一种海水淡化超滤反渗透装置智能控制系统

摘要

一种海水淡化超滤反渗透装置智能控制系统，包括协处理单元、超滤智能控制单元、反渗透智能控制单元、加药智能控制单元以及一些辅助单元；所述协处理单元，在于协调处理各超滤智能控制单元、反渗透智能控制单元、加药智能控制单元协同运行以及分配给各控制单元的控制水量等根据超滤智能控制单元反馈的进水量、各水质数据以及对超滤产水的影响系数，综合计算加药需求量并把此需求量传送给加药智能控制单元进行加药量的控制，当个别参数如浊度对加药量产生有较大影响时，则可选择水质影响参数为浊度，影响系数作为调整参数，通过此方法计算出来的加药需求量下发给加药控制模块，从而进一步控制整个系统的加药量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种海水淡化超滤反渗透装置智能控制系统，特别涉及海水淡化超滤反 渗透装置运行性能的诊断与评估以及相关控制系统及各单元的快速恢复等功能。

背景技术

近年来由于能量回收、变频控制等技术的应用，使得海水淡化超滤反渗透工程能耗 大幅降低而得到逐步地应用推广。但由于海水淡化工程一般采用PLC或DCS进行控制， 其维护工作量非常大也非常复杂，因而对控制系统维护人员的素质要求也非常高，目前 海水淡化工程仅仅只是在沿海企业有设备维护资源的电力行业中得到应用，而脱离了电 力企业单独建立的海水淡化工程均未得到广泛应用。

随着社会的高速发展和人口的急剧增加，淡水资源短缺问题已经引起世界各国的普 遍重视。我国是水资源大国，同时也是最为缺水的国家之一。我国水资源总量为2.8万 亿立方米，居世界第6位，而人均淡水资源量仅为2125立方米，是世界人均占有量的 四分之一，被联合国列为13个贫水国之一。我国沿海地区经济发达、人口密集，但人 均淡水资源量只有1266立方米，处于严重缺水状态。因此，我国对海水淡化工程的需 求非常迫切和巨大。

采用一种海水淡化超滤反渗透装置智能控制系统，可以降低对控制系统维护人员的 素质要求，从而使单独的超滤反渗透海水淡化工程得到大面积推广应用，并有效地降低 设备的运营成本。

现在用于海水淡化超滤反渗透的控制系统存在以下问题：

现有的PLC和DCS控制系统在系统扩容时，就算是原来参与项目实施的技术人员， 由于工程时间较长也需要有较长的程序熟悉周期，对项目的改造进度影响非常大。

现有的PLC和DCS控制系统在系统扩容时需对系统的硬件配置、逻辑程序等均需重 新下装，对系统的运行有很大影响。

现有的PLC和DCS控制系统，数据的保存手段单一，受上位机软件的局限性也非常 大，特定的数据无法即时保存，如诊断数据等。

现有的PLC和DCS控制系统的运行参数基于人工录入，没有参数管理功能，在系统 恢复后需对运行参数进行重新校正。如果调试数据以及后期运行调整数据保存不完整， 则会给系统的运行带来一定的隐患。

现有的PLC和DCS控制系统，主要是针对于设备的运行，对于设备的诊断没有及时 处理，只有在设备故障时才能给予报警处理及更换。

现有的PLC和DCS控制系统，主要是在控制室集中控制，现场只能把单个的就地设 备进行就地切换，进行单个阀门和设备的调试，这在系统出现异常时无法有效地进行人 为干预及现场监控。现有的PLC和DCS控制系统，无法有效地对设备损坏前后或停止时 的一些工艺工况参数进行记录。

发明内容

为此，本发明目的是，提出一种海水淡化超滤反渗透装置智能控制系统，可有效地 解决现有的PLC和DCS控制系统,由于人员、技术、管理等缺陷所带来的一系列问题。

本发明目的还在于：处理水量及水质变化时，系统加药量的计算与控制的问题。具 有监测泵的进出口压力及泵的出力，当泵的出力达不到预定指标时发出报警并切换到其 它备用泵。通过泵的进出口压力及流量等信息及时对水泵进行检查和保护。解决多列超 滤、反渗透系统运行时的流量不平衡问题，防止出现巨大的偏流运行状况。当人在现场 就地发现海水淡化超滤反渗透装置运行出现异常或故障时，可立即在就地对智能控制系 统进行干预。

