基于LABVIEW和OPC技術(shù)的蒸餾CAN總線(xiàn)控制系統
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引言
針對以活性污泥法為基礎的污水處理工藝，在處理高濃度有機物的污水過(guò)程中，混凝劑的投加是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)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(chǎng)的運行成本。目前，大多數污水處理廠(chǎng)的混凝劑投加仍停留在憑經(jīng)驗，肉眼判斷出水水質(zhì)進(jìn)行現場(chǎng)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)現藥劑的自動(dòng)投放，減輕人工勞動(dòng)強度，改善勞動(dòng)環(huán)境是目前水處理行業(yè)普遍關(guān)注的問(wèn)題。為此筆者開(kāi)發(fā)了污水加藥控制系統。
1 CAN總線(xiàn)介紹
為了改變操作人員的工作環(huán)境，實(shí)現加藥系統的遠程操作，加藥控制系統采用CAN總線(xiàn)通信方式。CAN總線(xiàn)即控制器局域網(wǎng)，是目前國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一，CAN總線(xiàn)是一種多主方式的串行通信總線(xiàn)設計規范，它具有高位速率，高抗電磁干擾性、低成本、極高的總線(xiàn)利用率，可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文，可靠的錯誤處理機制。最大通信速率為1Mps，最大傳輸距離達10km。CAN總線(xiàn)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程通訊網(wǎng)絡(luò )已被廣泛應用到各個(gè)自動(dòng)化控制系統中[1]。
2 基本原理
在污水處理過(guò)程中，加藥反應過(guò)程是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節，由于影響加藥量的因素很多，也很復雜，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(lèi)、加藥地點(diǎn)、混合方式、混凝劑質(zhì)量濃度有關(guān)。根據污水處理的工藝要求，通過(guò)改變加藥量來(lái)調整絮凝澄清效果，保證氣浮機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)生再穩定現象，不僅出水效果差，而且浪費混凝劑。根據現場(chǎng)污水狀況和污水處理工藝特點(diǎn)，污水的pH值和水溫基本穩定?？刂葡到y主要根據污水流量實(shí)現控制，以氣浮機的出水濁度作為反饋修正，輸出信號控制加藥計量泵，實(shí)現對加藥量控制。根據污水的進(jìn)水量Q和單位污水需求混凝劑量K可以計算出加藥量Q1，即Q1=K×Q，單位水需求混凝劑量K可根據原水的水質(zhì)、藥劑的濃度等因素確定。圖1為加藥控制系統的結構。由于計量泵加藥后要經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，才能測出污水濁度，具有很滯后性，不易實(shí)現實(shí)時(shí)控制[2]。但可以將污水的濁度數據和流量數據傳給上位機進(jìn)行數據分析，制定控制參數表，在線(xiàn)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 硬件接口設計
圖2為系統的硬件結構原理圖，主要包括CAN總線(xiàn)接口、模擬量I/O接口和數字量I/O接口。
3.1 CAN總線(xiàn)接口
CAN總線(xiàn)控制器種類(lèi)很多，常用的獨立式CAN總線(xiàn)控制器有SJA1000，還有內置CAN總線(xiàn)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(xiàn)驅動(dòng)器PCA82C250。CAN總線(xiàn)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。在設計中考慮到通信節點(diǎn)不多，故采用了Basic CAN工作模式。設置CAN總線(xiàn)通信波特率為200KB/S。CAN總線(xiàn)的驅動(dòng)器采用PCA82C250，它是協(xié)議控制器和物理傳輸線(xiàn)路之間的接口芯片，此器件對總線(xiàn)上的數據提供差動(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，提高了系統的抗干擾性能和安全性能。微處理器采用AT89C52，內部具有8K的Flash Rom，滿(mǎn)足了程序設計要求，無(wú)需外擴程序存儲器。為確保系統工作可靠，外加一片看門(mén)狗芯片X5045來(lái)防止程序“跑飛”和存儲一些系統參數。
3.2數據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(kāi)關(guān)電容逐次逼近串行A/D轉換器，采樣率為66kbit/s，采樣和保持由片內采樣保持電路自動(dòng)完成。此多通道、小體積的TLC2543器件節省接口資源，成本低，特別適用于單片機數據采集系統的開(kāi)發(fā)。由于多數的現場(chǎng)傳感器輸出是4～20mA電流信號，故系統采用Burr Brown公司的RCV420芯片進(jìn)行I/V轉換，RCV420是一種精密的電流/電壓轉換器，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轉換芯片TLC2543的相應通道即可。RCV420詳細工作原理見(jiàn)參考文獻[3]。
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