水力空化水处理设备的控制系统设计

1、水力空化水处理设备的控制系统设计*关键词：水力空化，plc，触摸屏，水处理，水质参数1 引言随着人类社会的发展,特别是城市化和工业化进程的加快,水污染和水资源短缺将是今后相当长一段时间内全球最严重的问题之一。因此,采用先进的水处理技术,实现水资源的保护和水资源的循环利用,对于改善水环境和保护水资源有重要意义。利用水力空化降解水体中的有机污染物,尤其是难降解的有机污染物,是近年来刚刚兴起的一项新型水处理技术12。当流体流过水力空化反应器时,会发生空化效应,产生瞬时的高温高压,由于水相燃烧反应机理和自由基反应机理,促使了气泡内气体和液体界面的介质直接被分解3。为了完成对水力空化水处理设备的自动控制

2、,结合水力空化水处理技术工艺,应用 plc控制器和触摸屏技术,开发设计了水力空化水处理设备的控制系统,通过在线实时监测水质参数的变化以及对流量、压力、温度等参数的自动化监控,可直接反映水力空化设备的水处理效果,有利于设备在最优状态,以提高其使用效率。2 硬件设计水力空化设备的控制系统包括设备控制和水质参数检测两大部分,其硬件主要包括触摸屏、plc、水质参数传感器、水泵、电磁阀、比例阀等(见图1)。2.1 控制系统根据系统的控制要求、所需io点数、工作环境等因素考虑,同时为了提高水力空化系统运行的可靠性,选择欧姆龙公司的cp1e-n30dr-a新一代小型plc作为控制器(下位机),该型号plc为

3、继电器输出,具有18个输入点、12个输出点,其程序容量8k步,数据存储器容量8k步,而且可以通过连接扩展单元增加模拟量i/o,为了满足系统的特殊控制需求,也可以安装数据电池cp1w-bat01,使得系统能够在断电后对指定存储区的数据进行保存。为了满足系统多模拟量输入的要求,模拟量输入扩展单元选用cp1w-ad041,模拟量输出单元选用cp1w-mad11。选用欧姆龙nb5q-tw00b触摸屏作为人机界面(上位机),其屏幕为5.6英寸,24v直流电源供电,程序容量128m,具有双串口同时通讯的功能,兼容标准c语言的宏指令,由上位机完成多功能界面的切换,并具有操作人员所需的重要参数的实时显示、报警

4、显示等重要功能。此外,触摸屏和plc之间通过rs-232串口进行通讯。plc和触摸屏的通讯参数设置为:波特率115200,数据位7位,停止位2位。奇偶校验设置采用偶校验。2.2 检测系统 水力空化效果的主要由空化数cv 来表征 4。式中,p0孔板下游恢复压力,pv相应温度下液体的饱和蒸汽压,液体的密度,v0孔板节流处液体的平均流速。从水力空化数cv可以看出,对水力空化装置孔板处压力和流速的检测至关重要,它是影响水力空化效果的关键。其次,水中溶解氧(do)、氧化还原反应电位(orp)、电导率和ph值等水质参数能直接反映水处理的效果。因此实现对各个参数的在线测量,有利于实时监测水质情况,从而方便控

5、制调节空化参数,提高水力空化设备的水处理效果。各个参数的检测指标如表1所示。考虑到各个传感器的不同机理以及对管路的特殊要求,如流量、压力的检测都要求前后要有直管段,电导率传感器的安装要迎着水流等5,设计检测系统的布局如图2所示。流量的检测选用的是涡轮流量计、压力的检测采用的是半导体扩散硅不锈钢膜片压力传感器、温度的检测选用的是量程为0100的pt100铂电阻温度传感器6。其它水质参数根据每种参数的不同机理,选用相应的测量电极,传感器选用标准电流信号输出,输出信号为420ma。3 软件设计利用cx-programmer编程软件对plc进行程序设计,利用nb-designer触摸屏编辑软件对人机界

6、面编辑、美化,相应的程序在编译顺利通过以后,通过专用usb通讯电缆将其下载到相应的设备上,再联机调试。3.1 plc程序设计plc编程采用模块化编程,分别为数据采集、数字滤波、故障报警、数据输出、数据记录等五个子程序(见图3)数据采集:对模拟量的ad采集模块进行相应的配置,设置系统的采样频率、采样精度以及设置是否采用平均化处理等。数字滤波:由于随机干扰等原因会引起随机误差。为了克服随机干扰引起的误差,在数据处理子程序中采用加权平均值算法实现数字滤波,此算法简单、实时性强,能有效克服随机误差7。故障报警:对各传感器的输入信号进行断线检测,设置目标值的上下限,当超过设定值的范围后做出判断和报警。数

