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1、反渗透设计毕业设计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PLC的发展及显而易见的优点, 使其在工业生产过程控制中得到了广泛的应用, PLC控制系统具有安全可靠、功能完善、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
2、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Wincc 组态软件和可编程控制器( PLC) 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；PLC 通过工艺流程图和程序运行等模块即可说明 Abstract Nowadays peoples living standards has gradually improved the
3、 quality of water is bound to put forward higher requirements. Today, all fields are required high purity water. Such as solid state electronic devices, thick film and thin film circuits, printed circuits, vacuum tubes also have to use ultra-pure water production. With the development of PLC and the
4、 obvious advantages of the process control in industrial production has been widely applied, PLC control system with safe, reliable, functional, convenient, and accurate, which greatly improved the water level of automation. This paper introduces the development of two reverse osmosis water treatmen
5、t system and its background, its automatic control system of control, equipment selection are described. In this paper, two reverse osmosis water treatment system, the main circuit diagram. This device mainly consists of two parts .First, raw water pretreatment, municipal tap 1 water into the origin
6、al water tank, through the pretreatment system, the original water impurities has effectively removed. Second, osmosis, osmosis is the process of penetration phenomena in concentrated solution, Using pressure to remove impurities, resulting in high purity water to meet the industry demand and other
7、aspects of life. For the purpose of enhancing system reliability， improving the control precision and the passing rate of water treatment and reducing the burden on operators， a reverse osmosis water treatment monitoring system was designed based on WINCC and PLC， combining the practice in certain p
8、lant Automatic control， centralized data management， fault alarm， and many other functions were achieved; Graphical interface displays the whole process and operates easily Key Words：Reverse Osmosis；Automatic control；PLC 目 录 摘要 . 1 Abstract . 1 目 录 . 2 1 引言 . 4 1.1 设计背景 . 5 1.2 反渗透系统发展概况 . 6 1.3国内反渗
9、透膜及其应用 . 7 1.3国外反渗透及其应用 . 8 1.4纳滤膜及其应用 . 9 2反渗透系统工艺流程 . 11 3 反渗透水处理系统硬件设计 . 14 3.1 可编程控制器PLC系统模块设计 . 14 2 3.1.1 PLC简介 . 14 3.1.2 PLC控制功能的选择 . 16 3.1.3 PLC选型 . 17 3.1.4 模拟量I/O模块的种类 . 18 3.1.5 PLC输入、输出电路 . 19 3.2 控制电路设计 . 21 3.2.1 变频器简介 . 21 3.2.2 变频器的选型 . 22 3.2.3变频器的端子接线 . 25 3.2.4控制电路 . 28 3.2.5控制面
10、板及所需材料 . 29 3.3 主电路设计 . 29 3.4触摸屏的选型 . 31 3.5反馈设备以及仪表 . 33 3.5.1压力变送器 . 33 3.5.2电接点压力表 . 35 3.5.3 两线制和四线制仪表的接线区别 . 36 3.6控制系统机构、控制原理、通讯 . 37 3.6.1控制结构和原理 . 37 3.6.2通讯 . 38 4 系统软件设计 . 38 4.1 系统软件设计概述 . 38 4.1.1软件需求分析 . 39 4.1.2软件设计 . 39 4.2 PID控制设计 . 40 4.2.1 PID控制原理 . 40 4.2.2 PID控制器的参数整定 . 41 4.2.3
11、 PID的反馈逻辑 . 41 4.2.4 P、I、D参数调整原则 . 41 4.2.5PID恒压供水设计及实现 . 42 4.3 STEP 7 . 44 4.3.1 STEP7 概述 . 44 4.3.2 STEP7硬件组态与参数设计 . 44 4.4 PLC控制程序 . 46 4.5人机界面设计 . 47 3 4.5.1 SIMATIC WinCC 简介 . 47 4.5.2监控设备结构 . 51 4.5.3流程画面 . 54 5 结论 . 58 致谢 . 59 参考文献 . 60 附录 . 61 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
12、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，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。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、微孔膜过滤和电渗析技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
13、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。 4 1.1 设计背景 (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
14、然渗透相反，故叫反渗透。 图1.1 反渗透的基本原理 (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： CRT 渗透压 C 离子浓度差 R 气体常数 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pH值的影响。 基本关系式 1、产水率：QW=KWA(DP-Dp)/d 2、盐通量：QS=KSADC/d (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。
15、 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TFC膜的胺基受氧化而破坏、受到强酸强碱的溶解等。 5 图1.2 反渗透系统的配置 (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。
