CN2532074Y - 自动化酸碱比例调节设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自动化酸碱比例调节设备，其中设有一控制器，其特点是：所述的控制器包括：一电流/电压转换单元，与电流/电压转换单元的输出端连接的一将模拟信号转换成数字信号的模拟数字转换单元，一参数设定显示单元，一运算单元，该运算单元接收模拟数字转换单元和参数设定显示单元的信号，并与数据寄存器和时钟电路连接，与运算单元输出端连接的是一将数字信号转换成模拟信号的数字模拟转换单元和一时间比例信号控制输出单元，连接在数字模拟转换单元输出端的分别是，电流信号控制输出单元和电压信号控制输出单元。本实用新型克服pH控制过程中的不稳定性及外部条件的不可测性等带来的影响，提高对pH控制的精度和对水量水质的适应性。

Description

自动化酸碱比例调节设备

技术领域

本实用新型涉及一种用于环境保护的废水处理设备，尤其涉及一种能比例控制酸碱度的自动化酸碱比例调节设备。

背景技术

在废水处理中，酸碱废水的酸碱pH值调节从人工控制进而向自动控制方向发展。目前酸碱废水处理自动控制主要是“ON/OFF”控制方式，这种“ON/OFF”控制的方式是，在pH仪表中用继电器设定一个pH值的控制点，当反应的pH值达到此控制点时，继电器动作，带动执行机构开或关，由此可见，由于加药的不连续性，只能得到一个锯齿波形的控制曲线，如果在过程中还伴随有进水水量、pH值及重金属离子含量的变化，“ON/OFF”控制方式无法随外部的多因子变化而自行调整，从而无法达到要求的控制精度。因此，上述的“ON/OFF”控制方式实际上这只是一种半自动的控制方式，对于电镀行业中水量、浓度波动大的废水，使用这种控制方式存在控制精度低、投药方式单一及设备体积庞大等缺点。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种改进的自动化酸碱比例调节设备，它能使pH值在线控制过程中的时变性、非线性、不稳定性及外部条件的随机性、不可测性等带来的问题得到相应的修正。

本实用新型的目的是这样实现的：

一种自动化酸碱比例调节设备，其中设有一控制器，其特点是：所述的控制器包括：一电流/电压转换单元，与电流/电压转换单元的输出端连接的一将模拟信号转换成数字信号的模拟数字转换单元，一参数设定显示单元，一运算单元，该运算单元接收模拟数字转换单元和参数设定显示单元的信号，并与数据寄存器和时钟电路连接，与运算单元输出端连接的是一将数字信号转换成模拟信号的数字模拟转换单元和一时间比例信号控制输出单元，连接在数字模拟转换单元输出端的分别是，电流信号控制输出单元和电压信号控制输出单元。

在上述的自动化酸碱比例调节设备中，其中，所述的电流/电压转换单元采用型号为LF356运算放大器U2，电流/电压转换单元的输入端与现场pH值测量仪中的信号连接。

在上述的自动化酸碱比例调节设备中，其中，所述的模拟数字转换单元采用型号为MAX186模数转换器U3，其脚2 AIN与电流/电压转换单元LF356运算放大器U2的输出端脚6连接。

在上述的自动化酸碱比例调节设备中，其中，所述的运参数设定显示单元由显示电路和键盘电路组成，该显示电路包括集成电路MAX7219、若干个数码管和若干个指示灯；所述的键盘电路采用型号为RESPACK4厚膜电阻电路。

在上述的自动化酸碱比例调节设备中，其中，所述的运算单元由型号为W78ES2的运算器，运算器W78ES2的输入端分别与模拟数字转换单元和参数设定显示单元中的显示电路MAX7219和键盘电路RESPACK4的输出端连接。

在上述的自动化酸碱比例调节设备中，其中，所述的数据寄存器采用型号为X25045存储器，存储器X25045脚6、5、1、2分别与运算单元运算器W78ES2的P10、11、12、13连接。

在上述的自动化酸碱比例调节设备中，其中，所述的时钟电路采用XTI晶振和型号为DSI302的时钟芯片集成电路，时钟芯片DSI302的脚6、7分别与运算单元运算器W78ES2的P14、15端连接。

在上述的自动化酸碱比例调节设备中，其中，所述的数字模拟转换单元采用MAX5352模数转换器U4，其输入端脚2、3与运算单元运算器W78ES2的P03、04端连接。

在上述的自动化酸碱比例调节设备中，其中，所述的数字模拟转换单元的输出端连接一2N9304晶体管N1，2N9304晶体管的输出端形成电流信号控制输出单元和电压信号控制输出单元；该电流信号控制输出单元的电流信号范围为4-20毫安；该电压信号控制输出单元的电压信号范围为0-5伏。

