旋转管式膜污水处理PIC控制系统.doc

第一章 绪 论1.1应用PLC技术处理污水的背景地球虽然有70.8的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26，而且分布不均。20世纪50年代以后，全球人口急剧增长，工业发展迅速。全球水资源状况迅速恶化，“水危机”日趋严重。一方面，人类对水资源的需求以惊人的速度扩大；另一方面，日益严重的水污染蚕食大量可供消费的水资源。全世界每天约有200吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8升淡水；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国40的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲55条河流中仅有5条水质差强人意。20世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水增加了5倍。世界上许多国家正面临水资源危机：12亿人用水短缺，30亿人缺乏用水卫生设施1 。我国更是个缺水的国家，人均水资源占有量只为世界人均水资源占有量的1/4。 而且我国的水资源在时空和地域上分布不均匀，更加重了缺水的实际情况。因此近些年来，我国的城市水资源情况进一步紧张，许多城市严重缺水。与此同时，水资源的污染日益严重，也因此许多城市都规划和建设了污水处理厂，来改变目前水资源紧缺且污染的现状。我国城市污水处理事业是在80 年代初逐步发展起来的，经过几十年的发展已经初具规模，但是，与国外同期的城市污水处理厂相比，我国的污水处理事业则呈现出效率低、自动化程度低、能耗高且运行费用高等缺点。随着全球水资源供应的紧张和对自动化要求的增加，我国的污水处理厂无疑向着高度自动化和无人职守的方向发展。目前由于PLC 在稳定性和高度自动化程度不断加强，使PLC 成为在城市自动化污水处理方面的首选。应用PLC 技术处理污水的意义污水处理是能源密集(energy intensity)型的综合技术。一段时期以来,由于能耗大、运行费用高等一系列的不便，在一定程度上阻碍了我国城市污水处理厂的建设,建成的一些处理厂也因能耗原因处于停产和半停产状态。在今后相当长的一段时期内,能耗问题将成为城市污水处理的瓶颈。能否解决污水厂的能耗问题，合理进行能源分配，已成为决定污水处理厂运行效益好坏的关键因素。能耗是否较低，也是未来新的污水处理厂可行性分析的决定性因素，开发能效较高的污水处理技术，合理设计及运行污水处理厂，必将是未来污水处理厂设计和运行的必由之路。1.2国内外污水处理自控系统的发展形势1.2.1国外污水处理自控系统的发展状况国外的一些发达国家，如美国、日本、德国等国，由于这些国家经济十分发达，并较早地实现了工业现代化。由于工业的高度发展，因此环境污染问题特别是水资源污染的严重性也较早的体现出来，同时也得到了国家政府的重视，因此投入了大量的人力、物力进行污水处理的研究。这些国家在研究污水处理新理论和新工艺的同时，也重视污水处理自控系统的研究。同时有些国家也开始重视污水的净化回收利用问题，列如以色列的污水回收率达到了90%。污水回用是一项很有发展工程，不仅能解决污水污染问题还能创造经济价值。由于控制技术的飞跃发展，国外的污水很早就实现了污水厂的网络控制，如DCS、FCS系统。同时国外较早的将SCADA技术引入到给水排水工程中，并取得了良好的经济和社会效益。国外还注重污水处理中的PLC的开发，如AB公司的SLC系列、Siemens的S7系列等。国外也重视仪表的研究，国外污水处理自控系统主要存在以下特点：（1）采用集散控制系统DCS和现场总线控制系统FCS。按照厂区的自身情况和工艺来划分若干个控制站，站与站之间可以平级关系也可以使上下级关系，站与站之间一般独立运行。（2）大量采用在线监测的水质分析仪表，对全厂的水质实行监测，并由上位机记录下来，提高了测量精度。（3）生产过程中不同程度上采用了智能控制，可以根据水质和水源的变化自动的调整相应的控制方式。1.2.2国内污水处理自控系统的发展状况我国是一个以农业为主的国家，因此工业发展较晚，污染问题不是很严重，解放初期由于工农业生产刚刚起步，当时的污水污染程度很低，且提倡污水进行农业灌溉，特别是北方缺水地区将污水灌溉利用作为经验进行推广，所以全国仅有几个城市建设了污水处理厂，致使污水处理技术处于落后的状态。与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，七十年代开始采用热工仪表，实行集中巡检；八十年代应用分析仪表和DCS系统；到九十年代，随着一大批利用国际贷款的大型污水处理厂得建成投产，我国污水控制系统的自动化水平才有了很大提高。从国外引进污水厂的自动控制系统和各种新工艺、新设备。可以说我国污水处理自动化的现状是：手动与自动皆备，自制与引用并举。我国的污水处理自控系统有以下特点：（1）对于新建的污水处理厂，引进了计算机分散控制系统，手动与自动并存的控制方式。大部分以前建设的污水厂自动化程度仍然很低，仍采用人工巡检的方式。（2）国产仪表的稳定性还没有达到要求，所以大部分采用进口的仪表，但是由于进口的价格昂贵，所以应用并不是很广泛。