16、1.2 反渗透系统发展概况 XX年法国学者阿贝诺伦特(Abble Nellet)发现，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“Osmosis”一词来描述半透膜的这种现象。XX年，Graham通过对动物膀胱的一系列演示实验。发表了第一篇证实存在膜渗透现象方面的论文，并于XX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XX年开始的。XX年，Gramer等人通过进一步实验，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，Sehmidt首次发现了膜超滤现象，并公开了第一个超滤实验，证明牛心
17、胞膜能部分截留溶解的阿拉伯树胶。XX年，HBechold发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”(Uhrafiltration)一词。XX年，Donnan提出了膜平衡的概念，后称Donnan理论，至今仍被用于解释半透膜和离子交换膜的选择透过性。XX年，Zemieke位相显微镜和Ardenne Ruska电子显微镜开始出现，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。XX年，Groy开始引出了离子具有主动迁移(active transport)的概念。XX年，Teorell和Meye
18、r以及Sievers通过实验表明荷电型膜既体现了Donnan膜平衡理论， 6 又体现了扩散电位学说。XX年，Goldman定电位学说问世，进一步补充和发展了膜学说。XX年，GE(General Electric)公司成功地用放射线痕迹腐蚀法制得核孔性超滤膜。XX年，Juda论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Reid和Hassle第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。XX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。XX年，美国佛罗
19、里达大学的Reid在美国内务部盐水局(OSW)开始反渗透的研究，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。XX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。XX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，Loeb和Milstein用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。XX年美国Hevens公司首先提出管式膜组件的制造方法；XX年美国通用原子公司研制出螺旋式反渗透组件；XX年美国加利福尼亚大学制造出用于苦咸水
20、淡化的管式反渗透装置，生产能力为19 td；XX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；XX年又研制出以芳香聚酰胺为膜材料的“Permasep-9”中空纤维膜组件，并获得XX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XX年，而XX年开始的全国海水淡化会战则为CA不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XX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
21、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。 1.3国内反渗透膜及其应用 我国从XX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XX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XX年代后期，最早多限于电子、半导体纯水，XX年代以后逐渐扩大到电力及其它工业，
22、XX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XX年的国内销售额在11.5亿人民币左右。随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： 1.大型反渗透装置集中于锅炉补给水用途 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 7 会出现超过1000吨/小时的超
23、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。 2.饮用水处理应用限于中、小规模 在国外，100010000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。 3.油田用水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
24、司也是一个商业机会。 4.纳滤膜应用刚刚开始 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。 1.3国外反渗透及其应用 我国从XX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XX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
25、范围。 国内反渗透应用始于XX年代后期，最早多限于电子、半导体纯水，XX年代以后逐渐扩大到电力及其它工业，XX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XX年的国内销售额在11.5亿人民币左右。随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： 1.大型反渗透装置集中于锅炉补给水用途 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 8 扩
26、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。 2.饮用水处理应用限于中、小规模 在国外，100010000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。 3.油田用水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
27、，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。 4.纳滤膜应用刚刚开始 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。 1.4纳滤膜及其应用 1.纳滤膜的定义及种类 纳滤(NF)膜早期称为松散反渗透(Loose RO)膜，是XX年代初继典型的反渗透(RO)复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) NF膜介于RO与UF膜之间，对Na
28、Cl的脱除率在90%以 下，RO膜几乎对所有的溶质都有很高的脱除率，但NF膜 只对特定的溶质具有高脱除率； (2) NF膜主要去除直径为1个纳米(nm)左右的溶质粒子，截留 分子量为1001000，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、Ca、Mg等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NTR-7250 9 膜为正电荷膜，NTR-7450为负电荷膜。 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
29、滤膜及其性能列于表3和表4，以供参考。 2.纳滤膜的应用 (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3.8万吨/日(XX年)和3.6万吨/日(XX年)，这两套装置均为Hydranautics公司承建，使用聚乙烯醇材质的PVD1膜。Film tec公司的NF-70膜也在多套万吨/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
30、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(NF)和超滤(UF)因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(FDA)曾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1991XX年组织国家攻关项目“MAC 21”(Membrane Aqua Century 21)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THM、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)
