海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站試劑調(diào)配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊洪濤

(商丘職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 商丘 476000)

0引言

海洋擁有多樣的生物、豐富的石油、天然氣以及巨大的潮汐能源等。在對(duì)海洋進(jìn)行合理開發(fā)、利用的同時(shí)，需要對(duì)海洋實(shí)施監(jiān)測(cè)和保護(hù)。近岸海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站是我國對(duì)近岸海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋生態(tài)保護(hù)以及海洋資源開發(fā)利用的重要工作設(shè)施，在對(duì)海洋環(huán)境、海域使用動(dòng)態(tài)、海洋開發(fā)探測(cè)和海洋信息統(tǒng)計(jì)等方面具有重要作用[1]。

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，如今的水質(zhì)監(jiān)測(cè)技術(shù)也日益完善和成熟，對(duì)海洋的監(jiān)測(cè)技術(shù)和手段也越來越多樣化和科學(xué)化，然而相對(duì)于近岸海洋的監(jiān)測(cè)最可靠和經(jīng)濟(jì)可行的手段還是運(yùn)用近岸海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]。目前的近岸海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還存在一些問題，這些問題影響了近岸海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的工作效率和功能。例如：現(xiàn)有系統(tǒng)保持工作的周期較短[3]，且需要由人工進(jìn)行海洋檢測(cè)試劑的配置。因此，迫切需要開發(fā)自動(dòng)化程度高、無人化運(yùn)行周期長的試劑調(diào)配系統(tǒng)。目前國內(nèi)外已經(jīng)通過多種手段開展了海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)相關(guān)研究，如生態(tài)浮標(biāo)、海洋生態(tài)傳感器等[4-15]。針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，擬設(shè)計(jì)一種全新的近岸海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以提高自動(dòng)化、智能化程度。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

以一種名為R3SAA的海水檢驗(yàn)試劑為配制目標(biāo)展開，對(duì)近岸海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站試劑調(diào)配系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法及具體實(shí)施方案進(jìn)行說明。

1.1 主要任務(wù)

主要是以一種檢測(cè)試劑的配制為例，對(duì)近岸海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站試劑調(diào)配系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在對(duì)取樣的海水進(jìn)行初步過濾處理后，通常會(huì)對(duì)樣品進(jìn)行一定的處理，添加一種配制的化學(xué)試劑，使取樣的海水在試劑的作用下發(fā)生某些變化，從而方便對(duì)其進(jìn)行分析、測(cè)量，充分了解取樣海水的水質(zhì)成分。此次需要配制的反應(yīng)試劑是一種名為R3SAA的目標(biāo)溶液，這種溶液在海洋水質(zhì)檢測(cè)的過程中較為常見。配制方法如下：

1)將1.0g對(duì)氨基苯磺酰胺溶于約40mL水；

2)加入稀釋后的濃硫酸，待冷卻混合后定容到100mL，盛于塑料瓶中，穩(wěn)定至少一個(gè)月(稀釋的濃硫酸是將98%的濃硫酸7.2mL加入40mL水中)。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本近岸海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)試劑調(diào)配系統(tǒng)，設(shè)計(jì)在一個(gè)密閉的恒溫箱內(nèi)進(jìn)行，因?yàn)楹銣丨h(huán)境能更好地保持溶液的性能及反應(yīng)的良好性。在恒溫箱內(nèi)，設(shè)置一個(gè)試劑混勻機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)上可放置3個(gè)反應(yīng)瓶，在反應(yīng)瓶中事先放置好1.0g的氨基苯磺酰胺固體，然后運(yùn)用蠕動(dòng)泵設(shè)備注入等離子水40mL,等氨基苯磺酰胺固體充分溶解后，注入事先已經(jīng)稀釋的濃硫酸溶液(7.2mL濃硫酸溶于40mL水)60mL，定容到100mL，整個(gè)過程用混勻機(jī)構(gòu)代替人手的搖勻工作，讓它們充分反應(yīng)后，再一次通過蠕動(dòng)泵將配置好的100mL溶液從反應(yīng)瓶抽出到指定的位置，如此便完成了一次完整的R3SAA溶液的配制。一次R3SAA溶液能夠滿足30天的工作需求；周而復(fù)始重復(fù)這個(gè)過程三次，就實(shí)現(xiàn)了三次溶液的配制，從而實(shí)現(xiàn)了90日工作周期的保持。

圖1 系統(tǒng)示意圖

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)封閉在15℃的恒溫箱內(nèi)，有兩根管子通過保溫箱接到反應(yīng)瓶中，分別向反應(yīng)瓶通入等離子水和濃硫酸溶液，再由另一根管子將配置好的溶液輸出。具體實(shí)驗(yàn)流程如下：

1)將稀釋的濃硫酸置于恒溫箱中的濃硫酸溶液瓶中；

2)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下分別將1g氨基苯磺酰胺放置于三個(gè)反應(yīng)瓶中；

