（环境工程专业论文）水厂超滤膜短流程工艺中自控系统的设计与应用.pdf

- p _ p 一 一 ，一 江荨大擎 工程硕士学位论文 水厂超滤膜短流程工艺中自控系统的设计与应用 l l l ll l liii i ii ! i l lii iu l y 17 4 8 7 2 4 d e s i g na n da p p l i c a t i o no fu fm e m b r a n es h o r t e n e dp r o c e s s a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rw a t e rt r e a m e n tp l a n t 专 姓 2 0 1 0 年0 5 月 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 学位论文作者躲虱阍扮，聊虢能氆 签字同期：如卜年二月，口e l签字日期：扣，碑钥，口e l 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：f 虱f 虱寺证 日期：) 力，年6 月 f 口日 1。 江苏大学工程硕士学位论文 摘要 随着饮用水水源污染的同益加剧，以及水质标准的不断提高，目前的常规工艺和 臭氧、活性炭等工艺均无法保证饮用水的生物安全性，因此有必要对水厂采取更安全 有效的净水工艺。作为第三代水处理技术的膜法饮用水处理技术可以使饮用水的生物 安全性从相对安全走到绝对安全。国外的净水厂工艺己进入大规模应用膜的阶段，而 我国较大规模的膜净水厂目前还刚刚起步，因此建设较大规模的示范性的膜法饮用水 处理工程将具有建设性的意义。而膜处理工艺作为一种较复杂的生产过程，如何构建 一套可靠、易于使用和推广的自动控制系统，就成了膜工程长期稳定运行的有力保证。 针对目前膜处理系统中存在的界面不够友好，系统开放性差，维护困难，可移植 性差，投资高等缺点，作者应用目前流行的p l c + p c 技术设计了新的控制系统，该系 统将自动化技术、计算机技术、通讯技术等融为一体，具有成本低、可靠性高、操作 简单、便于维护等优点。 论文针对芦泾水厂提标改造工程，进行了自来水厂超滤膜短流程工艺白控系统的 整体方案设计和系统实现。对系统相关的水厂现状、膜分离技术、控制系统作了详细 的调研、分析和论证，最终确定了系统具体的硬件配置以及软件应该具备的功能，选 用了德国西门子公司的s 7 3 0 0 系列p l c 、美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 人机界面 软件等。设计完成后，按照模块化的编程思想对上、下位机进行了软件编程，构建了 超滤膜提标改造工程的控制系统。 本项目控制系统设计完成后，经过近3 个月的安装调试，并经过半年左右时问的 运行，系统界面友好、运行稳定，各项参数指标均达到设计的要求，得到用户的一致 好评，取得了显著的经济效益和社会效益。 课题的主要成果有：对水厂超滤膜技术自动控制系统的需求进行了分析；同时提 出了基于p l c 和p c 的控制系统设计方案，能够以较低的成本实现系统的实时监控和 数据传送功能等。 超滤膜短流程工艺适用于老水厂改造和新建水厂，具有占地面积小、出水水质好 等特点。本次超滤膜短流程工艺自控系统的成功应用，也为该工艺在其它水厂的推广 提供了一定的参考作用，同时对其他行业自控系统的开发也有一定的借鉴意义。 关键词：水厂；超滤膜；自动控制；p l c 江苏大学工程硕士学位论文 6 2 现场安装及调试6 1 6 3 系统运行结果6 1 6 4 系统投资分析6 3 第七章结论与展望6 5 参考文献6 7 致谢7 1 附录a 部分控制柜图纸7 2 附录b 部分p l c 代码7 8 v i 江苏大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n g p o l l u t i o n i n d r i n k i n g w a t e r s o u r c e s ，a n dt h e c o n t i n u o u s i m p r o v e m e n to fw a t e rq u a l i t ys t a n d a r d s ，t h ec u r r e n tc o n v e n t i o n a lt e c h n o l o g ya n do z o n e ， a c t i v a t e dc a r b o n ，e t c p r o c e s s e sc a nn o tg u a r a n t e et h eb i o l o g i c a ls a f e t yo fd r