PDF《水厂二氧化氯控制系统的设计》

文章编号:1671--4598(2006 J06--0785--02 中图分类号:TP273;

X703 文献标识码:B 水厂二氧化氯控制系统的设计 周彦,文志刚,何小阳, (广西大学电气工程学院,广西南宁 莫炳扬 530004) 摘要:为了充分发挥二氧化氯的消毒功能,必须研制一种能自动、安全、适量生产二氧化氯消毒剂的控制系统;

基此,设计了一种 以AVR单片机为核心的二氧化氯控制系统,给出了其工作原理、硬件组成和软件结构,重点介绍了该系统的控制算法;

由于水净化过 程具有很长滞后时间以及不确定性,提出了以流量前馈加仿人智髓模糊的控制算法;

现场应用表明,该控制系统界面友好,控制精度较 高、抗干扰能力强、能连续稳定运行.

关键词:单片机;

二氧化氯;

模糊控制;

PID;

仿人智能 Design and Application of Control System of Chlorine Dioxide Production Zhou Yan,Wen Zhigang,He Xiaoyang,Mo Bingyang (Electric Engineering College,Guangxi University,Nanning 530004,China) Abstract:In order to make good use of the ability of purification of chlorine dioxide,a kind of AVR single--chip microprocessor(SCM) based control system of chlorine dioxide production is introduced,focusing on its hardware and software designed,especially the control scheme.Considering the large time delay and strong uncertainty of the process of purification of water,Human―simulated Intelligent Fuzzy control plus feedforward with flux of water is proposed.The control system,which has a friendly surface,high control precision and strong anti--disturbance,can run steadily and continuously. Key words:SCM;

chlorine dioxide;

fuzzy control;

PID;

human--simulated intelligence

0 引言 水处理过程中液氯对饮用水及其它工业用水进行消毒除菌 时,会产生致癌物质和其它副产品,而二氧化氯作为新型消毒 剂,具有广谱、高效、快速的消毒效果,对大肠杆菌、葡萄球 菌等具有很好的杀灭作用,还可以除去水中色度、臭味、藻类 等,并且其副产物少,不生成三氯甲烷等卤化物.加之其杀菌 效果基本不受PH值与氨的影响,具有持久的抑菌效果,是国 际上公认的氯气消毒剂最理想的替代产品[1].但二氧化氯不稳 定的性质决定了其必须现场制备,因此要想发挥二氧化氯的作 用,必须研制一种能自动、安全、适量生产二氧化氯消毒剂的 控制系统.本文所介绍的以AVR单片机为核心的二氧化氯控 制系统就是在水处理过程中用于制备二氧化氯和自动投加二氧 化氯的自动化系统. ATMEGAl6是一款高性能、低功耗的8位AVR单片机, 具有先进的RISC结构,8路10位ADC;

16K字节的系统内 可编程Flash;

512字节的EEPROM[2].我们设计的以AVR 单片机为核心二氧化氯控制系统具有恒温控制、余氯量控制、 缺水检测、欠压检测、手动/自动切换以及与上位机的通信功 能,该系统界面友好,运行稳定,具有广阔的应用前景.

1 系统结构与硬件设计 1.1 系统控制要求及软硬件设计思路 收稿日期:2005―10一17;

修回日期:2005―11―24. 作者筒介:周彦(1978一),男,湖南邵阳人,硕士生,主要从事工业过 程先进控制、大滞后过程的控制策略等的研究. 何小阳(1957一),男,教授,主要从事综合自动化、复杂过程建模与 控制等方向的研究. 制备二氧化氯的常用方法之一是氯酸钠和盐酸反应生成, 原料通过计量泵加入反应罐内.系统的控制要求有二:其一是 实现反应罐内恒温控制;

