CN101654309A - 智能化纯水/超纯水制取系统及其自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种智能化纯水/超纯水制取系统及其自动控制方法，包括水的预处理、加药、膜过滤、杀菌和消毒，其特征在于：从原水进水至纯水产品水全流程采用模块设计，整个工艺流程由预处理模块、恒温模块、反渗透初级脱盐模块、EDI深度除盐模块、物理杀菌模块、TOC分解模块、脱气模块、调温模块和水质精处理模块依次串连组成；流程中各级模块的工作采用集散型自动控制系统，通过PC技术，利用现场总线，实现对系统各工艺流程模块工作情况集中管理、分散控制的三级控制。本发明设计成集成化装置，全流程模块化设计可以任意添加或删减而不影响整体系统的运行，在应用方面具有很高的灵活性，具有结构紧凑、提高施工质量、缩短施工周期等优点。

Description

智能化纯水/超纯水制取系统及其自动控制方法

技术领域

本发明涉及一种水处理技术，特别是公开一种智能化纯水/超纯水制取系统及其自动控制方法，应用于医药工业、纯净水工业及电子工业高纯水领域。

背景技术

随着上世纪90年代引进国外纯水/超纯水设备，到目前国内工业水处理技术和设备的迅速发展，先进的纯水/超纯水制造工艺设备和自动化控制在这一领域的广泛应用，具有很大的市场需求，几乎国民经济所有的行业都会用到纯水或超纯水。

一般纯水/超纯水制取系统的自动控制内容包括：设备的自动启停、设备的自动清洗或再生、以及设备的自动切换。

由于纯水水质要求的不断地提高和工艺技术的发展，其自动控制要求也随之越高，系统中“精确控制”的要求也越来越多，不仅要完成一般的自动控制，还应包含更完善、更精确、更先进的自动化控制，譬如自动加药；自动显示；自动监测；自动记录或打印；自动报警；自动保护；自动恒温恒压供水；自动加热。由于控制的精确度以及实时监控对于系统的安全、可靠性影响重大，而仅靠一般的自动控制方法及监控模式是远远不够的。

在日常运行管理过程中，系统运行的状况及参数一般是由专职人员记录、保存。此类参数对于系统维护，隐患及故障排除意义重大。由于一般专职人员实行连续跟班操作，人员配置较多，而且人员经培训后的接受能力不同，容易出现误操作，参数的漏记、错记以及资料保管的缺失，很大程度上影响到系统安全可靠地运行，造成损失。

近年来随着能源价格不断上涨，国家对节能提出了更加严格的要求。节水和节电是节能的重要指标，然而水和电又是纯水制取系统中不可或缺的，所以节能对于纯水制取系统来说意义更为重要。降低系统运行成本，节约能耗是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是解决纯水/超纯水制取系统目前存在的上述问题，近年来本发明发明人在纯水/超纯水制取系统的智能化控制方面重点研发，使制取系统产生了突破性的变化。同时，通过优化工艺配置和模块化设计技术，使制取系统更加人性化、环境化、现代化，公开一种纯水/超纯水制取系统，它是现代化工艺水平的标志，是节省工程投资、降低能耗、运行可靠的保证。

本发明是这样实现的：一种智能化纯水/超纯水制取系统，包括水的预处理、加药、膜过滤、杀菌和消毒，其特征在于：从原水进水至纯水产品水全流程采用模块设计，整个工艺流程由预处理模块、恒温模块、反渗透初级脱盐模块、EDI深度除盐模块、物理杀菌模块、TOC分解模块、脱气模块、调温模块和水质精处理模块依次串连组成。

预处理模块由膜过滤组成超滤器，通过预处理后，达到浊度≤0.5NTU、游离氯≤0.1mg/L。所述的脱气模块利用扩散的原理将水中的氧气、二氧化碳气体去除，降低溶解氧及游离二氧化碳气体含量，出水氧气和二氧化碳浓度小于1ppb。所述的恒温模块安放在反渗透初级脱盐模块前级，保证系统夏季工作时，反渗透初级脱盐模块效能的发挥；恒温模块和调温模块所需的热量采用工厂空调系统回收的热量，对系统中的水泵进行变频调速，实现电机的节电功能。