（3）各个控制站之间完全独立，无信息的交换。并且各个控制单元由于其内部资源的限制，只是实现了简单的时间控制和逻辑控制。1.3设计的主要研究内容论述了污水处理工艺及污水处理系统的组成和PLC控制系统设计，主要包括以下内容：1、介绍了旋转流管式膜微滤污水处理的基本内容，包括污水处理的发展、现状以及污水处理的工艺流程；2、介绍了PLC的基本结构和工作原理，并对污水处理控制系统进行设计分析3、具体分析设计污水处理的硬件系统4、具体分析设计污水处理的软件系统第二章 污水来源及污水处理的概述2.1污水来源概述按污水来源分类，污水处理一般分为生产污水处理和生活污水处理。生产污水包括工业污水、农业污水以及医疗污水等，而生活污水就是日常生活产生的污水,是指各种形式的无机物和有机物的复杂混合物，包括：漂浮和悬浮的大小固体颗粒；胶状和凝胶状扩散物；纯溶液。 按污水的性质来分，水的污染有两类：一类是自然污染；另一类是人为污染。当前对水体危害较大的是人为污染。水污染可根据污染杂质的不同而主要分为化学性污染、物理性污染和生物性污染三大类。污染物主要有：未经处理而排放的工业废水；未经处理而排放的生活污水；大量使用化肥、农药、除草剂的农田污水；堆放在河边的工业废弃物和生活垃圾；水土流失；矿山污水2。污水处理成本能耗基本都是高能耗、低效率。目前城市生活污水排放已是我国城市水的主要污染源，城市生活污水处理是当前和今后城市节水和城市水环境保护工作的重中之重，这就要求我们要把处理生活污水设施的建设作为城市基础设施的重要内容来抓，而且是急不可待的事情。2.2 污水处理概述2.2.1污水处理行业发展地球虽然有70.8的面积为水所覆盖，但淡水资源却极其有限，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26，而且分布不均。全世界每天约有200吨垃圾倒进河流、湖泊和小溪，每升废水会污染8升淡水；所有流经亚洲城市的河流均被污染；美国40的水资源流域被加工食品废料、金属、肥料和杀虫剂污染；欧洲55条河流中仅有5条水质差强人意。20世纪，世界人口增加了两倍，而人类用水增加了5倍。世界上许多国家正面临水资源危机：12亿人用水短缺，30亿人缺乏用水卫生设施3。2007年，中国水污染治理投资达到3387.6亿元，比上年增加32%，占当年GDP的1.36%。中国水环境质量总体保持稳定。2007年，共取缔一级水源保护区内排污口942个，停建二级水源保护区内可能造成污染的建设项目1294个，限期治理931个。截至2008年10月，全国设市城市、县及部分重点建制镇共建成污水处理厂1459座，日处理能力8553万吨（36个大城市共建成288座，日处理能力为3497万吨），分别比“十五”末期增加60.5%和42.6%，全国设市城市污水处理率已由2005年的52%增加到2007年的63%；在建城镇污水处理项目1033个，设计日处理能力约3595万吨。2008年1至10月，全国已投入运行的城镇污水处理厂累计处理污水达190亿吨，运行负荷率达到76%，同比分别增长了21%和约3个百分点4。因此中国应完善污水处理的政策法规，建立监管体制，创建合理的污水处理收费体系，扶植国内环保产业发展，推进污水处理行业的产业化和市场化。污水处理行业是一个朝阳产业，发展前景十分广阔。中国将在“十一五”期间投资3000亿元以推进城市污水处理和利用，中国污水处理行业由此迎来高速发展期。2.2.2 污水处理中的几个常见指标1、BOD（biochemical oxygen demand）：即“生化需氧量”或“生化耗氧量”，又称生物需氧量，是水中有机物含量的一个间接指标。一般指在1L污水或待测水样中所含有的一部分易氧化的有机物，当微生物对其氧化、分解时，所消耗的水中的溶解氧毫克数（其单位为mg/L）。BOD的测定条件一般规定在20下5昼夜，故常用BOD5符号表示。2、COD（chemical oxygen demand）：即化学需氧量，是表示水体中有机物含量的简便的间接指标，指1L污水中所含有的有机物在用强氧化剂将它氧化后，所消耗氧的毫克数（单位为mg/L）。常用的化学氧化剂有K2Cr2O7或KMnO4。其中常用K2Cr2O7，由此测得的COD用“COD Cr”表示。3、TOD：即总需氧量，指污水中能被氧化的物质（主要是有机物）在高温下燃烧变成稳定氧化物时所需的氧量。4、DO：即溶解氧量，指溶于水体中的分子态氧，是评价水质优劣的重要指标。5、SS：即悬浮物含量，指污水中不溶性固态物质的含量。6、TOC：即总有机碳含量，指水体内所含有机物的全部有机碳的量。可通过把水样中的所有有机物全部氧化成CO2和H2O，然后测定生产CO2的量来计算5。2.2.3 污水处理的方法污水处理的方法有物理法、化学法和生物法。各种方法都有其特点，可以相互配合、相互补充。目前应用最广的是生物学方法，其优点是效率高、费用低、简单方便。污水处理按程度可分为一级处理、二级处理和三级处理。一级处理也称为预处理，主要通过格栅等过滤器除去粗固体；二级处理称为常规处理，主要去除可溶性的有机物，方法包括生物方法、化学方法和物理方法；三级处理称为高级处理，主要是除氮、磷和其他无机物，还包括出水的氯化消毒，也有生物、物理、化学方法。