本发明目的还在于：控制单元因外界因素造成损坏后快速恢复的问题。综合控制超 滤、反渗透的运行、冲洗、反洗的时间、水量等的控制协调问题。由于加药点的压力波 动导致加药不均匀的问题。由于用户对系统运行不熟悉，调整参数不合理等因素，造成 超滤、反渗透制水元件快速老化，避免膜元件氧化等情况的发生。由于用户管理不善， 造成系统运行参数丢失，造成将来系统维护困难等情况的发生。

本发明的技术方案是：一种海水淡化超滤反渗透装置智能控制系统，包括协处理单 元、超滤智能控制单元、反渗透智能控制单元、加药智能控制单元以及一些辅助单元；

所述协处理单元，在于协调处理各超滤智能控制单元、反渗透智能控制单元、加药 智能控制单元协同运行以及分配给各控制单元的控制水量等；根据超滤智能控制单元 反馈的进水量、各水质数据以及对超滤产水的影响系数，综合计算加药需求量并把此需 求量传送给加药智能控制单元进行加药量的控制；

根据需制水总量以及各超滤及反渗透的运行状态及制水数据，对各超滤及反渗透的 进行控制通过此方法计算出来的加药需求量下发给加药控制模块，从而进一步控制整个 系统的加药量；

根据需制水总量以及各超滤及反渗透的运行状态及制水数据，对各超滤及反渗透的 进行控制，从而平衡由于设备本身原因无法达到的总制水量；

具有检测泵的运行状态的功能；通过泵的进出口压力及流量等信息参考导入的泵的 特性曲线，当泵的运行状态与特性曲线偏离超过一定范围时进行报警提醒用户进行水泵 进行检查，以免对泵造成进一步损坏影响系统运行，并切换到其它备用泵。

超滤智能控制单元，在调试及运行时能够进行现场组态，即在现场调整运行步序及 时间参数；超滤智能控制单元运行时，用户或操作员可在现场干预，控制跳步或暂停。 同时控制单元会检测干预前所有的阀门或仪表状态及运行时间，询问操作员从上一操作 环节进入本环节需要对部分参数进行修改，通过用户确认后进行参数修改。超滤智能控 制单元监测超滤装置的运行状态，如超滤制水量达不到协处理单元下传的数据时，则向 协处理单元发出报警，协处理单元根据报警将该超滤未能完成的制水量下发给其它超滤 智能控制单元进行处理。

超滤智能控制单元运行数据备份及下传数据；用户可以在超滤智能控制单元上操作 把运行参数上传至协处理单元进行保存，当因为操作不当发送数据错乱或更换新的超滤 智能控制单元时，可以在确认超滤智能控制单元的地址后下传运行数据，使超滤装置快 速进入运行状态。

超滤智能控制单元运行反洗申请确认功能。在超滤需反洗时向协处理单元发送申请 进行反洗或冲洗备案，协处理单元收到信号后检测是否允许超滤进行反洗，如可以则直 接发指令给该超滤允许反洗；如可反洗则该超滤进行排序，轮到该超滤反洗时则发指令 给该超滤进行反洗。

加药智能控制单元，该加药智能控制单元根据协处理单元下传的加药需求量，以及 所检测药品浓度、泵的冲程、录入的管线长度、管径等信息自动控制加药泵运行频率。 加药智能控制单元检测加药点的压力变化，解决系统的加药均匀性功能。海水淡化超滤 反渗透装置内部超滤智能控制单元、反渗透智能控制单元、加药智能控制单元、辅助单 元接入协处理单元时，需进行检测备案才能运行，避免发生地址冲突。