i n k i n gw a t e r , s o i ti se s s e n t i a lt ot a k eas a f e ra n dm o r ee f f e c t i v ew a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s sf o rw a t e rp l a n t s a st h et h i r dg e n e r a t i o nw a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , m e m b r a n ed r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g ym a k e st h eb i o l o g ys a f e t yo fd r i n k i n gw a t e rf r o mr e l a t i v es a f e t yt oa b s o l u t e s a f e t y f o r e i g nw a t e rp u r i f i c a t i o np r o c e s sh a se n t e r e dt h el a r g e s c a l es t a g eo fm e m b r a n e u s i n g , w h i l eo u rl a r g e - s c a l em e m b r a n ew a t e rp u r i f i c a t i o np l a n th a sj u s ts t a r t e d ，s ot h e c o n s t r u c t i o no f l a r g e s c a l e d e m o n s t r a t i o nm e m b r a n ew a t e rt r e a t m e n tp r o j e c th a sa c o n s t r u c t i v es i g n i f i c a n c e t h em e m b r a n et r e a t m e n tp r o c e s s ，a sam o r ec o m p l i c a t e d p r o d u c t i o np r o c e d u r e ，h o wt ob u i l dar e l i a b l ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，h a sb e c o m ea s t r o n gg u a r a n t e ef o rt h er e l i a b l eo p e r a t i o no fm e m b r a n ep r o j e c t a i m i n ga tm a n yd e f e c t si n t h et r a d i t i o n a lc o n t r o ls y s t e mw h i c hh a sb e e nu s e di n m e m b r a n ew a t e rt r e a t m e n tp r o j e c ts u c ha si n t e r f a c en o tf i d e n d l ye n o u g h ，p o o rs y s t e m o p e n i n g ，d i f f i c u l tt om a i n t a i n ，w e a ka b i l i t yt ot r a n s p l a n t ，h i g hi n v e s t m e n t ，t h ea u t h o ru s e d a p e r s o n a lc o m p u t e ra n dap l c t ob u i l du paa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e ma n dp r o g r a m m e dt h e s o f t w a r et oa c c o m p l i s ht h ec o n t r o ls y s t e m 。