一种智能化纯水/超纯水制取系统的自动控制方法，其特征在于：采用集散型自动化控制系统，通过PLC技术、PC技术利用现场总线，实现对系统各工艺流程模块工作情况集中管理、分散控制的三级控制：

(1)就地手动控制：通过就地控制盘的按钮或控制器可对设备进行手动开停；

(2)水处理房站PLC控制：站房内的PLC独立执行自身的控制程序，处理输入输出信号；

(3)中控室集中监视：中心控制室对纯水制取系统的运行状况及数据进行实时监测。

自动控制系统对工艺各流程中重要参数指标进行在线监控：电导率、电阻率、pH、ORP、TOC、流量、压力、液位、温度；将信号传送到PLC上，PLC根据工艺要求按照逻辑运算、程序控制、定时和计数通过预先编制的程序，结合现场输入开关量、模拟量信号，实现自动化控制。

通过现场总线技术可以实现先进的“人机对话”功能，主要有以下几个模块：(1)流程图显示功能模块；(2)历史趋势图显示模块；(3)实时数据显示模块；(4)报警和保护处理功能模块；(5)数值任意设定功能模块；(6)资料储存功能模块；(7)打印功能模块；(8)系统设定模块。

本发明的有益效果是：采用全流程模块化设计，将纯水/超纯水制取系统中的设备设计成集成化装置。全流程模块化设计可以任意添加或删减而不影响整体系统的运行，实现水质目标，因此在应用方面具有很高的灵活性，装运简便，运输成本低；模块化设计不仅使得施工质量提高，施工周期缩短；而且还提高了产品质量；单元之间结构紧凑，占地面积小。

附图说明

图1是本发明水处理流程模块连接程序图；

图2是本发明自动控制水处理流程方框原理图。

图中：1、MCC变频控制柜；2、PLC控制柜；3、流程图显示窗口；4、电导率监控、设定面板；5、电阻率监控、设定面板；6、pH监控、设定面板；7、OPR监控、设定面板；8、流量监控、设定面板；9、压力监控、设定面板；10、液位监控、设定面板；11、温度监控、设定面板；12、现场总线；13、中控室PC机。

具体实施方式

根据附图1，本发明从原水进水至纯水产品水全流程采用模块设计，整个工艺流程由预处理模块、恒温模块、反渗透初级脱盐模块、EDI深度除盐模块、物理杀菌模块、TOC分解模块、脱气模块、调温模块和水质精处理模块依次串连组成。

预处理模块可由超滤或者传统过滤器构成，通过预处理后，达到浊度≤0.5NTU，游离氯：≤0.1mg/L，保护后级反渗透装置。

EDI深度除盐模块采用一种选择性膜和离子交换树脂夹在直流电源电场从初纯水中深度除盐，替代传统的离子交换器，无酸碱化学品的排放，属于环保型设计。EDI英文全称是Electrodeionization，是电去离子工艺的简称。

脱气模块利用扩散的原理将水中的气体(如氧气、二氧化碳)去除，降低溶解氧及游离二氧化碳气体的含量，出水氧气和二氧化碳浓度可小于1ppb，达到纯水/超纯水的水质要求。较其他传统工艺具有占地面积小，操作成本低，可精确控制溶解气体的含量等特点。

水质精处理模块是为了使最终出水的电阻率能够达到18MΩ·cm(25℃)，减少用电导仪、电阻率仪表能够测量到的离子类物质，采取的一些列措施和设备对出水加以保障，使水质趋于稳定。

对于纯水/超纯水制取系统的供水管道采用循环方式供水的方式，其循环附加水量为使用水量的30％～100％，保证水质满足用户的要求。

其余模块按常规技术组成及设计。

随着水处理行业对过程控制质量和系统运行成本要求的不断提高，智能化控制在该领域的应用需求也日趋广泛。本发明通过实现整个纯水/超纯水制取系统运行过程的智能化控制，可以动态掌握运行情况，做到心中有数。

