摘 要

本文以可编程控制器s7-200plc为核心，各传感器为辅，对船用海水淡化装置进行设计改造，使其实现自动运行、报警、显示、参数检测等功能，极大地提高了海水淡化效率。以西门子S7-200PLC为控制核心装置，可以对海水淡化装置实现自动的启停功能，同时具有一定的自我监测和自我调节功能，实现了智能化调节，增高了机械效率。经过模拟实验，基于PLC的船舶淡水处理系统的设计具有重大意义。

论文主要研究了以plc为控制核心，设计改造船用海水淡化装置的优点。

研究结果表明：通过plc对海水淡化装置进行设计改造，大大提升了系统的稳定性和安全性，使海水淡化装置的效率也有一定幅度的上升。

本文的特色：通过分析蒸馏式造水机的结构特点，然后通过s7-200plc对造水机进行设计以及运行模拟，分析其工况，得出结论。

关键词：PLC；海水淡化装置；蒸馏式；设计改造

Abstract

In this paper, taking the programmable controller s7-200plc as the core and each sensor as the auxiliary, the marine seawater desalination device is designed and modified to realize the functions of automatic operation, alarm, display, parameter detection and so on, which greatly improves the desalination efficiency. Taking Siemens S7-200PLC as the control core device, it can realize the automatic start and stop function of seawater desalination device, at the same time, it has certain self-monitoring and self-regulation functions, realizes intelligent adjustment and increases mechanical efficiency. Through simulation experiments, the design of ship fresh water treatment system based on PLC is of great significance.

This paper mainly studies the advantages of designing and reforming marine seawater desalination unit with plc as the control core.

The results show that the stability and safety of the system are greatly improved by the design and transformation of seawater desalination unit by plc. So that the efficiency of seawater desalination equipment has also increased to a certain extent.

Key Words：PLC;seawater Desalination;Distillation type;Design and renovation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 3

1.1选题背景和意义 3

1.2课题研究的国内外发展现状 3

1.3本文的研究工作 4

第2章 船舶淡水处理装置 5

2.1造水机的分类 5

2.2真空沸腾式海水淡化装置 5

2.2.1真空沸腾式海水淡化装置的结构和功能 6

2.2.2常见的故障及原因 6

2.3反渗透式海水淡化装置 7

2.3.1反渗透式海水淡化装置的结构 7

2.3.2系统构造 8

2.3.3影响产水量与含盐量的主要因素 9

2.3.4常见的故障及解决方法 9

2.4两种海水淡化装置的比较 9

2.5本章小节 10

第3章PLC概述 10

3.1PLC的定义 10

3.3PLC的工作原理 13

3.4PLC系统设备在工业控制装置选型 13

3.4.1依据PLC控制系统的规模选型 14

3.4.2确定 PLC I/O 点的类型 14

3.4.3根据 PLC 类型选择相应编程工具 14

3.5PLC控制系统的设计 14

3.5.1PLC控制系统的硬件设计描述 14

3.5.2PLC控制系统的软件设计描述 15

3.6本章小结 15

第4章海水淡化装置控制系统设计 16

4.1海水淡化装置选型 16

4.2控制系统分析 16

4.2.1温度控制 16

4.2.2含盐量控制 16

4.2.3真空度控制 16

4.2.4防止盐分累积控制 16

4.2.5警报功能 17

4.3控制系统设计 17

4.3.1真空沸腾式海水淡化过程控制系统方案设计 17

4.3.2真空沸腾式海水淡化过程控制系统整体框图设计 17

4.3.3真空沸腾式海水淡化过程控制系统的I/O分配表 19

4.4真空沸腾式海水淡化过程控制系统安装调试 24

4.4.1系统工作流程 24

4.4.2真空沸腾式海水淡化过程控制系统调试 25

4.5本章小结 26

本文总结 27

参考文献 28

致谢 30

第1章 绪论

在船舶行驶的过程中，淡水与船员的生活以及设备的运行息息相关，因此在航行过程中能够及时的补充淡水十分重要，所以现代远洋船舶都在船上配备了海水淡化装置，海水淡化装置(俗称造水机)的性能优劣对船舶的航行有着十分重要的影响。

1.1选题背景和意义

船舶在远洋行驶过程中，淡水的储备极其重要，因为整艘船要消耗大量的淡水用在船舶柴油机和发电机的冷却水，锅炉用水以及船员的日常用水上。在船上一般拥有淡水舱来储存淡水，但是船舶不易携带大量的淡水，供不应求，因此，海水淡化装置在船上的普及就变得十分有意义，而今几乎所都的远洋船舶都会配备海水淡化装置能够实时将海水转化成淡水，解决了船舶淡水需求的问题^[1]。

