CN110526307B - 一种具有动态调整策略的沼液膜浓缩控制装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有动态调整策略的沼液膜浓缩控制装置和方法。本发明的目的是在于提供一种结构简单并且容易操作的沼液膜浓缩控制装置来实现对管道压力的动态调整。该控制装置包括启停装置、输入模块、变频器、变频器控制电路、供电电路、压力传感器、中央处理器、模拟量输入模块、模拟量输出模块、调节阀和水泵。此外，还提供了利用该装置对沼液膜浓缩进行控制的方法。

Description

一种具有动态调整策略的沼液膜浓缩控制装置和方法

技术领域

本发明测控和自动技术领域，具体涉及一种具有动态调整策略的沼液膜浓缩控制装置和方法。

背景技术

沼液膜浓缩能够提高沼液中营养物质的含量比率，沼液膜浓缩控制装置是一种能够对沼液膜浓缩工艺进行实时控制、自动存储记录、信号预处理、即时显示、即时状态分析、自动运行等功能的自动化设备。

当前，浓缩膜作为沼液膜浓缩中的关键部件，对沼液的浓缩效率起着最重要的作用，但是膜使用寿命有限，并且工业现场膜内压力变化波动大，所以如何保证膜内压力的稳定来降低膜的损耗来延长膜的使用寿命很重要。

随着检测和控制技术的发展以及处理器处理速度的提高，动态调整策略广泛应用于工业现场中，这对压力的动态调整提供了前提。传统的沼液膜浓缩装置由于管道阀门开度及水泵的转速无控制或控制不及时，导致浓缩膜处于连续压力不稳定工作状态，膜的损耗大，使用寿命短，有些沼液膜浓缩装置通过采用强度高的膜来延长使用寿命，但同时也会增加膜浓缩装置的体积，并且提高了成本。本文提出一种具有动态调整策略的沼液膜浓缩控制方法及装置，实现了膜管道内压力的实时调整至稳定，更大程度降低了膜的损耗，提高了工作效率，使得膜浓缩装置能在工业现场长期有效工作。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明技术方案提供了一种具有动态调整策略的沼液膜浓缩控制装置和方法。所述技术方案如下：

第一方面，提供具有动态调整策略的沼液膜浓缩控制装置，包括启停装置、输入模块、变频器、变频器控制电路、供电电路、压力传感器、中央处理器、模拟量输入模块、模拟量输出模块、调节阀、水泵，所述启停装置、输入模块、供电电路、模拟量输入模块、模拟量输出模块分别与中央处理器连接，其中，所述输入模块用于设置相关参数，所述中央处理器通过模拟输入模块读取压力传感器的数值，所述变频器通过所述变频器控制电路连接中央处理器，所述变频器连接水泵，并用于控制水泵的转速，所述模拟量输出模块连接调节阀，并用于驱动调节阀的开度。

进一步的，所述调节阀包括进料调节阀、循环调节阀、回流调节阀和出料调节阀，所述变频器至少控制进料调节阀和循环调节阀。

进一步的，所述水泵进一步包括进料水泵、浓缩水泵。

进一步的，还包括交换机，所述交换机用于连接输入模块、中央处理器和外部服务器。

进一步的，还包括数字输出电路、清洗开关阀、清洗回流开关阀、产清水开关阀，其中，所述数字输出电路与所述中央处理器连接。

进一步的，所述输入模块为触摸屏模块。

第二方面，在前述第一方面的基础上，提供一种具有动态调整策略的沼液膜浓缩控制方法，包括以下步骤：对沼液膜浓缩装置的参数初始化设置；确定压力采样间隔时间；基于所述压力采样间隔时间，定时采集压力信号，动态调整管道压力；其中，对于确定压力采样间隔具体包括如下步骤：首先根据第i个压力传感器的N次历史压力数据计算平均压力(i是传感器编号，q是压力数据的批次),然后分别计算M个压力传感器的N次历史应变数据的方差/>(i＝1,2……M；p也是压力数据的批次)，得到所有压力传感器的方差的最小值S² _min＝min{S₁ ²,S₂ ²……S_M ²}，用方差最小值S² _min代入公式(1)得出当前的采样间隔时间T_i；

