CN101362616B - 一种精确控制水中溶解氧含量的系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可精确控制水中溶解氧含量的系统及应用。该系统由溶解氧传感器、变送器、数据采集模块、可编程控制器、信号输出模块、两个比例电磁阀等构成，溶解氧传感器能够探测水中溶解氧的含量，探测出的信号经过变送器整合成4-20mA模拟信号，该模拟信号通过数据采集模块采集到可编程控制器中，可编程控制器根据测得的溶解氧值和设定值计算出4-20mA控制信号，再将控制信号通过信号输出模块传送到比例电磁阀上调节阀的开度以控制通入气体的种类和流量。本发明通过优化设定正反向控制信号的输出范围以及控制信号的通断时间比例，解决了被控系统的严重滞后性和正反向控制的不均衡性，可以精确控制溶解氧(浓度或)含量，控制精度在5ppb以内。

Description

一种精确控制水中溶解氧含量的系统及其应用

技术领域

本发明涉及溶解氧含量控制技术，具体为一种可精确控制水中溶解氧含量的系统及应用。

背景技术

在化工、食品、制药领域以及实验室中，反应溶液中溶解氧的含量往往是影响生产工艺或实验结果的一个重要参数，所以经常要求严格控制该参数在某一设定值附近。而气体的溶解以及排除是一个比较滞后的过程，需要较长的时间来达到平衡，并且正向控制过程和反向控制过程也不均衡，这些都给精确控制溶解氧含量带来了很大困难。常规的PID控制算法所能获得的控制效果不够理想，难以满足严格的控制精度要求。

发明内容

本发明目的在于提供一种精确控制水中溶解氧含量的系统及其应用，解决被控系统滞后性及正反向控制过程不均衡性等问题。

本发明的技术方案如下：

一种精确控制水中溶解氧含量的系统，该系统包括排气装置、储水容器、溶解氧传感器、变送器、混合泵、一号电磁阀、二号电磁阀、数据采集模块、可编程控制器、信号输出模块，各部分之间连接关系如下：储水容器顶部的排气口处连接排气装置，储水容器底部的进气口分成两路分别连接一号电磁阀和二号电磁阀，储水容器底部还有一出水口连接混合泵；混合泵的出水口分成两路，一路直接流回到储水容器中，还有一路上装有溶解氧传感器；溶解氧传感器的信号接到变送器上，变送器的模拟信号再接到数据采集模块的模拟信号输入通道中，数据采集模块的输出端连至可编程控制器，可编程控制器的输出端通过信号输出模块连至一号电磁阀或二号电磁阀上。

所述的精确控制水中溶解氧含量的系统，可编程控制器通过以太网口与计算机相连。

所述的精确控制水中溶解氧含量的系统的应用，包括如下步骤：

(1)采用溶解氧传感器探测水中氧含量，传感器的信号经过变送器整合成4-20mA电流信号，该信号被数据采集模块采集到可编程控制器中；

(2)可编程控制器根据实际的溶解氧值和设定的溶解氧值，计算出4-20mA控制信号，信号输出模块将控制信号传送到比例电磁阀上；

如果实际溶解氧值低于设定值，则正向控制开始，控制信号将被传送到一号电磁阀上，此时该阀根据控制信号大小调节阀的开度使氧氮混合气体通入水中，溶解氧含量开始上升；

如果实际溶解氧值高于设定值，则反向控制开始，控制信号将被传送到二号电磁阀上，此时该阀根据控制信号大小调节阀的开度使氮气通入水中，溶解氧含量开始下降。

所述的精确控制水中溶解氧含量的系统的应用，可编程控制器将输出的控制信号传送到相应的电磁阀上较短一段时间2秒后，将控制信号关闭较长一段时间15秒，然后根据最新测到的溶解氧值重新计算出控制信号发送出去，如此反复。

所述的精确控制水中溶解氧含量的系统的应用，可编程控制器将输出的控制信号在预先设定的范围-72％至76％内，该初始控制信号将通过缩放系数再次缩小使执行器以较小的幅度动作，其中反向控制缩放系数为1.5，正向缩放系数为2，与最终控制信号的范围相对应的反向控制电流信号为4至11.68mA，正向为4至10.08mA。

所述的精确控制水中溶解氧含量的系统的应用，可编程控制器按以下算法计算出4-20mA控制信号：

首先，比例函数求出设定值与实际值之间的偏差，并将该偏差乘以比例系数24得到初始控制信号，比例函数还将根据设定的输出范围强制把初始控制信号限定在该范围内，本算法中设定的输出范围为-72％至76％；初始控制信号大于0时，将进入正向控制环节，该环节中初始控制信号除以一个缩放系数2，得到的结果转换成4-20mA最终控制信号，该控制信号通过信号输出模块传送到一号电磁阀上，接通2秒后断开15秒；初始控制信号小于0时，将进入反向控制环节，该环节中初始控制信号除以一个缩放系数1.5，将结果转换成4-20mA最终控制信号，该控制信号通过信号输出模块传送到二号电磁阀上，接通2秒后断开15秒；完成一次控制动作后，将重新获取实际值进行判断，如此反复循环。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用溶解氧传感器探测水中氧含量，传感器的信号经过变送器整合成4-20mA电流信号，该信号被数据采集模块采集到可编程控制器中，可编程控制器根据实际的溶解氧值和设定的溶解氧值，按照一定的算法计算出4-20mA控制信号，信号输出模块将控制信号传送到比例电磁阀上。当实际溶解氧值低于设定值，正向控制开始，控制信号将被传送到一号电磁阀上，此时该阀根据控制信号大小调节阀的开度使氧氮混合气体通入水中，溶解氧含量开始上升；当实际溶解氧值高于设定值，反向控制开始，控制信号将被传送到二号电磁阀上，此时该阀根据控制信号大小调节阀的开度使氮气通入水中，溶解氧含量开始下降。

2、本发明的可编程控制器中所采用的算法限定控制信号的输出范围，并且合理调节其通断的时间比例，可以有效地解决被控系统的滞后性及正反向控制过程不均衡性。

3、本发明将控制信号通过信号输出模块传送到比例电磁阀上，调节阀的开度以控制通入气体的种类和流量，使溶解氧传感器可及时、准确地探测出水中溶解氧的含量。控制水中溶解氧含量时，正向控制通入氧氮混合气体，采用氧氮混合气体增加溶解氧含量，较单独采用氧气，可延缓溶解氧含量的上升速度，更容易精确控制溶解氧含量；反向控制通入氮气，可将其中的部分氧气排出。

附图说明

图1为本发明整个控制系统结构图。

图中，1排气装置；2储水容器；3溶解氧传感器；4变送器；5流量计；6混合泵；7一号电磁阀；8二号电磁阀；9数据采集模块；10可编程控制器；11计算机；12信号输出模块。

图2为本发明的控制结果与常规PID算法的控制结果对比。

图3为本发明溶解氧控制程序框图。

具体实施方式

如图1所示，本发明整个控制系统结构主要包括：排气装置1、储水容器2、溶解氧传感器3、变送器4、流量计5、混合泵6、一号电磁阀7、二号电磁阀8、数据采集模块9、可编程控制器10、计算机11、信号输出模块12，各部分之间连接关系如下：储水容器2顶部的排气口处连接排气装置1，储水容器2底部的进气口分成两路分别连接一号电磁阀7和二号电磁阀8，储水容器2底部还有一出水口连接混合泵6；混合泵6的出水口分成两路，一路直接流回到储水容器2中，还有一路上装有流量计5和溶解氧传感器3；溶解氧传感器3的输出端连至变送器4；变送器4将信号整合成4-20mA电流信号输出至数据采集模块9；数据采集模块9通过底板连接至可编程控制器10；可编程控制器10将计算出的控制信号通过信号输出模块12传送至一号电磁阀7或二号电磁阀8上；可编程控制器10可通过以太网口与计算机11进行通讯。

本发明中，所采用的可编程控制器为美国NI公司生产的cfp2100控制器，该控制器带有一个串行接口和一个以太网接口，内置64MB非易失性存储器和64MB随机存储器。

本发明中，所采用的数据采集模块为美国NI公司生产的8通道、16位精度cfp-AI-110输入模块。

本发明中，所采用的信号输出模块为美国NI公司生产的8通道、12位精度cfp-AO-200输出模块。

本发明中，所采用的开发软件为美国NI公司开发的NI开发者套件简体中文版。

本发明中，软件所涉及的函数主要有普通的PID函数、信号转换函数、延时函数，其中PID函数可根据实际值、设定值以及比例系数计算出初始控制信号，并将信号限定在指定的范围内；信号转换函数将百分数控制信号转换为4-20mA电流信号；延时函数可将输出信号保持在一定时间内不变。

本发明采用溶解氧传感器3在水循环的支路上实时探测水中的溶解氧含量，探测信号经过变送器4整合成4-20mA电流信号，该电流信号通过数据采集模块9被采集到可编程控制器10中。可编程控制器10根据实际的溶解氧值和设定值，按照一定的算法计算出4-20mA控制信号，该控制信号通过信号输出模块12传送到相应的比例电磁阀上；

为解决被控系统滞后性问题，可编程控制器按照设定的算法使控制信号在传送到相应的电磁阀上较短一段时间(2s)后，将控制信号关闭较长一段时间(15s)，然后根据最新测到的溶解氧值重新计算出控制信号发送出去，如此反复；

为解决正反控制过程不均衡性问题，同时为了减小被控系统的震荡，可编程控制器使输出的控制信号在预先设定的范围(-72％至76％)内，并通过缩放系数(反向控制缩放系数为1.5，正向控制为2)再次缩小控制信号使执行器以较小的幅度动作，与最终控制信号的范围相对应的反向控制电流信号为4至11.68mA，正向为4至10.08mA。

一号(比例)电磁阀7为正向控制执行器，主要用来控制氧氮混合气体的通入，当实际溶解氧值低于设定值时，正向控制开始，控制信号将被传送到该一号(比例)电磁阀7上，一号(比例)电磁阀7根据信号的大小来调节阀的开度使氧氮混合气体以一定的流量通入到水中，水中溶解氧量开始上升。本发明中，氧气与氮气的体积比为1∶9，采用这个比例的好处是正向控制时可以使溶解氧含量较为缓慢地上升而不会引起较大过调。

二号(比例)电磁阀8为反向控制执行器，主要用来控制氮气的通入，当实际溶解氧值高于设定值时，反向控制开始，控制信号将被传送到该二号(比例)电磁阀8上，二号(比例)电磁阀8根据信号的大小来调节阀的开度使氮气以一定的流量通入到水中，水中溶解氧量开始下降。

本发明精确控制水中溶解氧含量方法的应用，包括如下步骤：

1、将水放置在一个密闭的储水容器2中，用一单向导通的排气装置1与该储水容器2的顶部相连，并为该储水容器2装配一循环系统(混合泵6)，使储水容器2中的水能从底部经过外部管路再从顶部回到储水容器2中，将溶解氧传感器3、流量计5安装在与储水容器2连通的外部管路上；

2、将溶解氧传感器3的输出端接到相应的变送器4上，将变送器4的输出端接到数据采集模块9上；

3、将信号输出模块12的输出通道接到相应的电磁阀(一号(比例)电磁阀7、二号(比例)电磁阀8)的信号端，并为电磁阀的电源端配上直流电源；

4、将氧氮混合气瓶的出气口连接到一号电磁阀7的进口，并将氮气瓶的出气口连接到二号电磁阀8的进口，将两个电磁阀的出口端并成一路通到密闭储水容器2底部的进气口；

5、将预先写好的算法部署到可编程控制器10中，打开各处电源和气瓶开关，在计算机11中设定好设定值和控制参数并发送到可编程控制器10中，即可开始自动控制过程。

如图3所示，本发明溶解氧控制程序流程如下：

当设定好控制精度(如1-3ppb)、控制参数(如比例系数设为24)、设定值(如890ppb)后，发出开始执行命令，上述参数将传递到可编程控制器中；当实际溶解氧值与设定值的偏差在精度范围内时，输出信号为0，不进行控制；如偏差超过此范围，则控制函数将根据控制参数和偏差计算出控制信号；该控制信号在导通一段时间后将断开一段时间，如此反复循环直到达到控制精度。

为解决该被控系统的严重滞后性和正反向控制的不均衡性，可编程控制器中运行的控制算法至关重要。本发明的算法具体说明如下：

当实际值与设定值的偏差在设定的精度范围内时，输出控制信号为0，否则将根据具体情况实施控制操作；首先，比例函数求出设定值与实际值之间的偏差，并将该偏差乘以比例系数24得到初始控制信号，比例函数还将根据设定的输出范围强制把初始控制信号限定在该范围内，本算法中设定的输出范围为-72％至76％；初始控制信号大于0时，将进入正向控制环节，该环节中初始控制信号除以一个缩放系数2，得到的结果转换成4-20mA最终控制信号，该控制信号通过信号输出模块传送到一号电磁阀上，接通2秒后断开15秒；初始控制信号小于0时，将进入反向控制环节，该环节中初始控制信号除以一个缩放系数1.5，将结果转换成4-20mA最终控制信号，该控制信号通过信号输出模块传送到二号电磁阀上，接通2秒后断开15秒；完成一次控制动作后，将重新获取实际值进行判断，如此反复循环。

实施例

在实施例中，将溶解氧含量设定为890ppb，分别用常规PID算法和本发明所采用的算法进行控制。所得的结果如图2所示。

从图2中可以看到，常规PID算法所得到结果存在10ppb以上的上偏差，下偏差将近5ppb；而本发明控制结果的上偏差不超过3ppb，下偏差不超过4ppb，总体控制精度优于5ppb。

实施例结果表明，本发明通过优化设定正反向控制信号的输出范围以及控制信号的通断时间比例，解决了被控系统的严重滞后性和正反向控制的不均衡性，可以精确控制溶解氧(浓度或)含量，控制精度在5ppb以内。

Claims (6)

1.一种精确控制水中溶解氧含量的系统，其特征在于，该系统包括排气装置(1)、储水容器(2)、溶解氧传感器(3)、变送器(4)、混合泵(6)、一号电磁阀(7)、二号电磁阀(8)、数据采集模块(9)、可编程控制器(10)、信号输出模块(12)，各部分之间连接关系如下：储水容器(2)顶部的排气口处连接排气装置(1)，储水容器(2)底部的进气口分成两路分别连接一号电磁阀(7)和二号电磁阀(8)，储水容器(2)底部还有一出水口连接混合泵(6)；混合泵(6)的出水口分成两路，一路直接流回到储水容器(2)中，还有一路上装有溶解氧传感器(3)，流经该路的水经溶解氧传感器(3)后流回到储水容器(2)；溶解氧传感器(3)的信号接到变送器(4)上，变送器(4)的模拟信号再接到数据采集模块(9)的模拟信号输入通道中，数据采集模块(9)的输出端连至可编程控制器(10)，可编程控制器(10)的输出端通过信号输出模块(12)连至一号电磁阀(7)或二号电磁阀(8)上；所述一号电磁阀(7)为正向控制执行器，主要用来控制氧氮混合气体的通入；所述二号电磁阀(8)为反向控制执行器，主要用来控制氮气的通入。

2.按照权利要求1所述的精确控制水中溶解氧含量的系统，其特征在于，可编程控制器(10)通过以太网口与计算机(11)相连。

3.一种权利要求1所述的精确控制水中溶解氧含量的系统的应用，其特征在于，包括如下步骤：

(1)采用溶解氧传感器探测水中氧含量，传感器的信号经过变送器整合成4-20mA电流信号，该信号被数据采集模块采集到可编程控制器中；

(2)可编程控制器根据实际的溶解氧值和设定的溶解氧值，计算出4-20mA控制信号，信号输出模块将控制信号传送到电磁阀上；

如果实际溶解氧值低于设定值，则正向控制开始，控制信号将被传送到一号电磁阀上，此时该阀根据控制信号大小调节阀的开度使氧氮混合气体通入水中，溶解氧含量开始上升；

如果实际溶解氧值高于设定值，则反向控制开始，控制信号将被传送到二号电磁阀上，此时该阀根据控制信号大小调节阀的开度使氮气通入水中，溶解氧含量开始下降。

4.按照权利要求3所述的精确控制水中溶解氧含量的系统的应用，其特征在于，可编程控制器将输出的控制信号传送到相应的电磁阀上较短一段时间2秒后，将控制信号关闭较长一段时间15秒，然后根据最新测到的溶解氧值重新计算出控制信号发送出去，如此反复。

5.按照权利要求3所述的精确控制水中溶解氧含量的系统的应用，其特征在于，可编程控制器使输出的控制信号在预先设定的范围-72％至76％内，该初始控制信号将通过缩放系数再次缩小使执行器以较小的幅度动作，其中反向控制缩放系数为1.5，正向缩放系数为2，与最终控制信号的范围相对应的反向控制电流信号为4至11.68mA，正向为4至10.08mA。

6.按照权利要求3所述的精确控制水中溶解氧含量的系统的应用，具特征在于，可编程控制器按以下算法计算出4-20mA控制信号：

首先，比例函数求出设定值与实际值之间的偏差，并将该偏差乘以比例系数24得到初始控制信号，比例函数还将根据设定的输出范围强制把初始控制信号限定在该范围内，本算法中设定的输出范围为-72％至76％；初始控制信号大于0时，将进入正向控制环节，该环节中初始控制信号除以一个缩放系数2，得到的结果转换成4-20mA最终控制信号，该控制信号通过信号输出模块传送到一号电磁阀上，接通2秒后断开15秒；初始控制信号小于0时，将进入反向控制环节，该环节中初始控制信号除以一个缩放系数1.5，将结果转换成4-20mA最终控制信号，该控制信号通过信号输出模块传送到二号电磁阀上，接通2秒后断开15秒；完成一次控制动作后，将重新获取实际值进行判断，如此反复循环。

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