（1）一级处理主要去除污水中呈悬浮状态的固体污染物质，物理处理法大部分只能完成一级处理的要求。经过一级处理的污水，BOD一般可去除30%左右，达不到排放标准。一级处理属于二级处理的预处理。（2）二级处理主要去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物质（BOD，COD物质），去除率可达90%以上，使有机污染物达到排放标准。（3）三级处理进一步处理难降解的有机物、氮和磷等能够导致水体富营养化的可溶性无机物等。主要方法有生物脱氮除磷法，混凝沉淀法，砂率法，活性炭吸附法，离子交换法和电渗分析法等。2.3我国的水资源现状和污水处理现状及存在的问题2.3.1我国的水资源现状改革开放以来，我国城市化也进入快速发展时期，城市数量由1978年的193个增加到2001年的664个，城镇人口由17，245万人增加到48，064万人。上世纪90年代后，我国城市化速度进一步加快，目前城市化水平达到37%左右。城市数量与规模的迅速增加与扩张，带来了严重的城市生活污水和垃圾污染问题。近10年来，我国城市生活污水排放量每年以5%的速度递增，在1999年首次超过工业污水排放量，2001年城市生活污水排放量221亿吨，占全国污水排放总量的53.2%.与此同时，我国城市生活污水处理设施严重滞后和不足6。 据统计：目前全国年排污量约为350亿m3,但城市污水集中处理率仅为15，全国超过80的城市污水未经任何有效的收集处理就直接排放到附近的水体，使得原本具有泄洪和美化景观作用的河渠变成了天然污水渠。特别是在全国2200座县城与19200个建制镇中，污水排放量约占污水排放总量的一半以上，但这些中小城市（镇）的污水处理能力都明显低于全国平均水平7。 照此发展下去，城市的水环境将每况愈下。并进一步的加剧了水资源的短缺。即使在我国水资源比较丰富的南方地区，由于水体污染，水质型缺水也处于相当严峻地步。而且随着现代工业的发展及人口城市化的加速，城镇污水量将愈来愈大，水环境污染也会日益加重。2.3.2我国水资源存在的问题（1）供需矛盾日益加剧 首先是农业干旱缺水。随着经济的发展和气候的变化，中国农业，特别是北方地区农业干旱缺水状况加重。目前，全国灌溉区每年就缺水300亿立方米左右。上世纪90年代年均农田受旱面积2667万公顷，干旱缺水成为影响农业发展和粮食安全的主要制约因素；全国农村有2000多万人口和数千万头牲畜饮水困难，1/4人口的饮用水不符合卫生标准。 其次是城市缺水。中国城市缺水现象始于70年代，以后逐年扩大，特别是改革开放以来，城市缺水愈来愈严重。据统计，在全国663个建制市中，有400个城市供水不足，其中110个严重缺水，年缺水约100亿立方米，每年影响工业产值约2000亿元8。 （2）用水效率不高 目前，全国农业灌溉年用水量约3800亿立方米，占全国总用水量近70。全国农业灌溉用水利用系数只有0.30.4左右。发达国家早在4050年代就开始采用节水灌溉，现在，很多国家实现了输水渠道防渗化、管道化，大田喷灌、滴灌化，灌溉科学化、自动化，灌溉水的利用系数达到0.70.8。 其次，工业用水浪费也十分严重。目前我国工业万元产值用水量约80亿立方米，是发达国家的1020倍；我国水的重复利用率为40左右，而发达国家为7585。中国城市生活用水浪费也十分严重。据统计，全国多数城市自来水管网仅跑、冒、滴、漏损失率为15%-20。 （3）水环境恶化 2000年污水排放总量620亿吨，约80%未经任何处理直接排入江河湖库，90%以上的城市地表水体，97%的城市地下含水层受到污染。由于部分地区地下水开采量超过补给量，全国已出现地下水超采区164片，总面积18万平方公里，并引发了地面沉降、海水入侵等一系列生态问题。 （4）水资源缺乏合理配置 华北地区水资源开发程度已经很高，缺水对生态环境己造成了影响。目前黄河断流日益严重，却每年调出90亿立方米水量接济淮河与海河，因此，对水资源的合理配置和布局，区域间的水资源的调配要依靠包括调水工程在内的统一规划和合理布局。 综合上述，中国水资源总量并不丰富，地区分布不均，年内分配集中，北方部分地区水资源开发利用已经超过资源环境的承载能力，全国范围内水资源可持续利用问题已经成为国家可持续发展战略的主要制约因素。 2.3.3我国污水处理的现状及存在的问题我国的污水处理事业的实际情况是污水处理率低，很多老工业区的排水管网甚至不成系统。污水处理能力增长缓慢和污水处理率低是造成我国水环境污染的主要原因，由此导致了水环境的持续恶化，并严重的制约了我国经济与社会的发展。我国污水处理能力增长缓慢的主要原因可以归结为以下三个方面： 1、污水处理技术落后 城市污水处理技术是城市污水处理设施能否高效运转的关键；长期以来，我国的污水处理技术都是沿袭了欧美国家近百年来的路线和处理技术，在吸收、消化国外技术的同时也形成了自己的技术，城市污水处理技术有了很大的发展，但是我国现阶段采用的污水处理技术与同期国外的技术水平相比依然还很落后，始终存在效率低、能耗高、维修率高、自动化程度低等缺点，从而影响它们在污水处理厂投标中的竞争力。 2、资金短缺，投资力度不够 城市污水处理系统是城市的重要基础设施之一，也是防止水污染、改善城市水环境质量和工业发展的重要手段，为发展我国的污水处理，使水环境污染得到有效的控制。