目前使用的海水淡化装置基本有两种类型，蒸发沸腾式海水淡化装置以及反渗透式海水淡化装置。其中蒸发沸腾是海水淡化装置多为现代船舶所使用，但是随着科技的发展，人们对材料的开发，反渗透式海水淡化装置在将来更加有运用前景。

海水淡化装置在运行的过程中难免会出现诸多问题，例如产水量不高，产水含盐量过高，管路生锈腐蚀等问题，这些问题不仅影响了机器的正常工作，而且还可能造成淡水含盐量过高从而对船员身体建康带来影响，而现今的海水淡化装置都是用的自平衡的控制方法，也就是传统的机械控制方式，这种控制方式已经不能满足现代船舶控制的需求，而且自平衡方式它本身存在着控制精度低、控制方式单一的先天性缺点。因此，需要对现役船舶海水淡化装置设计一套以PLC为基础的智能控制系统，从而使设备能够有效地解决上述的问题，由此可见，为船舶海水淡化装置设计控制系统有重大意义^[2]。

1.2课题研究的国内外发展现状

我国在海水淡化装置研究课题上发展的比较早，20世纪50年代就开始研究有关电渗析的实验，随后又开始发展蒸馏式和反渗透式海水淡化装置的研究，到了60年代末，国内相关技术有了一定的发展后则转向研究小型蒸馏装置的方向； 到了80年代，我国在船用蒸馏，蒸闪以及船用电渗析海水淡化装置取得了一定的成就。而对于反渗透式海水淡化装置，我国则在2004年就完成了反渗透膜的生产线，可以生产多种类型的反渗透膜，同时也随机完善了反渗透式海水淡化的工艺流程，大大的提升了反渗透海水淡化装置的机械性能。蒸馏式海水淡化装置目前在我国各种传播上都很普及，主要原因是：一蒸馏法这种方法在我国十分成熟，各种传播运用较多，所以出了问题能够及时的维护以及得到保障、二蒸馏式海水淡化装置比较与反渗透式，其制造工艺简单价格比较划算，维修方便，保养容易、三主机缸套冷却水和蒸汽废热能够进行海水淡化，能够利用船上剩余的热量，从而起到环保节能的作用。

在船舶设备智能控制系统的方面，近年来我国也取得了一定的成就，例如采用了精神网络控制和模糊控制等智能控制方法运用在海水淡化系统中，使船员操作起来十分便捷，并且能在设备出现故障的时候快速的找到原因，使设备管理起来十分有效，而我国最近几年在芯片技术和微处理器的发展使得各方面实现了数字化，减小了控制器的体积，节省了能源消耗^[3]。

PLC即是可编程逻辑控制器，它是一种专门控制工业机器的控制器。它具有操作直接，简单的功能，同时能够有效地控制工业设备，通过模块化程序的设计，能够分工明确的控制一个系统整体，而且售后保障好，维修简单，近年来多用于船舶各种动力装置的控制中，成为船舶实现自动化的有力工具。

综上所述，以PLC为控制核心，来设计控制造水机拥有一定的意义。

1.3本文的研究工作

本文的研究内容主要是以PLC为基础来设计海水淡化装置的控制系统，并且能使海水淡化装置的性能有所提高，本文的主要内容如下：

①分别介绍了我国现役船舶上使用的两种类型的海水淡化装置的结构组成，故障原因以及分析，以及探讨设计控制系统的可行性。

②对可编程控制器PLC的基本内容进行了描述。

③选定了真空沸腾式海水淡化装置，并详细描述其硬件设计和软件设计的过程以及结果。

④讨论了其设计的可行性和前景。

第2章 船舶淡水处理装置

2.1造水机的分类

船舶的正常运行离不开其各种设备的相互配合，其中海水淡化装置尤为关键，我国现今船用的装置主要分为真空沸腾式反渗透式两种类型的造水机，现分别介绍两种造水机的主要内容。

2.2真空沸腾式海水淡化装置

图2.1真空沸腾式海水淡化装置结构图

如图1是真空沸腾式造水机的结构图，它的原理是利用真空下，水的沸点降低，蒸发出来，然后再将蒸汽冷凝，而得到淡水，利用真空泵抽空气使装置内真空，保持其真空度在百分之90左右，随后对供入的海水进行加热，使其在真空中汽化，随即用海水对其蒸汽进行冷凝，得到蒸馏水，抽真空的原因是让海水的沸点下降到45度左右，这样主缸套水就能对其加热使之沸腾，充分利用了缸套水的废热，提高了船舶的经济性，温度低同时可以减少蒸发器水垢的产生，有利于后期的保养和维修。