t h es y s t e mw a si n t e g r a t e dw i t ha u t o m a t i o n t e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g ya n ds oo n ，t h es y s t e mi sl o w c o s t ，h i g hr e l i a b i l i t y , s i m p l eo p e r a t i o n ，e a s yt om a i n t a i n i nt h i sp a p e r , c o n c e r n i n gt ol u j i n gw a t e rp l a n tu p g r a d i n ga n dr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t ，i t h a sa no v e r a l ld e s i g na n d s y s t e mi m p l e m e n t a t i o nf o rt h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mo fw a t e r p l a n tu fm e m b r a n eu p g r a d i n g a n dr e c o n s t r u c t i o n w eh a v ed e t a i l e d a n a l y s i s a n d d e m o n s t r a t i o na b o u tw a t e ro nt h ec u r r e n ts i t u a t i o nr e l a t e dt ot h es y s t e m ，m e m b r a n e s e p a r a t i o nt e c h n o l o g y , c o n t r o ls y s t e m s u l t i m a t e l yd e t e r m i n e t h es y s t e m sh a r d w a r e c o n f i g u r a t i o n a n ds o f t w a r ef u n c t i o n s t h e n c o m p l e t e t h ep l ca n d c o m p u t e p r o g r a m m i n g t h ep r o j e c tu s e sp l cc o n t r o lt e c h n o l o g y , n e t w o r kt e c h n o l o g y , c e n t r a lc o n t r o l c o m p u t e rm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , e t c ，s e l e c t i n gs 7 3 0 0s e r i e sp l c o fg e r m a n ys i e m e n s ， i n t o u c hs o f t w a r eo fw o n d e r w a r e ，w h i c hh a v ef o r m e dt h ec o n t r o ls y s t e mo fu fm e m b r a n e u p g r a d i n ga n dr e c o n s t r u c t i o np r o j e c t t h r o u g hn e a r l y3m o n t h s i n s t a l l a t i o n a n dc o m m i s s i o n i n g , a n da b o u th a l fy e a r s o p e r a t i o na f t e rt h ec o m p l e t i o no fc o n t r o ls y s t e md e s i g nf o rt h i sp r o j e c t ，t h es y s t e mw o r k s s t a b l y , a l lp a r a m e t e r s m e e tt h ed e s i g n e d r e q u i r e m e n t s ，w h i c hh a v em a d es i g n i f i c a n t e c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t sa n dg e tu s e r sa l i k e t h em a i no u t c o m eo ft h i si s s u ei n c l u d e ：a n a l y s i sa b o u tw a t e r w o r k sa u t o m a t i cc o n t r o l n 