资金是个根本问题。 即使修建了污水处理厂，其高昂的运行维护管理费用也是污水处理率低，水体污染严重的主要原因之一。据清华大学紫光顾问公司调查：我国污水处理设备运行状况是1/3运行正常、1/3不正常、1/3处于闲置状态，污水处理厂的实际运转率只能达到50%，我国污水的实际处理率远远低于污水处理设施的处理能力9。3、管理水平低随着我国城市化进程的加快，中小城市的发展十分迅速，全国19200多个建制镇绝大多数都没有污水处理设施。目前，中小城市的污水排放量约占全国污水排放总量的一半以上，随着未来50年小城镇建设的快速发展，生活污水和工业废水的排放量将会数倍、甚至十几倍的增加，势必加剧水环境的恶化。中小城市和大城市在水系上是相通的，而且往往处于大城市的上游，中小城镇的污水治理工作做不好，大城市污水处理率即使达到一个很高的水平，水环境的质量也不会有明显改善。因此，要改善我国水环境被污染和继续恶化的状况，保护我国紧缺的水资源，除了要刻不容缓地对大城市的城市污水进行处理外，中小城市污水也应该引起足够的重视10。由于这些中小城市和大城市经济发展水平、排水体制、基础资料、融资渠道等有很大的不同，因此不可能也不应该把大城市的污水治理工艺、技术装备等搬用到中小城市的污水处理厂中去11。就目前的发展状况来看，在中小城市污水处理方面，尚缺乏适合我国实际国情的污水处理技术和设备，缺乏资金和管理经验。因此，探索和发展适合我国国情的中小城市污水处理工艺，掌握一批在中小城市具有代表性的污染源的治理技术和城市污水处理技术，就势在必行。 第三章 污水处理的工艺技术的现状3.1污水处理的工艺技术现状自我国第一座采用活性污泥工艺的城市污水处理厂1921年在上海建成以来，污水处理事业在我国得到了迅速的发展，污水处理工艺也是层出不穷。目前我国所采用的污水处理工艺类型主要有以下几种：传统活性污泥处理工艺、AB工艺、A/O及A2/O工艺、水解好氧工艺、氧化沟工艺、SBR及其变型工艺、曝气生物滤池工艺、生物接触氧化工艺及土地处理工艺。3.1.1 传统活性污泥处理工艺我国20世纪80年代及其以前建设的污水处理厂，由于当时没有对出水氮磷含量的要求，生物处理工艺主要采用传统活性污泥工艺及其改良工艺，其主要功能是大幅度去除污水中呈胶体态和溶解态的有机污染物，使经处理的污水BOD达到排放标准，而对污水中氮磷的去除率非常低。同时，水体富营养化问题在我国已日益严重，为适应国家对氮磷的排放要求，保护水环境，一些采用传统活性污泥处理工艺的污水厂已对现有工艺进行改造，增设了除磷脱氮功能。3.1.2 AB工艺我国在20世纪80年代相继开展了对AB工艺的特性、运行机理及处理过程的稳定性的研究，并将其用于工程实际，且得到了一定规模的应用，如青岛海泊河污水处理厂、淄博污水处理厂、深圳滨河污水处理厂等。AB工艺具有抗冲击负荷能力强、对pH值变化和有毒物质具有明显缓冲作用、可分期建设的特点。但其对低浓度城市污水的处理效果较差，并且此工艺产泥量大，目前污水处理厂普遍面临的一个问题是污泥的处理处置难，因此限制了AB工艺的发展应用。3.1.3A/O及A2/O工艺20世纪80年代末90年代初，A/O工艺、A2/O工艺因其较好的除磷脱氮效果而逐渐应用于城市污水处理之中，并且成为主流。在此阶段，氮磷污染物控制与去除技术的研究及相关技术的应用成为水环境污染控制日益紧迫的重要课题。A/O工艺包括A/O除磷工艺和A/O脱氮工艺，它们对磷、氮的去除率分别达到90%以上和80%左右；而A2/O工艺不能同时高效除磷脱氮。20世纪90年代以来，随着具有脱氮除磷功能污水处理工艺的研究应用，发现A2/O工艺本身存在的缺陷，即硝化菌、反硝化菌和聚磷菌在有机负荷、泥龄以及碳源需求上存在着矛盾和竞争，很难在同一系统中同时获得氮、磷的高效去除，阻碍着生物除磷脱氮技术的应用，因此为解决这些工艺矛盾，研究者们进行了大量研究来进行工艺改进，开发出倒置A2/O、UCT、AA2/O等工艺，尤其对倒置A2/O进行了大量研究，现已完成了对其原理与特点、运行参数的研究，并通过生产试验研究，现已有部分污水厂已采用该工艺并取得了良好的运行效果，如常州北城污水厂、青岛团岛污水厂、青岛李村河污水处理厂等。3.1.4氧化沟工艺20世纪90年代中期，氧化沟工艺因其良好的脱氮效果且无需沉淀池开始被推广，此时期建设的大型污水处理项目基本上采用氧化沟工艺。近几年来，国内对各种类型氧化沟的除磷脱氮的效果、设计、充氧设备及运行控制等方面进行了大量的研究。对多种氧化沟都进行了一定的革新，如Carrousel氧化沟由第一代的普通Carrousel氧化沟发展为具有脱氮除磷功能的Carrousel2000型氧化沟，后又发展为第三代的Carrousel3000型氧化沟。国内许多污水处理厂使用的情况证明，氧化沟工艺是一种工艺流程简单、管理方便、投资省、运行费用低、工艺稳定性高的污水处理技术，目前国内较多采用的氧化沟主要有Orbal氧化沟、Carrousel氧化沟、T型氧化沟、DE型氧化沟、一体化氧化沟等12。3.1.5SBR及其变型工艺近年来，随着工业和自动化控制技术的飞速发展，特别是监控技术的自动化程度以及污水处理厂自动化管理要求的日益提高，为SBR进一步的研究和应用，提供了有利的条件。