专利名称：基于膜结构参数模型的超滤自动控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及一种膜分离技术和水处理领域，更具体地讲，涉及一种基于膜结构参 数模型的超滤自动控制方法，本发明还涉及应用该控制方法进行控制的超滤系统。
背景技术：
超滤膜污染是造成产水水量下降或过滤压力增加的主要原因。防治超滤膜污染主 要通过1)膜材料改性，即通过一定方法将超滤膜材料改性以延缓膜污染。如对膜表面的 亲疏水性的改性、对膜表面荷电荷的改性和对膜表面粗糙度的改变。2)对原水进行预处理， 即在原水超滤前向对其进行某种预处理，通过改变原水性质，可以减轻膜负荷和膜污染。如 以混凝、活性炭、预氧化等预处理工艺防止膜化学损伤、去除膜污染物质和抑制膜污染物质 在膜面附着，延续膜污染、强化膜分离效果。3)优化膜操作条件，即对操作压力、反洗压力、 反洗时间、快洗压力、快洗时间、错流流速、进水方式等进行合理设置。在膜材质一定，进水 预处理工艺参数确定的条件下，如何优化反洗时间和快洗时间对于保证超滤正常运行，保 障超滤产水水质和延长超滤膜使用寿命都有重要意义。目前大多数超滤系统的自动控制系统均采用定时间或定压力进行反洗、快洗，即 不管进水水质或是操作条件如何变化，均在一定时间的过滤阶段结束时进行确定时间的反 洗和快洗或是控制跨膜压差达到一定数值时启动确定时间的反洗和快洗。而定时间或定压 力的反洗和快洗方式对于消除膜污染具有盲目性。事实上，由于进水水质的变化和污染物在膜孔内和表面上的阻塞、吸附等因素的 影响，超滤膜的过滤性能随过滤进行而衰减直至进行化学清洗。这种衰减主要表现为通量 的下降或是跨膜压差的升高。为保证超滤过程处在最优操作条件下运行以有效控制膜污染，需要对超滤过程进 行更完整的系统控制。而基于膜孔径变化和膜孔密度变化建立的膜结构参数模型显示出了 较好的参数响应能力，即超滤进水水质发生变化时模型拟合所得参数随之变化。这无疑使 得应用该模型的自动控制系统更科学、更高效、更实用。
发明内容
本发明提供了一种基于膜结构参数模型的超滤自动控制系统及其控制方法，即应 用膜结构参数模型对超滤系统进行自动控制，解决现有技术中定时间或定压力对超滤系统 进行反洗和快洗的盲目性而造成的产水浪费和电力耗费，实现超滤系统的更科学、更高效 运行。本发明的目的是通过下述技术方案来实现的，基于膜结构参数模型的超滤自动控 制系统，其特征在于，该系统包括—工控机，设置有组态王和MATLAB软件；用于远程自动控制和模型拟合；——控制柜，设置有PLC、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块与变 频器；用于收集系统现场数据并与工控机进行数据交换；
—手动控制面板，设置有万能转换开关、按钮和指示灯；用于手动控制模式下执 行控制程序；—设备与仪表，包括中空纤维膜组件及分别与中空纤维膜组件管线连接的原水 水箱、预过滤器，反洗水箱和药洗水箱；及设置在所述设备之间连通管线上的水泵、电磁阀、 电磁流量计、压力变送器和温度变送器；用于系统在自动控制模式下或手动控制模式下完 成过滤、反洗、快洗、药洗过程；工控机与控制柜相连，控制柜分别与手动控制面板、设备与仪表相连。系统过滤时，原水水箱中的原水经进水水泵加压，依次经过预过滤器、温度变送 器、电磁流量计I、进水电磁阀和压力变送器I管线连通进入中空纤维膜组件，膜分离后的 产水经过压力变送器III、电磁流量计II和产水电磁阀管线连通进入反洗水箱；膜分离后的 浓水经过管线连通至压力变送器II和错流电磁阀排出。系统反洗时，反洗水箱中的反洗水经反洗水泵加压，依次经过反洗电磁阀、电磁流 量计II和压力变送器III管线连通进入中空纤维膜组件，反洗污水经管线连通至排污电磁阀 II排出。系统快洗时，原水水箱中的原水经进水水泵加压，依次经过预过滤器、温度变送 器、电磁流量计I、进水电磁阀和压力变送器I管线连通进入中空纤维膜组件，快洗污水经 管线连通至排污电磁阀I排出。系统药洗时，药洗水箱中的药洗液经药洗泵加压，依次经过药洗电磁阀和压力变 送器I管线连通进入中空纤维膜组件，药洗液经两路回流至药洗水箱进行循环；其中一路 经压力变送器III、电磁流量计II和回流电磁阀I管线连通回流至药洗水箱，另一路经过压 力变送器II和回流电磁阀II管线连通回流至药洗水箱。本发明还给出了基于膜结构参数模型的超滤自动控制方法，在自动控制模式下， 通过以下步骤实现超滤系统的过滤、反洗、快洗1)在工控机的组态王上设定指令和参数，并将该指令和参数值发送给PLC ；2)控制柜中的PLC接收组态王的指令和参数并执行过滤程序； 3)PLC数字量 输出端驱动继电器，分别打开进水电磁阀，产水电磁阀和错流电磁阀，其他阀门关闭；4) PLC通过变频器控制进水水泵启动，原水经过预过滤器做预处理；5)经过预处理的原水通过中空纤维膜组件进行膜过滤，产水进入反洗水箱；浓水 通过错流电磁阀排出；同时，电磁流量计I，电磁流量计II，压力变送器I，压力变送器II， 压力变送器III，温度变送器连接到模拟量输入模块，通过PLC的A/D转换将系统的温度、流 量的和压力数据实时传递给组态王；6)组态王存储过滤阶段的压力、流量数据；7)MATLAB调用膜结构参数模型并进行数据调用、计算、拟合、可视化和拟合结果存 储；8)PLC调用步骤7)的结果，计算出反洗、快洗时间；9)PLC数字量输出端驱动继电器，分别打开反洗电磁阀和排污电磁阀II，进行反 洗、快洗；10)反洗水泵在变频器控制下启动，按照PLC计算所得的时间进行反洗；11)电磁流量计II，压力变送器III连接到模拟量输入模块，通过PLC的A/D转换将系统的流量和压力数据实时传递给组态王；12)反洗结束后，反洗水泵停止运行，关闭反洗电磁阀，排污电磁阀II，打开进水电 磁阀和排污电磁阀I；13)进水水泵在变频器控制下启动，按照PLC计算所得的时间进行快洗，快洗结束 时，进水水泵停止运行，关闭相应系统阀门。必要时，超滤系统进行过滤、反洗和快洗后，还要对超滤系统进行药洗，即在自动 控制模式下，按照如下步骤进行 1)组态王发送药洗指令和相关参数给PLC，PLC接收指令并执行药洗程序；2)PLC数字量输出端驱动继电器，打开药洗电磁阀、回流电磁阀I和回流电磁阀 II ；3)药洗泵在变频器控制下启动，按照组态王设定的时间进行药洗；4)压力变送器I、电磁流量计II、压力变送器II和压力变送器III连接到模拟量输 入模块，通过PLC的A/D转换记录系统的流量、压力数据并实时传递给组态王；5)药洗结束时，药洗泵停止运行，关闭药洗电磁阀、回流电磁阀I和回流电磁阀 II。上述方法给出的是在自动控制模式下的方法步骤，本发明控制方法或在在手动控 制模式下，通过手动控制面板上的万能转换开关、按钮对数字量输入模块输入指令实现现 场的过程控制，完成相应的过滤、反洗、快洗、药洗。系统运行过程(过滤、反洗、快洗、药洗) 的状态由数字量输出模块驱动指示灯进行状态指示。本发明基于流体力学原理建立的膜结构参数模型对超滤过程进行系统控制，其经 过组态王与MATLAB的数据交换与拟合，科学分析后进行的过程控制更具有针对性。在线反 洗和在线快洗又使得调控更加及时。最终实现了超滤的最优化和稳定运行，保障了产水水 质，有效控制了膜污染，延长了超滤膜使用寿命。
图1是本发明控制方法原理示意图。图2是超滤系统工艺过程示意图。图中1、原水水箱；2进水水泵；3、预过滤器；4温度变送器；5、电磁流量计I ；6、 进水电磁阀；7、压力变送器I ；8、排污电磁阀1 ；9、药洗水箱；10、药洗水泵；11、药洗电磁 阀；12、中空纤维膜组件；13、压力变送器II ；14、压力变送器III ；15、电磁流量计II ；16、产水 电磁阀；17、反洗电磁阀；18、反洗水泵；19、反洗水箱；20、排污电磁阀II ；21、错流电磁阀； 22、回流电磁阀I ；23、回流电磁阀II。