田 微，戴長(zhǎng)虹，玉維友，肖映彩

(1.中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北武漢430074;2.武漢東安自動(dòng)控制有限公司，湖北武漢430072)

0 引言

為節(jié)約水資源，目前工業(yè)冷卻水都采用循環(huán)水，在許多大型工業(yè)企業(yè)如鋼鐵企業(yè)、發(fā)電廠，循環(huán)水的用水量已占其總用水量的80%［1］，循環(huán)水的運(yùn)行好壞直接影響生產(chǎn)設(shè)備的安全性、可靠性及使用壽命。為了減緩循環(huán)水給生產(chǎn)設(shè)備帶來的結(jié)垢腐蝕，特在循環(huán)水中添加一定量的緩蝕阻垢劑［2～4］。然而，所加藥劑對(duì)循環(huán)水的水質(zhì)改善情況如何，則需實(shí)施監(jiān)測(cè)。當(dāng)前主要根據(jù)GB 6913.2—86采用離線人工分析方法對(duì)水質(zhì)情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)［2］，該方法具有一定的滯后性，特別是在測(cè)量腐蝕情況。腐蝕率測(cè)量一般采取掛片稱重方法進(jìn)行，測(cè)量周期至少在一周以上，一般是1個(gè)月。這樣，則不能實(shí)時(shí)地反映循環(huán)水的水質(zhì)情況，會(huì)給生產(chǎn)帶來安全隱患。另外，國(guó)內(nèi)外也有一些對(duì)循環(huán)水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測(cè)量的，但主要集中在水質(zhì)的一個(gè)方面，如只在線測(cè)量腐蝕率，pH，ORP其中的一項(xiàng)或幾項(xiàng)指標(biāo)［5］，并且在分析指標(biāo)方面也是采用人工進(jìn)行的。本文針對(duì)上述問題，設(shè)計(jì)出了循環(huán)冷卻水綜合在線監(jiān)控記錄系統(tǒng)，可以全方位實(shí)現(xiàn)水質(zhì)在線測(cè)量(測(cè)量參數(shù)包括pH，電導(dǎo)率，溫度，ORP，Cu腐蝕率、A3碳鋼腐蝕率及濁度)，并兼具自動(dòng)分析與加藥功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由兩大部分組成:以主控制器為核心的在線監(jiān)控器和上位機(jī)。在線監(jiān)控器負(fù)責(zé)在線采集循環(huán)水的相關(guān)參數(shù)，上位機(jī)則實(shí)現(xiàn)友好人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示水質(zhì)相關(guān)參數(shù)、參數(shù)設(shè)置等相關(guān)操作。本系統(tǒng)的主控制器采用最新ARM內(nèi)核CortexTM—M3的嵌入式微控制器，其超級(jí)強(qiáng)大的功能可以很好地實(shí)現(xiàn)超速運(yùn)算與對(duì)外參數(shù)控制。該控制器的16路高精度AD和大量IO控制端口，不僅能很好地實(shí)現(xiàn)目前的所有功能，還能為日后的功能擴(kuò)展作好保障。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 1 Structure block diagram of system

2 在線監(jiān)控器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

在線監(jiān)控器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要由7路信號(hào)采集電路組成，分別對(duì)循環(huán)冷卻水的溫度，pH，電導(dǎo)率，ORP，濁度，Cu腐蝕率，A3碳鋼腐蝕率的值進(jìn)行在線測(cè)量。各路參數(shù)值均由專用傳感器采樣，再由信號(hào)處理電路進(jìn)行放大、濾波變成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，最后輸入給主控器，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換成實(shí)際值，并可對(duì)測(cè)量的參數(shù)值進(jìn)行分析，按水質(zhì)要求進(jìn)行自動(dòng)加藥控制。

1)主控芯片STM32F103是基于ARM最新的CortexTM—M3內(nèi)核的嵌入式控制器，主頻72 MHz，且具有單周期硬件乘法和除法(加快計(jì)算)功能，其16路高精度AD可以很好地滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求;

2)各參數(shù)測(cè)量傳感器均選用標(biāo)準(zhǔn)專用傳感器，各參數(shù)測(cè)量范圍為:

a.pH 值:0～14

b.電導(dǎo)率:0～19.99 mS/cm

c.溫度:0～100℃

d.ORP:－1000～1000 mV

e.腐蝕率(Cu):0～9.99 mpy

f.腐蝕率(A3 碳鋼):0～9.99 mpy

g.濁度:0～100 NTU

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)嵌入了μc/os操作系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的實(shí)時(shí)運(yùn)作，程序框圖如圖2所示。