在上述的自动化酸碱比例调节设备中，其中，所述时间比例信号控制输出单元包括分别与运算单元运算器W78ES2脚12、13、14、15连接的四个反向器，以及分别与四个反向器连接的四个型号为SSR的光隔离可控硅输出模块D2、D3、D4、D5的输入端连接，光隔离可控硅输出模块D2、D3、D4、D5的输出端与现场执行机构泵、阀门连接。

本实用新型自动化酸碱比例调节设备由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.本实用新型由于将比例微分控制(PD控制)技术应用到废水处理中的自动化酸碱比例调节设备，把外部能考虑到的变化因素建立一个数学模型及算式，通过计算机的运算减小外界的变化因子，通过设定一个范围和一个控制点，在此范围内，当控制的pH值离开控制点越远则加药量越多，反之则相反，当加药过程中pH值向控制点变化的速率越大，程序要求执行机构的加药量越少；

2.本实用新型由于比例微分控制技术还把其他影响因素如进水流量的变化等也纳入程序的控制范围内，这种控制方式就可以克服pH控制过程中的时变性、非线性、不稳定性及外部条件的随机性、不可测性等带来的影响，使设备大大提高对pH控制的精度和对水量水质的适应性，同时大幅度缩小设备的体积；

3.本实用新型自动化酸碱比例调节设备通过应用计算机控制来改变执行机构(如阀门、泵等)在单位时间内的开关比例，达到控制被处理废水溶液的pH值的目的，一方面使pH在线控制过程中的时变性、非线性、不稳定性及外部条件的随机性。不可测性等带来的问题得到相应的修正，使设备大大提高了pH控制的精度和对水量水质的适应性；另一方面，由于PD控制中，比例环节(P)能即时成比例地反应控制系统的偏差，并予以减小；微分环节(D)能即时反应偏差信号的变化速率，并能在偏差信号值变得不太大时，在系统中引进一个早期的修正信号，从而加快执行机构的响应速度，减少调节时间，使酸碱中和反应的瞬时性在软件的修正下得以充分显现，可使设备的体积大幅度缩小而不影响控制的精度。

附图说明

通过以下对本实用新型自动化酸碱比例调节设备的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本实用新型的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是本实用新型自动化酸碱比例调节设备的控制原理框图；

图2是本实用新型自动化酸碱比例调节设备的电原理图；

图3是本实用新型自动化酸碱比例调节设备中控制算法的流程图。

具体实施方式

本实用新型自动化酸碱比例调节设备将比例微分控制(PD控制)技术应用到废水处理中，把外部变化因素建立一个数学模型及算式，通过计算机的运算减小外界的变化因子，通过设定一个范围和一个控制点，在此范围内，当控制的pH值离开控制点越远则加药量越多，反之则相反，当加药过程中pH值向控制点变化的速率越大，程序要求执行机构的加药量越少，由此可以克服pH控制过程中的时变性、非线性、不稳定性及外部条件的随机性、不可测性等带来的影响，使设备大大提高对pH控制的精度和对水量水质的适应性，同时大幅度缩小设备的体积。

请参见图1所示，这是本实用新型自动化酸碱比例调节设备的控制原理框图。本实用新型自动化酸碱比例调节设备包括：一电流/电压转换单元11，与电流/电压转换单元11的输出端连接的是一能将模拟信号转换成数字信号的模拟数字转换单元12，一参数设定显示单元13，一运算单元10，该运算单元10接收模拟数字转换单元12和参数设定显示单元13的信号，并与数据寄存器14和时钟电路15连接，与运算单元10输出端连接的是一能将数字信号转换成模拟信号的数字模拟转换单元16，连接在数字模拟转换单元16输出端的分别是，一时间比例信号控制输出单元17、电流信号控制输出单元18和电压信号控制输出单元19。