泵的压力流量性能曲线采用多点数据压缩把泵的性能曲线进行近似保存，以减少曲 线的数据存储所需空间。将泵压力与流量的参数曲线，压缩为几个点，把这些点进行保 存。参数曲线恢复时，将这些点连成曲线，虽然和泵的性能曲线有一定区别，但可以满 足监控要求。泵流量在检测时与此压力点的正常的流量参数进行比较，当流量的变化量 大于正常的流量参数10%时，则水泵产生故障，且进行故障的处理（在检查其它参数后 可进行切换水泵）。

具有检测泵的运行状态的功能。通过泵的进出口压力及流量等信息参考导入的泵的 特性曲线，当泵的运行状态与特性曲线偏离超过一定范围时进行报警提醒用户进行水泵 进行检查，以免对泵造成进一步损坏影响系统运行，并切换到其它备用泵。

泵的压力流量性能曲线采用多点数据压缩把泵的性能曲线进行近似保存，以减少曲 线的数据存储所需空间。

本发明的有益效果是，通过提出一种海水淡化超滤反渗透装置智能控制系统，可有 效地解决现有的PLC和DCS控制系统,由于人员、技术、管理等缺陷所带来的一系列问 题。包括处理水量及水质变化时，系统加药量的计算与控制的问题。解决多列超滤、反 渗透系统运行时的流量不平衡问题，防止出现巨大的偏流运行状况。当人在现场就地发 现海水淡化超滤反渗透装置运行出现异常或故障时，可立即在就地对智能控制系统进行 干预。监测泵的进出口压力及泵的出力，当泵的出力达不到预定指标时发出报警并切换 到其它备用泵。控制单元因外界因素造成损坏后快速恢复的问题。总之，本发明尤其是 一种海水淡化超滤反渗透装置综合智能控制系统，尤其是能够根据超滤智能控制单元反 馈的进水量、各水质数据以及对超滤产水的影响系数，综合计算加药需求量并把此需求 量传送给加药智能控制单元进行加药量的控制；通过泵的进出口压力及流量等信息参考 导入的泵的特性曲线，当泵的运行状态与特性曲线偏离超过一定范围时进行报警提醒用 户进行水泵进行检查，以免对泵造成进一步损坏影响系统运行，并切换到其它备用泵。 根本保护最重要的动力－泵的运行。

附图说明

图1为一种海水淡化超滤反渗透装置智能控制系统结构图；

图2为协处理单元-人机界面（主界面）；

图3为协处理单元-人机界面（加药量设定、计算）；

图4-1为协处理单元-人机界面（泵性能测评）；

图4-2是泵性能曲线（A）和按点压缩泵性能曲线（B）；

图5为协处理单元-人机界面（超滤组态信息）；

图6为传统加药方案与智能加药方案对比；

图7本发明所采用的通信帧格式；

图8单元接入检测备案控制流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种海水淡化超滤反渗透装置智能控制模块由：协处理单元、多个超 滤智能控制单元、多个反渗透智能控制单元、多个加药智能控制单元以及辅助单元等组 成。以下逐一说明各控制单元的作用。

协处理单元

协处理单元是整个海水淡化超滤反渗透装置智能控制系统的总协调单元。负责控制 模块内所有控制单元的协同工作的处理、数据的存储等。

为达到以上功能，协处理单元主要由下列部分组成：

1、人机界面，为现场操作人员、调试人员等与协处理交互的通 道。本系统的人机界面为显示屏和触摸面板以达到人机有效的交互。

2、控制单元通讯接口，该通讯接口基于RS485硬件结构，系统 按功能为超滤智能控制单元、反渗透智能控制单元、加药智能控制单元以及一些辅助单 元预留接口。通过地址对同类控制单元进行识别及控制。

3、远端通讯接口，该接口为基于工业以太网结构，为给控制室 的操作台预留的通讯接口，通过该接口用户可以监控每一个控制单元的状态，也可以将 所有的运行参数上传备份或下载。

