CN105334793A - 一种制备人工海水的自动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制备人工海水的自动控制系统及方法，该系统包括主控模块，以及均与主控模块相连的人机交互模块、电导率传感器模块和电气控制模块；主控模块用于比较接收到的实际电导率与目标电导率，并根据比较结果，向电气控制模块发送控制信号；并按照控制信号的指令驱动各机械设备，对人工海水进行增加盐度或者减少盐度的处理，使人工海水的实际电导率达到设置的目标电导率。本发明能够自动控制人工海水的配制，提高了工作效率，更适合大规模的生成需求；并且能够实现人工海水电导率的精确控制。

Description

一种制备人工海水的自动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及人工海水制备领域，尤其涉及一种制备人工海水的自动控制系统及方法。

背景技术

人工海水制备一般是为海水养殖、海洋馆和海洋环境研究服务的。它使用陆上淡水、工业盐或海盐、及各种微量添加剂等，按一定比例配方制备人工海水，并要求维持人工海水的水质满足使用要求。特别是在进行海洋电场环境研究中，人工海水的电导率性能指标显得特别重要。现有技术中的人工海水制备，一般采用向淡水中加入盐以及各种微量元素的方法，通过计算盐的质量、浓度来控制配制的浓度。但传统的方法控制精度较低，并且自动化程度较低，无法满足大规模生产的需求。

结合实际需求，需要一个能够准确控制人工海水的电导率的自动化系统，能够自动调整人工海水的盐度，检测实际电导率，与目标电导率相比较，反馈指导增加盐度或减少盐度，进而通过控制与调整盐度来间接控制与调节电导率，使之满足海洋环境研究的试验条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中人工海水制备精度低，自动化控制程度低的缺陷，提供一种能够自动调节人工海水的电导率，并且制备精度高的制备人工海水的自动控制系统及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种制备人工海水的自动控制系统，包括主控模块，以及均与所述主控模块相连的人机交互模块、电导率传感器模块和电气控制模块；

所述人机交互模块，用于设置制备人工海水的目标电导率，显示系统控制参数与流程进度，并将设置的目标电导率发送给所述主控模块；

所述电导率传感器模块，用于实时采集制备的人工海水的实际电导率，并将采集到的实际电导率发送给所述主控模块；

所述主控模块，用于比较接收到的实际电导率与目标电导率，并根据比较结果，向所述电气控制模块发送控制信号；

所述电气控制模块，用于接收来自所述主控模块的控制信号，并按照控制信号的指令驱动各机械设备，对人工海水进行增加盐度或者减少盐度的处理，使人工海水的实际电导率达到设置的目标电导率。

该系统还包括水质监测与处理模块，用于实时监测人工海水水质，并调节控制水质，保证用水达到要求的水质。

所述主控模块为可编程控制器，与所述人机交互模块通过串口通讯连接。

该系统还包括水池水位传感器、混合罐水位传感器，综合监测系统的工作状态。

所述水质监测与处理模块包括前置过滤砂缸、后置过滤砂缸、臭气消毒装置和紫外线杀菌装置。

所述水质监测与处理模块通过添加消毒液调节ORP值和通过添加酸或碱来调节PH值，并通过前置过滤砂缸和后置过滤砂缸过滤水池试验用水的杂质和污泥，再通过臭气消毒装置和紫外线杀菌装置对过滤后的试验用水进行杀菌处理。

本发明还提供一种制备人工海水的自动控制方法，包括以下步骤：

S1、配制任意盐度的初配人工海水，并测量其实际电导率；

S2、比较初配人工海水的实际电导率与目标电导率，若实际电导率小于目标电导率，则加入盐以增加其盐度及实际电导率；

若实际电导率大于目标电导率，则加入淡水以降低其盐度及实际电导率；

并记录执行步骤S2的次数；

S3、测量人工海水调节后的实际电导率，若调节后的电导率仍不满足目标电导率，且执行步骤S2的次数小于3次，则转入步骤S2；

若调节后的电导率仍不满足目标电导率，且执行步骤S2的次数大于或等于3次，则转入步骤S4；

S4、根据前3次调节后的实际电导率作为样本点绘制曲线，采用最小二乘法进行两次曲线拟合，确定达到目标电导率需要增加或减少的盐度的精确值，并按照该精确值对人工海水进行一次精确调整，从而达到目标电导率。