圖2 總程序流程圖Fig 2 Flow chart of program

本系統(tǒng)功能以操作系統(tǒng)的任務(wù)運(yùn)行，在創(chuàng)建任務(wù)時(shí)設(shè)置任務(wù)優(yōu)先級(jí)，任務(wù)(按優(yōu)先級(jí))主要包括:1)第一個(gè)任務(wù)是A/D轉(zhuǎn)換，負(fù)責(zé)將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)測(cè)值;2)第二個(gè)任務(wù)是輸出控制，在分析實(shí)測(cè)值后，按水質(zhì)要求控制加入藥劑的份量，然后再次測(cè)量，分析測(cè)量值是否達(dá)標(biāo)，從而形成反饋閉環(huán)控制;3)第三個(gè)任務(wù)是參數(shù)設(shè)置和存儲(chǔ)，包括用按鍵設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并存儲(chǔ);4)第四個(gè)任務(wù)是上位機(jī)通信，將實(shí)測(cè)值傳送至上位機(jī)。

3 上位機(jī)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)采用帶觸摸屏的工控機(jī)，程序用VC++編寫，人機(jī)界面友好，畫面豐富。同時(shí)，上位機(jī)系統(tǒng)屬于開放式系統(tǒng)能夠在內(nèi)部集成的運(yùn)行策略中調(diào)用內(nèi)部函數(shù)編寫底層通信與相關(guān)的數(shù)據(jù)處理程序。使其能有效可靠地與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并能進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與報(bào)表輸出。

3.1 系統(tǒng)主菜單設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主菜單主要由參數(shù)選擇與顯示、系統(tǒng)設(shè)置、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等菜單項(xiàng)組成，用于實(shí)時(shí)顯示被測(cè)量、系統(tǒng)調(diào)試、報(bào)表輸出等。通過選擇數(shù)據(jù)導(dǎo)出選項(xiàng)可以進(jìn)入報(bào)表數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面，選擇系統(tǒng)設(shè)置可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供在線系統(tǒng)調(diào)試功能。界面包括了溫度、pH值、電導(dǎo)率、ORP、濁度、腐蝕度等參數(shù)的選擇與顯示框，簡(jiǎn)潔地將所需要的數(shù)據(jù)展現(xiàn)給系統(tǒng)使用者。

3.2 參數(shù)子界面設(shè)計(jì)

子界面用于實(shí)時(shí)顯示被測(cè)參數(shù)值及其相應(yīng)的歷史曲線，便于觀察系統(tǒng)的變化趨勢(shì)。歷史曲線帶有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新的功能，可作為實(shí)時(shí)曲線使用。方便用戶通過歷史曲線判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)根據(jù)變化而采取相應(yīng)的操作。界面右側(cè)為對(duì)應(yīng)參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示數(shù)值，底部為不同參數(shù)的子界面的切換按鈕，可方便地進(jìn)行界面切換。

3.3 數(shù)據(jù)導(dǎo)出界面設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)導(dǎo)出用于將內(nèi)部存儲(chǔ)的報(bào)表，以一種自主選擇的方式導(dǎo)出至外部移動(dòng)設(shè)備(U盤)，便于管理員掌握系統(tǒng)的信息。另外，為了保證系統(tǒng)有足夠的空間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，故添加了刪除數(shù)據(jù)的功能，數(shù)據(jù)一經(jīng)刪除將不可恢復(fù)。

4 測(cè)試結(jié)果

該系統(tǒng)在投入運(yùn)行前，已在化驗(yàn)室做好檢測(cè)和標(biāo)定。到目前為止，系統(tǒng)已在某鋼鐵企業(yè)投入運(yùn)行半年，運(yùn)行狀況良好，水質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均已達(dá)標(biāo)，記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 水質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)照表Tab 1 Comparison table of water quality data

5 結(jié)束語

本文提出并設(shè)計(jì)了循環(huán)冷卻水綜合在線監(jiān)控記錄系統(tǒng)，實(shí)踐證明:循環(huán)冷卻水綜合在線監(jiān)控系統(tǒng)取代了人工離線水質(zhì)分析，實(shí)現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)控自動(dòng)化的同時(shí)，還能實(shí)時(shí)反映水質(zhì)情況，做好水質(zhì)處理。

［1］林高平.鋼鐵企業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)生命周期成本分析［J］.給水排水，2008，34(7):66－69.

［2］孫墨杰.循環(huán)冷卻水膦系緩蝕阻垢劑在線分析的研究［J］.化工自動(dòng)化及儀表，2002，29(4):70－73.

［3］張秀麗.腐蝕在線監(jiān)測(cè)技術(shù)在中水為補(bǔ)充水的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.中國(guó)電力，2009，42(3):56－58.

［4］范國(guó)義，曾為民，馬玉錄.循環(huán)冷卻水腐蝕在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］.化工裝備技術(shù)，2006，27(4):49－51.

［5］李建國(guó)，汪獻(xiàn)忠.循環(huán)冷卻水凈化再利用自動(dòng)監(jiān)控裝置:中國(guó)，200820069624.9［P］.2009—02—04.