4、CF卡接口，该接口为协处理单元的运行数据、设定参数等的 存储、参数恢复、故障数据的介质接口。（故障数据指发生紧急停运时的各控制单元的 报警顺序及运行数据）

5、内部软件功能模块，该部分主要有加药控制模块、流量平衡 模块等组成。

超滤智能控制单元、反渗透智能控制单元；超滤智能控制单元、反渗透智能控制单 元均为控制超滤、反渗透装置运行的功能模块，该模块具有阀门的控制及反馈信号接入， 水泵的控制为上传给协处理单元由协处理单元进行流量平衡后下发给辅助单元控制水 泵的运行。超滤智能控制单元、反渗透智能控制单元将在后续参照图5协处理单元-人 机界面进一步说明。

根据需制水总量以及各超滤及反渗透的运行状态及制水数据，对各超滤及反渗透的 进行控制；如：某工况，正常情况下混凝剂和絮凝剂加药量为0.2mg/L，如个别参数如 浊度对加药量产生有较大影响时，则可选择水质影响参数为浊度，影响系数作为调整参 数（如1.0为不调整），通过此方法计算出来的加药需求量下发给加药控制模块，从而 进一步控制整个系统的加药量；

根据需制水总量以及各超滤及反渗透的运行状态及制水数据，对各超滤及反渗透的 进行控制，如：系统当前需制水总量为300±20t/h，启动3套超滤系统进行制水，每台 制水量为100t/h，如果其中1套超滤制水量达不到制水要求只有约70t/h,3台合计制水 量为270t/h，达不到制水量下限280t/h，在运行一段时间后（如20min），系统将另2 台的目标制水量自动修改为115t/h，同时把不达标的超滤目标制水量修改为70t/h，从 而平衡由于设备本身原因无法达到的总制水量；

具有检测泵的运行状态的功能；通过泵的进出口压力及流量等信息参考导入的泵的 特性曲线，当泵的运行状态与特性曲线偏离超过一定范围时进行报警提醒用户进行水泵 进行检查，以免对泵造成进一步损坏影响系统运行，并切换到其它备用泵，如：某导入 的泵参数曲线上的某个工作压力点与当前工作压力相同（0.96MPa），此时出力为105t/h 左右，出力按3%的偏差范围计算为102～108t/h，如果泵在此压力下运行而其流量不在 该范围内，则可推断此泵未正常运行，经过一定延时后对其进行报警以便在泵出现故障 时早期给予处理。

加药智能控制单元

加药智能控制单元，该控制单元内置加药计算模块，根据协处理单元下传的加药需 求量、检测（或录入）的药品浓度以及泵的冲量等信息，计算加药泵的输出频率。在首 次加药时根据加药管线的长度、管径等参数在计算后得出初始加药的加药稀释泵给水流 量、加药泵的加药量、延时时间等确保加入药品的均匀性。后续参照图6传统加药方案 与智能加药方案对比进行进一步说明。

辅助单元

辅助单元，该控制单元主要由两部分组成，一部分为外围采集的公用数据，用于辅 助的监控数据；另一部分为生产过程中的一些水泵的控制以及一些泵主、备的选择、泵 出力的计算调节等的控制。后续参照图2协处理单元-人机界面（主界面）进行进一步 说明。

如图2所示，协处理单元-人机界面（主界面），该界面主要功能是协处理单元对超 滤单元及反渗透单元进行运行监视与控制。

（超滤、反渗透）给水泵控制模块

协处理单元把给水泵水量下发给辅助单元，辅助单元接收水量信息后根据正在运行 水泵的运行、停运数据，以及泵的性能参数曲线计算出泵需运行泵的信息并将该信息发 送给马达控制回路进行泵的启停等控制。

泵的选择，辅助单元记录泵的运行时间及停运时间，选择泵的运行，启动时优先考 虑选择停运时间较长的泵；停泵时选择运行时间较长的泵进行停运。当运行时间过长（如 48小时，可在系统内设定），辅助单元会自动检测是否有备用泵，如果有备用泵则选择 停运时间较长的备用泵替换运行时间过长的水泵。

