崔 令，羅益民

(南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

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雙路pH在線監(jiān)測與控制

崔 令，羅益民

(南京工業(yè)大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院，江蘇南京 211816)

文中介紹了一種高精度雙路pH在線監(jiān)測儀的設(shè)計(jì)方案，該監(jiān)測儀采用C8051F021單片機(jī)為主控制器，采用算術(shù)平均濾波法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)了對多路測量信號的采集處理。采用模糊PID控制方法，解決pH值的非線性、滯后環(huán)節(jié)問題，完成自動加酸控制。可以通過4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流輸出和RS485通訊方式傳輸數(shù)據(jù)，也可用GPRS，通過因特網(wǎng)把測量數(shù)據(jù)傳到上位機(jī)，具有較強(qiáng)的工業(yè)使用價(jià)值。

pH；C8051F021單片機(jī)；GPRS;RS485；模糊控制；自動加酸

0 引言

如今，水污染日益嚴(yán)重，如果排出的水中，pH值達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)，就會對環(huán)境造成非常嚴(yán)重的污染。且在循環(huán)水處理系統(tǒng)中，pH過高會使系統(tǒng)結(jié)垢，過低會腐蝕裝置設(shè)備，因此，pH值是控制循環(huán)水處理中的一個(gè)重要指標(biāo)。

循環(huán)水處理系統(tǒng)是屬于大滯后控制系統(tǒng)，為了控制整個(gè)系統(tǒng)的pH值，往往靠一點(diǎn)采集信號是不夠的，至少兩點(diǎn)以上[1]。目前在系統(tǒng)要求對加酸精度較高的場合，采用多塊pH儀表和PLC組合。為此專門設(shè)計(jì)了雙路信號pH測量控制儀。以單片機(jī)為核心，能夠兼容國內(nèi)外大多數(shù)廠家的pH傳感器，增加了智能加酸與控制，增強(qiáng)了通訊功能，可以實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程監(jiān)控。而且比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，成本大大降低。

1 pH值的測量原理

通常用玻璃電極與參比電極構(gòu)成復(fù)合玻璃電極測量溶液中的pH值，玻璃電極的電位隨溶液的氫離子濃度的改變而改變，參考電極的電位固定不變，兩個(gè)電極在溶液中形成“化學(xué)電池”，通過對其電動勢的變化測量，計(jì)算出pH值。用能斯特方程[2]描述電極電位與溶液中氫離子的活度及溫度之間的關(guān)系：

E=E0+KT(pHn-pH0)

(1)

式中：E為測量電勢；E0為標(biāo)準(zhǔn)電勢；K為能斯特方程系數(shù)；T為絕對溫度；pHn為待測溶液的pH值；pH0為玻璃電極緩沖溶液的pH值，是常數(shù)。

由式(1)可知，測量出電動勢和溶液溫度即可計(jì)算出溶液的pH值。

2 雙路pH測量儀硬件設(shè)計(jì)

雙路pH測量儀硬件系統(tǒng)如圖1所示，主要由C8051F021單片，傳感器、調(diào)理電路和采集電路、RS485通訊或GPRS 通訊，LCD液晶顯示器、鍵盤、報(bào)警器等部分組成。

圖1 硬件圖

2.1 pH測量電路

兩種傳感器可用于雙路pH測量儀，根據(jù)需求，通過硬件端子口連接測量方式。

2.1.1 測量方式一

測量數(shù)據(jù)通過pH電極傳感器轉(zhuǎn)化成微弱的電壓信號，因此就需要調(diào)理電路對信號進(jìn)行調(diào)整。如圖2所示，差動放大電路的主要目的是抑制零漂，電路具有很穩(wěn)定的直流偏置和很強(qiáng)的抑制共模信號的能力。復(fù)合電極的內(nèi)阻很高，測量電路中選擇了高阻、低漂移、低輸入失調(diào)運(yùn)放LF356，最高輸入阻抗達(dá)1012Ω。放大倍數(shù)計(jì)算公式如下：

(2)

圖2 測量電路一

2.1.2 測量方式二

pH傳感器將信號送給變送器，變送器對信號放大，輸出4～20 mA的電信號，使信號傳輸距離更長遠(yuǎn)且傳輸信號精確。因單片機(jī)內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號是0～2 V的信號，所以變送器輸出的電流信號要進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電壓信號再送入單片機(jī)的A/D接口，I/V轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖3 I/V轉(zhuǎn)換電路

兩種測量電路，經(jīng)過模糊PID調(diào)節(jié)，DAC輸出的0.4～2.0 V通過V/I轉(zhuǎn)換為4～20 mA信號，將所測量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對pH值控制。

2.2 溫度測量

本測量儀采用恒流源式測溫電路，四線制接法。熱電阻的根部兩端各連接的兩根導(dǎo)線為熱電阻提供恒定電流，這種引線方式完全消除引線的電阻影響，提高了測量精度。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖4列出的是一些主要的執(zhí)行模塊，上電系統(tǒng)初始化之后，開始循環(huán)執(zhí)行功能模塊。采用C語言編寫程序，編程界面選擇KeilμVision4，效率高，易于程序調(diào)試。將C8051F021的JTAG接口與列單片機(jī)的JAG接口連接進(jìn)行下載[3]。

圖4 主程序流程

3.1 數(shù)據(jù)處理

(3)

根據(jù)一元函數(shù)求極值原理可得：

(4)

入口條件：N次采樣值已存于一維數(shù)組X(N)中。出口條件：算術(shù)平均值存于Y變量中。應(yīng)平衡計(jì)算時(shí)間和濾波效果，選取適當(dāng)?shù)牟蓸又礜。