其中

(D是方差最小值，即S² _min＝min{S₁ ²,S₂ ²……S_M ²})。

进一步的，所述对浓缩装置的参数初始化设置至少包括：设置额定压力参数，默认输入逻辑低电压和低电流，控制所述调节阀和开关阀默认为关闭，设置水泵为待机状态。

进一步的，对于基于所述压力采样间隔时间，定时采集压力信号，动态调整管道压力，具体包括：若采集得到的压力数值超出最大安全压力或者低于管漏压力，安全停机；否则根据压力值代入公式(2)计算得出调节阀的开度，写入模拟量输出DAC模块，驱动调节阀门的开度，

K＝102*(P-P_e)+24000； (2)

K为模拟量输出DAC模块的输入数字量，P为采集得到的管道压力值，单位为Kpa，P_e为额定压力值，单位为Kpa；

根据压力值代入公式(3)计算得出水泵的频率值，发送给变频器，驱动水泵转速，

H＝-3.2*(P-P_e)+30； (3)

H位变频器频率，P和P_e定义同公式(2)。

与现有技术相比，本发明的技术方案至少具有以下有益效果：

(1)采用本发明的具有动态调整策略的沼液膜浓缩控制装置和方法，各部件之间协同工作，可以对管道压力进行调整，并且通过对历史压力波动数据分析，计算压力值的方差来反映管道压力值的波动情况，对照建立的方差和采样间隔时间表自动设定中央处理器定时采样时间，根据采样得到的压力值进行管道阀门开度和水泵转速的调节，保证了沼液膜浓缩管道内压力的稳定，降低了浓缩膜的损耗，提高设备的使用寿命，保证了设备的安全运行。

(2)本发明采用可触摸屏进行人机交互，操作员可以通过触摸屏幕操作的方法修改额定压力值和其他工艺参数，更具灵活性和适用性，同时留有网口，设备数据可以通过以太网发送到服务器，进行远程监控。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的工作原理流程图；

图2为本发明的沼液膜浓缩装置框图；

图3为本发明的PLC输入设计图；

图4为本发明的PLC输出设计图；

图5为本发明的PLC系统组态图。

其中：101-启停按键，102-触摸屏模块，103-变频器控制电路，104-供电电路，105-数字输出电路，106-PLC中央处理器，107-模拟输入ADC模块，108-模拟输出DAC模块，109-交换机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，提供了为本发明实施例提供的具有动态调整策略的沼液膜浓缩控制装置。

该装置包括如下部件：启停按键(101)、触摸屏模块(102)、变频器控制电路(103)、变频器(未示出)、供电电路(104)、压力传感器、数字输出电路(105)、PLC中央处理器(106)、模拟量输入ADC模块(107)、模拟量输出DAC模块(108)、调节阀、水泵、交换机(109)，启停按键(101)、触摸屏模块(102)、变频器控制电路(103)、供电电路(104)、数字输出电路(105)、模拟量输入ADC模块(107)、模拟量输出DAC模块(108)分别与PLC中央处理器(106)连接，水泵与变频器控制电路(103)连接，调节阀与拟量输出DAC模块(108)连接,交换机109用于触摸屏模块(102)、PLC中央处理器(106)和外部服务器。

其中，所述启停按键(101)为硬件操作按键，包括设备启动，设备自动，设备停机和急停；所述触摸屏模块(102)采用西门子SMART 1000 IE V3触摸屏模块，为新一代SMARTLINE触摸屏，10.2寸，64K色，集成以太网口，USB2.0 host接口，RTC，归档记录功能；所述变频器控制电路(103)采用RS-485接线端子和RS-485通信电缆连接控制器和变频器，变频器控制水泵的转速；所述供电电路(104)采用PLC电源模块PM207 5A、明纬24V开关电源100W和明纬24V开关电源600W；所述数字输出电路(105)采用欧姆龙24V继电器MY2N-GS连接控制器数字量输出通道构成；所述PLC中央处理器(106)采用西门子PLC CPU ST30 DC/DC/DC管理信号的接收与发送，以及数据的传输与存储；所述模拟量输入ADC模块(107)采用EM AE08模块，该模块有8路模拟输入，均为24VDC 2.0W；所述模拟量输出DAC模块(108)采用模拟量输出模块EM AQ04模块，该模块有4路模拟输出，均为24VDC 2.1W；所述交换机(109)采用CSM1277型号，具有4个端口可用，用来连接触摸屏模块(102)、PLC中央处理器(106)和外部服务器。