本发明产生的有益效果是：本发明的制备人工海水的自动控制系统及方法，通过人机交互模块输入目标电导率，主控模块接收来自传感器模块采集到的实际电导率，与目标电导率比较后控制并调整人工海水的电导率；本系统能够自动控制人工海水的配制，提高了工作效率，更适合大规模的生成需求；并且在多次粗调电导率后，使用最小二乘法进行精确调整，从而实现人工海水电导率的精确控制。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的制备人工海水的自动控制系统的结构框图；

图2是本发明实施例的制备人工海水的自动控制方法的流程图；

图3是本发明实施例的制备人工海水的自动控制系统的结构示意图；

图4是本发明实施例的制备人工海水的自动控制方法的初配制工况的流程图；

图5是本发明实施例的制备人工海水的自动控制方法的增盐度工况的流程图；

图6是本发明实施例的制备人工海水的自动控制方法的减盐度工况的流程图；

图7是本发明实施例的制备人工海水的自动控制方法的淡水补水工况的流程图；

图8是本发明实施例的制备人工海水的自动控制方法的排污水工况的流程图；

图9是本发明实施例的制备人工海水的自动控制方法的循环水水净化处理工况的流程图；

图中1-主控模块，2-人机交互模块，3-电导率传感器模块，4-电气控制模块，5-水质监测与处理模块，301-潜水泵、302-循环泵、303-化盐泵、304-混合罐、305-水质监测装置、306-臭氧反应罐、307-PH加剂泵、308-ORP加剂泵、309-臭氧消毒装置、310-紫外线杀菌装置、311-前置过滤砂缸、312-后置过滤砂缸。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的一种制备人工海水的自动控制系统，包括主控模块1，以及均与主控模块1相连的人机交互模块2、电导率传感器模块3和电气控制模块4；

人机交互模块2，用于设置制备人工海水的目标电导率，显示系统控制参数与流程进度，并将设置的目标电导率发送给主控模块1；

电导率传感器模块3，用于实时采集制备的人工海水的实际电导率，并将采集到的实际电导率发送给主控模块1；该系统还包括水池水位传感器、混合罐水位传感器，综合监测系统的工作状态；

主控模块1，用于比较接收到的实际电导率与目标电导率，并根据比较结果，向电气控制模块4发送控制信号；主控模块1为可编程控制器，与人机交互模块2通过串口通讯连接；

电气控制模块4，用于接收来自主控模块1的控制信号，并按照控制信号的指令驱动各机械设备，对人工海水进行增加盐度或者减少盐度的处理，使人工海水的实际电导率达到设置的目标电导率。

该系统还包括水质监测与处理模块5，用于实时监测人工海水水质，并调节控制水质，保证用水达到要求的水质。

水质监测与处理模块5包括前置过滤砂缸311、后置过滤砂缸312、臭气消毒装置309和紫外线杀菌装置310。水质监测与处理模块5通过添加消毒液调节ORP值和通过添加酸或碱来调节PH值，并通过前置过滤砂缸311和后置过滤砂缸312过滤水池试验用水的杂质和污泥，再通过臭气消毒装置和紫外线杀菌装置对过滤后的试验用水进行杀菌处理。

如图2所示，本发明实施例的制备人工海水的自动控制方法用于实现本发明实施例的制备人工海水的自动控制系统，包括以下步骤：

S1、配制任意盐度的初配人工海水，并测量其实际电导率；

S2、比较初配人工海水的实际电导率与目标电导率，若实际电导率小于目标电导率，则加入盐以增加其盐度及实际电导率；

若实际电导率大于目标电导率，则加入淡水以降低其盐度及实际电导率；

并记录执行步骤S2的次数；

S3、测量人工海水调节后的实际电导率，若调节后的电导率仍不满足目标电导率，且执行步骤S2的次数小于3次，则转入步骤S2；

若调节后的电导率仍不满足目标电导率，且执行步骤S2的次数大于或等于3次，则转入步骤S4；

S4、根据前3次调节后的实际电导率作为样本点绘制曲线，采用最小二乘法进行两次曲线拟合，确定达到目标电导率需要增加或减少的盐度的精确值，并按照该精确值对人工海水进行一次精确调整，从而达到目标电导率。

如图3所示，在本发明的另一个实施例中，人工海水的自动控制系统包括潜水泵301、循环泵302、化盐泵303、混合罐304、水质监测装置305、臭氧反应罐306、PH加剂泵307、ORP加剂泵308、臭氧消毒装置309、紫外线杀菌装置310、前置过滤砂缸311、后置过滤砂缸312等，其中：

