蔡文武，韓俊輝，排日再·艾尼，陸俊杰，徐立軍

（新疆工程學(xué)院控制工程學(xué)院，烏魯木齊830023）

1 引 言

近年來地膜的白色污染問題逐漸受到重視。在對四川農(nóng)村地膜使用情況進(jìn)行調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村用戶種植莊稼時(shí)用到的地膜基本上是零回收，大多數(shù)農(nóng)村用戶家的地膜使用壽命在1～2 年，少數(shù)農(nóng)村用戶家的地膜使用壽命超過2 年，并且大多數(shù)用戶在用完地膜之后采取直接丟棄或者焚燒的方式，只有少數(shù)用戶選擇賣給地膜回收廠進(jìn)行回收利用。由此可見，地膜的回收率非常低。

被丟棄的地膜在土壤中難以降解，不僅阻礙了農(nóng)作物的生長，而且會造成嚴(yán)重的“白色污染”[1]；另外，被焚燒的地膜在燃燒時(shí)會產(chǎn)生有毒氣體，例如甲苯，這種物質(zhì)被人體吸入時(shí)，少量會引發(fā)嘔吐等癥狀，大量會導(dǎo)致失明；其它顆粒物會飄散在大氣中，對空氣造成很大污染，嚴(yán)重影響人們的身體健康[2]。

國家規(guī)定地膜必須強(qiáng)制性回收處理，其處理方式通常為經(jīng)過清洗后進(jìn)行融化再造粒，從而用來生產(chǎn)塑料制品。目前，一些地膜回收和污水處理企業(yè)都是采取人工直接清洗、清洗后的污水直接排放的方式。這樣的處理方式，不僅成本高，生產(chǎn)率低，并且排出的污水質(zhì)量不符合國家標(biāo)準(zhǔn)，仍會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。

針對上述情況，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)的清洗回收地膜、污水處理自動控制系統(tǒng)，能有效地解決地膜污水排放質(zhì)量不達(dá)標(biāo)的問題，并且具有生產(chǎn)效率高、成本低、控制及時(shí)、可靠性高、節(jié)能等特點(diǎn)。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

研究地膜回收及其污水處理自動控制系統(tǒng)最根本的目標(biāo)就是使排出的污水質(zhì)量達(dá)到國家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。在實(shí)際污水處理過程中，除了考慮生產(chǎn)率以及操作成本之外，主要還需要考慮系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和安全性。

可靠性：當(dāng)系統(tǒng)某個部分出現(xiàn)故障或者受到干擾時(shí)，系統(tǒng)需要有檢測和排除故障，以及確保系統(tǒng)不會受到干擾的能力；

穩(wěn)定性：當(dāng)水箱液位超過設(shè)定值或者傳感器檢測到的數(shù)據(jù)不正常時(shí)，單片機(jī)需要立即做出反應(yīng)，控制輸出調(diào)整至正常值；

安全性：用精準(zhǔn)的傳感器進(jìn)行測量,將測得的數(shù)值送至數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行分析，判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),根據(jù)分析結(jié)果來選擇正確的數(shù)據(jù),做出正確的動作,從而保證安全性。

3 污水處理流程與組態(tài)監(jiān)控

3.1 自動控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

本控制系統(tǒng)采用的設(shè)備有51 單片機(jī)、變頻器、液位計(jì)、渾濁度測試儀、pH 檢測儀、電機(jī)等。另外，本系統(tǒng)采用的基本控制結(jié)構(gòu)是分級遞階控制，即采用縱向分層、橫向分散的綜合控制系統(tǒng)。主要分為現(xiàn)場級、過程控制級、操作管理級、信息管理級[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 污水處理工藝過程

地膜處理過程必須先用攪拌器將廢棄地膜撕爛并攪拌清洗。由單片機(jī)控制攪拌器的啟動/停止。清洗后的污水由于殘留大量農(nóng)藥，以及大量的淤泥，所以先由單片機(jī)控制污水提升泵將污水提升到曝氣反應(yīng)池，并在提升過程中對反應(yīng)池的液位進(jìn)行檢測。單片機(jī)會根據(jù)液位的高低來調(diào)整污水提升泵的速度，進(jìn)行更快更準(zhǔn)確的控制。

污水提升完畢之后，在曝氣池里加入具有活性的微生物。單片機(jī)通過控制曝氣機(jī)，持續(xù)向曝氣池里通入空氣，利用活性污泥的生物凝聚、吸附和氧化作用，加快活性微生物分解廢水中有機(jī)污染物的速度，生物固體隨后會從已處理的廢水中分離。在曝氣過程中，加入了pH 值檢測環(huán)節(jié)，單片機(jī)會根據(jù)檢測到的pH 值來調(diào)整曝氣機(jī)的曝氣速度，以保證微生物的活性。