根据附图2，本发明采用集散型自动化控制系统，通过PLC技术的高可靠性、模块化结构以及编程简单等特点，结合PC技术，利用现场总线，实现对系统各工艺流程模块工作情况集中管理、分散控制的三级控制，即就地手动控制，水处理站房PLC控制，中控室集中监视，从而达到智能化控制的目的。

在工业连续型流程生产自动控制中，对各重要参数指标进行在线监控，如电导率、电阻率、pH、ORP、TOC、流量、压力、液位、温度等，将信号传送到PLC上，PLC根据工艺要求按照逻辑运算、程序控制、定时和计数等通过预先编制的程序，通过现场输入信号(包括开关量、模拟量)，实现自动化控制。确保产品水满足要求；同时对控制精度要求高的工艺(如加药控制等)，采用PID(比例积分微分调节)技术，通过在线4～20mA信号的反馈实现自动控制，做到精准性高。

对整个工艺中各个模块运行过程的各主要控制点进行声光报警，如缺水保护、超压保护、低压保护、液位失灵、水泵电气故障、超温保护等，一旦出现故障，及时发出报警信号，通知操作人员前来检查及排除问题，并直接显示报警点或报警原因，便于直接排除故障。

由PLC采集模拟信号进行数据处理，通过现场总线技术，在中心控制室即可对纯水制取系统的运行状况及数据进行实时监测。应用现场总线为更好的实现智能化控制提供了可靠的支撑平台。比较常用的现场总线有：profibus、modbus、canbus、devicenet、lonworks等。

PLC主要采用的技术及品牌为德国西门子，日本欧姆龙，日本三菱等。

通过现场总线技术对中控室PC机可以实现先进的“人机对话”功能。主要有以下几个模块：

(1)流程图显示功能模块：

主要是显示各单元模块和相应设备的变化情况。直观地反应各单元及工艺点的运行状态，操作人员通过调用这些丰富的画面，可以全面的掌握整个系统的运行情况，并且很方便地对设备进行操作，从而使得显示更加直观、信息掌握更加准确简便。此外，无需配备较多的操作人员，节省了运营开支。

(2)历史趋势图显示模块：

实现历史运行状况的趋势再现显示，对运行状况有一个纵向的全面了解。

(3)实时数据显示模块：

可以显示实时采集的数据，使操作人员同时可以观察到多个数据内容。

(4)报警和保护处理功能模块

系统记录设备报警发生时的有关信息，如故障名称、报警信息、故障报警时间等，并可以对报警信息进行管理。

(5)数值任意设定功能模块

为了更好的达到水质要求，对主要控制点的数值，可以随时方便的设定。

(6)资料储存功能模块

可以将系统的历史数据、实时数据及报警信息进行保存，提高了数据的准确性，防止数据的遗漏或丢失。操作维护手册、故障分析及排除、所有技术图纸等相关资料也可以一并保存，便于现场翻阅及查找。

(7)打印功能模块

通过配置的打印机可以将各类数据进行打印，以便归档保存。

(8)系统设定模块

主要用于对整个工艺系统的安全手段设置。密码的设定，加强了安全保密措施，对各用户的操作权限进行控制，只有系统操作人员及有关机器管理人员才能进行操作，从而保证系统的正常运行，可以有效地阻止无关人员越权使用操作机器，提高了系统的安全性。

本发明在节能控制方面的改进：

(1)变频技术在本系统中的运用：

根据流量或者压力信号的反馈，通过闭环和PID控制的变频技术，对纯水/超纯水制取系统内的水泵进行变频调速，在用水量大的情况下提高频率，加大出水量，反之则减小频率，这样不仅节约了水而且更节约了电，减少了不必要的能耗浪费，以实现节能的目的，这样即可降低设备维护和保养的成本，又可缩短设备投资回报期。

(2)工厂空调系统热回收技术应用于恒温模块及调温模块：

根据反渗透膜元件的特性，其透水量受温度影响较大。一般来说，温度每下降1℃，其透水量下降1～3％左右。为保证冬季水温较低时，系统仍有足够的产水量，需恒温至25℃，保证反渗透初级脱盐模块效能的最佳发挥。

