基于CAN總線的污水加藥控制系統(tǒng)設計

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程中，混凝劑的投加是一個關鍵的問題，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，肉眼判斷出水水質(zhì)進行現(xiàn)場手動控制的方法，一般的藥劑具有腐蝕性，投藥間的工作環(huán)境差。因此，如何實現(xiàn)藥劑的自動投放，減輕人工勞動強度，改善勞動環(huán)境是目前水處理行業(yè)普遍關注的問題。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，實現(xiàn)加藥系統(tǒng)的遠程操作，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計規(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總線作為一種技術先進、可靠性高、功能完善且成本合理的遠程通訊網(wǎng)絡已被廣泛應用到各個自動化控制系統(tǒng)中[1]。
2 基本原理
在污水處理過程中，加藥反應過程是一個關鍵環(huán)節(jié)，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、進水濁度、pH 值、流量、水質(zhì)、水溫等有關，還和混凝劑種類、加藥地點、混合方式、混凝劑質(zhì)量濃度有關。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，而且浪費混凝劑。根據(jù)現(xiàn)場污水狀況和污水處理工藝特點，污水的pH值和水溫基本穩(wěn)定?？刂葡到y(tǒng)主要根據(jù)污水流量實現(xiàn)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，實現(xiàn)對加藥量控制。根據(jù)污水的進水量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(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。由于計量泵加藥后要經(jīng)過一定時間后，才能測出污水濁度，具有很滯后性，不易實現(xiàn)實時控制[2]。但可以將污水的濁度數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù)傳給上位機進行數(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。

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3 硬件接口設計
圖2為系統(tǒng)的硬件結(jié)構原理圖，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。在設計中考慮到通信節(jié)點不多，故采用了Basic CAN工作模式。設置CAN總線通信波特率為200KB/S。CAN總線的驅(qū)動器采用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)提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力。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，滿足了程序設計要求，無需外擴程序存儲器。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個通道的12位開關電容逐次逼近串行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的相應通道即可。RCV420詳細工作原理見參考文獻[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，兩個通道共用一個基準電壓，具有獨立的片內(nèi)鎖存器，數(shù)據(jù)通過公共的8位輸入口送到相應的數(shù)據(jù)寄存器，WR作為片選置低電平時，由控制端A0選擇通道輸出，每個通道的輸出電壓信號Vout=Vref×CODE/256。公式中，Vref為基準電壓輸入，CODE為輸入的數(shù)字量，其范圍為0-255。

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模擬量輸出用于控制計量泵輸出流量，筆者采用的計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是標準單路輸入V/I轉(zhuǎn)換芯片，供電電壓為+4.5V～+36V，可為現(xiàn)場執(zhí)行機構提供符合工業(yè)標準的4～20mA電流環(huán)路輸出。輸入電壓信號范圍根據(jù)對應管腳連接不同為0～2V或0～10V。AD694具有2V和10V的內(nèi)部基準電壓，可向MAX1502轉(zhuǎn)換器提供2V的基準電壓Vref，AD694的詳細原理見參考文獻[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進行隔離，通過單片機的P1口采集液位開關信號。數(shù)字量輸出接口電路主要用來驅(qū)動指示燈、交流接觸器和其他電氣設備，輸出信號用74HC573進行數(shù)據(jù)鎖存，為提高輸出電路的驅(qū)動能力，采用了達林頓驅(qū)動芯片ULN2004，輸入和輸出電路均采用直流12V供電。
4 軟件結(jié)構設計
控制系統(tǒng)的軟件設計包括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)運行前要對系統(tǒng)進行初始化，包括CAN 總線初始化，設置通信參數(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。包括中斷使能設置、波特率設置、節(jié)點號設置和模式設置等。2、中斷接收子程序。3、定時中斷發(fā)送子程序。4、錯誤處理程序。具體的功能是將下位機采集到的流量和濁度數(shù)據(jù)傳給上位機軟件供上位機查詢和分析，同時接收上位機發(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，查表計算子程序， D/A轉(zhuǎn)換子程序。根據(jù)實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系，易于實現(xiàn)自動控制。操作人員要根據(jù)污水進水流量、出水的濁度和操作經(jīng)驗制定控制參數(shù)表格，在線修改線性比例，即單位污水需求混凝劑量K，這個參數(shù)由上位機監(jiān)控軟件設定，通過CAN總線傳給控制系統(tǒng)，實現(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)場設備的啟動和停止。數(shù)字量的輸入程序用于檢測加藥箱的液位高低。當加藥箱液位處于高位時，配藥過程自動停止。當加藥箱液位處于低位時，自動啟動配藥過程，即啟動配藥設備（電磁閥和螺桿泵），同時開啟攪拌器，充分保證混凝劑的稀釋和熟化。在系統(tǒng)運行前，要通過設置設備的流量保證配制溶液濃度不變。
5 結(jié)束語
在實踐運行中表明，將先進的CAN總線技術應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行經(jīng)濟性。由于自主開發(fā)了符合標準的基于單片機的智能控制節(jié)點，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間控制模式為先進的網(wǎng)絡控制方式，這就使得系統(tǒng)在現(xiàn)場維護、運行監(jiān)控、管理、故障診斷及處理等方面都取得巨大的進步。CAN總線在污水處理控制領域的應用前景非常廣闊。