3)配制開始時(shí)，啟動(dòng)蠕動(dòng)泵和搖勻機(jī)構(gòu)；

4)現(xiàn)將40mL等離子水通過蠕動(dòng)泵注入反應(yīng)瓶中，同時(shí)使用旋轉(zhuǎn)混勻儀保證固體充分溶解于液體中；

5)通過蠕動(dòng)泵將60mL預(yù)先稀釋過的硫酸溶液注入反應(yīng)瓶中，定容到100mL，讓其充分反應(yīng)；

6)反應(yīng)完成，并混勻后，將配好的溶液通過蠕動(dòng)泵輸送出保溫箱；

在三個(gè)月時(shí)間里，每月配制R3溶液一次，每次由3)至6)自動(dòng)操作。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

根據(jù)上述需求，設(shè)計(jì)了如圖2所示的海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站試劑調(diào)配系統(tǒng)。以PLC為控制中心，通過編程完成對(duì)混勻機(jī)構(gòu)和蠕動(dòng)泵的動(dòng)作控制。混勻機(jī)構(gòu)代替人工完成一個(gè)試劑搖勻動(dòng)作；蠕動(dòng)泵完成對(duì)試劑的吸取抽放動(dòng)作。在搖勻機(jī)構(gòu)和蠕動(dòng)泵之間，以特質(zhì)軟管連接實(shí)現(xiàn)試劑流動(dòng)轉(zhuǎn)換。

圖2 近岸海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)站試劑調(diào)配系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)將反應(yīng)瓶中的固態(tài)氨基苯磺酰胺充分溶解于等離子水，并實(shí)現(xiàn)濃硫酸等各成分充分混勻，設(shè)計(jì)了如圖3所示的旋轉(zhuǎn)混勻機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)運(yùn)用電機(jī)帶動(dòng)載物盒及反應(yīng)瓶做單自由度的軸向往復(fù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)類似于人手左右晃動(dòng)反應(yīng)瓶的動(dòng)作，整個(gè)機(jī)械搖勻機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊。

圖3 混勻機(jī)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器、PLC元件以及其他輔助元件等。

2.1 系統(tǒng)概述

試劑調(diào)配系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)以PLC為整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的核心，與搖勻機(jī)構(gòu)之間連接了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，可通過PLC控制搖勻機(jī)構(gòu)動(dòng)作；與蠕動(dòng)泵之間通過RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器，將控制程序從PLC中讀取出，并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而通過蠕動(dòng)泵RS-485通信口將控制信息輸入，控制蠕動(dòng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)；電壓轉(zhuǎn)換器用于將220V的交流電壓轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)所需的24V直流電。實(shí)物圖與連接圖分別如圖4、圖5所示。

圖4 系統(tǒng)電路實(shí)物圖

圖5 系統(tǒng)電路圖

2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是連接PLC與步進(jìn)電機(jī)之間的橋梁，是一種能夠?qū)㈦娒}沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為角位移信號(hào)的執(zhí)行電子器件。當(dāng)PLC根據(jù)程序指令發(fā)出脈沖信號(hào)時(shí)，它可把信號(hào)轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按一定的方向旋轉(zhuǎn)一定的角度，PLC不斷發(fā)出的脈沖信號(hào)就可以控制步進(jìn)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行。因此，可通過PLC程序命令控制步進(jìn)電機(jī)的角位移量，而脈沖頻率用來控制步進(jìn)電機(jī)的速度和角速度，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速和定位的目的。試劑調(diào)配系統(tǒng)選擇通用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為日本山社步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MD-2422(圖6)，具體性能見表1。

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器MD24-22

2.3 PLC

西門子S7-200系列PLC是小型的可編程控制器，可用于各種場(chǎng)合的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)和控制。該系列有4種不同的基本型號(hào)對(duì)應(yīng)8種CPU供選擇，同時(shí)根據(jù)輸出不同又分為直流輸出和繼電器輸出兩種。由于PLC需驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，所以選擇直流輸出方式，最終PLC型號(hào)為：S7-200 CN CPU224XP AC/DC/DC (6ES7 214-2BD23-0XB8)。

表1 MD-2422性能

圖7 本系統(tǒng)使用的PLC

2.4 RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器與電壓轉(zhuǎn)換器

通過計(jì)算機(jī)編程后，采用PC/PPI電纜將程序下載到PLC中。將PPI電纜的USB接口端連接到計(jì)算機(jī)的COM端口，另一端RS-485連接到PLC的CPU模塊通信端口，以進(jìn)行程序下載。在完成程序下載，將控制程序下載到PLC內(nèi)部后，蠕動(dòng)泵的控制需要通過RS-485通訊口進(jìn)行控制，但是程序信號(hào)不能夠直接通過RS-485讀取，需要借助 RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器(圖8)，將PLC中的信號(hào)讀取出來，對(duì)蠕動(dòng)泵進(jìn)行控制。在整個(gè)近岸海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站試劑調(diào)配系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，運(yùn)用到的PLC、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器都需要提供24V的直流外部電源，因此使用電壓轉(zhuǎn)換器(圖9)將220V交流電轉(zhuǎn)換成為24V直流電，以驅(qū)動(dòng)這些元件。

圖8 RS-232/RS-485轉(zhuǎn)換器

圖9 電壓轉(zhuǎn)換器

3 實(shí)驗(yàn)與討論

3.1 程序設(shè)定

編寫的PLC程序有兩個(gè)控制對(duì)象，其一是步進(jìn)電機(jī)，其二是蠕動(dòng)泵。步進(jìn)電機(jī)的控制簡(jiǎn)單，只需從啟動(dòng)系統(tǒng)到結(jié)束一直正常運(yùn)行即可，而蠕動(dòng)泵的控制相對(duì)復(fù)雜。蠕動(dòng)泵采用485通信接口控制其流量和運(yùn)行時(shí)間，并輸送定量的硫酸和等離子水到反應(yīng)瓶，待搖勻機(jī)構(gòu)搖勻后，抽出。控制流程如圖10所示，IO口分配如表2所示。

表2 IO分配設(shè)置

圖10 控制流程

3.2 參數(shù)設(shè)置

3.2.1 轉(zhuǎn)速型參數(shù)設(shè)置

表3 蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速參數(shù)

3.2.2 讀取正常運(yùn)行參數(shù)

E9 01 0252 4C 1D

全速狀態(tài)下讀取參數(shù)為

E9 01 0A 52 4C 00 00 92 5E 02 00 01 19 C3

圖11 蠕動(dòng)泵全速參數(shù)讀取

3.2.3 讀取轉(zhuǎn)數(shù)及運(yùn)行參數(shù)

E9 01 0244 4C 0B

全速狀態(tài)下讀取參數(shù)為

E9 01 06 44 00 01 02 00 0C

圖12 蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速參數(shù)讀取

3.2.4 流量校準(zhǔn)

E9 01 06 43 4C 00 01 00 A4 AD

表4 流量校正

3.2.5 電機(jī)參數(shù)設(shè)置

正轉(zhuǎn)72度，反轉(zhuǎn)72度，往復(fù)循環(huán)。細(xì)分為2000，減速比1:20，一個(gè)脈沖旋轉(zhuǎn)0.009度，72度8000個(gè)脈沖，時(shí)間設(shè)置大于250ms，小于500ms。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)調(diào)試是指蠕動(dòng)泵流量時(shí)間控制的調(diào)試過程。實(shí)際的實(shí)驗(yàn)過程中，由于軟管的長度改變、液體所受到的壓強(qiáng)、人為造成的誤差等問題可能會(huì)影響到實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)，所以需要對(duì)程序經(jīng)行調(diào)試，以確保整個(gè)R3SAA溶液的成分配制比例盡可能趨于精確。

3.3.1 PLC驅(qū)動(dòng)前的校正測(cè)量數(shù)據(jù)

在運(yùn)用PLC程序?qū)θ鋭?dòng)泵驅(qū)動(dòng)前，經(jīng)過流量校正確保蠕動(dòng)泵流量輸出正常后，展開了對(duì)抽取40mL、60mL和100mL液體的測(cè)量數(shù)據(jù)。通過多次的數(shù)據(jù)測(cè)量，進(jìn)一步驗(yàn)證了蠕動(dòng)泵流量的穩(wěn)定外，也確定了蠕動(dòng)泵時(shí)間控制上的參考值。表5為某一次的測(cè)量數(shù)據(jù)。

表5 液體抽取數(shù)據(jù)

如表5所示，在蠕動(dòng)泵流量控制為42.84mL/min__80RPM的控制條件下，管1抽取40mL液體為96.33s,管2抽取60mL液體為140.18s,管3排放100mL液體為257.29s.根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可在PLC程序中設(shè)置定時(shí)器以控制蠕動(dòng)泵抽取的液體體積。

3.3.2 PLC驅(qū)動(dòng)下的流量數(shù)據(jù)及調(diào)整

在PLC程序?qū)θ鋭?dòng)泵的驅(qū)動(dòng)下，由于蠕動(dòng)泵各管路同狀態(tài)流量的緣故，增加了電磁閥對(duì)各管路控制，盡管影響很小，但對(duì)管路的長度還是產(chǎn)生了影響。同時(shí)在進(jìn)行等離子水和硫酸溶液輸入的過程中，在管路1完成40mL等離子水輸入關(guān)閉電磁閥；在電磁閥2打開，通入硫酸液體時(shí)，管路1中的等離子水也會(huì)通入反應(yīng)瓶；而反向派出R3SAA溶液時(shí)，蠕動(dòng)泵剛反向，而管路2的硫酸液體完全注入反應(yīng)瓶。所以根據(jù)以上問題對(duì)PLC定時(shí)器時(shí)間進(jìn)行了調(diào)整修改。

表6 PLC定時(shí)器時(shí)間數(shù)據(jù)

4小結(jié)

以配制一種R3SAA溶液為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一款用于近岸海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)站的試劑調(diào)配系統(tǒng)。通過機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)搭建、程序編寫等，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化試劑調(diào)配操作，顯著提高了我國近岸海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化程度，該系統(tǒng)也可以用于其他包含試劑調(diào)配作業(yè)的機(jī)電一體化裝備。