江苏大学工程硕士学位论文 s y s t e mo fu fm e m b r a n et e c h n o l o g y ；p r o p o s e dp l c a n dp cb a s e dc o n t r o ls y s t e md e s i g n ； a n dt h ef u n c t i o no fs y s t e mf e a t u r e sr e a l - t i m em o n i t o r i n ga n dd a t at r a n s f e ra n ds oo nc a nb e c o m p l e t e da tal o w e r c o s t u fm e m b r a n es h o r t e n e dp r o c e s si ss u i t a b l ef o rt r a n s f o r m i n gt h eo l dw a t e rp l a n ta n d n e ww a t e rp l a n t ，i th a sas m a l lf o o t p r i n t ，g o o dw a t e rq u a l i t y t h eu fm e m b r a n es h o r t e n e d p r o c e s ss u c c e s s f u la p p l i c a t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m s ，i ta l s op r o v i d es o m er e f e r e n c e f o rt h ep r o m o t i o no ft e c h n o l o g yi no t h e rw a t e rp l a n t s k e yw o r d s ：w a t e rp l a n t ：u fm e m b r a n e ：a u t o m a t i c c o n t r o l ：p l c m 江苏大学工程硕士学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t i i 目录i v 第一章绪论l 1 1 课题背景l 1 1 1 我国饮用水现状1 1 1 2 应对新水质标准的解决方法2 1 1 3 膜技术相关控制系统的现状及发展趋势3 1 2 课题研究的目的和意义4 1 3 课题的主要研究内容6 第二章超滤膜短流程工艺介绍8 2 1 膜处理技术简介8 2 1 1 膜的基本原理及分类8 2 1 2 超滤膜技术概述9 2 1 3 膜技术在水处理中的应用1 0 2 2 超滤膜短流程净水工艺介绍1 l 2 2 1 芦泾水厂概况1 1 2 2 2 中试情况介绍1 2 2 2 3 提标改造方案介绍1 3 2 3 芦泾水厂超滤膜提标改造工程自控系统功能需求1 4 2 4 自控系统方案论证1 7 2 4 1 系统结构方案论证1 7 2 4 2 通讯接口的选择1 7 2 4 3 系统方案确定1 8 第三章p l c 系统设计1 9 3 1p l c 的选型1 9 3 1 1p l c 的发展简介1 9 3 1 2p l c 的国内外发展状况1 9 3 1 3 主流p l c 的比较2 0 3 2p l c 控制对象统计2 1 i v 江苏大学工程硕士学位论文 3 3 控制系统模块配置2 3 3 4 触摸屏的选择2 5 3 5 柜体设计及图纸示例2 6 3 6p l c 系统软件功能设计2 6 3 7p l c 控制系统软件开发简介3 0 3 7 1s t e p 7 简介3 0 3 7 2 系统控制软件设计的基本步骤3 2 3 7 3 组态硬件3 3 3 7 4 软件编制3 5 3 8 操作员终端的设计与应用4 0 第四章计算机监控系统设计4 1 4 1 组态软件的选型4 1 4 1 1 组态软件的发展简介4 1 4 1 2 组态软件的比较4 1 4 1 3 组态软件的选择4 2 4 2 监控系统的功能设计4 3 4 2 1 图形功能4 4 4 2 2 故障报警功能4 9 4 2 3 安全操作5 0 4 2 4 数据管理5 0 4 3 监控系统的开发简介5 3 第五章控制系统其它部分设计与应用5 7 5 1 现场在线仪表检测系统设计5 7 5 1 1 仪表系统的设计概述5 7 5 1 2 仪表系统选型说明5 7 5 1 3 仪表系统施工注意点5 8 5 2自控防雷系统设计5 8 5 2 1 防雷系统的设计概述5 8 5 2 2 防雷系统的设计5 8 5 2 3 防雷系统施工注意点5 9 第六章芦泾水厂改造工程调试、运行与结果分析6 0 6 1 工厂测试6 0 v 江苏大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 我国饮用水现状 水，是生命的源泉，是一切生物的重要组成部分。