7、据输出:数据输出包括开关量和模拟量。开关量控制电机和电磁阀的状态,模拟量控制比例阀。对模拟量的输出单元进行相应的配置,与触摸屏的按钮对应,即可调节模拟量的输出从010v或420ma变化,对应比例阀的开度就能从0100%调节,因此只需在触摸屏上进行相应的操作就可以控制入口的压力和流量。数据记录:数据记录包括水力空化水处理系统近30次的启停时间、系统在运行以后发生故障的时间和故障类别以及各水质参数的变化过程等,这些数据的存储有利于对系统性能的评价和维护。各子程序按照控制要求相互配合并由主程序调用,以实现功能。为了提高水处理的效率,需要控制水流的方向,水的流向是由入口阀、回流阀和出口阀这三个电磁阀的

8、开关状态控制的。当设备自动运行时能根据某一参数的变化来调节三个电磁阀的开关状态,如根据do的变化来调节阀门的开关状态,随着空化的进行,电导率的值会逐渐下降,当下降到一定值后即排出。考虑到安全的影响,三个电磁阀的开关状态不是各自独立的,出口电磁阀和回流电磁阀不能同时关闭,否则会使电机堵转,因此回流阀和出口阀是互锁的,其设计的程序流程如图4所示。3.2 触摸屏组态窗口设计采用触摸屏实现对水力空化设备各功能单元的选择和操作,上位系统是使用者的操作环境,但在形成此环境之前,需要完成许多内核设计工作,以便实现触摸屏和plc的数据交换。内核设计思想、数据流的组织方法直接关系到系统的运行效率和可靠性。plc

9、直接面对执行机构和信号输入,在设计plc程序时,已经对plc的内部地址和io变量进行了分配和组织。因此,完成上位系统的组态时,需要定义与plc对应的变量。实际上,无论在plc中还是在上位系统中,变量的对应也就是彼此地址的对应,通过地址的对应来操作数据。为了便于记忆和提高程序的可维护性,在分配地址的同时,还要建立对应的标记名,这样就不必直接用地址操作,而是使用助记符来操作。触摸屏组态窗口设计流程如图5所示。触摸屏程序设计采用面向对象的可视化编程技术,对触摸屏人机界面进行编程。首先,在pc上建立所需画面;其次,设置状态控制区和通知区以及画面属性;然后,将pc与触摸屏进行联机通信,并将画面数据传输至

10、触摸屏内存中;最后,将触摸屏与plc进行联机通信,通过触摸屏的人机界面向plc发出各控制指令或程序调整、参数设定等指令,同时通过触摸屏监控plc的各种运行状态。触摸屏组态窗口如图6所示,主要分为操作主界面、参数显示界面、故障报警界面、历史记录界面和参数设定界面。操作主界面主要是对系统的操作以及显示系统的结构、工艺流程等,其中工艺流程可以动态显示水力空化系统的流程及各控制对象和传感器的实际状态,并能自由的切换到其它界面。故障报警界面主要用来监视各传感器的错误状态和分析plc程序和传感器的故障原因。参数显示界面可实时显示水质的实际值并监控水质参数的变化趋势,方便操作人员查看设备在本次工作时间内的平

11、均值,并且可以和上次平均值比较,及时准确的反映水力空化水处理设备的性能。历史记录界面用来显示系统的操作信息、故障信息以及水质参数的记录。参数设定界面包括触摸屏系统参数设置、各通道报警范围设定、通道信号平均次数设定等功能。经过实际的运行和调试,基于plc和触摸屏的水力空化水处理设备的控制系统,能实现通过触摸屏对设备进行操作和实时显示水质参数等功能,达到了设计的要求。4 结束语基于plc和触摸屏的水力空化水处理设备的控制系统,实现了对ph、orp、电导率、do等水质参数的采集、处理、显示和控制,利用触摸屏的可视化特性,在触摸屏上显示各个传感器及系统的运行状态,使维护更加方便。经过反复的实验和修正,

12、设计的控制系统运行稳定可靠、控制简单方便,对水质参数的误差也在可控范围之内,对今后水力空化水处理设备的研制及研究具有重要的借鉴意义。参考文献:1 朱孟府,曾艳,邓橙等.水力空化在水处理中的应用与研究进展j.环境科学与技术,2012,33(12f):445-449.2 朱孟府,苗秀娟,邓橙等.不同孔分布孔板的水力空化效果的数值模拟j.轻工机械,2012,30(4):8-11.3 k.k jyoti,a.b.pandit.water disinfection acoustic and hydrodynamic cavitationj.biochemical engineering journal,2001,(7):201-212.4 r.gogate parag,b.pandit aniruddha.a review and assessment of hydrodynamic cavitation as a technology for the futurej.ultrasonics sonochemistry,2005,(12):21-27.5 李永福,田增国,吕运鹏等