其二是实现清水池出水口处的二氧化 氯含量控制.根据功能实现的要求,设计了以ATmegal6单 片机为处理核心的硬件系统.对于恒温控制部分,由AD590 半导体温度传感器采集回来的信号经放大后,送人AVR单片 机的A/D端,转换后与给定的温度进行比较,按仿人智能 PID调节算法[31计算出该时刻的值,经光电隔离和功率放大 后,控制双向可控硅调压模块来达到恒温控制.对于出水口余 氯量的控制,由余氯传感器采集信号经处理后,由AVR单片 机采用仿人智能模糊控制加出水口流量前馈控制算法对计量泵 的频率进行调节,从而改变二氧化氯的投加量,使出水口处的 余氯量保持在允许范围内.系统的整个框图如图1所示. 图1二氧化氯控制系统框图 1.2系统硬件结构 根据以上设计思路,采用的硬件结构如下: (1)数字量采集:数字量采集由单片机的I/O口完成,主 要检测反应罐的工作环境,比如:反应罐的水位,自来水的水 压等.数字量只是一些开关量,开关闭合后,TP521的发光管 臻肇溯.羧搠 万方数据 ・786・ 计算机测量与控制 第6期 工作,光电隔离输出低电平,单片机检测这个信号即可判断反 根据被控温度的响应情况加以精调,以防止出现超调. 应罐内的工作情况. 2.2清水池的余氯量控制算法[53 (2)模拟量采集:本系统采用的MAXl92是Maxim公司 由于水处理过程余氯量控制的滞后时间大概在20~40 rain 开发的8路10位SPI接口的A/D转化器,和单片机连接仅需 之间,是一个超大滞后过程,加上系统的不确定性,因此控制 要4个I/O口.为了提高控制器的可靠性和抗干扰能力,对模 难度极大.该控制系统以清水池入口处水流量计算出的前馈信 拟量输入进行了光电隔离. 号作为主控制量,根据清水池出水口处的余氯偏差,通过仿人 (3)液晶显示器:液晶显示器采用北京青云创新科技发展 智能模糊控制算法计算出控制校正量.前馈控制消除了大滞后 有限公司的带中文字库图形液晶显示模块.LCMl2864ZK中 给系统控制带来的困难,仿人智能模糊控制很好地消除了系统 文液晶显示模块的液晶屏幕为128*64,可显示四行,每行可 不确定性和随机干扰带来的影响.系统控制结构框图如图2所 显示8个汉字.与单片机等微控器的接口界面灵活(三种模式 示. 并行8位/4位串行3线/2线),可实现汉字、ASCII码、点阵 图形的同屏显示. (4)数字量输出:数字量输出包括继电器的开关输出和控 制计量泵的脉冲输出.继电器输出有两路,分别控制计量泵的 电源和外部电磁阀.单片机通过光隔把信号输出给ULN2803 来驱动继电器. 由于计量泵的脉冲频率比较高,一般在0~360次/rain, 在这种场合继电器不能满足要求,通过试验证实:直接用 TP521可以驱动计量泵工作,但是接线要求区分正负极性. (5)模拟量输出:反应罐内的温度一般要求恒定在78℃, 必须要有一个温度控制系统.传感器采用AD590,该器件为 半导体温度传感器,o℃时输出为273 pA,每升高1℃电流增 加1 pA,在一50~150℃之间都可以保持读数的线性,完全符 合控制的需要. 2控制算法 2.1反应罐的恒温控制部分 在测得精确温度值的同时,需要有好的控制算法完成对反 应罐内温度的控制.由于罐内温度控制有较大的惯性与滞后, 会导致温度出现很大超调甚至振荡.同时由于升温的单向性, 即升温与保温靠电热丝加热,而降温则依靠环境的自然冷却, 一旦温度超调就无法用控制手段使其降温.这种特性使得普通 PID控制难以取得好的效果,因此我们采用了如下的仿人智能 PID控制算法[4]: (1)IF e.I>eraa.,THEN".一"….说明偏差过大, 则相应控制量应调到最大,以尽快减小偏差,缩短被控制对象 的动态过程时间;

(2)IF e.l