3.2 溫度補(bǔ)償

由于電極系統(tǒng)受環(huán)境溫度的影響，使得測量得到的pH值存在一定的誤差，為了得到精確的pH值，采用兩點(diǎn)標(biāo)定完成對溫度的實(shí)時(shí)補(bǔ)償。取兩種標(biāo)準(zhǔn)溶液的pH值為pH1、pH2，根據(jù)能特斯方程,可得到方程[4]:

(5)

因此

(6)

(7)

式中：E1、E2分別為兩種緩沖溶液的輸出電勢；T為絕對溫度。

由式(6)、式(7)，計(jì)算出K值存儲之后，可以計(jì)算出溶液的pH值。

3.3 pH信號處理

循環(huán)水處理系統(tǒng)測量的兩路pH信號來自循環(huán)泵出水信號pHg和循環(huán)換熱器回水信號pHh，對二者加權(quán)處理。根據(jù)設(shè)定pH值調(diào)節(jié)加酸量，使出、回水綜合后的pH值等于設(shè)定值。

X=K1pHg+(1-K1)pHh

(8)

式中：X為綜合pH值；K1為循環(huán)泵出水權(quán)值；pHh為回水pH采樣值；pHg為循環(huán)泵出水pH采樣值。

3.4 控制算法

在循環(huán)水處理系統(tǒng)中，pH值嚴(yán)格控制在工業(yè)要求范圍之內(nèi)，但因工業(yè)pH值控制是非線性控制，而且系統(tǒng)工作過程中受現(xiàn)場環(huán)境影響，所以選擇模糊參數(shù)自整定PID控制[5]，既減小超調(diào)量，也提高系統(tǒng)自適應(yīng)的能力。控制原理圖如圖5所示。r是給定pH值，e為給定值與實(shí)際測量值的差，ec為偏差變化率。運(yùn)行的系統(tǒng)不斷檢測e和ec，根據(jù)不同e和ec，按一定的原理對PID的比例、積分和微分參數(shù)kp、ki和kd進(jìn)行修改，提高被控制對象的性能。 該設(shè)計(jì)選定e、ec、kp、ki和kd的論域均為[-6,6]，對應(yīng)的模糊語言值均為PB(正大) ,PM(正中),PS(正小),ZO(零),NS(負(fù)小),NM(負(fù)中),NB(負(fù)大)，建立了模糊控制規(guī)則表如表1所示，再根據(jù)各子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下列式子計(jì)算完成PID參數(shù)調(diào)整。

圖5 模糊PID控制原理圖

(9)

(10)

(11)

4 通訊

本測量儀可以采用Modbus通信協(xié)議，通過RS485與上位機(jī)或PLC通訊，也可采用TCP/IP協(xié)議通過無線GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)[6]，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，這樣可以及時(shí)地發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場情況。

5 結(jié)束語

本文提出了一種以80C51F021作為主控制器的雙路pH在線監(jiān)測與控制的設(shè)計(jì)方案。該監(jiān)測儀既可以用在循環(huán)水處理系統(tǒng)中，完成自動加酸與在線監(jiān)測，也可做普通pH測量儀使用，兩種測量電路的設(shè)計(jì)，適用于多種傳感器，降低了成本，使得該測量更加靈活地應(yīng)用于現(xiàn)場測量的環(huán)境。

表1 Kp、Ki和Kd的模糊控制規(guī)則表

[1] 張曉燕,周杰,雙路自動加酸及監(jiān)控系統(tǒng)在循環(huán)水中的應(yīng)用.工業(yè)水處理，2011,31(4):70-72.

[2] 楊素英,尹景鵬,仲崇權(quán),等. pH智能測量技術(shù)的研究及實(shí)現(xiàn).儀表技術(shù)與傳感器， 2003(10):7-9.

[3] 朱天一,羅益民.工業(yè)循環(huán)水用濃縮倍數(shù)測量儀.自動化儀表，2014(10):22-24.

[4] 劉海,楊慧中. 一種智能在線pH 檢測儀.江南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012,11(2):173-177.

[5] 朱斌，羅益民，袁啟昌，等.基于模糊PID的循環(huán)水自動加藥與監(jiān)測系統(tǒng).計(jì)算機(jī)測量與控制，2008,16(6):796-798.

[6] 柴紅柳.基于GPRS的環(huán)境水質(zhì)pH值自動監(jiān)測系統(tǒng)的研制：[學(xué)位論文].長春：吉林大學(xué)，2007．

Research and Development of Online Monitoring and Control of Daul pH

CUI Ling,LUO Yi-min

(College of Automation and Electrical Engineering,Nanjing University of Technology,Nanjing 211816,China)

This paper introduced the design scheme of high precision dual pH online monitor. The monitor uses C8051F021 microcontroller-based controller,which uses the method of arithmetic mean filtering for date processing and achieves the acquisition and processing of multi-channel signal measurement. This pH value measurement meter adopts the method of fuzzy control to resolve the problem that pH has the characteristic of non-linearity,long lag ,and it completes the control of automatic acid adding .It can transmit date remotely with standard current of 4～20mA and RS485 communication,it can also use GPRS and through the Internet to put the measurement data to the PC. This monitor has high value for industrial use.

pH;C8051F021 microcontroller;GPRS;RS485;fuzzy control;automatic acid adding

2015-01-28 收修改稿日期：2015-03-08

TP216

A

1002-1841(2015)11-0078-03

崔令(1989—)，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹悄芄I(yè)儀表的研制。E-mail：151051657780@163.com 羅益民(1958—)，高級工程師，主要研究方向?yàn)闄z測儀器的研發(fā)及應(yīng)用，水處理專用設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用。 E-mail:luoyimin1234@126.com