我国于80年代中期开始对SBR进行研究，目前，对SBR自控系统、滗水器等设备的研究开发，对SBR系统脱氮除磷的研究都为SBR工艺在我国的应用创造了条件，天津市市政工程设计研究院、天津水工业工程设备有限公司开发的DATIAT工艺在天津经济技术开发区的成功应用以及同济大学开发出的MSBR在深圳盐田污水处理厂的成功应用，表明了我国对SBR工艺的研究已达到了日臻成熟的阶段，目前，我国对SBR工艺的应用很广泛，主要有CASS、CAST、UNITANK、ICEAS、DATIAT、MSBR等。3.1.6生物接触氧化工艺生物接触氧化法具有能耗低、剩余污泥量少、出水水质好等优点。近年来，性能更为优越、运行更加可靠的新型生物填料的开发，使此工艺的应用在国内更为迅速，如太原殷家堡污水净化厂，太原古交镇城底污水处理厂，太原成古交中心污水处理厂等。太原地区最早建成的生物接触氧化法污水处理厂至今已连续运行了十几年，积累了较丰富的运行管理经验，太原市市政工程设计研究院编制了生物接触氧化法设计规范，使此工艺更加规范化、标准化，因此生物接触氧化工艺得到了全面广泛的推广和应用13。3.2膜和膜分离技术的分类及特点3.2.1膜的定义和分类膜可以是固态的， 也可以是液态的；膜的结构可能是均质的，也可能是非均质的；膜可以是中性的，也可以是带电的；膜传递过程可以是主动传递过程，也可以是被动传递过程。膜的形态结构决定了分离机理，从而也决定了其应用。按膜结构分类可分为对称膜和不对称膜。按化学组成分类可分为有机材料类和无机材料类。现代膜分离技术是一种仿生技术。分离的根本原理在于膜具有选择透过性。膜分离法是用天然或人工合成的高分子薄膜，以外界能量或化学位差为推动力，对双组分或多组分的溶质和溶剂进行分离、分级、提纯和富集的方法，可用于液相和气相。对于液相分离，可用于水溶液体系、非水溶液体系、水溶胶体系以及含有其他微粒的水溶液体系。膜可以是固相、液相、甚至是气相的。用各种天然或人工材料制造出来的膜品种繁多，在物理、化学、生物性质上呈现出各种各样的特性。随着我国膜科学技术的发展，相应的学术、技术团体也相继成立。她们的成立为规范膜行业的标准、促进膜行业的发展起着举足轻重的作用。半个世纪以来，膜分离完成了从实验室到大规模工业应用的转变，成为一项高效节能的新型分离技术。1925年以来，差不多每十年就有一项新的膜过程在工业上得到应用14。 按分离机理分类，膜大致可分为多孔膜、无孔膜和载体膜。多孔膜在处理溶液时根据颗粒大小进行分离，主要用于超滤和微滤。无孔膜利用分离体系中各组分溶解度或扩散系数的差异进行分离，主要用于气体分离、透析、蒸汽渗透等过程。载体膜是通过载体分子对某一组分高度专一的亲和性来实现不同组分间的分离的，通过膜的组分可以是气体、液体、离子或非离子。按几何形状分类，有平板式、管式、毛细管式和中空纤维式、卷式膜。后三种皆为管状膜，直径大于10mm的为管式膜；直径在0.5-10mm之间的是毛细管式膜；直径小于0.5mm的为中空纤维膜。管状膜直径越小，则单位体积里的膜面积越大。其中卷式膜的应用很广泛。图3.1为卷式膜的结构15。图3.1 卷式膜结构3.2.2膜分离技术的分类所有分离过程都是利用在某种环境中混合物各组分性质的差异进行分离。膜分离过程是以选择性透过膜为分离介质，在两侧加以某种推动力时，原料侧组分选择性地透过膜，从而达到分离或提纯的目的。根据膜的种类可分为反渗透和纳滤、超滤、微滤、透析、电渗析等16。1）反渗透和纳滤反渗透已成为海水淡化最经济的技术，也是苦咸水淡化的主要手段，它已成为超纯水和纯水制备的优选技术；另外在各种料液的分离、纯化和浓缩以及废液的再生回用方面都发挥了重大作用。a.反渗透原理当用一个半透性膜分离两种不同浓度的溶液时，膜仅允许溶剂分子通过。由于浓溶液中溶剂的化学势低于它在稀溶液中的化学势，稀溶液中的溶剂分子自发地透过半透膜向浓溶液中迁移。b.反渗透膜与纳滤膜由于反渗透膜与纳滤膜多种多样，主要有平板不对称膜、不对称平板复合膜、管式不对称膜、中空纤维不对称膜、中空纤维复合膜等。目前平板不对称膜和中空纤维膜占据了市场绝大部分的份额。c.反渗透与纳滤工艺流程反渗透与纳滤工艺流程通常包括前处理工艺、膜分离工艺和后处理工艺三部分。为减少料液在膜分离过程中对膜的污染和化学损伤，必须对料液进行适当的预处理。在实际生产中对溶液的分离有不同的要求，必须选用合适的膜和组件形式，应该通过计算确定组件的排列和操作条件。d.反渗透与纳滤应用反渗透应用领域可分为两大类：水纯化和溶质浓缩。主要用于水的纯化，如海水和苦咸水脱盐制饮用水，以及制备半导体工业、医药、化学工业中所需的超纯水。反渗透是利用高压泵将待处理的水增压后借助半透膜的选择性将水中的杂质去除，得到纯度较高的水。反渗透的示意图如图3.2所示。图3.2 反渗透示意图纳滤膜对Na+和Cl-单价离子的截留率较低，实践证明纳滤可以代替沉淀、pH调节和蒸发等过程，达到产品纯化和浓缩的目的，是一新的高效节能的过程。此外纳滤在有机小分子与盐的分离与浓缩、去除无脂奶粉的异味等方面得到了广泛的应用。2）超滤超滤膜多为不对称结构，由一层极薄、具有一定尺寸孔径的表皮层和一层较厚、具有海绵状或指定结构的多孔层组成。前者起分离作用，后者起支撑作用。在超滤膜分离过程中，膜的孔径大小和膜表面的化学性质等将分别起着不同的分离作用。一般情况下，超滤膜的性能指标有渗透通量和截留率。