水资源是关系到国家安全、 社会稳定和人民身体健康的重大问题，当i j f 我国饮用水面临的主要问题是水资源 短缺和水体污染。 我国的水资源形势严峻，人口占世界总人口的2 2 ，而淡水占有量仅占世界 的8 ，人均淡水占有量只有世界人均值的1 3 ，已被联合国列为全球1 3 个最缺 水的国家之一。改革丌放以来，随着工农业生产的迅猛发展，人口总量的不断增 加，现代文明程度的不断提高，人民生活需求不断上升，使水资源相对贫乏的状 况日益加剧。目前中国的6 6 6 座城市中，有3 3 3 座城市缺水，其中严重缺水1 0 8 座，日缺水量达1 6 0 0 力m 3 【1 1 。 我国不仅水资源贫缺，而且水体的污染也日益加剧。目前我国每年废水排放 量约1 0 0 0 亿m 3 ，8 0 左右的废水未经处理便直接排入水体，造成水源的污染。 长江流域的被污染面积正以每年2 - 3 的速度递增。现在长江已有近5 0 受到 污染。江河湖泊的污染也十分严重，到了触目惊心的地步。据对全国5 3 2 条( 个) 江河湖泊的调查显示，已有8 2 受到不同程度的污染。2 0 0 8 年度调查显示：全 国地表水污染严重，其中七大水系的水质总体为中度污染，湖泊( 水库) 的富营 养化问题突出【2 1 。 针对当前饮用水水源污染日益加剧的状况，为切实保障人民群众饮用水安 全，卫生部等九个部门对我国现行生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 8 5 ) 进行 了修订。新的生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 己于2 0 0 7 年7 月1 同起 实施。 江苏大学工程硕士学位论文 新标准中的饮用水水质指标由原标准的3 5 项增至1 0 6 项，其中有机物指标 增加7 4 项，微生物指标增加了4 项，加强了对水质有机物、微生物以及水质消 毒等方面的要求。其中生物指标规定总大肠菌群、耐热大肠菌群、大肠埃希氏菌 等均不得检出，细菌总数小于1 0 0c 眦l ，贾第鞭毛虫小于1 个1 0 l ，隐孢子 虫小于1 含1 0 l ，而出水浊度从原来小于3 n t u 降低为小于1 n t u 。基本实现了 饮用水标准与国际接轨。 我国现有自来水厂绝大部分采用的是第一代城市饮用水净化工艺( 混凝 沉淀过滤氯消毒) ，该工艺仅能基本保证饮用水的微生物安全性。7 0 年 代开发的第二代城市饮用水净化工艺( 臭氧一活性炭深度处理工艺) 能较好地去 除水中有机物、微量有机污染物及氯化消毒副产物，提高了饮用水的化学安全性。 目前该工艺也在不少水厂得到了应用。2 0 世纪末，水中发现的致病原生动物一 蓝氏贾第鞭毛虫和隐孢子虫、藻类大量繁殖以及由此引起的藻毒素和臭味、水的 生物稳定性等重大微生物安全问题，高有机物、高氨氮水质水的处理问题，提出 了绿色工艺理念。而第一、二代工艺又无法彻底解决这些问题，出水水质难以适 应新生活饮用水卫生标准( g b 5 7 4 9 2 0 0 6 ) 的要求，为此，我们需要采用新 一代更加安全可靠的净水处理工艺。 1 1 2 应对新水质标准的解决方法 新生活饮用水卫生标准的颁布实施，将进一步推动我国饮用水安全保障 工作，并对维护城乡居民的健康，提高人民群众的生活质量，促进经济社会的可 持续发展，维护社会的稳定和安全、构建社会主义和谐社会具有重要的保障作用。 针对新的水质标准，当前使用较多的第二代净水工艺也只能取得一定的处理 效果。例如对于“两虫、藻类等都不能完全去除。臭氧氧化后可生成溴酸盐、 甲醛等对人体有较严重毒害作用的氧化副产物，使臭氧的使用受到质疑。在这种 情况下，以超滤为核心的第三代饮用水净化工艺应运而生【3 1 。 2 江苏大学工程硕士学位论文 超滤是绿色物理分离技术。不经过混凝也可以将出水浊度降低至0 1 n t u 左 右，可大大减少混凝剂的使用。可去除几乎全部致病微生物，提高了水的微生物 安全性。同时减少了消毒剂的用量，也提高了水的化学安全性。因此，以超滤为 核心技术的组合工艺，将成为第三代城市饮用水净化工艺的主要特征，是饮用水 净化工艺新的发展方向。 1 1 3 膜技术相关控制系统的现状及发展趋势 目前，超滤已被大规模投入到供水生产中，世界上已有多个水厂采用了超滤 膜过滤技术。1 9 9 7 年全世界超滤水厂的总处理能力为2 0 x1 0 4 m 3 d ，到2 0 0 6 年 已达8 0 0 1 0 4 m 3 d 1 4 l o 其中世界上最大的采用超滤膜过滤技术的自来水厂之一一 同产水量3 0 x1 0 4 m a d 的台湾高雄自来水厂采用了超滤膜过滤技术，己成功运行 三年。