泵流量对泵运行数量及运行参数的控制，辅助单元在接收到流量需求后首先判断需 求流量的变化量，如变化量较小（如变化量小于10%，可在系统内设定）时，系统不进 行水泵运行参数的调整。当变化量较大时，则根据水泵的性能曲线查看是否能满足调整 要求，如可以调整则按给定变化进行调整，如不能调整，则进行报警，并将报警信息上 传至协处理单元，协处理单元根据报警信息进行相关处理。

协处理单元仅处理水量分配及特殊的控制协调。协处理单元将水量均分后下发给超 滤、反渗透智能控制单元。超滤、反渗透控制单元根据分配的水量，调整超滤调节阀开 度及反渗透高压泵变频器的频率，完成超滤、反渗透的控制。

超滤反洗控制，在超滤静置一段时间或运行一定周期后，超滤需进行反洗，超滤的 反洗需结合药品量、反洗水量、有无其它超滤在反洗等各种因素进行判断是否可以反洗。 超滤需进行反洗时由超滤智能控制单元向协处理单元发送反洗请求，协处理单元收到反 洗请求首先检查药品量、反洗水量等条件是否具备反洗条件，如不具备则发出报警，通 知运行人员。如可以进行反洗，则检查是否有其它超滤在反洗，如没有则向超滤智能控 制单元发送反洗指令；如有其它超滤在反洗，则将该超滤装置排队，轮到该超滤反洗时 向该超滤发出反洗指令。

如图3所示，协处理单元-人机界面（加药量设定、计算），该界面主要功能为协处 理单元完成总加药量和计算，下发给加药智能控制单元，加药智能控制单元根据加药需 求量，结合药品浓度计算出加药量，再参考加药泵的性能、扬程等参数计算出加药变频 泵的运行数量和给定频率。

如图4-1所示，协处理单元-人机界面（泵性能测评），该界面主要功能是根据辅助 单元上传的泵的运行状态、水泵的母管流量核算出单台泵的流量，在线对照是否符合泵 的性能曲线的偏差要求。如不符合要求，向协处理单元报警，运行人员根据该报警检查 给水泵是否有故障等问题。泵的压力流量性能曲线采用多点数据压缩把泵的性能曲线进 行近似保存，以减少曲线的数据存储所需空间。

图4-2是泵性能曲线（A）和按点压缩泵性能曲线（B）。

把泵压力与流量的参数曲线，压缩为几个点，把这些点进行保存。曲线恢复时，把 这些点连成曲线，虽然和泵的性能曲线有一定区别，但可以满足监控要求。泵流量在检 测时与此压力点的正常的流量参数进行比较，当流量的变化量大于正常的流量参数10% 时，则水泵产生故障，且进行故障的处理（在检查其它参数后可进行切换水泵）。

如图5所示，协处理单元-人机界面（超滤组态信息），本该界面主要提供一个超滤 的组态界面。以下对界面里的各信息进行说明：

地址：01-01，此信息为超滤智能控制单元接入协处理单元的端口和地址信息。 “01-xx”的01表示接入的为协处理单元的超滤总线接口（02为反渗透、03为加药、 04为辅助单元）。“xx-01”的01为超滤智能控制单元的地址。

状态：联网，此信息为超滤智能控制单元的接入状态，该信息有3种显示状态，分 别为：联网（该单元已组态且在线运行正常），离线（设备已组态，但因故障协处理单 元无法检测到该单元），未组态（该单元接入，协处理单元可以扫描到该单元但，未对 该单元进行备案，协处理单元不能对该单元进行控制）。

以下有关图5的参数均为超滤智能控制单元的信息。

进水调节阀参数，输出和反馈为选择调节阀的控制和反馈信号类型，有4-20mA、 0-20mA、0-5V、1-5V合计4种信号方式。FI1～FI5为协处理单元下发的流量范围，对 应着不同的阀门开度以调节流量，不同的流量区间对应不同的调节系数（或曲线斜率， 该斜率根据整定的流量与开度由超滤智能控制单元进行自动计算），这些参数（流量与 开度）在系统初期投用时予以整定。阀门微调范围，为当按整定的开度进行调节时，达 不到或超过给定流量，则由超滤智能控制单元在微调范围内进行微调，以达到协处理单 元下发的流量。