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，该基于膜结构参数模型的超滤自动控制系统包括工柜机，控制柜， 手动控制面板和设备与仪表，其中工控机设置有组态王和MATLAB软件；用于远程自动控 制和模型拟合；控制柜设置有PLC、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块与 变频器；用于收集系统现场数据并与工控机进行数据交换；手动控制面板设置有万能转换开关、按钮和指示灯；用于手动控制模式下执行控制程序；设备与仪表(见图2所示)包括 中空纤维膜组件12及分别与中空纤维膜组件12管线连接的原水水箱1、预过滤器3，反洗 水箱19和药洗水箱9 ；及设置在所述设备之间连通管线上的水泵、电磁阀、电磁流量计、压 力变送器和温度变送器；用于系统在自动控制模式下或手动控制模式下完成过滤、反洗、快 洗、药洗过程；系统中工控机与控制柜相连，控制柜分别与手动控制面板、设备与仪表相连。如图2所示，给出了控制系统的各设备仪表的安装结构示意图，该系统通过下述 工艺完成超滤系统的过滤、反洗、快洗和药洗过程。系统过滤时，原水水箱1中的原水经进水水泵2加压，依次经过预过滤器3，温度变 送器4，电磁流量计I 5，进水电磁阀6，压力变送器I 7，经管线连通中空纤维膜组件12，膜 分离后的产水经过压力变送器III14，电磁流量计II 15，产水电磁阀16管线连通进入反洗水 箱19 ；膜分离后的浓水经过管线连通至压力变送器II 13和错流电磁阀21排放。系统反洗时，反洗水箱19中的反洗水经反洗水泵18加压，依次经过反洗电磁阀 17，电磁流量计II 15，压力变送器III 14管线连通进入中空纤维膜组件12，反洗污水经管线 连通至排污电磁阀II 20排放。系统快洗时，原水水箱1中的原水经进进水水泵2加压，依次经过预过滤器3，温 度变送器4，电磁流量计I 5，进水电磁阀6，压力变送器I 7管线连通进入中空纤维膜组件 12，快洗污水经管线连通至排污电磁阀I 8排放。系统药洗时，药洗水箱9中的药洗液经药洗泵10加压，依次经过药洗电磁阀11，压 力变送器I 7进入中空纤维膜组件12，药洗液经两路回流至药洗水箱9进行循环；其中一 路经压力变送器III14、电磁流量计II 15和回流电磁阀I 22管线连通回流至药洗水箱9，另 一路经过压力变送器II 13和回流电磁阀II 23管线连通回流至药洗水箱9。以下通过给出的基于膜结构参数模型的超滤自动控制方法来进一步说明本发明 系统的控制过程。结合图1及图2所示，在自动控制模式下，通过下述步骤实现超滤系统的 过滤、反洗、快洗1)在工控机的组态王上设定指令和参数，并将该指令和参数值发送给PLC ；2)控制柜中的PLC接收组态王的指令和参数并执行过滤程序；3) PLC数字量输出端驱动继电器，分别打开进水电磁阀6，产水电磁阀16和错流电 磁阀21，其他阀门关闭；4) PLC通过变频器控制进水水泵2启动，原水经过预过滤器3做预处理；5)经过预处理的原水通过中空纤维膜组件12进行膜过滤，产水进入反洗水箱19 ； 浓水通过错流电磁阀21排出；同时，电磁流量计I 5、电磁流量计II 15、压力变送器I 7、压 力变送器II 13、压力变送器III 14和温度变送器4连接到模拟量输入模块，通过PLC的A/D 转换将系统的温度、流量的和压力数据实时传递给组态王；6)组态王存储过滤阶段的压力、流量数据；7)MATLAB调用膜结构参数模型并进行数据调用、计算、拟合、可视化和拟合结果存 储；8)PLC调用步骤7)的结果，计算出反洗、快洗时间；9)PLC数字量输出端驱动继电器，分别打开反洗电磁阀17和排污电磁阀II 20，进 行反洗、快洗；
10)反洗水泵18在变频器控制下启动，按照PLC计算所得的时间进行反洗；11)电磁流量计II 15，压力变送器III 14连接到模拟量输入模块，通过PLC的A/D 转换将系统的流量和压力数据实时传递给组态王；12)反洗结束后，反洗水泵18停止运行，关闭反洗电磁阀17，排污电磁阀II 20，打 开进水电磁阀6和排污电磁阀I 8 ；13)进水水泵2在变频器控制下启动，按照PLC计算所得的时间进行快洗，快洗结 束时，进水水泵2停止运行，关闭相应系统阀门。