请结合图1参见图2所示，图2是图1的电原理图。在本实施例中，所述的电流/电压转换单元11采用型号为LF356运算放大器U2，电流/电压转换单元11的输入端与现场pH值测量仪中的信号连接；所述的模拟数字转换单元12采用型号为MAX186模数转换器U3，模数转换器MAX186的脚2 AIN端与电流/电压转换单元11即型号为LF356运算放大器U2的输出端脚6连接；所述的运参数设定显示单元13由显示电路和键盘电路组成，该显示电路包括集成电路MAX7219、若干个与集成电路MAX7219输出端连接的数码管和若干个指示灯；所述的键盘电路采用型号为RESPACK4厚膜电阻电路；所述的运算单元10是本实用新型自动化酸碱比例调节设备的重要部件，在本实施例中运算单元10采用了型号为W78ES2的运算器，运算器W78ES2的输入端分别与模拟数字转换单元12和参数设定显示单元13中的显示电路MAX7219和键盘电路RESPACK4的输出端连接；所述的数据寄存器14采用型号为X25045存储器，存储器X25045脚6、5、1、2分别与运算单元10运算器W78ES2的P10、11、12、13连接；所述的时钟电路15采用XTI晶振和型号为DSI302的时钟芯片集成电路，时钟芯片DSI302的脚6、7分别与运算单元10运算器W78ES2的P14、15端连接；所述的数字模拟转换单元16采用型号为MAX5352模数转换器U4，模数转换器MAX5352的输入端脚2、3与运算单元10运算器W78ES2的P03、04端连接；所述的数字模拟转换单元16的输出端连接-2N9304晶体管N1，2N9304晶体管的输出端形成电流信号范围为4-20毫安的电流信号控制输出单元18和电压信号范围为0-5伏的电压信号控制输出单元19；所述时间比例信号控制输出单元17包括分别与运算单元10运算器W78ES2脚12、13、14、15连接的四个反向器，以及分别与四个反向器连接的四个型号为SSR的光隔离可控硅输出模块D2、D3、D4、D5的输入端连接，光隔离可控硅输出模块D2、D3、D4、D5的输出端与现场执行机构泵、阀门连接。

从上述图1和图2可知，测量信号控制和流向是：

现场仪表将测得的pH值转换成对应的电流信号(pH值0-14对应电流信号4-20mA)送入由运行放大器组成的电流/电压转换单元11进行电流/电压的转换，被转换的电压信号送入模拟数字转换单元12，模拟数字转换单元12将连续的模拟信号转换成计算机能识别的数字离散序例信号送入由CPU担当的运算单元10，参数设定显示单元输入设定的比例系数K_P、微分系数K_D、采样时间间隔T和pH值参数，pH值参数通常是一个pH值控制范围，运算单元10进行智能规则PD算法运算，运算的结果送出三个信号控制输出单元，即时间比例信号控制输出单元17、电流信号控制输出单元18、电压信号控制输出单元19，供不同的控制对象使用，如时间比例信号控制输出单元17转换成单位时间内开停的占空比，从而可使用于不同的控制对象。

比例(PD)控制器的控制原理如下：

比例(PD)控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成偏差：        e(t)＝r(t)-c(t)

将偏差的比例(P)和微分(D)通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称比例(PD)控制器，其控制算法为： $U\left(t\right)=\mathrm{Kp}[e\left(t\right)+\frac{T_D\mathrm{de}(*)}{\mathrm{dt}}]$

式中：Kp-比例系数

      T_D-分常数

比例(PD)控制器各校正环节的的作用如下：

1.比例环节，即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。

2.微分环节，能即时反映信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度。减小调节时间。

由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻偏差计算控制量，因此不能直接使用上式，需对其进行离散化处理。得到下式：

Y(k)＝Kp{e(k)+K_D[e(k)-e(k-1)]}

式中k-采样序号  k＝0，1，2……，

U(k)-第k次采样时刻的计算机输出值

e(k)-第k次采样时刻的输入偏差值

e(k-1)-第(k-1)次采样时刻的输入偏差值

Kp-比例系数

K_D-微分系数(K_D＝T_D/T T为采样间隔时间)

考虑到实际pH调节系统中还有各种附加干扰信号(如流量大小变化、控制过程中被控对象材质的变化等)，用单纯的数字PD控制难以达到理想的结果，因此，在规则数字比例(PD)控制器中引入了控制性能评价及智能PD再学习功能，形成一个智能化的规则数字比例(PD)控制器。智能规则数字比例(PD)控制器能够根据不同的被控对象在不同的控制阶段和情况下，自动对控制品质进行评价，修正Kp、K_D值以达到最佳控制目的，大大提高了控制器的适用性。

请结合图1和图2参见图3所示，图3是本实用新型自动化酸碱比例调节设备中控制算法的流程图。比例(PD)控制器的控制流程是：

首先，通过键盘输入目标控制值N，然后，由计算机不断对输入的连续模拟信号进行采样，S(K)为第K时刻的采样值，并进行计算：

计算第K时刻的误差e_(K)＝S_(K)-N，

计算第K时刻的误差变化率Δe_(K)＝e_(K)-e_(K-1)，

计算第K时刻比例调节分量Y_P(k)＝K_P×e_(K)，

计算第K时刻的微分调币分量y_D(k)＝k_D×Δe_(K)

接着，输出第K时刻控制量Y_(K)＝Y_P(K)+Y_D(K)，

最后进行判断：“检测控制结果是否达到预期控制目标”，若是，则进行下一次循环采样控制；若不是，则“进入自学习相通，在知识库中寻找最优K_P、k_D”，并进入新的循环采样控制。