在混合罐304中，使用海盐或工业盐与淡水或水池人造海水相混合，使用搅拌器和化盐泵加速颗粒状盐的溶解，通过循环泵302和潜水泵301形成的水流作用和盐的扩散作用加速水池中的盐度均匀化，最终达到所需要的盐度的人造海水。

人工海水制备水系统可分为试验用水制备水系统和水净化处理水系统两部分，两者之间也有交叉共享的设备。前者包括潜水泵301、主淡水电动阀与主淡水流量计、前置过滤砂缸311、化盐泵303、混合罐304、循环泵302；后者包括潜水泵301、前置过滤砂缸311、混合罐304、循环泵302、后置过滤砂缸312、水质监测装置305、臭氧消毒装置309和紫外线杀菌装置310等。循环泵302一方面作为均衡水池盐度，强制循环将加速水池盐度分布均匀化；另一方面作为水净化处理必须的循环动力。潜水泵301一方面用于制备工艺流程结束时的排污泵，另一方面作为为水净化处理必须的循环动力。另外，排污工况和减盐度工况的实现，可以通过潜水泵301抽水池的海水，送入混合罐304过渡，再通过排海水泵（由变频器驱动）、排海水电磁阀和排海水电磁流量计，可以通过专用驳接口送海水淡化装置处理或专门建造的晒盐场进行处理，以满足环保之要求。

自动控制系统中设置了水池水位传感器、混合罐水位传感器、主淡水流量计、排海水流量计、水质ORP和PH传感器、电导率传感器和温度传感器等。PLC的AD转换模块接收的传感器信号制式统一为40mA信号。水池水位传感器采用投入式静压传感器，用于测量与控制水池水位；混合罐水位传感器采用静压式传感器，用于测量与控制混合罐水位，防止化盐泵303和循环泵302干转或水位溢出；主淡水流量计采用涡轮式流量计，用于计量制备所用的淡水总量；排海水流量采用电磁流量计，用于计量排出海水的量和计算排出盐份质量，主要用于减盐度工况的实现。电导率传感器是与专用二次仪表相连接，用于在线测量水池的电导率；水池水质ORP和PH传感器是与水质监测仪配合工作的，用于检测与控制水质，通过控制ORP加剂泵与PH加剂泵来实现消毒与PH值调节控制，从而保证达到使用要求的人造海水水质。

如图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，本发明实施例的人工海水的自动控制方法可以分为六个基本工况：1.初配制工况，2.增盐度工况，3.减盐度工况，4.淡水补水工况，5.排污水工况，6.循环水水净化处理。首先完成初配制一定盐度的人工海水，测量其电导率，与目标电导率相比较，如果实际电导率太低，通过增盐度工况来提高目标盐度，提高电导率；如果实际电导率太高，通过减盐度工况加入淡水稀释来降低目标盐度，降低电导率；连续使用增盐度工况和减盐度工况进行盐度的调节，检测电导率是否达到目标电导率，从而实现电导率的准确控制。如果增盐度工况或减盐度工况累积3次以上，可根据多次制备试验得到的盐度与实测的电导率样本点，采用最小二乘法进行2次曲线拟合，确定达到目标电导率时，需要增加盐度或减少盐度的估计，指导制备过程的工况选择与参数设定，从而使人工海水的电导率尽快达到所要求的目标电导率。

图中所示的是PLC控制系统的控制程序流程图，PLC控制系统主要包括HMI触摸屏、PLC控制器、电导率仪、水质监测与处理装置、变频器、传感器和其他低压电气元件等,其中:

HMI触摸屏作为人机交互的平台，可以实现工况选择控制、技术参数设置和状态监测与故障诊断功能。PLC负责控制人工海水制备流程，实施技术参数的控制与各机电设备的控制与协调。