超滤膜的耐压性、耐清洗性、耐温性等性能对于工业应用是非常重要的。目前商品化的有机材质的超滤膜都是采用相转化法制得的。3）微滤微滤（MF）是一种与常规的粗滤十分相似的膜过程。微孔滤膜具有比较整齐、均匀的多孔结构，孔径范围0.05-10um，使过滤从一般只有比较粗造的相对性质过度到精密的绝对性质，主要用于对悬浮液和乳液进行截留。a.微滤原理微滤又称为精过滤，其基本原理属于筛网状过滤，在静压差作用下，小于膜孔的粒子通过滤膜，大于膜孔的粒子则被截留到膜表面，使大小不同的组分得以分离，操作压力为0.7-7kPa。除此以外，还有膜表面层的吸附截留和架桥截留，以及膜内部的网络中截留。b.微滤操作工艺微滤有两种操作工艺：死端过滤、错流过滤。在死端过滤时，溶剂和小于膜孔的溶质在压力驱动下透过膜，大于膜孔的颗粒被截留，通常堆积在膜表面上。死端过滤是间隙式的，必须周期性地停下来清洗膜表面的污染层或更换膜。在泵的推动下料液平行于膜面流动，与死端过滤不同的是料液流经膜面时产生的剪切力把膜表面上的滞留的颗粒带走，从而使污染层保持在一个较薄的水平。c.微滤膜的应用微滤是所有膜过程中应用最普遍、销售额最大的一项技术。工业上，微滤主要用于将大于0.1um的粒子与溶液分开的场合，它的最大市场是制药行业的除菌过滤和电子工业用高纯水的制备。其最新的应用领域是生物技术和生物医学领域技术。4）渗析渗析；也是透析，是溶质自身浓度梯度作用下膜的上游传下下游的过程。由于分子大小及溶解度不同，使得不同溶质的扩散速率不同，从而实现分离。a.传质理论原料液和透析掖流向通常是逆向的，也可以是同向的。若溶剂与溶液中其他组分之间不存在耦合作用，则在渗透压的作用下溶剂从低浓度侧流向高浓度侧；若原料液侧压力高于渗透压侧，则溶剂从原料液侧流向渗透压侧。b.渗析膜透析主要用于从高分子量物质中分离出低分子量组分，基于不同组分物化性质和分子尺寸的差异，导致其在膜的扩散速率不同而实现分离的。5）电渗析电渗析是在直流电场作用下，以电位差为推动力，利用离子交换膜的选择透过性，把电解质从溶液中分离出来，从而实现溶液的浓缩、淡化、精制和提纯。a.电渗析的基本原理在阴极和阳极之间交替排列一系列阴离子交换膜和阳离子交换膜。阴离子交换膜能使阴离子透过，阳离子交换膜能使阳离子透过。b.离子交换膜目前离子交换膜的种类很多，常用的膜按功能分有阴离子交换膜和阳离子交换膜。强酸性阳膜属于阳离子交换膜，中等酸性阳膜、弱酸性阳膜、强碱性阴膜属于阴离子交换膜。c.电渗析的应用目前电渗析已是一种相当成熟的膜分离技术，主要用途是苦咸水淡化、生产饮用水、浓缩海水制盐以及体系中脱除电解质。3.2.3膜分离技术的特点1、膜分离过程不发生相变化，与有相变化的分离法和其他分离法相比，能耗要低。因此膜分离技术又称省能技术。2、膜分离过程是在常温下进行，因而特别适用于对热敏感的物质，如果汁、酶、药品等的分离、分级、浓缩与富集。3、膜分离技术不仅适用于有机物和无机物，从病毒、细菌到微粒的广泛分离的范围，而且还适用于许多特殊溶液体系的分离，如溶液中大分子与无机盐的分离、一些共沸物或近沸点物系的分离等。4、由于只是用压力作为膜分离的推动力，因此分离装置简单，操作容易，易自控、维修。5、膜分离效率高，设备体积小，占地少，适用范围广。6、膜分离是可分离相对分子量为几千甚至几百物质的高效分离过程17。3.3组态软件介绍3.3.1组态软件产生的背景“组态”的概念是伴随着集散型控制系统（Distributed Control System简称DCS）的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。在工业控制技术的不断发展和应用过程中，PC（包括工控机）相比以前的专用系统具有的优势日趋明显。这些优势主要体现在：PC技术保持了较快的发展速度，各种相关技术已臻成熟；由PC构建的工业控制系统具有相对较低的拥有成本；PC的软件资源和硬件资丰富，软件之间的互操作性强；基于PC的控制系统易于学习和使用，可以容易地得到技术方面的支持。在PC技术向工业控制领域的渗透中，组态软件占据着非常特殊而且重要的地位。组态软件是指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是在自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能的、通用层次的软件工具。组态软件应该能支持各种工控设备和常见的通信协议，并且通常应提供分布式数据管理和网络功能。对应于原有的HMI（人机接口软件，Human Machine Interface）的概念，组态软件应该是一个使用户能快速建立自己的HMI的软件工具，或开发环境。在组态软件出现之前，工控领域的用户通过手工或委托第三方编写HMI应用，开发时间长，效率低，可靠性差；或者购买专用的工控系统，通常是封闭的系统，选择余地小，往往不能满足需求，很难与外界进行数据交互，升级和增加功能都受到严重的限制。组态软件的出现，把用户从这些困境中解脱出来，可以利用组态软件的功能，构建一套最适合自己的应用系统。随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、SCADA、通讯及联网、开放数据接口、对I/O设备的广泛支持已经成为它的主要内容，随着技术的发展，监控组态软件将会不断被赋予新的内容18。