張坤武,何川先,姚子偉,丁麗
(1.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心,遼寧 大連 116023)*
大體積富集儀用于環(huán)境監(jiān)測過程中對水體中痕量有機污染物進行樣品前處理,包括采樣、富集、洗脫濃縮、收集等部分.基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.在這個系統(tǒng)中,富集柱相當于是一個阻力單元,不同的吸附填料及內(nèi)部填充結(jié)構(gòu)造成的阻力有所不同,在其前端的采樣泵需要有一定的正壓力,才能使水體通過富集柱.而用于流路切換的兩位三通閥有一定的工作壓力,在管路壓力過大時會引起自鎖現(xiàn)象的發(fā)生.本課題設(shè)計富集系統(tǒng)中,在高流速富集的情況下,富集柱產(chǎn)生的阻力有可能超過兩位三通閥的極限工作壓力出現(xiàn)自鎖,從而造成儀器不能正常運行,同時還會造成采樣泵的損壞.為了使整個樣品前處理過程完全達到自動化處理而無需人工操作,在富集柱后加上自動洗脫和在線濃縮裝置,在線濃縮是在負壓加熱的條件下進行的,需要對其真空度進行控制,防止?jié)饪s容器中的溶液出現(xiàn)“暴沸”現(xiàn)象,且達到最佳工作效率.目前加拿大AXYS公司的Infiltrex系列產(chǎn)品和紐約環(huán)保局TOPs平臺均采用模擬壓力表對流路壓力進行監(jiān)測[1-2],該方法難以滿足自動化處理的目的.本文針對上述問題提出以微控制器為核心,輔助模數(shù)轉(zhuǎn)換器,壓力傳感器,數(shù)字變頻器以及相應(yīng)的執(zhí)行器件所設(shè)計的壓力控制系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了流路壓力檢測和濃縮裝置真空度控制.
圖1 富集儀器組成框圖
大體積富集儀中有兩個模塊涉及到壓力檢測和控制,即預(yù)熱裝置和在線濃縮容器.預(yù)熱管內(nèi)設(shè)置壓力傳感器有兩個目的,其一是為了防止預(yù)熱裝置內(nèi)部未充滿水體就啟動加熱體造成干燒而使設(shè)備損毀,其二是監(jiān)測流路壓力值,防止過壓,超出兩位三通閥極限耐壓值,造成兩位三通閥自鎖現(xiàn)象發(fā)生,在監(jiān)測到流路壓力超過設(shè)定值時,切斷相應(yīng)的設(shè)備,屬開環(huán)控制;在線濃縮容器內(nèi)設(shè)置壓力傳感器是為了控制容器內(nèi)真空度,防止某些低沸點溶劑出現(xiàn)“暴沸”,造成有效成分大量損失.不同萃取試劑、不同目標化合物沸點相差很大,在負壓條件下很容易發(fā)生“暴沸”的現(xiàn)象,這在精確定量化學(xué)分析中是不允許的,但是同時需要提高工作效率,避免大量時間的耗費,濃縮速率受真空度的影響非常大.一般情況,都是讓其工作在零界點,合適的溫度和真空度下,維持在“暴沸”臨界狀態(tài),使?jié)饪s處于最快的濃縮速度以減少工作時間.此處需要控制濃縮容器中的真空度,屬閉環(huán)控制.
根據(jù)項目實際要求提出如圖2所示系統(tǒng)組成,AT89S52微控制器作為控制核心,由傳感器1的壓力信號開環(huán)控制采樣泵,陶瓷加熱體以及壓力平衡閥的工作狀態(tài),由傳感器2的壓力信號閉環(huán)控制真空泵的抽速從而控制在線濃縮容器中的真空度.微控制器通過RS485總線與上位工控機通訊,將檢測到的壓力數(shù)據(jù)實時傳遞到上位機,上位機界面實時顯示當前狀態(tài),同時能夠在上位機指令下工作.