2.2.1真空沸腾式海水淡化装置的结构和功能

蒸发器

其主要作用是让缸套水在蒸发器里面对海水进行加热，使海水沸腾汽化。

汽水分离板

其作用是将盐分和汽水分离开来。

冷凝器

与蒸发器的原理类似，是让海水在其内部对蒸汽进行冷凝，使蒸汽冷凝成蒸馏水。

真空泵

作用是抽出气体保持高的真空度。

排盐泵

把分离后高浓度的盐水排出海外。

海水泵

为冷凝器提供冷却海水，也为蒸发器提供海水

盐度计

作用是测量淡水的含盐量。并且有一定的反馈控制作用，当含盐量不合格的时候则会反馈给控制器使不合格的海水重新蒸发。

2.2.2常见的故障及原因

真空度不足

真空度影响着海水沸腾的温度以及蒸馏水的出水率，因此要随时保持好良好的真空度，而在运行中真空度的高低是由冷凝器、真空泵、海水泵、排盐泵共同作用而成，冷凝器要保持好的冷凝效率，及时将蒸汽冷凝成水，真空泵要保持好的抽水能力使真空度保持在一个正常的范围之内，海水泵要及时供给海水，排盐泵能有效率的排出分离后的高浓度盐水。真空度高，蒸发温度低，造成蒸发剧烈，使出来的淡水含盐率增加，真空度低，阵法温度高，则会导致出水率低。

因此，若是以PLC为核心设计一套控制系统，则可以控制真空度，利用传感器测量真空度的大小，若是真空度过大，则减小真空泵的开度，若是真空度过小，则加大真空泵的开度，使其成为反馈调节，能及时有效的控制真空度，使系统操作起来更方便。

含盐量过高

按照我国的规定，船用蒸馏水的含盐量不应该超过10mg/L，如果蒸馏水的含盐量过高，船员饮用或者洗漱后，会造成各种皮肤病，在海上没有及时得到医疗处理的情况下，可能会造成各种后遗症，对心理和身体都有巨大的影响，而锅炉使用了之后，因为盐度大，则更容易结构，甚至会爆炸，造成巨大损失，而含盐量大的蒸汽在船舶机械的管路中流通时，会加速管路的老化。含盐量过高产生的原因是：加热水流量太大；给水倍率小；冷凝器有泄露。

因此，则需要在出口处设置盐度监控装置，根据实际盐度来减小加热水流量或稍开真空破坏阀、减小给水量、保证足够的排盐量和给水倍率，使其能够自动控制含盐量，方便装置的运行。

产水量过低

产水量是产生二次蒸汽的量。产水量减少的主要原因没保持足够高的真空度，从而使海水的蒸发温度过高，加热水温度或者流量不足，从而导致换热量减少；给水量过高或者过低。

通过系统设计的盐度监测，温度监测，真空度监测，能及时的反映出这些问题，同时做出调整，使产水量恢复正常。

通过对真空沸腾式海水淡化装置的介绍，了解了其功能、结构、故障，并对故障进行了分析解决，以PLC为核心对真空沸腾式海水淡化装置进行设计，对其各种参数进行监控并及时调理，证明了该方法有一定的可行性和运用前景。

2.3反渗透式海水淡化装置

图2.2反渗透式海水淡化装置结构图

反渗透技术的原理是利用一层半透膜将溶液中的水分和物质分离开来，对于海水来说则是分离了出淡化和盐分，因为所选用半透膜的孔径十分小，所以能够有效地除去海水中的盐类、有机物等不能通过半透膜的物质，优点是处理的到的淡水质量好，处理过程消耗的能量低，污染小。缺点是容易受到温度的影响^[3]。

所以反渗透式造水机则是以反渗透技术为基础，通过选用适合的半透膜，利用渗透现象，对海水的一侧用增压泵进行加压，使其通过反渗透膜，留下其含有的盐分排入海水内部，其优点是能够有效淡化海水，去除海水内的盐分以及各种杂质，缺点是只适合小规模的海水淡化，要大型普遍的运用比较困难