系统在必要时要对超滤系统进行药洗，即在自动控制模式下，按照如下步骤进 行1)组态王发送药洗指令和相关参数给PLC，PLC接收指令并执行药洗程序；2)PLC数字量输出端驱动继电器，打开药洗电磁阀11、回流电磁阀I 22和回流电 磁阀II 23 ；3)药洗泵10在变频器控制下启动，按照组态王设定的时间进行药洗；4)压力变送器I 7、电磁流量计II 15、压力变送器II 13和压力变送器III14连接到 模拟量输入模块，通过PLC的A/D转换记录系统的流量、压力数据并实时传递给组态王；5)药洗结束时，药洗泵11停止运行，关闭药洗电磁阀11、回流电磁阀I 22和回流 电磁阀II 23。本发明还设置了手动控制面板，即在手动控制模式下也能完成过滤、反洗、快洗、 药洗过程。见图1所示，在手动控制模式下，通过手动控制面板上的万能转换开关、按钮对 数字量输入模块输入指令实现现场的过程控制，完成相应的过滤、反洗、快洗、药洗。系统运 行过程(过滤、反洗、快洗、药洗)的状态由数字量输出模块驱动指示灯进行状态指示。本发明控制系统通过工控机在自动控制模式下设定指令和参数并实现与控制柜 的实时数据交换；控制柜接收工控机组态王的指令和参数并执行控制程序；手动控制面板 手动控制模式下执行控制程序；设备与仪表在手动或自动控制模式下完成过滤、反洗、快 洗、药洗过程。并且其控制方法应用PLC采集超滤流量、压力数据，组态王实现数据保存、用 MATLAB进行数据拟合，计算出最优反洗和快洗时间，再由PLC调用计算结果，进行反洗和快 洗。本发明的系统科学、有效、实用，避免了传统超滤系统定时间或定压力反洗、快洗的盲目 性，使得膜污染的控制更加及时、有效。
权利要求
基于膜结构参数模型的超滤自动控制系统，其特征在于，该系统包括——工控机，设置有组态王和MATLAB软件；用于远程自动控制和模型拟合；——控制柜，设置有PLC、数字量输入模块、数字量输出模块、模拟量输入模块与变频器；用于收集系统现场数据并与工控机进行数据交换；——手动控制面板，设置有万能转换开关、按钮和指示灯；用于手动控制模式下执行控制程序；——设备与仪表，包括中空纤维膜组件(12)及分别与中空纤维膜组件(12)管线连接的原水水箱(1)、预过滤器(3)，反洗水箱(19)和药洗水箱(9)；及设置在所述设备之间连通管线上的水泵、电磁阀、电磁流量计、压力变送器和温度变送器；用于系统在自动控制模式下或手动控制模式下完成过滤、反洗、快洗、药洗过程；工控机与控制柜相连，控制柜分别与手动控制面板、设备与仪表相连。
2.根据权利要求1所述的基于膜结构参数模型的超滤自动控制系统，其特征在于所 述系统过滤为原水水箱(1)中的原水经进水水泵(2)加压，依次经过预过滤器(3)、温度变 送器(4)、电磁流量计I (5)、进水电磁阀(6)和压力变送器I (7)管线连通进入中空纤维 膜组件(12)，膜分离后的产水经过压力变送器III (14)、电磁流量计II (15)和产水电磁阀 (16)管线连通进入反洗水箱(19)；膜分离后的浓水经过管线连通至压力变送器II (13)和 错流电磁阀(21)排出。
3.根据权利要求1所述的基于膜结构参数模型的超滤自动控制系统，其特征在于所 述系统反洗为反洗水箱(19)中的反洗水经反洗水泵(18)加压，依次经过反洗电磁阀(17)、 电磁流量计II (15)和压力变送器III (14)管线连通进入中空纤维膜组件(12)，反洗污水经 管线连通至排污电磁阀II (20)排出。
4.根据权利要求1所述的基于膜结构参数模型的超滤自动控制系统，其特征在于所 述系统快洗为原水水箱(1)中的原水经进水水泵(2)加压，依次经过预过滤器(3)、温度变 送器(4)、电磁流量计I (5)、进水电磁阀(6)和压力变送器I (7)管线连通进入中空纤维 膜组件(12)，快洗污水经管线连通至排污电磁阀I (8)排出。
5.根据权利要求1所述的基于膜结构参数模型的超滤自动控制系统，其特征在于所 述系统药洗为药洗水箱(9)中的药洗液经药洗泵(10)加压，依次经过药洗电磁阀(11)和 压力变送器I (7)管线连通进入中空纤维膜组件(12)，药洗液经两路回流至药洗水箱(9) 进行循环；其中一路经压力变送器III (14)、电磁流量计II (15)和回流电磁阀I (22)管线 连通回流至药洗水箱(9)，另一路经过压力变送器II (13)和回流电磁阀II (23)管线连通回 流至药洗水箱(9)。
