基于LABVIEW和OPC技術(shù)的蒸餾CAN總線控制系統(tǒng)

基于LABVIEW和OPC技術(shù)的蒸餾CAN總線控制系統(tǒng)

引言
針對以活性污泥法為基礎(chǔ)的污水處理工藝，在處理高濃度有機(jī)物的污水過程中，混凝劑的投加是一個(gè)關(guān)鍵的問題，混凝劑的投加量直接影響最終的水處理效果和污水處理廠的運(yùn)行成本。目前，大多數(shù)污水處理廠的混凝劑投加仍停留在憑經(jīng)驗(yàn)，肉眼判斷出水水質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場手動(dòng)控制的方法，一般的藥劑具有腐蝕性，投藥間的工作環(huán)境差。因此，如何實(shí)現(xiàn)藥劑的自動(dòng)投放，減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)環(huán)境是目前水處理行業(yè)普遍關(guān)注的問題。為此筆者開發(fā)了污水加藥控制系統(tǒng)。
1 CAN總線介紹
為了改變操作人員的工作環(huán)境，實(shí)現(xiàn)加藥系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操作，加藥控制系統(tǒng)采用CAN總線通信方式。CAN總線即控制器局域網(wǎng)，是目前國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，CAN總線是一種多主方式的串行通信總線設(shè)計(jì)規(guī)范，它具有高位速率，高抗電磁干擾性、低成本、極高的總線利用率，可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文，可靠的錯(cuò)誤處理機(jī)制。最大通信速率為1Mps，最大傳輸距離達(dá)10km。CAN總線作為一種技術(shù)先進(jìn)、可靠性高、功能完善且成本合理的遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中[1]。

2 基本原理
在污水處理過程中，加藥反應(yīng)過程是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于影響加藥量的因素很多，也很復(fù)雜，混凝劑的投加量不僅與處理工藝、進(jìn)水濁度、pH 值、流量、水質(zhì)、水溫等有關(guān)，還和混凝劑種類、加藥地點(diǎn)、混合方式、混凝劑質(zhì)量濃度有關(guān)。根據(jù)污水處理的工藝要求，通過改變加藥量來調(diào)整絮凝澄清效果，保證氣浮機(jī)流出污水的濁度在一定范圍即可保證凈水效果。因此，加藥量的控制非常關(guān)鍵，太少則混凝效果不好，水中膠體未完全絮凝。太多則發(fā)生再穩(wěn)定現(xiàn)象，不僅出水效果差，而且浪費(fèi)混凝劑。根據(jù)現(xiàn)場污水狀況和污水處理工藝特點(diǎn)，污水的pH值和水溫基本穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)主要根據(jù)污水流量實(shí)現(xiàn)控制，以氣浮機(jī)的出水濁度作為反饋修正，輸出信號控制加藥計(jì)量泵，實(shí)現(xiàn)對加藥量控制。根據(jù)污水的進(jìn)水量Q和單位污水需求混凝劑量K可以計(jì)算出加藥量Q1，即Q1=K×Q，單位水需求混凝劑量K可根據(jù)原水的水質(zhì)、藥劑的濃度等因素確定。圖1為加藥控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。由于計(jì)量泵加藥后要經(jīng)過一定時(shí)間后，才能測出污水濁度，具有很滯后性，不易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制[2]。但可以將污水的濁度數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，制定控制參數(shù)表，在線修正單位水需求混凝劑量K，保證出水濁度符合要求的范圍。
3 硬件接口設(shè)計(jì)

圖2為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)原理圖，主要包括CAN總線接口、模擬量I/O接口和數(shù)字量I/O接口。
3.1 CAN總線接口
CAN總線控制器種類很多，常用的獨(dú)立式CAN總線控制器有SJA1000，還有內(nèi)置CAN總線控制器的微處理器。筆者采用PHILIPS公司的CAN控制器芯片SJA1000和CAN總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C250。CAN總線通信具有Basic CAN和 PeliCAN兩種工作模式。SJA1000既支持CAN2.0A協(xié)議，也支持CAN2.0B協(xié)議，Basic CAN工作在CAN2.0A協(xié)議，PeliCAN工作再CAN2.0B協(xié)議。在設(shè)計(jì)中考慮到通信節(jié)點(diǎn)不多，故采用了Basic CAN工作模式。設(shè)置CAN總線通信波特率為200KB/S。CAN總線的驅(qū)動(dòng)器采用PCA82C250，它是協(xié)議控制器和物理傳輸線路之間的接口芯片，此器件對總線上的數(shù)據(jù)提供差動(dòng)發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。在控制器和收發(fā)器之間采用高速光電耦合器6N137，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能和安全性能。微處理器采用AT89C52，內(nèi)部具有8K的Flash Rom，滿足了程序設(shè)計(jì)要求，無需外擴(kuò)程序存儲器。為確保系統(tǒng)工作可靠，外加一片看門狗芯片X5045來防止程序“跑飛”和存儲一些系統(tǒng)參數(shù)。
3.2數(shù)據(jù)I/O接口
1 模擬量I/O電路
模擬量接口采用芯片TLC2543，TLC2543是TI公司的具有11個(gè)通道的12位開關(guān)電容逐次逼近串行A/D轉(zhuǎn)換器，采樣率為66kbit/s，采樣和保持由片內(nèi)采樣保持電路自動(dòng)完成。此多通道、小體積的TLC2543器件節(jié)省接口資源，成本低，特別適用于單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)。由于多數(shù)的現(xiàn)場傳感器輸出是4～20mA電流信號，故系統(tǒng)采用Burr Brown公司的RCV420芯片進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，RCV420是一種精密的電流/電壓轉(zhuǎn)換器，可靠性高，成本低，可將4～20mA的環(huán)路電流變換成0～5V的電壓輸出，直接輸入到AD轉(zhuǎn)換芯片TLC2543的相應(yīng)通道即可。RCV420詳細(xì)工作原理見參考文獻(xiàn)[3]。