2.3.1反渗透式海水淡化装置的结构

增压泵

为海水提供压力使其达到操作压力，从而能加速经过渗透膜进行过滤

供给泵

供给泵从舷外吸入海水供入多媒介滤器。

多媒介滤器

其功能是系统的第一步过滤器，初步过滤海水的颗粒。

总固体溶量（简称TDS）检测器

其作用是测量过滤后水的固体含量，如果固体含量过高，则会反馈给系统，放掉水。

反渗透膜

是由三层组成的复合结构，第一层是约120μ m厚度的无纺布，第二层是约40μ m厚度的中间支撑层，第三层为超薄的的分离层用于分解更小的颗粒，这三层层层递进，一步步的将颗粒分离出来，身份快速有效。

压力调节阀

维持系统压力稳定，控制启动压力、运行压力和清洁压力。

2.3.2系统构造

海水供给系统

其系统流程是将海水经过粗滤器的简单过滤之后，随即便由离心泵加压通过多媒介滤器，然后细滤，然后通过增压泵加压。

冲洗水系统

其系统功能是对多媒介滤器进行反冲洗和对反渗透膜进行淡水冲洗。正常情况下应该一天冲洗一次，避免出现堵塞的情况，对于反渗透式海水淡化装置，该系统起到十分重要的作用，保障了设备能够正常的运行，避免了反渗透膜的损坏。

制淡水及盐水系统

其系统的主要作用是制造淡水，检测淡水盐度，当高压海水通过反渗透膜后，会产生两种水，分别是淡水和高浓度盐水，随即，淡水会通过盐度计的检查，如果盐度超过标准，则会通过相关的管道重新回到淡水舱，而高浓度的盐水则会直接的通过相关的阀件排除船外流入大海。

同时还装有盐度传感器来进行监测实时盐度，并且通过盐度的量来调节系统的压力，盐度过于低，则会适量的减小压力，盐度高了，则会增加压力，使装置的运行随时都很稳定，高效率。

化学清洗系统

其主要作用就是对系统中的各种滤器进行化学清洗，虽然有冲洗水系统进行日常的冲洗和反冲洗，但是机器在长期的运行作用下，会产生许多化学杂质，这种杂质淡水清理不掉，这时则需要使用化学试剂对系统的各级滤器进行清理，一般在系统出现造水量不高，或者出水的盐度陡然升高的时候进行化学冲洗，其系统是一个循环，可反复的进行冲洗，直到杂质去除。

2.3.3影响产水量与含盐量的主要因素

在反渗透装置运行的过程中，有两个重要的参数，一个是产水量，另一个是含盐量，这两个参数受到诸多因素的硬性，例如所受压力、温度、给水的酸碱度、以及原水的含盐量^[4]。其中影响最大的两个因素是压力和温度。给水压力并不会影响渗透膜过滤盐分的能力，但是却影响着产水量，当给水压力增加的时候，水分通过膜的量则会变多，而过多的淡水则会稀释水的盐度，降低的水的含盐量。但是当压力超过一定的数值之后，盐分经过渗透膜的速度就会增快，这时，所产水的含盐量就会增加，抵消了之前的产水量的增加，因此，压力要控制在一定的范围之内才能保证机器正确高效率的运行。而温度升高，则水分子的粘度下降，其通过渗透膜的能力升高，但是也会提高盐通过膜的能力，因此温度过高，盐通过膜的能力大大提升，会导致含盐量不断升高，控制合理的温度也因此十分的重要。

2.3.4常见的故障及解决方法

增压泵排压过高报警并停机

原因主要是调压阀位置不正确，应检查调压阀NV1是否在设定位置，先全开调压阀NV1，将报警复位，重新启动系统，再把调压阀NV1调到设定位置。

增压泵吸入压力过低（14kPa）报警或停机供水系统故障

原因主要是供水管路有脏堵，供给泵开启有问题半透膜街头或O型密封圈损坏，应及时清理管道检查设备，检查出有损坏的就应及时换洗。

2.4两种海水淡化装置的比较

通过对两种类型海水淡化装置的比较，有了以下不同：

真空沸腾式海水造水机和反渗透式造水机所产水的含盐量不相同，前者一般是1-2ppm，而后者一般在120-150ppm之间，因为反渗透式造水机受到诸多因素的影响，例如当地海水浓度、温度、海水的酸碱度等，所以很难生产固定标准的淡水给船员使用^[5]。

反渗透式造水机能够有效地去除水中溶解的各种盐类、有机物、以及胶体，并且在系统运行过程中只需要压力，保养起来十分的方便，同时还具有水质好、耗能低、工艺简单、操作简便等优点。但是其产生的副产物氯，盐酸和过氧化氢等化学物质如果过量的排入大海，会对海洋生态系统造成巨大的影响，造成环境污染。

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