大陆超滤膜水厂目前发展也较快，已建成的有浙江慈溪杭州湾新区水厂( 5 1 0 4 m 3 d ) 以及去年年底刚刚通水的山东东营南郊水厂超滤水处理系统( 1 0 x 1 0 4 m 3 d ) 等。 超滤膜净化装置采用的控制系统主要有以下几种：1 ) 由单片机构成的集成 度相对较高的超滤膜专用控制系统；2 ) 基于l a b v i e w 的净水控制系统；3 ) 基于 p l c 的超滤膜控制系统。 由单片机如8 9 c 5 1 等构成专用控制系统，其优点是成本低，其缺点是硬件 设计相对复杂；抗干扰能力较差；开发周期长；维修相对麻烦，备件不通用。这 种形式适用于产量较大的配套项目。 基于l a b v i e w 的控制系统，其功能主要侧重于监测，自动控制软件的编制较 为复杂，一般适用于小型系统。且其价格相对较高，不利于系统的推广。 基于p l c 的超滤膜控制系统丌放性较好，硬件扩展和程序编制较为方便。 但由于我国超滤膜系统的自动控制尚处于起步阶段，编制的软件可重用性不好， 当需要修改时显得不太灵活。 3 江苏大学工程硕士学位论文 针对以上情况，我们选用通用性较强的p l c 系统来构成超滤膜改造工程的 控制系统。 1 2 课题研究的目的和意义 水资源的缺乏以及水体污染是我们面临的紧迫问题。基于目前国内水厂工艺 及水质现状和不断提高的水质标准之间的矛盾，膜处理是解决这一矛盾的强有力 的武器，各国已经对超滤技术进行了大规模的应用。它具有占地面积小，运行成 本低，工艺简单，系统构成复杂，自动化程度要求高等特点。在我国，超滤技术 在水处理行业大规模的应用才刚刚起步，相关自控系统需要达到的功能以及性能 要求尚不太确定。 拟以芦泾水厂改造工程为基础，拟对超滤膜短流程工艺自动控制系统在水厂 中的应用作一定的探索，以期为超滤膜短流程提标改造技术在水厂的推广应用提 供相关的经验。以期开发出适合我国国情，具有中国特色的应用系统。研制自动 化程度高，操作简单的膜法水处理工艺，完成进水、反冲、出水、换膜指示一体 化的膜法水处理自动化系统的研制。降低膜法水处理运行工艺的运行费。 改造工程的内容就是充分利用p l c 集散控制技术、监控计算机硬件软件技 术等，设计一套适应于芦泾水厂现状的先进的超滤膜短流程自动控制系统，从而 保证超滤膜工艺的可靠运行，提高水厂的出水水质，保证人民群众的饮用水安全。 本课题的目的是针对如何将短流程超滤膜工艺应用于水厂改造、如何确定该 系统的运行参数，如何设计出套通用性的系统以及如何有利于系统的维护等问 题，以芦泾水厂为研究对象，研究控制系统的总体架构，超滤膜控制系统应具有 的功能，并对所选的p l c 、上位机、触摸屏等进行了编程调试。本系统的功能设 计对于其他膜处理系统的成功应用具有一定的借鉴作用。软件的模块化设计方 法，使软件编制的复杂性相对减少，减少了编程人员的工作量，提高了系统的可 靠性。 4 了以往的状况，给水处理工艺的发展提出了一条新路。 新技术的诞生固然可喜，但是否能够实现具体的项目应用，有待通过实际的 项目来进行验证，而超滤膜短流程自动控制系统，则是超滤膜短流程工艺能否正 常运行的保证。 3 ) 以浸入式超滤膜技术为核心的短流程工艺具有占地面积小、节省投资， 运行稳定等特点，为老水厂的改造和新建水厂提供了一条新的技术路线，而膜处 5 江苏大学工程硕士学位论文 理工艺作为一种较复杂的生产过程，其采用的设备多，冲洗周期短，仅为二三个 小时左右，当膜组数量较多时大约1 0 分钟左右就有一个膜组进行冲洗，如此高 频率的工艺过程切换采用人工操作很难保证超滤膜系统的长期稳定运行。如何构 建一套可靠的自动控制系统，就成了膜工程可靠运行的有力保证。 1 3 课题的主要研究内容 了整个控制系统的硬件设计和软件设计。论文包括实现超滤膜短流程工艺过程中 的设备运行参数的在线检测，设备运行状态的检测和报警，参数的变化趋势的记 录及分析，实现超滤膜改造系统的自动控制，可直观指导、方便操作人员管理生 产工艺的全过程，大大减轻操作人员的劳动强度。 本论文研究的技术路线如下： 叵匝至 匡蔓 臣丑叵叵 匿薹 叵匹蜀匪 l t j l 1 r 一j 臣蔓 臣薹 图1 1 技术路线图 本论文的设计研究重点内容如下： 6 江苏大学工程硕士学位论文 1 ) 控制系统的总体方案设计研究：对现场p l c 控制系统、网络通讯系统、监 控计算机系统等进行方案论证，对超滤膜提标改造系统所选用设备的控制模 式和功能应用进行总体设计。 2 ) 现场p l c 控制站的设计和应用：根据工程实际情况，设置了1 个p l c 控制 站，实现对改造工程各设备的监控和仪表的数据采集，能够完成各种生产过 程的控制。对超滤膜短流程工艺的各工艺段和各设备，如产水系统、清洗系 统和公用设备等，能够根据实时工艺情况和要求，实现设备的最优化控制， 保证工艺及设备的合理运行。