在一个优选实施例中，调节阀包括进料调节阀、循环调节阀、回流调节阀和出料调节阀；

在一个优选的实施例中，所述水泵进一步包括进料水泵、浓缩水泵；

在一个优选的实施例中，还包括清洗开关阀、清洗回流开关阀和产清水开关阀。

如图1-5所示，还提供了为本发明实施例提供的具有动态调整策略的沼液膜浓缩控制方法。

具体如下：

步骤1：控制参数初始化。操作员用触摸屏模块(102)设置额定压力参数；数字输出电路(105)、模拟输入ADC模块(107)、模拟输出DAC模块(108)默认输出逻辑低电压(电流)，以控制所有调节阀和开关阀默认为关闭；设置进料水泵、浓缩水泵为待机状态。

步骤2：确定PLC中央处理器(106)的管道压力采样间隔时间。首先根据第i个压力计的N次历史压力数据计算平均压力(i是传感器编号，q是压力数据的批次),然后分别计算M个压力计的N次历史应变数据的方差/>(i＝1,2……M；p也是压力数据的批次)，得到所有压力计的方差的最小值D:S² _min＝min{S₁ ²,S₂ ²……S_M ²}，用方差最小值S² _min代入公式(1)得出当前的PLC中央处理器(106)采样间隔时间T_i；

其中，

D₁＝0，D₂＝10，D₂₀＝3600

T₁＝1分钟，T₂＝5分钟，T₃＝10分钟，T₄＝30分钟，T₅＝60分钟。

步骤3：装置开始浓缩。

步骤3.1：打开进料调节阀、循环调节阀，回流调节阀至默认开度75％，打开清洗开关阀；

步骤3.2：延时5秒后，启动进料水泵，频率30Hz；

步骤3.3：延时5秒后，启动浓缩水泵，频率30Hz。

步骤4：PLC中央处理器(106)定时采集压力信号，动态调整管道压力。

步骤4.1：采样时间到之后，PLC中央处理器通过模拟量输入DAC模块(107)读取压力传感器值，存储到内存中

步骤4.2：若采集得到的压力数值超出最大安全压力或者低于管漏压力，进入步骤6安全停机，否则继续步骤4.3

步骤4.3：根据压力值代入公式(2)计算得出进料调节阀和循环调节阀的开度，写入模拟量输出DAC模块，驱动调节阀门的开度

K＝102*(P-P_e)+24000； (2)

K为模拟量输出DAC模块的输入数字量，P为采集得到的管道压力值，单位为Kpa，P_e为额定压力值，单位为Kpa；

步骤4.4：根据压力值代入公式(3)计算得出进料水泵和浓缩水泵的频率值，通过RS-485通信发送给变频器

H＝-3.2*(P-P_e)+30； (3)

H位变频器频率，P和P_e定义同公式(2)

步骤5：一级浓缩结束，进行排料。

步骤5.1：打开出料调节阀，延迟5秒之后，关闭回流调节阀；

步骤5.2：排料至一定阶段后打开回流调节阀，关闭出料调节阀，如无进料则转置步骤6安全停机，否则转至步骤2。

步骤6：安全停机。

步骤6.1：停止浓缩水泵；

步骤6.2：延时30秒，停止进料水泵；

步骤6.3：延时30秒，关闭进料调节阀、循环调节阀、回流调节阀、清洗开关阀。

在一个优选实施例中，步骤3.2和步骤3.3中驱动水泵调频采用如下方法：

首先，设置内置总线通讯接口，具体步骤如表1所示；

表1 内置总线通讯接口设置步骤

其次，设置变频器控制参数为：外部现场总线控制；具体步骤如表2所示；

表2 变频器控制参数设置步骤

最后，控制配置文件和控制字。变频器和PLC之间的数据传输由控制配置文件定义，ACS530变频器可以选择两个配置文件：ABB Drives和DCU Profile，此处选择ABBDrives。