6.基于膜结构参数模型的超滤自动控制方法，其特征在于在自动控制模式下，通过 以下步骤实现超滤系统的过滤、反洗、快洗1)在工控机的组态王上设定指令和参数，并将该指令和参数值发送给PLC；2)控制柜中的PLC接收组态王的指令和参数并执行过滤程序；3)PLC数字量输出端驱动继电器，分别打开进水电磁阀(6)、产水电磁阀(16)和错流电 磁阀(21)，其他阀门关闭；4)PLC通过变频器控制进水水泵(2)启动，原水经过预过滤器(3)做预处理；5)经过预处理的原水通过中空纤维膜组件(12)进行膜过滤，产水进入反洗水箱(19)；浓水通过错流电磁阀(21)排出；同时，电磁流量计I (5)、电磁流量计II (15)、压力变送器I(7)、压力变送器II (13)、压力变送器III (14)和温度变送器(4)连接到模拟量输入模块， 通过PLC的A/D转换将系统的温度、流量的和压力数据实时传递给组态王；6)组态王存储过滤阶段的压力、流量数据；7)MATLAB调用膜结构参数模型并进行数据调用、计算、拟合、可视化和拟合结果存储；8)PLC调用步骤7)的结果，计算出反洗、快洗时间；9)PLC数字量输出端驱动继电器，分别打开反洗电磁阀(17)和排污电磁阀II(20)，进 行反洗、快洗；10)反洗水泵(18)在变频器控制下启动，按照PLC计算所得的时间进行反洗；11)电磁流量计II(15)、压力变送器III (14)连接到模拟量输入模块，通过PLC的A/D 转换将系统的流量和压力数据实时传递给组态王；12)反洗结束后，反洗水泵(18)停止运行，关闭反洗电磁阀(17)和排污电磁阀II(20)，打开进水电磁阀(6)和排污电磁阀I (8)；13)进水水泵(2)在变频器控制下启动，按照PLC计算所得的时间进行快洗，快洗结束 时，进水水泵(2)停止运行，关闭相应系统阀门。
7.根据权利要求6所述的基于膜结构参数模型的超滤自动控制方法，其特征在于所 述超滤系统进行过滤、反洗和快洗后，或在自动控制模式下进行药洗，即按照如下步骤进 行1)组态王发送药洗指令和相关参数给PLC，PLC接收指令并执行药洗程序；2)PLC数字量输出端驱动继电器，打开药洗电磁阀(11)、回流电磁阀I(22)和回流电 磁阀 II (23)；3)药洗泵(10)在变频器控制下启动，按照组态王设定的时间进行药洗；4)压力变送器I(7)、电磁流量计II (15)、压力变送器II (13)和压力变送器III (14) 连接到模拟量输入模块，通过PLC的A/D转换记录系统的流量、压力数据并实时传递给组态 王；5)药洗结束时，药洗泵(11)停止运行，关闭药洗电磁阀(11)、回流电磁阀I(22)和回 流电磁阀II (23)。
8.根据权利要求6或7所述的基于膜结构参数模型的超滤自动控制方法，其特征在于 所述超滤系统进行过滤、反洗、快洗和药洗过程，或在手动控制模式下进行，通过手动控制 面板上的万能转换开关、按钮对数字量输入模块输入指令实现现场的过程控制，系统运行 过程的状态由数字量输出模块驱动指示灯进行状态指示。
全文摘要
本发明涉及一种基于膜结构参数模型的超滤自动控制系统和方法，控制系统包括相互连接的工控机、控制柜、手动控制面板及设备与仪表；工控机在自动控制模式下设定指令和参数并实现与控制柜的实时数据交换；控制柜接收工控机组态王的指令和参数并执行控制程序；手动控制面板手动控制模式下执行控制程序；设备与仪表在手动或自动控制模式下完成过滤、反洗、快洗、药洗过程。控制方法应用PLC采集超滤流量、压力数据，组态王实现数据保存、用MATLAB进行数据拟合，计算出最优反洗和快洗时间，再由PLC调用计算结果，进行反洗和快洗。本发明系统科学、有效、实用，避免了传统超滤系统定时间或定压力反洗、快洗的盲目性，使得膜污染的控制更加及时、有效。
文档编号C02F1/44GK101901000SQ20101023421
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月22日 优先权日2010年7月22日
发明者吕永涛, 姚智全, 李贵军, 王旭东, 王磊 申请人:西安建筑科技大学