3.3.2组态软件在我国的发展及国内外主要产品介绍组态软件产品于80年代初出现，并在80年代末期进入我国。但在90年代中期之前，组态软件在我国的应用并不普及。其原因，有以下三点：（1）国内用户还缺乏对组态软件的认识，项目中没有组态软件的预算，或宁愿投入人力物力针对具体项目做长周期的繁冗的上位机的编程开发，而不采用组态软件。（2）在很长时间里，国内用户的软件意识还不强，面对价格不菲的进口软件，很少有用户愿意去购买正版。（3）当时国内的工业自动化和信息技术应用的水平还不高，组态软件提供了对大规模应用、大量数据进行采集、监控、处理并可以将处理的结果生成管理所需的数据，这些需求并未完全形成。 随着工业控制系统应用的深入，在面临规模更大、控制更复杂的控制系统时，人们逐渐意识到原有的上位机编程的开发方式。对项目来说是费时费力、得不偿失的，同时，MIS（管理信息系统，Management Information System）和CIMS（计算机集成制造系统，Computer Integrated Manufacturing System）的大量应用，要求工业现场为企业的生产、经营、决策提供更详细和深入的数据，以便优化企业生产经营中的各个环节。因此，在1995年以后，组态软件在国内的应用逐渐得到了普及。下面就对几种组态软件分别进行介绍。（1）InTouch：Wonderware的InTouch软件是最早进入我国的组态软件。在80年代末、90年代初，基于Windows3.1的InTouch软件曾让我们耳目一新，并且InTouch提供了丰富的图库。但是，早期的InTouch软件采用方式与驱动程序通信，性能较差，最新的InTouch7.0版已经完全基于32位的Windows平台，并且提供了OPC支持。（2）Fix：Intellution公司以Fix组态软件起家，1995年被爱默生收购，现在是爱默生集团的全资子公司，Fix6.软件提供工控人员熟悉的概念和操作界面，并提供完备的驱动程序（需单独购买）。Intellution将自己最新的产品系列命名为iFiX，在iFiX中，Intellution提供了强大的组态功能，但新版本与以往的6.版本并不完全兼容。原有的Script语言改为VBA（Visual Basic For Application），并且在内部集成了微软的VBA开发环境。遗憾的是，Intellution并没有提供6.1版脚本语言到VBA的转换工具。在iFiX中，Intellution的产品与Microsoft的操作系统、网络进行了紧密的集成。Intellution也是OPC（OLE for Process Control）组织的发起成员之一。iFiX的OPC组件和驱动程序同样需要单独购买。（3）Citech：CiT公司的Citech也是较早进入中国市场的产品。Citech具有简洁的操作方式，但其操作方式更多的是面向程序员，而不是工控用户。Citech提供了类似语言的脚本语言进行二次开发，但与iFix不同的是，Citech的脚本语言并非是面向对象的，而是类似于语言，这无疑为用户进行二次开发增加了难度。（4）WinCC：Simens的WinCC也是一套完备的组态开发环境，Simens提供类语言的脚本，包括一个调试环境。WinCC内嵌OPC支持，并可对分布式系统进行组态。但WinCC的结构较复杂，用户最好经过Simens的培训以掌握WinCC的应用。（5）组态王：组态王是国内第一家较有影响的组态软件开发公司（更早的品牌多数已经湮灭）。组态王提供了资源管理器式的操作主界面，并且提供了以汉字作为关键字的脚本语言支持。组态王也提供多种硬件驱动程序。（6）Controx（开物）：华富计算机公司的Controx2000是全32位的组态开发平台，为工控用户提供了强大的实时曲线、历史曲线、报警、数据报表及报告功能。作为国内最早加入OPC组织的软件开发商，Controx内建OPC支持，并提供数十种高性能驱动程序。提供面向对象的脚本语言编译器，支持ActiveX组件和插件的即插即用，并支持通过ODBC连接外部数据库。Controx同时提供网络支持和WevServer功能。3.4组态软件的功能特点发展方向目前看到的所有组态软件都能完成类似的功能：比如，几乎所有运行于32位Windows平台的组态软件都采用类似资源浏览器的窗口结构，并且对工业控制系统中的各种资源（设备、标签量、画面等）进行配置和编辑；都提供多种数据驱动程序；都使用脚本语言提供二次开发的功能，等等。但是，从技术上说，各种组态软件提供实现这些功能的方法却各不相同。从这些不同之处，以及PC技术发展的趋势，可以看出组态软件未来发展的方向19。3.4.1数据采集的方式大多数组态软件提供多种数据采集程序，用户可以进行配置。然而，在这种情况下，驱动程序只能由组态软件开发商提供，或者由用户按照某种组态软件的接口规范编写，这为用户提出了过高的要求。由OPC基金组织提出的OPC规范基于微软的OLE/DCOM技术，提供了在分布式系统下，软件组件交互和共享数据的完整的解决方案。在支持OPC的系统中，数据的提供者作为服务器（Server），数据请求者作为客户（Client），服务器和客户之间通过DCOM接口进行通信，而无需知道对方内部实现的细节。