圖2 系統(tǒng)組成框圖
2.1.1 壓力傳感器選型
大體積富集儀流路為正壓力,最大壓力值即為采樣泵出口壓力,設(shè)計為7 bar.正壓傳感器選用美國精量電子公司(Measurement Specialties)US300系列高性能傳感器.US300系列超穩(wěn)壓力傳感器采用不銹鋼隔離式小型結(jié)構(gòu),具有較寬的量程范圍(0~5 000 PSI各檔)和多種輸出信號.該傳感器結(jié)合了MEAS的固態(tài)超穩(wěn)定技術(shù),可以在較寬溫度范圍(-40~125℃)內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性.價格適中,該產(chǎn)品是超穩(wěn)系列傳感器中價格最低廉的產(chǎn)品.此外,該傳感器還具有多種壓力接口,同時還可以提供 0 ~100 mV,0.5 ~4.5 V(比例輸出)、1~5 V(固定輸出)和4~20 mA(環(huán)路輸出)等多種輸出信號.根據(jù)本文設(shè)計具體要求,選擇量程為0~100 PSI,單電源DC+5 V供電,1~5 V固定輸出,接口方便,便于安裝[3].
在線濃縮裝置中為負壓力,根據(jù)實驗,工作壓力范圍 -0.9~ -0.2 bar,腔內(nèi)溫度常溫至70℃,負壓傳感器選用瑞士富巴(HUBA)公司DB515系列傳感器,該系列傳感器采用陶瓷膜片技術(shù),具有抗腐蝕,熱穩(wěn)定性和時間穩(wěn)定性好等特點.帶有0~70℃溫度補償.本文設(shè)計選擇量程-1~0 bar,DC+24 V供電,0~5 V輸出,采用防腐材料,抗有機溶劑,接口方便,便于安裝[3].
2.1.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計
模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3所示,其中A/D轉(zhuǎn)換器選用TI公司LTV2542芯片,它具有兩通道模擬輸入12位串行輸出,+2.7~+5.5 V單電源供電,參考電壓范圍+2 V~VDD,本文使用+5V參考電源LM4040A50.外部時鐘頻率范圍100 kHz~20 MHz,ADC 轉(zhuǎn)換使用4 MHz內(nèi)部時鐘,轉(zhuǎn)換時間3.5 μs.使用SPI接口,串行輸出數(shù)據(jù)位16位,高位在前,低位在后,D15~D4為有效數(shù)據(jù).通過維持片選信引腳低電平時間長短來重置模擬信號輸入通道,一般4~7個時鐘周期重置通道0,在通道0轉(zhuǎn)換完成后,大于8個時鐘周期,則進入通道1的轉(zhuǎn)換,重置時序如圖4所示.
圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路圖
圖4 LTV2542重置時序圖
PID控制算法作為一種成熟的方法,由于其技術(shù)成熟,易于被人們熟悉和掌握,不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模,且控制效果好被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè).本文所設(shè)計的在線濃縮裝置腔體內(nèi)真空度控制采用PID控制的方式,根據(jù)控制對象的具體特征,采用不完全微分型,其傳遞函數(shù)如式(1)所示[5].
為了達到最優(yōu)控制效果 KP,Ti,Td,r四個參數(shù)必須通過反復(fù)實驗才能設(shè)置到合理值,根據(jù)經(jīng)驗一般按P、I、D的順序進行,先將Ti和Td固定,調(diào)好KP,再加入Ti,使誤差為0,再加入Td和r以減小超調(diào)和穩(wěn)定時間.
硬件電路以ATEML公司的AT89S52單片機為控制核心,完成數(shù)據(jù)采集,DIP控制運算,增量輸出,開關(guān)量輸出,與上位機通訊數(shù)據(jù)通訊等任務(wù),A/D轉(zhuǎn)換采用TI公司雙通道12位串行輸出LTV2542芯片.對平衡閥,采樣泵以及加熱體啟動控制均采用繼電器輸出.
主控芯片軟件部分主要完成3個工作,①采集數(shù)據(jù),控制A/D轉(zhuǎn)換器完成壓力信號的采集,存入相應(yīng)的變量P1,P2中;②PID控制,采用PID發(fā)算法控制與濃縮容器相連接真空泵的轉(zhuǎn)速,增量輸出到變頻器;③數(shù)據(jù)通訊,采用中斷的方式(interrupt 4),完成與上位機的通訊,將當前壓力值傳送至上位機實時顯示,接收來至上位機設(shè)置的壓力值.