需要说明的是：上述各个实施例提供的装置的工作过程时，仅以上述各个部件的工作方式的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述各个实施方式进行合理组合或独立完成，以完成以上描述的全部或者部分功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有动态调整策略的沼液膜浓缩控制方法，其中，包括沼液膜浓缩控制装置，所述控制装置包括启停装置、输入模块、变频器、变频器控制电路、供电电路、压力传感器、中央处理器、模拟量输入模块、模拟量输出模块、调节阀和水泵，所述启停装置、输入模块、供电电路、模拟量输入模块、模拟量输出模块分别与中央处理器连接，其中，所述输入模块用于设置相关参数，所述中央处理器通过模拟输入模块读取压力传感器的数值，所述变频器通过所述变频器控制电路连接中央处理器，所述变频器连接水泵，并用于控制水泵的转速，所述模拟量输出模块连接调节阀，并用于驱动调节阀的开度；所述调节阀包括进料调节阀、循环调节阀、回流调节阀和出料调节阀，所述变频器至少控制进料调节阀和循环调节阀；所述水泵进一步包括进料水泵、浓缩水泵；还包括交换机，所述交换机用于连接输入模块、中央处理器和外部服务器；还包括数字输出电路、清洗开关阀、清洗回流开关阀、产清水开关阀，其中，所述数字输出电路与所述中央处理器连接；其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：控制参数初始化；操作员用输入模块设置额定压力参数；数字输出电路、模拟量输入模块、模拟量输出模块默认输出逻辑低电压，以控制所有调节阀和开关阀默认为关闭；设置进料水泵、浓缩水泵为待机状态；

步骤2：确定中央处理器的管道压力采样间隔时间；首先根据第i个压力计的N次历史压力数据计算平均压力

(i是传感器编号，q是压力数据的批次),然后分别计算M个压力计的N次历史应变数据的方差

(i＝1,2……M；p也是压力数据的批次)，得到所有压力计的方差的最小值D:S² _min＝min{S₁ ²,S₂ ²……S_M ²}，用方差最小值S² _min代入公式(1)得出当前的中央处理器采样间隔时间Ti；

其中，

D₁＝0，D₂＝10，D₂₀＝3600；

T₁＝1分钟，T₂＝5分钟，T₃＝10分钟，T₄＝30分钟，T₅＝60分钟；

步骤3：装置开始浓缩；

步骤3.1：打开进料调节阀、循环调节阀，回流调节阀至默认开度75％，打开清洗开关阀；

步骤3.2：延时5秒后，启动进料水泵，频率30Hz；

步骤3.3：延时5秒后，启动浓缩水泵，频率30Hz；

步骤4：中央处理器定时采集压力信号，动态调整管道压力；

步骤4.1：采样时间到之后，中央处理器通过模拟量输入模块读取压力传感器值，存储到内存中；

步骤4.2：若采集得到的压力数值超出最大安全压力或者低于管漏压力，进入步骤6安全停机，否则继续步骤4.3；

步骤4.3：根据压力值代入公式(2)计算得出进料调节阀和循环调节阀的开度，写入模拟量输出模块，驱动调节阀门的开度；

K＝102*(P-P_e)+24000； (2)

K为模拟量输出模块的输入数字量，P为采集得到的管道压力值，单位为Kpa，P_e为额定压力值，单位为Kpa；

步骤4.4：根据压力值代入公式(3)计算得出进料水泵和浓缩水泵的频率值，通过RS-485通信发送给变频器；

H＝-3.2*(P-P_e)+30； (3)

H位变频器频率，P和P_e定义同公式(2)

步骤5：一级浓缩结束，进行排料；

步骤5.1：打开出料调节阀，延迟5秒之后，关闭回流调节阀；

步骤5.2：排料至一定阶段后打开回流调节阀，关闭出料调节阀，如无进料则转置步骤6安全停机，否则转至步骤2；

步骤6：安全停机；

步骤6.1：停止浓缩水泵；

步骤6.2：延时30秒，停止进料水泵；

步骤6.3：延时30秒，关闭进料调节阀、循环调节阀、回流调节阀、清洗开关阀。