由于COM技术是在二进制代码级实现的，所以服务器和客户可以由不同的厂商提供。在实际应用中，作为服务器的数据采集程序往往由硬件设备制造商随硬件提供，可以发挥硬件的全部效能，而作为客户的组态软件可以通过OPC与各厂家的驱动程序无缝连接，故从根本上解决了以前采用专用格式驱动程序总是滞后于硬件更新的问题。同时，组态软件同样可以作为服务器为其他的应用系统（如MIS等）提供数据。OPC现在已经得到了包括Interllution、Simens、GE、ABB等国外知名厂商的支持。随着支持OPC的组态软件和硬件设备的普及，使用OPC进行数据采集必将成为组态中更合理的选择。3.4.2脚本的功能脚本语言是扩充组态系统功能的重要手段。因此，大多数组态软件提供了脚本语言的支持。具体的实现方式可分为三种：一是内置的类C/Basic语言；二是采用微软的VBA的编程语言；三是有少数组态软件采用面向对象的脚本语言。类C/Basic语言要求用户使用类似高级语言的语句书写脚本，使用系统提供的函数调用组合完成各种系统功能。应该指明的是，多数采用这种方式的国内组态软件，对脚本的支持并不完善，许多组态软件只提供IFTHENELSE的语句结构，不提供循环控制语句，为书写脚本程序带来了一定的困难。微软的VBA是一种相对完备的开发环境，采用VBA的组态软件通常使用微软的VBA环境和组件技术，把组态系统中的对象以组件方式实现，使用VBA的程序对这些对象进行访问。由于VisualBasic是解释执行的，所以VBA程序的一些语法错误可能到执行时才能发现。而面向对象的脚本语言提供了对象访问机制，对系统中的对象可以通过其属性和方法进行访问，比较容易学习、掌握和扩展，但实现比较复杂。 3.4.3组态软件的控制功能随着以工业PC为核心的自动控制集成系统技术的日趋完善和工程技术人员的使用组态软件水平的不断提高，用户对组态软件的要求已不像过去那样主要侧重于画面，而是要考虑一些实质性的应用功能，如软件PLC，先进过程控制策略等。PLC产品是基于PC机开放结构的控制装置，它具有硬PLC在功能、可靠性、速度、故障查找等方面的特点，利用软件技术可将标准的工业PC转换成全功能的PLC过程控制器。软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、通信网络等功能，通过一个多任务控制内核，提供了强大的指令集、快速而准确的扫描周期、可靠的操作和可连接各种/系统及网络的开放式结构。所以可以这样说，软PLC提供了与硬PLC同样的功能，而同时具备了PC环境的各种优点。目前，国际上影响比较大的产品有：法国CJ International公司的ISaGRAF软件包、PCSoft International公司的WinPLC、美国Wizdom Control Intellution公司的Paradym-31、美国Moore Process Automation Solutions公司ProcessSuite、美国Wonder ware Controls公司的InControl、SoftPLC公司的SoftPLC等。国内推出软PLC产品的组态软件还不见有，国内组态软件要想全面超过国外的竞争对手，就必须搞创新，推出类似功能的产品。 第四章 PLC介绍及设计方案的确定4.1PLC的介绍可编程控制器(Programmable Logic Controller)简称PLC或PC，在现代工业控制中占有重要地位。PLC是从早期的继电器逻辑控制系统发展而来的。自1836年继电器问世，人们就开始用导线将它同开关器件巧妙地连接，构成用途各异的逻辑控制或顺序控制。上世纪60年代末，它不断吸收微计算机技术使之功能不断增强，逐渐适合复杂的控制任务。随着微电子技术、计算机技术和数据通信技术的飞速发展、微处理器的出现，以及流程加工行业（如汽车制造业）对生产流程迅速、频繁变更的需求，PLC技术出现并快速发展。 目前，PLC在小型化、大型化、大容量、强功能等方面有了质的飞跃，使早期的PLC从最初的逻辑控制、顺序控制，发展成为具有逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理、联网通信及PID回路调节等功能的现代PLC。但是，仍然沿用着顺序扫描、程序控制等基本模式及CPU+通信+I/O的基本结构。 PLC之所以有生命力，在于它更加适合工业现场和市场的要求：高可靠性、强抗各种干扰的能力、编程安装使用简便、低价格长寿命。它的输入输出端更接近现场设备，不需添加太多的中间部件或需要更多的接口，这样节省了用户时间和成本。PLC的下端(输入端)为继电器、晶体管和晶闸管等控制部件，而上端一般是面向用户的微型计算机。人们在应用它时，可以不必进行计算机方面的专门培训，就能对可编程控制器进行操作及编程。长期以来，PLC始终处于工业控制自动化领域的主战场，为各种各样的自动化控制设备提供非常可靠的控制方案，与DCS和工业PC形成了三足鼎立之势。同时，PLC也承受着来自其它技术产品的冲击，尤其是工业PC所带来的冲击。目前，全世界PLC生产厂家约200家，生产300多种产品。国内PLC市场仍以国外产品为主，如Siemens、Modicon、A-B、OMRON、三菱、GE的产