對于串行輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器,在編寫程序時需注意其工作時序,LTV2542通過控制控制CS引腳低電平時間來選擇模擬信號輸入通道,每次轉(zhuǎn)換需要先將模擬輸入通道重置,從AIN0通道開始轉(zhuǎn)換,在AIN0轉(zhuǎn)換完成后,讀取AIN0通道數(shù)據(jù),D15~D4為有效數(shù)據(jù),控制CS引腳低電平大于8個時鐘周期以轉(zhuǎn)換模擬輸入通道,等待轉(zhuǎn)換完成,讀取AIN1通道數(shù)據(jù),以2S為周期循環(huán)檢測兩點的壓力值,LTV2542芯片具有低功耗自動轉(zhuǎn)換功能,每次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需先啟動,子程序流程如圖5所示.
圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖
PID程序入口參數(shù)是采集到的當前值,它的各個系數(shù)經(jīng)過多次試驗找出最佳值,由初始化時確定,只能通過程序修改.PID增量型的出口參數(shù)直接輸入到變頻器數(shù)字控制端口,控制帶動真空泵的交流電機轉(zhuǎn)速.本設(shè)計中,當被控對象進入穩(wěn)定狀態(tài)后,腔體內(nèi)壓力變化基本保持不變,所以PID子程序不需要連續(xù)控制,只是在一個循環(huán)中調(diào)用一次,采用間斷性定時循環(huán)控制.PID子程序流程圖如圖6所示[5-6].
圖6 PID控制子程序流程圖
該PID控制算法的主要目的是消除凈差和提高控制精度,系統(tǒng)段時間內(nèi)輸出偏差很大會導(dǎo)致控制量超出執(zhí)行機構(gòu)允許的最大動作范圍,從而使系統(tǒng)出現(xiàn)較大的超調(diào)量甚至發(fā)生系統(tǒng)振蕩.采用變速積分法根據(jù)系統(tǒng)的偏差的大小改變積分項的累積速度,對提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性十分有效.
壓力測控系統(tǒng)作為整個儀器的一個子模塊,掛接在RSRS485通訊總線上,單片機數(shù)據(jù)通訊子程序是將單片機通過LTV2542采集到的兩個檢測點的壓力值通過串口送到上位機;在操作人員做出修改后,接收修改值,更改壓力設(shè)置參數(shù),通訊子程序流程如圖7所示[7-8].
圖7 數(shù)據(jù)通訊子程序流程圖
本文以AT89S52微控制器為核心,采用串行A/D轉(zhuǎn)換芯片,設(shè)計出一個是集數(shù)據(jù)采集、處理、通訊為一體的壓力監(jiān)測控制系統(tǒng),在大體積富集儀研制中得到了應(yīng)用,表現(xiàn)出較好的效果,達到儀器設(shè)計要求.該控制系統(tǒng)占用空間小,全部采用貼片元件,可靠性高,滿足分布式控制要求;同時采用防水設(shè)計,避免在海面現(xiàn)場操作時進水造成損壞,在現(xiàn)場試驗中長時間運行穩(wěn)定,未出現(xiàn)死機,程序跑飛等現(xiàn)象.
[1]Axys Technologies INC.The InfiltrexTM300 introduction[EB/OL].[2011-03-20].http://www.axystechnologies.com/LinkClick.aspx?fileticket=XYrXFuOywc4%3d&tabid=132.
[2]DONLON J,LITTEN S,WALL G R.Design of the Trace Organics Platform Sampler(TOPS)[EB/OL].[2011-03-20].http://ny.water.usgs.gov/pubs/posters/TOPS_Design.pdf.
[3]US300 Stainless Steel Pressure Transducer[EB/OL].[2011-03-20].http://www.meas - spec.com/downloads/US300.pdf.
[4]These compact OEM pressure transmitters type series 515[EB/OL].[2011-03-20].http://www.hubacontrol.com/fileadmin/user_ upload/domain1/Produkte/EN/Datenblatt/DB515_EN.pdf.
[5]張俊才,葛洪央.基于AT89C51單片機的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機開發(fā)與應(yīng)用,2008(5):111-113.
[6]趙東亮,朱太詠,潘丹妹,等.基于 AdμC812單片機的熏洗床壓力控制系統(tǒng)設(shè)計[J].醫(yī)療裝備,2008(11):8-10.
[7]趙建領(lǐng),薛圓圓.51單片機開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:368-386.
[8]雷伏容,張小林,崔浩.51單片機常用模塊設(shè)計查詢手冊[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010:449-505.