同时通过工业以太网将上下位机之间连接起 来，使现场控制站数据能正确、及时地反映在上位机上，而上位机的控制命 令也能正确及时地发送给p l c ，实现远程监控。 3 ) 计算机监控的设计和应用：包括监控计算机系统的硬件、软件配置设计以及 功能设计等。本系统中人机界面软件的开放性和易操作性是本项目的一大特 色，项目采用了i n t o u c h 监控软件平台，本工程开发的人机操作软件具有 三维动态界面，画面直观，信息丰富，使操作人员一目了然，可很快上手进 行操作。同时具备权限管理、故障提示、误操作保护等功能，为控制系统的 可靠运行提供了强有力的保障。 4 ) 其它系统如仪表检测系统、防雷系统等的设计与应用：在线仪表检测系统可 及时反映系统的运行状态，为控制系统的运行提供依据，是自控系统的“眼 睛”，也是自控系统成败的关键要素。同时，为了保证整个自控系统的长期 安全运行，我们还为系统设计了防雷保护系统，为自控系统保驾护航。 7 江苏大学工程硕士学位论文 第二章超滤膜短流程工艺介绍 2 1 膜处理技术简介 2 1 1 膜的基本原理及分类 1 8 世纪末年法国学者a b b l en e l k t 首次提出了膜分离现象，但直到1 9 世纪 中叶g r a h a m 发现了透析现象( d i a l y s i s ) 【5 】，人们才开始重视并研究膜分离现象。 经过一个多世纪的探索研究，1 9 5 0 年，w j u d a 等研制成功第一张具有实用价值 的离子交换膜。1 9 6 0 年，l o e b - s o u n r a j a n 研制出具有商业价值的非对称醋酸纤维 素反渗透膜，开创了膜技术的新纪元。这种膜的研制成功，大大推动了膜分离技 术的发展，掀起了膜研究的高潮，膜技术得到了迅猛的发展【6 】。为目前膜技术的 产业化奠定了良好的基础。 膜具有选择透过特性，可在外力推动下对混合物进行分离、提纯、浓缩。利 用膜的这种特性可以实现液体中不同成分的选择性分离，常用的膜分离技术主要 有：反渗透( r o ) 、纳滤( n f ) 、微滤( m f ) 、超滤( u f ) 、渗析、电渗析、渗 透蒸发、液膜等。 与传统的过滤相比，膜分离是一种高效的分离过程，可以做到l i r a 大小的颗 粒进行分离。且该过程是一个物理过程，无须添加助剂。且膜分离过程的能耗通 常比较低。维护工作量小，占地面积少。因此近年来获得了广泛的应用。 膜的分类方法很多，按材料可分为无机膜和有机膜；按结构可分为对称膜和 非对称膜；按推动力可分为浓差推动膜、压力差推动膜、热推动膜、电推动膜等。 其中压力差推动膜可以根据溶质粒子的大小以及膜结构分为四种：微滤膜、超滤 膜、纳滤膜和反渗透膜等，在压力的作用下，根据膜结构的不同，一些分子及颗 粒被截留，从微滤膜到反渗透膜，孔径越来越小，被分离的分子或颗粒的尺寸也 相应减小，但几种膜之间并没有严格意义上的区分和界刚7 l 。 8 江苏大学工程硕士学位论文 表2 1 膜的孔径范围和操作压力 t a b l e2 1m e m b r a n ep o r es i z ea n do p e r a t i n gp r e s s u r er a n g e 微滤 超滤 纳滤反渗透 膜孔径 0 1 以0 u r n0 0 1 - 0 1 u r n 经济技术合理性：在我国大部分企业的经济实力还比较薄弱，投资能力 比较有限的情况下，我们不能照搬国外的模式，选用高性能高价位的设 备进行堆砌，而是要根据设备的重要程度，区别对待，一些较为重要， 使用较为频繁的设备采用进口设备，其它很少操作的设备采用国产设备。 先进性：在以上几点的前提下，根据企业的实际情况，选用代表现今主 1 4 江苏大学工程硕士学 流的技术和设备。既保证了系统的先进性 可维护性：一个可维护的系统首先应该简 护的系统往往会变成花架子，发生故障时 生产也带来不安定因素。 可扩展性：控制系统具有较强扩展能力， 的控制要求。提供的产品均应是目前世界上先进的主流产品，当更新的、 更先进的产品出现时，可以和目前的产品保持一致性、兼容性、成套性。 根据本项目的实际情况及工艺要求，结合其它工程的设计、运行经验，本项 目自控系统采用“集中监控、管理，分散控制 的集散型系统。由于本次只对一 个沉淀池进行改造，所以设计自控系统时仅考虑该沉淀池，同时对另一个沉淀池 控制系统只进行了软件预留。 由于超滤膜工艺所使用的设备数量较多，且膜组阀门等设备很难通过手动操 作来完成产水或冲洗过程，故本次设计对改造工程所用设备，需要手动干预或调 试的部分( 如水泵、鼓风机、颗粒计数仪取样电磁阀等) 设置了现场手动按钮箱， 而对于膜组相关的阀门如产水阀、气检阀等直接通过p l c 进行控制，没有设置 手动控制功能。 设计保持了整个自控系统的先进性，同时也便于将来另一半沉淀池系统的平 稳改造、便于今后的系统维护，同时将改造对现有生产的影响减至最低。 系统性能 1 ) 选用经过多个工程使用证明是稳定可靠的成熟的定型产品。具备自 诊断功能，通讯设备及介质具备检错能力和极低的误码率，设备运 行稳定可靠。软件模块具备较强的校验、互锁、检错、纠错及自恢 复功能。 2 ) 芦泾水厂超滤膜提标改造工程自动控制系统应能达到无人值守、自 1 5 江苏大学工程硕士学位论文 动运行、监控中心集中监视操作的要求。 3 ) 中控计算机监控系统采用成熟的商品化专业软件包，设计出的人机 界面应图形化，使用户清晰地了解全系统各设备的运行情况，故障 报警的具体细节，在线人机对话操作具有相应的汉字帮助信息，操 作简单，方便。 4 ) 采用模块化设计方法。p l c 控制软件、上位机监控软件均采用模块 化的变成方法，使系统的维护和新增功能更为简单有效，具有可移 植性。 5 ) 系统的安全设计能对用户进行分级，不同级别的用户具有不同的权 限。可防止非法用户对系统进行控制，同时也避免了误操作。 6 ) 通讯网络采用以太网，并可接入厂内的内部办公网，方便厂长室等 处对生产进行监控。p l c 模块的配置考虑了2 0 的余量，便于将来 的扩展使用。 自控系统可靠性指标 平均无故障间隔时间m t b f 2 0 ，0 0 0 小时 可用率a 9 9 8 系统综合误差：o 1 0 数据正确率1 9 8 自控系统响应时间指标 主机的联机启动时间t 2 分 报警响应时间t 3 秒 查询相应时间t 5 秒 实时数据更新时间t 3 秒 控制指令的响应时间t 3 秒 1 6 作为监控平台来构成自动控制系统。这种方式主要应用于系统规模较小的情 况，p c 站通常不超过4 个，如果p c 数量过多则通讯网络负荷较重，影响 通讯的速度。但每个p c 站的功能相同，少量p c 站发生故障不影响整个系统 的运行，可靠性较好。 2 ) p l c + p c ( c s ) - 采用p l c 作为现场控制单元，上位监控计算机为c s 架构。当p c 站数量较多时，一般采用c l i e n t s e r v e r 架构。( 冗余) 服务器与 p l c 控制系统进行数据交换，客户机通过服务器进行数据采集，完成设备的 监控功能。当监控计算机数量较多时，采用这种方式可有效降低网络负荷， 但由于客户机的数据皆通过服务器来进行传送，服务器的速度及可靠性成为 系统的瓶颈，整个系统的可靠性也不如单站系统。 3 ) p l c + h m i + p c = 采用p l c 作为现场控制单元，触摸屏完成现场控制功 能，中控室设置监控计算机作为监控平台来构成自动控制系统。这种方式的 优点是现场采用触摸屏适用于工业环境，编程简单，运行稳定。 针对芦泾水厂的实际情况，系统规模较小，但要求的可靠性较高。我们选用 第三种方式，采用p l c + h m i + p c 进行监控。 2 4 2 通讯接1 2 1 的选择 本课题中通讯接口的选择主要包括两个部分：1 ) 触摸屏通讯接口的选择； 2 ) 计算机通信网络的选择； 1 7 江苏大学工程硕士学位论文 一般来说，系统通讯接口主要有以下几种：r s 2 3 2 4 8 5 通讯，p l c 专用现场 总线，以太网等。 r s 2 3 2 4 8 5 属于串行数据接口标准，由电子工业协会( e 认) 制订并发布。 r s 2 3 2 为点对点通讯方式，传输距离大约为1 5 米，最高速率为2 0 k b s ，适合于本 地通讯使用。r s 4 8 5 定义了一种平衡的通信接口，将速率提高到1 0 m b s ，传输距 离延长到1 2 0 0 米，增加了发送器的驱动能力和冲突保护特性，扩展了总线共模 范围1 1 8 1 。连接触摸屏时一般采用该种通讯方式。 现场总线是2 0 世纪8 0 年代末、9 0 年代初国际上形成的，用于生产现场、 在测控设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，其具有数字化、多点通信 等特点。其缺点是现场总线为厂商相关的控制网络，不同的厂家分别配有自己的 现场总线，厂家之间的开放性、通用性不够。 工业以太网技术是目前流行的总线技术。其具有通用性好、速度快等优势， 越来越多的设备开始支持t c p i p 的以太网接口产品，其应用已从信息层渗透到 控制层和设备层【1 9 l 。 计算机与p l c 的通信方式一般有两种：p l c 专用现场总线或以太网。采用 p l c 专用现场总线方式进行通讯需要在计算机加装现场总线通讯卡，通讯可靠性 较好，但速度较低，成本相对较高。而一般计算机上都内置了以太网接口，可直 接采用以太网方式进行通讯，速度快，投资少。 2 4