模擬量輸出采用MAX5102，它是MAXIX公司生產(chǎn)的高性能并行8位D/A轉(zhuǎn)換器，具有雙通道電壓輸出，兩個(gè)通道共用一個(gè)基準(zhǔn)電壓，具有獨(dú)立的片內(nèi)鎖存器，數(shù)據(jù)通過公共的8位輸入口送到相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器，WR作為片選置低電平時(shí)，由控制端A0選擇通道輸出，每個(gè)通道的輸出電壓信號Vout=Vref×CODE/256。公式中，Vref為基準(zhǔn)電壓輸入，CODE為輸入的數(shù)字量，其范圍為0-255。
模擬量輸出用于控制計(jì)量泵輸出流量，筆者采用的計(jì)量泵的輸入控制信號是4～20mA電流。因此，需要將模擬器件輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成4～20mA電流信號，故采用AD公司的電流變換器AD694。AD694是標(biāo)準(zhǔn)單路輸入V/I轉(zhuǎn)換芯片，供電電壓為+4.5V～+36V，可為現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)提供符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流環(huán)路輸出。輸入電壓信號范圍根據(jù)對應(yīng)管腳連接不同為0～2V或0～10V。AD694具有2V和10V的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓，可向MAX1502轉(zhuǎn)換器提供2V的基準(zhǔn)電壓Vref，AD694的詳細(xì)原理見參考文獻(xiàn)[4]。通過AD694將D/A轉(zhuǎn)換器的0～2V電壓信號轉(zhuǎn)換為4～20mA電流信號，提供計(jì)量泵輸入信號。
2 數(shù)字量I/O電路
數(shù)字量輸入接口電路主要檢測加藥箱的液位信號，電路采用光電隔離器件4N25進(jìn)行隔離，通過單片機(jī)的P1口采集液位開關(guān)信號。數(shù)字量輸出接口電路主要用來驅(qū)動(dòng)指示燈、交流接觸器和其他電氣設(shè)備，輸出信號用74HC573進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存，為提高輸出電路的驅(qū)動(dòng)能力，采用了達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片ULN2004，輸入和輸出電路均采用直流12V供電。
4 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括CAN總線通信程序，加藥量控制程序和數(shù)字量控制程序。圖3為系統(tǒng)的軟件流程和中斷處理流程。在系統(tǒng)運(yùn)行前要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，包括CAN 總線初始化，設(shè)置通信參數(shù)，加藥量表格參數(shù)初始化。
4.1 CAN總線通信程序
CAN總線通信的接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的通信方式均采用中斷方式，主要程序包括，1、CAN總線初始化子程序。包括中斷使能設(shè)置、波特率設(shè)置、節(jié)點(diǎn)號設(shè)置和模式設(shè)置等。2、中斷接收子程序。3、定時(shí)中斷發(fā)送子程序。4、錯(cuò)誤處理程序。具體的功能是將下位機(jī)采集到的流量和濁度數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)軟件供上位機(jī)查詢和分析，同時(shí)接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令和參數(shù)。
4.2 加藥量控制程序
加藥量控制程序主要包括A/D轉(zhuǎn)換子程序，數(shù)字濾波子程序，查表計(jì)算子程序， D/A轉(zhuǎn)換子程序。?????????? 圖3 系統(tǒng)的軟件流程和中斷處理流程
根據(jù)實(shí)際污水處理工藝要求，流量信號與加藥量信號基本呈線性關(guān)系，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。操作人員要根據(jù)污水進(jìn)水流量、出水的濁度和操作經(jīng)驗(yàn)制定控制參數(shù)表格，在線修改線性比例，即單位污水需求混凝劑量K，這個(gè)參數(shù)由上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)定，通過CAN總線傳給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線參數(shù)修改。???

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4.3 數(shù)字量控制程序
數(shù)字量輸出程序用于控制現(xiàn)場設(shè)備的啟動(dòng)和停止。數(shù)字量的輸入程序用于檢測加藥箱的液位高低。當(dāng)加藥箱液位處于高位時(shí)，配藥過程自動(dòng)停止。當(dāng)加藥箱液位處于低位時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)配藥過程，即啟動(dòng)配藥設(shè)備（電磁閥和螺桿泵），同時(shí)開啟攪拌器，充分保證混凝劑的稀釋和熟化。在系統(tǒng)運(yùn)行前，要通過設(shè)置設(shè)備的流量保證配制溶液濃度不變。
5 結(jié)束語
在實(shí)踐運(yùn)行中表明，將先進(jìn)的CAN總線技術(shù)應(yīng)用于污水處理加藥控制系統(tǒng)中，提高了污水處理效果和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。由于自主開發(fā)了符合標(biāo)準(zhǔn)的基于單片機(jī)的智能控制節(jié)點(diǎn)，節(jié)約了大量的資金投入，改變了傳統(tǒng)污水處理控制中的時(shí)間控制模式為先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)控制方式，這就使得系統(tǒng)在現(xiàn)場維護(hù)、運(yùn)行監(jiān)控、管理、故障診斷及處理等方面都取得巨大的進(jìn)步。CAN總線在污水處理控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊。