的原水水质不高，成分比 较复杂，很容易造成超滤膜组件的污染物沉积导致膜污堵，这些污染物大多沉积在给水 一侧，常规的停机清洗已经不足以及时清理这些迅速积累的污染物，因此必须对超滤膜 组件进行定时循环反洗。具体做法是：在系统正常运行过程中，几组超滤组件定时( 本 仿真系统为了方便仿真设置为5 分钟) 停止工作，把清洗液经过浓水口输入超滤组件， 清洗液经进水口排出。几组超滤组件独立并联工作，循环定时反洗，既保证了预处理系 统的持续供水，又解决了超滤膜组件的污堵问题，效果很好。 2 3 小结 本章主要介绍了反渗透海水淡化系统的工作原理及其工业上的工艺流程，以模块化 的方式对系统的进水和预处理装置、反渗透装置、能量回收装置、清洗和冲洗系统等主 要组成部分的结构和运行过程进行总结，以便后续章节定量地分析反渗透海水淡化系 统，构造系统的物理模型和数学模型进而进行计算机仿真。 1 2 硕士论文基于l a b v i e w 的反渗透海水淡化仿真系统的设汁与实现 3 反渗透海水淡化仿真系统的设计方案 本仿真系统的开发目标是设计开发一套能够用于反渗透海水淡化装置操作人员培 训工作的计算机仿真系统，操作人员可以在计算机仿真环境内进行模拟的工艺流程操 作，并用图形化界面的形式将整个防渗透海水淡化工艺流程运行信息直观的显示，使操 作人员加深对生产过程和专业理论知识的了解。 由于本次仿真培训平台的设计和开发会受到一些如客户要求、资金、场地设备、开 发人员配置等客观因素的限制，为了最大限度的利用现有条件，并充分考虑用户的具体 需求，在开发仿真系统的过程中，应该遵循以下几点原则： ( 1 ) 仿真软件以万吨级反渗透海水淡化装置( 包括初步预处理、深度预处理、反 渗透以及产品水共四个子系统) 为原型，具备基本的虚拟操作、演示示范以及接口扩展 等功能。 ( 2 ) 仿真系统应该在结构上尽量与实际工程装置保持一致，尽可能真实地模拟整 个工业系统的运行流程以及监控系统的各种操作功能。 ( 3 ) 仿真系统应针对丌机、正常运行、停机和事故等不同工况设置相应的系统运 行状态，可以根据培训需要的不同选择不同的工况。 ( 4 ) 过程控制部分需要选择合适的控制算法和具体的实现形式，以满足整个系统 的工业控制要求。 ( 5 ) 尽可能的对多种故障状态进行模拟仿真，在系统运行过程中，对各个主要参 数值需要进行实时监控，超出警告门限值或者操作错误均需做出及时的报警提示。 ( 6 ) 系统人机界面应简便友好，运行操作方式符合用户提出的人机交互要求。 ( 7 ) 系统具备一定的可扩充性，可以在需要的情况下方便的添加仿真节点。 3 1 系统整体结构介绍 实际的集散控制系统和多点盟控系统大多都采用成熟的c s 模式( 客户端月殴务器 模式) 来实现网络化的分散控制和集中管理【2 4 1 。一般由多个客户端来进行数据采集、设 备现场控制和数据传输保存等工作，而服务器主机( 上位机) 既可以监视底层测控设备 的工作状态，也可以向现场控制单元发送控制指令，同时可以保存工控数据，充当数据 库的角色，其结构如图3 1 所示。 3 反瞎透坶水域化仿真系统的计方案 l 女 服务器 跬备 设备 幽31 采用c $ 模式椅建的网络化控制系统结构图 本次仿真培训项目的开发由 = 场地设备和开发成本方面的h 制，遂将数据服务器、 教师指令台和操作员工作站集成于一台主机之中，而现场操作站的功能在另一台计算机 上实现，两台计算机连接于由交换机构成的局域阿结构中，通过网卡以及网线等硬件设 备进行数据通讯，同时由一台投影仪模拟三维现场操作站的现场工况图像。系统的整体 硬件结构如图32 所示。 作员站 图3 2 系统整体硬件结构图 操作员站主要工作有：进行建模仿真，尽量真实的模拟实际工况；实时的数据处理 和界面显示，使得学员可以清楚直观的了解整个系统运行流程和实时数据等详细情况： 硕十论文基于l a b v i e w 的反渗透海水淡化仿真系统的设计与实现 提供友好的用户操作接口，使得学员可以在需要时灵活的设置系统运行的参数以调整工 况状态；可以人工设置故障状态并提供完善、及时的过程报警和系统报警，以训练学员 对紧急突发故障的应对处理能力；与三维现场站进行网络通讯，交换实时的工况数据并 加以处理。 三维现场站主要建立一个三维仿真环境，可以直观的显示现场的设备结构( 如各种 阀门、管件、水泵等) ，同时保持与操作员站的数据通信，以三维图像的形式模拟操作 员站实时传输过来的泵、阀门开关和工控仪表显示等现场工况数据。学员也可以在三维 现场站手动操作阀门和水泵等设备，三维现场站会发送现场操作信息以供操作员站做出 相应的数据处理。 3 2 系统开发环境的选择 开发仿真系统可以使用专业的开发平台( 如面向过程工业的仿真培训支撑系统) ，这 类开发平台具有完善的系统模块与庞大的数据库，功能较全面，在过程模型的组态与调 试方面使用比较方便。但是这种专业软件一般都价格昂贵，使用方法比较复杂，并且代 码通用型差，后续扩展维护相对困难。基于上述考虑本次反渗透海水淡化仿真系统的开 发放弃使用专业开发环境，而是选择一种开发成本较低的通用性语言开发平台进行设 计。l a b v i e w 语言由于其直观的可视化技术、高效的程序开发环境、灵活的多线程机 制等特点，可以简单直观地实现整个工业过程控制系统的数据采集、分析处理、显示和 动态运行状态等功能，而成为本次系统开发的最终选择。 3 2 1 开发工具l a b v i e w 简介 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是美国n i 公司推出 的一种基于g 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e ，图形化编程语言) 的虚拟仪器软件开发工具，它 广泛的被工业界、学术界以及研究实验室所接受，是目前应用最广、发展最快、功能最 强的图形化软件开发集成环境之一。与传统的通用编程语言不同，l a b v i e w 编程最主 要的特点是图形化编程，使用这种语言编程时，基本上不用写程序代码，取而代之的是 流程图。它可以增强工程师构建自己的工程系统的能力，大大提高工作效率1 2 5 j 【2 州。 使用l a b v i e w 作为系统开发平台是由于它的以下特点f 2 川： ( 1 ) l a b v l e w 编程可以通过交互式图形前面板进行系统控制和结果显示。 ( 2 ) l a b v i e w 的多线程机制可以使程序更加简单明了。 ( 3 ) l a b v i e w 支持多种网络通讯方式，可以方便实现网络资源共享和数据通信， 构造c s 模式。 (