CN200959088Y

CN200959088Y - 工业循环冷却水处理多功能控制器

Info

Publication number: CN200959088Y
Application number: CNU2006201338834U
Authority: CN
Inventors: 杨剑波
Original assignee: KANGANSHENG PETROCHEMICAL MACHINERY CO Ltd BEIJING
Current assignee: Beijing utrust Boyu Technology Co. Ltd.
Priority date: 2006-09-25
Filing date: 2006-09-25
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2016-09-25

Abstract

一种工业循环冷却水处理多功能控制器，包括：主控部分，由主控芯片及外围电路组成，用于实现现场各量的采集和控制输出；调理部分，其将接收到的各传感器输出信号转换成数字信号后送给主控芯片；底板部分，其输入接主控部分的输出；人机交互部分，包括控制芯片、与控制芯片连接的键盘、显示器、通讯接口，人机交互部分通过通讯接口与主控芯片通讯。安装在现场的各传感器的输出信号经调理部分转换成数字信号后再送给主控部分，主控部分根据其主控芯片中软件的设定，送出相应的控制信号，该控制信号经底板部分隔离变换后送至相应的执行机构，由执行机构完成自动加药、排污、补水等操作。人机交互部分安装在现场，可显示现场的控制参数，并可进行传感器的标定和清洗操作。主控部分通过其通讯接口还可与上位机通讯。

Description

工业循环冷却水处理多功能控制器

技术领域

本实用新型涉及一种工业循环冷却水处理多功能控制器。

背景技术

在目前的工业循环冷却水的运行管理中，各种药剂(例如酸、碱、缓蚀剂、杀菌剂、粘泥抑制剂等)的投加有两种方式：一种是工人每天定时采集水样，到实验室化验，根据化验的结果，通过经验公式计算出各种药剂的投加量，然后再根据投加量，人工投加药剂到冷却水池。第二种是根据某一项药剂的测量仪表进行直接测量，人工记录测量数据，根据统计数据计算出药剂的投加量，再人为控制该药剂的投加。

此外，在工业循环冷却水的运行管理的水量管理中，补水计量泵、排污计量泵、液位计、旁滤水量等各种计量泵的监测控制也都是人为干预。

由于采用人工管理，因此劳动强度大、效率低。

发明内容

鉴于上述问题，本实用新型将提供一种工业循环冷却水处理多功能控制器，它能自动进行工业循环冷却水的运行管理，从而提高管理效率，减轻人员劳动强度。

为此，本实用新型采用以下技术方案：

一种工业循环冷却水处理多功能控制器，其特征在于它包括：

主控部分，由主控芯片及外围电路组成，用于实现现场各量的采集和控制输出；

调理部分，包括模数转换电路，其将接收到的各传感器输出信号转换成数字信号后送给主控芯片；

底板部分，包括电源、数字量输入和输出隔离变换电路、模拟量调制电路，底板部分的输入接主控部分的输出；

人机交互部分，包括控制芯片、与控制芯片连接的键盘、显示器、通讯接口，人机交互部分通过通讯接口与主控芯片通讯。

安装在现场的各传感器的输出信号经调理部分转换成数字信号后再送给主控部分，主控部分根据其主控芯片中软件的设定，送出相应的控制信号，该控制信号经底板部分隔离变换后送至相应的执行机构，由执行机构完成自动加药、排污、补水等操作。人机交互部分安装在现场，可显示现场的控制参数，并可进行传感器的标定和清洗操作。主控部分通过其通讯接口还可与上位机通讯。

本实用新型的优点是：

本实用新型是针对工业循环冷却水处理而开发的水处理多功能控制器，是工业循环冷却水系统管理的在线多功能智能化监测、控制设备。具有强大的数据采集、数据处理、数据上传、图表显示和控制的功能。同时，还有上位机可视化监控软件与之配套使用。