本实用新型在使用时，对于所控制的酸碱废水pH值设定一个低位和一个高位，如低位为5.00，高位为6.00，当所控制的酸碱废水的pH值低于5.00时，执行机构即三通阀的加碱时间最长，加入的碱量最多，随着碱的加入，反应池中的pH值逐渐上升，数值愈向6.00靠近，则阀门的开启时间愈短，加碱量不断减少，停止的时间愈长。且在这过程中，从5.00-6.00的变化速率愈大，则阀门的开停比也会相应调整，若进水有多个变化因素，只要把其变量编入程序内，执行机构会随外界的变化而做出相应的反应，从根本上改善pH的控制精度和对进水变化的适应性，使pH的精确控制成为可能。

综上所述，本实用新型自动化酸碱比例调节设备，充分考虑了本处理设备的实用价值，把外部变化因素建立一个数学模型及算式，通过计算机运算和控制，克服pH控制过程中的时变性、非线性、不稳定性及外部条件的随机性、不可测性等带来的影响，使设备大大提高对pH控制的精度和对水量水质的适应性，同时大幅度缩小设备的体积；本实用新型自动化酸碱比例调节设备采用了三种信号控制输出方式，供不同用户的不同控制对象使用，特别是时间比例信号输出(PWM)是一种最为新型的控制输出方式它把输出控制信号转换成单位时间内开停的占空比，可适用于不同的控制对象，因此极为实用。

Claims (10)

1.一种自动化酸碱比例调节设备，其中设有一控制器，其特征在于：

所述的控制器包括：一电流/电压转换单元(11)，与电流/电压转换单元(11)的输出端连接的一将模拟信号转换成数字信号的模拟数字转换单元(12)，一参数设定显示单元(13)，一运算单元(10)，该运算单元(10)接收模拟数字转换单元(12)和参数设定显示单元(13)的信号，并与数据寄存器(14)和时钟电路(15)连接，与运算单元(10)输出端连接的是一将数字信号转换成模拟信号的数字模拟转换单元(16)和一时间比例信号控制输出单元(17)，连接在数字模拟转换单元(16)输出端的分别是，电流信号控制输出单元(18)和电压信号控制输出单元(19)。

2.如权利要求1所述的自动化酸碱比例调节设备，其特征在于：所述的电流/电压转换单元(11)采用型号为LF356运算放大器U2，电流/电压转换单元(11)的输入端与现场pH值测量仪中的信号连接。

3.如权利要求1所述的自动化酸碱比例调节设备，其特征在于：所述的模拟数字转换单元(12)采用型号为MAX186模数转换器U3，其脚2 AIN与电流/电压转换单元(11)LF356运算放大器U2的输出端脚6连接。

4.如权利要求1所述的自动化酸碱比例调节设备，其特征在于：所述的运参数设定显示单元(13)由显示电路和键盘电路组成，该显示电路包括集成电路MAX7219、若干个数码管和若干个指示灯；所述的键盘电路采用型号为RESPACK4厚膜电阻电路。

5.如权利要求1所述的自动化酸碱比例调节设备，其特征在于：所述的运算单元(10)由型号为W78ES2的运算器，运算器W78ES2的输入端分别与模拟数字转换单元(12)和参数设定显示单元(13)中的显示电路MAX7219和键盘电路RESPACK4的输出端连接。

6.如权利要求1所述的自动化酸碱比例调节设备，其特征在于：所述的数据寄存器(14)采用型号为X25045存储器，存储器X25045脚6、5、1、2分别与运算单元(10)运算器W78ES2的P10、11、12、13连接。

7.如权利要求1所述的自动化酸碱比例调节设备，其特征在于：所述的时钟电路(15)采用XTI晶振和型号为DSI302的时钟芯片集成电路，时钟芯片DSI302的脚6、7分别与运算单元(10)运算器W78ES2的P14、15端连接。

8.如权利要求1所述的自动化酸碱比例调节设备，其特征在于：所述的数字模拟转换单元(16)采用MAX5352模数转换器U4，其输入端脚2、3与运算单元(10)运算器W78ES2的P03、04端连接。

9.如权利要求1所述的自动化酸碱比例调节设备，其特征在于：所述的数字模拟转换单元(16)的输出端连接一2N9304晶体管N1，2N9304晶体管的输出端形成电流信号控制输出单元(18)和电压信号控制输出单元(19)；该电流信号控制输出单元的电流信号范围为4-20毫安；该电压信号控制输出单元的电压信号范围为0-5伏。

10.如权利要求1所述的自动化酸碱比例调节设备，其特征在于：所述时间比例信号控制输出单元(17)包括分别与运算单元(10)运算器W78ES2脚12、13、14、15连接的四个反向器，以及分别与四个反向器连接的四个型号为SSR的光隔离可控硅输出模块D2、D3、D4、D5的输入端连接，光隔离可控硅输出模块D2、D3、D4、D5的输出端与现场执行机构泵、阀门连接。

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