辅助仪表配置，该部分参数为超滤运行的其它仪表接入设置，AI1～AI4为通道号。 AI1对应的0.0-200.0为量程。AI1对应的F2为组合参数，包含AI1的接入数据类型、 单位等信息，“F”为流量（单位：吨），“2”为出口，其它C为电导（单位：us/cm）,D 为差压，（单位：KPa）,N为浊度等。

最后为步序信息，由V1～V5、P1、P2和A1～A16组成一个矩阵V1～V5为动作的阀 门（V1～V5根据不同的超滤膜对应），P1、P2为启动的水泵（P1为需启动给水泵，P1 为需启动反洗水泵），A1～A16为操作顺序。矩阵中红色为当前正在操作的步序，如运行 中需加开或关闭阀门或泵，只需点击当前泵与阀门对应的绿色圆圈或红色实心圆点，在 确认后即可行修改，通过保存步序按钮进行保存所需步序。如需修改每一步序的时间， 可以点击修改时间进行每一步时间的修改。步序的完成条件可以点击A1～A16进行修改 或设定。

如图6所示，传统加药方案与智能加药方案对比。传统的加药方案为加药泵将配好 的药品直接加入超滤进水管，但在超滤装置入口的压力的波动会造成实际加药量的波动， 此外加药泵本身的脉动特性也使得进入超滤装置的药液不均匀，因此而影响产水水质。 本发明从给水泵出口引一路稀释水至加药泵出口，药品在较长的药品管路传输过程中被 稀释，同时给水泵出口压力变化时，稀释水的压力也随之变化。这样就有效减小了给水 泵的压力变化以及加药泵本身的脉动特性对超滤加药造成的影响。

如图7所示，本发明所采用的通信报文格式。现作以下说明：

起始帧：nnH，为16位数据。系统内任何通讯均以此数据作为起始数据，nn为01 时为超滤智能控制单元的专用起始位，02为反渗透智能控制单元的专用起始位，03为 加药能控制单元的专用起始位，04为辅助单元的专用起始位，协处理器的通讯端口接收 到错误的起始帧时会通过该端口发送“nn+add+54+00+CRC”将该单元备案关闭并报警， 被关闭的单元会关闭并发出报警信息。

地址，为控制单元的地址码。此地址码在一个端口内是唯一的，当发现重复时，控 制单元会自动解除备案，离开运行状态，协处理器发出报警，发生冲突的两个控制单元 会同时发出报警信息。

命令字，为控制指令信息。01为读取状态命令字，控制单元收到该命令字后会把指 定的数据反馈给协处理单元。02为控制命令字，作用为向控制单元发送控制指令等，如 流量、加药量、报警数据等。其它还有一些特列状态字，如5x等，为一些特列的控制 和状态信息，这里不做详细说明。

校验码，为发送数据的最终计算校验，在数据发送过程中受到干扰时，数据会发生 变化，两端采用同一校验算法，当数据发生变化校验码验证不一致，此时接收数据端会 发送“02+add+42+00+CRC”数据请求，发送端会将原数据重新发送，本系统采用CRC16 校验。

如图8所示，本发明防止新接入控制单元与原有控制单元冲突，均采用备案方式进 行注册，未备案的控制单元不参与系统运行和控制。控制单元设有备案硬件按钮，当按 下按钮后控制单元会检测通讯接口连接的正确性，如不正确则立即报警，并断开通讯； 如接线正确则发送备案请求命令字“02+add+52+00+CRC”进行备案请求并等待备案处理， 协处理单元收到备案请求后发送备案查询命令字“02+add+53+00+CRC”，如有同地址控 制单元已备案则反馈“02+add+54+00+CRC”状态字，如没有收到已备案状态字，协处理 单元在经过30秒延时后发送“02+add+55+00+CRC”，处于等待备案处理的控制单元在接 收到该指令后完成备案，置于已备案状态，协处理单元下发指令进行运行。