本实用新型是一个以微处理器为核心的电子系统控制器，具有多项输入和输出功能。能够通过传感器采集到pH值、温度、电导率、ORP等在线实时监测的数据，建立数据记录，形成运行日志和报表，具有数值和图表记录功能。能够自动综合平衡各个参数之间的相互关系，输出信号控制加药泵连续自动加药，并可根据人为设定电导率上下限值控制排污和补水的自动操作运行。控制调节工作可以在本地完成，也可以通过上位机实现远程控制。

附图说明

下面结合附图作进一步说明。

图1为本实用新型控制器组成框图；

图2为人机交互部分的电路图；

图3-图6为调理板部分的电路图；

图7-图10为底板部分的电路图；

图11-图15为DSP主控制板部分的电路图。

具体实施方式

本实用新型是针对工业循环冷却水处理开发出来的水处理多功能控制器(以下称D-05控制器)。是工业循环冷却水系统管理的在线多功能智能化监测、控制设备。具有强大的数据采集、数据处理、数据上传、图表显示和控制的功能。同时，还有上位机可视化监控软件与之配套使用。

请参见图1。D-05控制器主要由图1所示的人机交互部分1(显示面板)、DSP主控制部分2、底板5、调理板3和监测传感器6五个部分组成，D-05控制器与上位机4(计算机中心)和执行机构组成了D-05控制系统。D-05控制器主控制芯片采用TI公司的TMS320F2812，该DSP控制芯片主频30MHz，内部PLL倍频后内核运行速度可达150MHz。各组成部分实现的功能如下：

DSP主控制部分2：由DSP控制器(主控制芯片)加上外围电路实现，编程实现控制算法，按算法实现现场各量的采集和控制输出；

调理板部分3：包括模数转换电路，其对现场传感器的输出信号进行调理，把它转换成DSP控制器能识别的数字信号后送给主控芯片；

底板部分5：包括电源、数字量输入和输出隔离变换电路、模拟量调制电路，底板部分的输入接主控部分的输出；底板部分完成数字输入量、数字输出量的隔离和变换，模拟输出量的调制，电源的供给等；

人机交互部分1：包括控制芯片、与控制芯片连接的键盘、显示器、通讯接口，人机交互部分通过通讯接口与主控芯片通讯。液晶驱动部分在控制现场显示重要的参数，此为人机交互部分，可进行传感器的标定和清洗的操作，方便现场工人的工作；

上位机4：主要显示下位机(控制器)当前工作状态和采集的数据参数，同时上位机还能对下位机进行远程控制操作，这样监控室里的上位机即可对现场的D-05控制器实现远程监控作用。上位机和下位机的通信主要采用RS/232转RS-485通信来实现。

监测传感器6：基本配置中主要包括：pH传感器、ORP(氧化还原电位)传感器、COND/Temp(电导率/温度)传感器。

下面介绍各部分的电路图。

图2为人机交互部分的电路图，包括Part100-Part106，该部分工作过程如下：

Part100为外接4×4键盘电路，P1.0～P1.3接4个7405反向器作为外接键盘的4个行输入。R4～R7接+VCC，接外接键盘的4个列线。当有键盘按键按下的时候控制芯片MCU就能够检测到，并做相应的处理。

Part101为光电耦合RS-485电路，使用了MAX485芯片以及光电耦合器件6N139，TX1、RX1接控制芯片MCU的串口，通过此485接口，液晶屏获得要显示的实时数据，经过控制芯片MCU处理后送液晶屏幕进行显示。

Part102为控制芯片MCU及外扩存储器电路，控制芯片MCU采用了P89C669(U2)增强型的51单片机，外扩的程序存储器(U3)和数据存储器(U3)通过P0和P2口进行了扩展。

Part103为地址锁存以及3-8译码电路，采用两片74373(U6和U7)作地址锁存器，用一片74138 3-8译码器(U8)产生片选信号：CS-RAM用于选择RAM；CSXS用于液晶的片选；CSBJ用于GAL16V8片选。

Part104为LED工作状态指示电路，用GAL16V8(U5)来外接7个不同颜色的LED，不同的LED亮代表不同的工作状态，这7个LED在外壳上有开孔，便于直观的观察到D05的工作情况。这7个LED用排阻RP1上拉接+VCC，当GAL16V8输出低电平时LED亮。此外，外接一个报警提示等用的蜂鸣器，并用开关三极管Q1来控制：当GAL16V8的12脚输出低电平时，三极管Q1导通，蜂鸣器工作。

Part105为读写控制逻辑变换电路，用了四个74LS00用于产生液晶屏幕的使能信号E。

Part106为LCM192643(JP1)液晶显示电路，液晶屏幕和MCU接口部分用20个插针来连接。液晶屏的外围电路有：R1电位器用于调节液晶屏幕的对比度；R3和开关三极管Q3、74LS05、R16共同用于调节液晶屏幕的背光亮度：当P3.0输出高电平时Q3基极为低电平，三极管导通，液晶屏幕背光亮；当P3.0输出低电平时Q3基极为高电平，三极管截止，液晶屏幕背光关闭。

图3-图6为调理板部分的电路图，包括Part200-Part203，该部分工作过程如下：

图3(Part200)为PH值和ORP模拟信号量输入调整电路，PH、ORP传感器输出的信号依次经过：H3140、LM358、IL300、LM324后输出电压信号给DSP板进行检测。其中IL300是中间的隔离。

图4(Part201)为温度模拟信号输入调整电路，使用了5个LM324运算放大器和1个LM358放大器。电压基准采用了LM336和LM385，分别提供2.5V、5V基准电源。

图5(Part202)为6路模拟量输入调整电路，6路模拟量输入信号CHANNEL5～CHANNEL10可以是0～5V电压信号也可以是4～20mA电流信号；输入信号经过滤波、隔离放大、电压跟随后输出至DSP。

图6(Part203)为COND模拟量输入调整电路，COND传感器输出的信号依次通过绝对值电路、放大隔离电路给DSP。

图7-图10为底板部分的电路图，包括Part300-Part308，该部分工作过程如下：

图7(Part303)为6路PWM输出部分，依次通过光电耦合6N139、滤波、电压跟随、放大输出。

图8(Part306)为4路模拟量输出部分，依次通过IL300隔离、电压跟随、放大输出。

图9(Part307)为8个开关量输出部分，当DOO1、2、3、4、5、6、7、8对应的电平转换芯片管脚输出低电平时，指示灯DS亮，U_DO的左边两端低阻导通，右边也导通；反之，则截止。这8开关量输出可以接220V，也可以接继电器。

图10(Part308)为8个开关量输入部分，使用8个光耦TLP521把外界和电路部分进行隔离，当DI(1、2、3、4、5、6、7、8)IN为低电平时，光耦TLP521导通，DI1、2、3、4、5、6、7、8与地连接，为低电平；当DI(1、2、3、4、5、6、7、8)IN为高电平时，光耦TLP521截止，DI1、2、3、4、5、6、7、8通过排阻RP3连接到了+3.3V，为高电平；

图11-图15为DSP主控制板部分的电路图，包括Part400-Part404，该部分工作过程如下：

图11(Part400)所示为主控芯片外接EEPROM(U12)，型号为25650，其采用SPI接口，用于保存临时的数据，或者掉电保护。图12(Part400)所示4路D/A(U11)的型号为MAX5250，是主控芯片的模拟量输出的外扩展，其用SPI接口和DSP进行通讯。

图13(Part401)为实时时钟DS1315(U14)和SRAM(U13)部分，DS1315是实时时钟，为系统提供标准的时钟基准，它和DSP也是SPI接口。SRAM使用的是IS61LV51216，16位512K。

图14(Part402)为485通讯部分，此部分用了1片MAX485芯片(U7)，以及3个光电耦合器6N137(U3、U4、U100)，用于防止外界干扰DSP，或者相互干扰，使得通讯稳定可靠。

图15(Part404)为主控芯片DSP2812(U16)，此芯片是德州仪器公司的DSP，176脚贴片封装，是D05主控程序的载体，在整个系统中占有举足轻重的作用。

D-05控制器是一个集监测、控制、显示为一体的系统控制器。其主要功能有：

1监测功能-模拟量采集

接收pH，ORP，COND、Temp等传感器采集的模拟量信号并能实时进行标定。除此之外，系统还能接收六路模拟量信号输入。其六路输入信号可在以下项目中选择：

补充水量、排污水量、吸水池液位、酸的液位、缓蚀剂液位、阻垢剂液位、腐蚀、浊度、余氯、油污、远程电导率、远程pH值、远程温度、旁滤水量、缓蚀剂示踪信号、阻垢剂示踪信号、余氯分析设备。

将选择的信号接到调理板上的通道5至10中的任一路之后，同时在上位机通道设定中进行确定即可。

2监测功能-数字量采集

接收8路数字量输入，8路数字量输入通道分别是：酸的液位、缓蚀剂液位、阻垢剂液位、吸水池液位、保留、补充水量、排污水量、旁滤水量。

3控制功能-输出：pH值调节、阻垢剂投加、缓蚀剂投加、氧化杀菌剂投加、自动排污、自动补水、粘泥抑制剂的投加、探头清洗。

其中每种输出可有几种控制方式，可通过上位机选择确定。每个输出既有对应的开关量控制其开关，又有模拟量输出控制开度。算法采用PID控制算法，可根据现场的水质自动调节各输出量的大小，无需人工干预。同时还可针对现场情况对各量的设定值在上位机进行修改。

4上位机显示和参数调整功能

上位机显示采用中文界面，在电脑上可以实时显示现场采集数据，输出数据，同时还可以通过上位机进行远程控制，输出控制既可以控制输出的开关，也可以选择输出的控制方式，并可修改各量的设定值。同时上位机还能保存数据，供查询分析使用。

下面介绍D-05控制器的工作过程。

pH的自动控制

在线pH检测传感器，将电信号传送到控制器的调理板，通过Part200模拟信号量输入调整电路，对信号进行放大、滤波、变换、隔离，使之输出适合DSP的信号。在DSP内按控制工艺要求设定的程序，控制工艺如下：

其一、连续加药比例运行模式：将实时检测到的系统pH值和根据要求控制的pH值的设定值进行比较，由控制器输出4-20mA信号(或开关信号)控制加酸泵工作。此控制信号经底板部分电路转换成模拟量的输出，与外部加酸泵建立连接实现比例运行模式的连续加药。连续调节泵的输出量来满足控制的需求。

其二、间断加酸开关运行：当pH检测传感器得到的系统pH大于设定范围的上限时，输出信号经底板的Part303部分电路转换成数字量的输出至加酸泵，开始启动加酸泵，一直到pH探头检测的系统pH值小于设定范围的下限时再关闭加酸泵。控制信号实现间断加药。每个输出既有模拟量输出控制开度，又有对应的开关量控制其开关，通过底板的Part307电路完成，8个开关量输出部分当DOO1、2、3、4、5、6、7、8对应的电平转换芯片管脚输出低电平时，指示灯DS亮，U_DO的左边两端低阻导通，右边也导通；反之，则截止。

杀菌灭藻剂投加(液氯投加)

在线ORP检测传感器，将电信号传送到控制器的调理板，通过Part200模拟信号量输入调整电路，对信号进行放大、滤波、变换、隔离，使之输出适合DSP的信号。在DSP内按控制工艺要求已设定的程序，控制工艺如下：

其一、冲击式投加氯气采用冲击式投加，余氯量控制0.5-1.0mg/L(对应的ORP值范围约100-400mV)，并维持2-3小时，加氯量按经验公式计算出。

方式二：连续投加，控制器接收到ORP在线检测探头的信号和根据要求控制的ORP设定值进行比较，决定氧化性杀菌剂设备的开关控制或比例控制(可以根据现场具体情况设定)。ORP的单位以mV表示，对应一定的余氯量。由控制器输出4-20mA信号给加氯机控制加氯机自动连续投加。方式三：接收余氯分析设备4-20mA信号，经调理板的Part202的6路4-20mA模拟量调整电路，对信号进行放大、滤波、变换、隔离，使之输出适合DSP的信号，在DSP内按控制工艺要求已设定的程序，DSP根据已设定的程序算出余氯量，由此将实际加药量显示出来，并以信号比例输至计量泵，最终实现自动加药按照方式二投加。每个输出既有模拟量输出控制开度，又有对应的开关量控制其开关，通过底板的Part307电路完成，8个开关量输出部分当DOO1、2、3、4、5、6、7、8对应的电平转换芯片管脚输出低电平时，指示等DS亮，U_DO的左边两端低阻导通，右边也导通；反之，则截止。

水稳剂投加自动控制

在线ORP检测传感器，将电信号传送到控制器的调理板，通过Part200模拟信号量输入调整电路，对信号进行放大、滤波、变换、隔离，使之输出适合DSP的信号。在DSP内按控制工艺要求的编制软件，控制工艺如下：

方式一：流量比例控制：G＝M/N×C适用小型循环水系统

加药量和补充水量及系统水的浓缩倍数N有关，浓缩倍数＝循环水电导率/补充水电导率；

①测量补水电导率②测量系统水电导率③可以设定补充水电导率为不变量。现场的在线检测电导率的传感器，将电信号传送到控制器的调理板，通过Part203的COND模拟信号量输入调整电路，传感器输出的信号依次通过绝对值电路、放大隔离电路给DSP。在DSP内按控制工艺要求已设定的程序，通过浓缩倍率的计算公式得到浓缩倍数。进而计算出加药量，并经电路板的Part306的4路模拟量输出比例4-20mA信号控制LMI计量泵连续投加。

方式二：水量平衡式：

加药量和补充水量、排污水量以及系统水的温差有关。当水量变化至平衡点时即为加药量的最佳控制点。由传感器检测出冷却水给水及回水的温度、补充水量、系统中固有量，并输入到DSP，DSP根据已设定的程序算出浓缩倍数或排污量，由此将实际加药量显示出来，并以信号比例输至计量泵，最终实现自动加药。

方式三：连续加药：(连续排污带走药剂，补充的药剂量)。

方式四：示踪型控制：直接接收4-20mA信号(来自专用设备)经控制器的调理板的Part202的6路模拟量输入调整电路，对信号进行放大、滤波、变换、隔离，使之输出适合DSP的信号，在DSP内按控制工艺要求编制的程序，计算出加药量，并经底板电路板的Part306的4路模拟量输出输出4-20mA比例信号控制LMI计量泵连续投加。每个输出既有模拟量输出控制开度，又有对应的开关量控制其开关，通过底板的Part307电路完成，8个开关量输出部分当DOO1、2、3、4、5、6、7、8对应的电平转换芯片管脚输出低电平时，指示等DS亮，U_DO的左边两端低阻导通，右边也导通；反之，则截止。

自动排污(强制排污控制浓缩倍数)

加药控制器通过在线检测循环水电导率将实时检测，通过Part203的COND模拟信号量输入调整电路，传感器输出的信号依次通过绝对值电路、放大隔离电路给DSP。检测到的系统电导率值和根据要求控制的浓缩倍数下的系统电导率的设定值进行比较，经过运算处理后输出信号经底板的Part307电路部分实现输出开关信号给电磁阀，开关量输出可以接220V，也可以接继电器，当检测值大于系统的设定值，排污电磁阀打开，而小于系统设定的电导率值排污电磁阀关闭。另一种控制方式：控制器经电路板的Part306的4路模拟量输出输出4-20mA信号给电磁阀。电磁阀根据接到的频率信号强弱开始排污，直至循环水的电导率达到规定值。

说明：当安装浊度输入、水中油含量输入时，由人工选择采用何种参数控制并设定值。通过调理板的Part202的6路模拟量输入调整电路，对信号进行放大、滤波、变换、隔离，使之输出适合DSP的信号，检测到的浊度或者水中油的含量与系统的设定值进行比较，经过运算处理后输出信号经底板的Part307电路部分实现输出开关信号给电磁阀，开关量输出可以接220V，也可以接继电器，当检测值大于系统的设定值时，排污电磁阀打开，而小于系统设定的电导率值排污电磁阀关闭。自动补水

由吸水池液位计输出4～20mA电信号，通过调理板的Part202的6路模拟量输入调整电路，对信号进行放大、滤波、变换、隔离，使之输出适合DSP的信号，经过运算处理后输出信号经底板的Part307电路部分实现输出开关信号给电磁阀，控制补水阀动作。当水位在设定值上限时补水阀关闭，水位在设定值下限时补水阀打开。同时，控制器也可经底板的Part306的4路模拟量输出输出4-20mA信号给电磁阀。电磁阀根据接到的频率信号强弱调节开度控制补水量。

当采用模拟量控制补水时，如果系统长时间最大量补水，系统可根据经验定时间发出报警。时间由人工设定。

传感器清洗

控制器的“清洗”按键按下后，人机交互部分的主控芯片将此信号通过串口发给DSP，经DSP处理后，经底板的Part307电路部分实现输出开关信号，控制清洗泵自动清洗传感器，清洗时探头的数据保持清洗前的值，默认设置是24小时。

综上，D-05控制器是一个完整的以微处理器为核心的电子系统控制器，具有多项输入和输出功能。能够通过传感器采集到pH值、温度、电导率、ORP等在线实时监测的数据，建立数据记录，形成运行日志和报表，具有数值和图表记录功能。能够自动综合平衡各个参数之间的相互关系，输出信号控制加药泵连续自动加药，并可根据人为设定电导率上下限值控制排污和补水的自动操作运行。控制调节工作可以在本地完成，也可以通过上位机实现远程控制。

Claims

1.一种工业循环冷却水处理多功能控制器，其特征在于它包括：

2.如权利要求1所述的工业循环冷却水处理多功能控制器，其特征在于：

所述人机交互部分包括外接键盘电路、光电耦合RS-485电路、控制芯片MCU及外扩存储器电路、地址锁存及3-8译码电路、LED工作状态指示电路、读写控制逻辑变换电路、LCM192643液晶显示电路，上述各电路经控制芯片MCU的总线相连接，人机交互部分通过光电耦合RS-485电路与所述主控部分的主控芯片通讯。

3.如权利要求1所述的工业循环冷却水处理多功能控制器，其特征在于：

所述调理部分包括PH值和氧化还原电位模拟信号量输入调整电路、温度模拟信号输入调整电路、6路模拟量输入调整电路、电导率模拟量输入调整电路，上述各电路的输出送至主控部分的主控芯片。

4.如权利要求1所述的工业循环冷却水处理多功能控制器，其特征在于：

所述底板部分包括电平的逻辑转换电路、8个按键电路、和DSP连接的插针、6路PWM输出电路、系统电源进线接线端子、输入输出接线端子、4路模拟量输出电路、8个开关量输出电路、8个开关量输入电路，上述各电路的输入接主控部分的输出。

5.如权利要求1所述的工业循环冷却水处理多功能控制器，其特征在于：

所述主控部分包括主控芯片、外接EEPROM、4路D/A、实时时钟和存储器、485通讯电路、接插件排针以及电平转换电路。