纯水/超纯水处理系统根据不同的应用领域有着不同的温度要求；且若应用于同一领域，使用场合不同，温度要求也不同，目前一般广泛采用热水/蒸汽、冷水/冷却水作为热媒/冷媒进行温度调节。

本发明采用工厂空调系统热回收技术可减少能耗，降低运行成本，实现节能减排的目的，提高企业的经济效益。

通过以上工艺流程的改进和结构设计、自动化技术的运用以及节能措施，，使纯水/超纯水制取系统实现了智能化、模块化、节能化及稳定化，集机、电、气、液压系统于一体，全面解决了同类产品目前所存在的缺陷，降低了系统故障率，保证系统运行的可靠性和安全性，提高了运行管理的简便性、处理效率，避免重复投资，保证处理效果，降低运行成本，在技术上有较大的进步与改进，增加了系统的功效，更实用，符合市场需求，具有广泛推广利用的价值，实为新颖、先进、实用的新设计。

Claims (6)

1.一种智能化纯水/超纯水制取系统，包括水的预处理、加药、膜过滤、杀菌和消毒，其特征在于：从原水进水至纯水产品水全流程采用模块设计，整个工艺流程由预处理模块、恒温模块、反渗透初级脱盐模块、EDI深度除盐模块、物理杀菌模块、TOC分解模块、脱气模块、调温模块和水质精处理模块依次串连组成。

2.根据权利要求1所述的智能化纯水/超纯水制取系统，其特征在于：所述的脱气模块利用扩散的原理将水中的氧气、二氧化碳气体去除，降低溶解氧及游离二氧化碳气体含量，出水氧气和二氧化碳浓度小于1ppb。

3.根据权利要求1所述的智能化纯水/超纯水制取系统，其特征在于：所述的恒温模块安放在反渗透初级脱盐模块前级，保证系统冬季工作时，反渗透初级脱盐模块效能的发挥；恒温模块和调温模块所需的热量采用工厂空调系统回收的热量，对系统中的水泵进行变频调速，实现电机的节电功能。

4.一种权利要求1所述的智能化纯水/超纯水制取系统的自动控制方法，其特征在于：采用集散型自动化控制系统，通过PLC技术、PC技术利用现场总线，实现对系统各工艺流程模块工作情况集中管理、分散控制的三级控制：

(1)就地手动控制：通过就地控制盘的按钮或控制器可对设备进行手动开停；

(2)水处理房站PLC控制：站房内的PLC独立执行自身的控制程序，处理输入输出信号；

(3)中控室集中监视：中心控制室对纯水制取系统的运行状况及数据进行实时监测。

5.根据权利要求4所述的智能化纯水/超纯水制取系统的自动控制方法，其特征在于：自动控制系统对工艺各流程中重要参数指标进行在线监控：电导率、电阻率、pH、ORP、TOC、流量、压力、液位、温度；将信号传送到PLC上，PLC根据工艺要求按照逻辑运算、程序控制、定时和计数通过预先编制的程序，结合现场输入开关量、模拟量信号，实现自动化控制。

6.根据权利要求4所述的智能化纯水/超纯水制取系统的自动控制方法，其特征在于通过现场总线技术可以实现先进的“人机对话”功能，主要有以下几个模块：

(1)流程图显示功能模块：主要显示各单元模块和相应设备的变化情况，直观地反应各单元及工艺点的运行状况，因此无需配备较多的操作人员，节省了运营开支；

(2)历史趋势图显示模块：实现历史运行状况的趋势再现显示，对运行状况有一个纵向的全面了解；

(3)实时数据显示模块：显示实时采集的数据，使操作人员同时可以观察到多个数据内容；

(4)报警和保护处理功能模块：对报警信息进行管理；

(5)数值任意设定功能模块：随时方便地设定各主要控制点的数值，更好的达到水质要求；

(6)资料储存功能模块：保存系统的历史数据、实时数据、报警信息、操作维护手册、故障分析及排除及所有技术图纸；

(7)打印功能模块：通过配置的打印机打印各类资料数据，归档保存；

(8)系统设定模块：用于系统的安全手段设置，有效阻止无关人员越权使用和操作机器，保障系统安全。

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