水质监测仪在线检测水池用水的ORP和PH值，根据人为设定的控制范围，自动控制ORP加剂泵进行水池用水的消毒处理，和PH加剂泵进行PH值调节。

循环泵从混合罐中抽水，通过后置过滤砂缸过滤后，还要经过O3消毒装置和UVF消毒装置进行杀菌处理，最后排入试验水池的另一端。

本发明可实现人工海水制备工艺流程制定，和制备过程的自动控制目标。它有两个特点：(1)防腐蚀能力强—所有管道采用PPR管和PVC管，具有较强的防腐蚀能力；潜水泵与化盐泵采用不锈钢水泵，循环泵采用化工塑料防腐蚀泵，有较强的防止海水的腐蚀能力；（2）保护功能齐全和可靠性高—自动控制系统具有过流、过载、短路、过热等自动保护停机功能；有故障显示和报警功能；并具有自动状态监测与故障诊断能力，还具有断电动保护与供电恢复后自动接续能力；（3）自动化程度高—采用触摸屏与PLC控制相结合，实现工况选择控制、技术参数设置和状态监测与故障诊断功能。一旦工况选择，系统自动按PLC控制流程进行自动控制，装置具有较高的自动化程度。每次制备流程允许包括一个初配制工况、多个增盐度工况、多个减盐度工况、多个补淡水工况和一个排污水工况。工艺流程由初配制工况开始，以排污水工况结束，中间允许选择多个增盐度工况、多个减盐度工况和多个补淡水工况。只有当初配制工况结束后，才能启动强制循环净化处理工况下运行，对水池的人造海水进行循环过滤、O3消毒和UVF消毒，同时进行水质监测与ORP加剂和PH加剂处理，保证水质达到试验要求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种制备人工海水的自动控制系统，其特征在于，包括主控模块（1），以及均与所述主控模块（1）相连的人机交互模块（2）、电导率传感器模块（3）和电气控制模块（4）；

所述人机交互模块（2），用于设置制备人工海水的目标电导率，显示系统控制参数与流程进度，并将设置的目标电导率发送给所述主控模块（1）；

所述电导率传感器模块（3），用于实时采集制备的人工海水的实际电导率，并将采集到的实际电导率发送给所述主控模块（1）；

所述主控模块（1），用于比较接收到的实际电导率与目标电导率，并根据比较结果，向所述电气控制模块（4）发送控制信号；

所述电气控制模块（4），用于接收来自所述主控模块（1）的控制信号，并按照控制信号的指令驱动各机械设备，对人工海水进行增加盐度或者减少盐度的处理，使人工海水的实际电导率达到设置的目标电导率。

2.根据权利要求1所述的制备人工海水的自动控制系统，其特征在于，该系统还包括水质监测与处理模块（5），用于实时监测人工海水水质，并调节控制水质，保证用水达到要求的水质。

3.根据权利要求1所述的制备人工海水的自动控制系统，其特征在于，所述主控模块（1）为可编程控制器，与所述人机交互模块（2）通过串口通讯连接。

4.根据权利要求1所述的制备人工海水的自动控制系统，其特征在于，该系统还包括水池水位传感器、混合罐水位传感器，综合监测系统的工作状态。

5.根据权利要求2所述的制备人工海水的自动控制系统，其特征在于，所述水质监测与处理模块（5）包括前置过滤砂缸（311）、后置过滤砂缸（312）、臭氧消毒装置（309）和紫外线杀菌装置（310）。

6.根据权利要求5所述的制备人工海水的自动控制系统，其特征在于，所述水质监测与处理模块（5）通过添加消毒液调节ORP值和通过添加酸或碱来调节PH值，并通过前置过滤砂缸（311）和后置过滤砂缸（312）过滤水池试验用水的杂质和污泥，再通过臭氧消毒装置（309）和紫外线杀菌装置（310）对过滤后的试验用水进行杀菌处理。

7.一种制备人工海水的自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、配制任意盐度的初配人工海水，并测量其实际电导率；

S2、比较初配人工海水的实际电导率与目标电导率，若实际电导率小于目标电导率，则加入盐以增加其盐度及实际电导率；

若实际电导率大于目标电导率，则加入淡水以降低其盐度及实际电导率；

并记录执行步骤S2的次数；

S3、测量人工海水调节后的实际电导率，若调节后的电导率仍不满足目标电导率，且执行步骤S2的次数小于3次，则转入步骤S2；

若调节后的电导率仍不满足目标电导率，且执行步骤S2的次数大于或等于3次，则转入步骤S4；

S4、根据前3次调节后的实际电导率作为样本点绘制曲线，采用最小二乘法进行两次曲线拟合，确定达到目标电导率需要增加或减少的盐度的精确值，并按照该精确值对人工海水进行一次精确调整，从而达到目标电导率。