微生物分解完成后，污水將進(jìn)入沉淀池。混合液中懸浮的活性污泥和其他固體物質(zhì)在這里沉淀下來與水分離，等沉淀完成后，單片機(jī)控制水泵將上層水抽取出來，并靠傳感器對其質(zhì)量進(jìn)行檢測，如果質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，將進(jìn)入二次沉淀，如果達(dá)標(biāo)則單片機(jī)會控制水泵，將排出的水抽取出來，再次用來清洗新一批廢舊地膜，就此基本上實(shí)現(xiàn)了零排放的目標(biāo)[5]。

單片機(jī)控制水泵將上層清水排出后，使沉淀物與池底的污泥經(jīng)過刮泥機(jī)的處理，再控制排泥機(jī)將污泥排出。

整個污水處理的工藝流程如圖2 所示。

圖2 污水處理的工藝流程

3.3 MCGS組態(tài)界面

為了更加直觀地了解整個污水處理過程，以及實(shí)時(shí)管理和監(jiān)控整個工藝過程，可以將整個污水處理過程用MCGS 組態(tài)軟件做成組態(tài)界面，步驟如下：

第一步，通過組態(tài)軟件工具將需要用到的器材選擇并擺放出來，例如：電機(jī)、水池、傳感器、開關(guān)、指示燈、管道等。將這些擺放在合適位置，然后根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行注釋，如圖3 所示。

圖3 MCGS畫面布置

第二步，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫里新建所需要的數(shù)據(jù)，并對其數(shù)據(jù)名稱、數(shù)據(jù)類型、注釋等進(jìn)行設(shè)置，如圖4 所示。

圖4 新建數(shù)據(jù)變量

第三步，將用戶窗口中的圖形對象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象建立相關(guān)性連接，并設(shè)置相應(yīng)的動畫屬性，進(jìn)行動畫連接[6]。其中包括電機(jī)、水池、傳感器、開關(guān)、指示燈、管道等都需要進(jìn)行動畫連接。部分連接情況如圖5～圖7 所示。

圖5 按鈕和指示燈動畫連接

圖6 反應(yīng)池的動畫連接

圖7 管道動畫連接

第四步，編寫腳本程序，使整個組態(tài)畫面成為一體。部分腳本如圖8 所示。

圖8 腳本編寫

4 硬件電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)的外圍硬件電路主要包括三大部分：按鍵檢測電路、單片機(jī)輸出控制繼電器電路、無線模塊電路。

(1) 按鍵檢測電路

按鍵檢測電路接在單片機(jī)的P0 口，用于檢測用戶在操作臺發(fā)出的操作。當(dāng)檢測到操作指令時(shí)，單片機(jī)根據(jù)程序員編寫的控制程序，做出相應(yīng)的動作，如圖9 所示。

圖9 按鍵檢測電路

(2) 繼電器電路

單片機(jī)的電源為5V，而需要單片機(jī)控制的電氣設(shè)備的電源皆為220V，要實(shí)現(xiàn)弱電控制強(qiáng)電，中間就需要有繼電器電路[7]。繼電器電路接收來自單片機(jī)的控制信號，控制電氣設(shè)備電源的通斷，從而完成電氣設(shè)備的控制。繼電器電路如圖10 所示。

圖10 繼電器電路

(3) 無線模塊電路

無線模塊電路用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與無線設(shè)備之間的通訊。在遠(yuǎn)程控制模式時(shí)，無線模塊電路接收無線信號，再將信號傳遞給單片機(jī)。無線模塊電路如圖11 所示。

圖11 無線模塊電路

5 程序設(shè)計(jì)

由于整個自動控制系統(tǒng)必須要靠軟件才能實(shí)現(xiàn)，所以在程序方面的設(shè)計(jì)必須全面且準(zhǔn)確，必須考慮到設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、水質(zhì)檢測反饋、工作模式、監(jiān)控等問題。

首先，進(jìn)入兩種工作模式的選擇：自動控制模式和手動控制模式[8]。進(jìn)入自動控制模式時(shí)，單片機(jī)按照程序設(shè)計(jì)好的順序分別控制電機(jī)運(yùn)作，其順序是先啟動污水提升泵，在此過程中，液位計(jì)檢測液位的高低，將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)再將數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，之后通過變頻器控制污水提升泵的提升速度；污水提升完成后，單片機(jī)則控制曝氣機(jī)運(yùn)作，且單片機(jī)將pH 檢測儀檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，然后調(diào)整曝氣速率，以保持微生物的活性；曝氣完成后，單片機(jī)控制刮泥機(jī)將上層溶液與下層淤泥分離，且單片機(jī)利用渾濁度測試儀檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)控制，以保證水中的沉淀物全部沉淀完；最后，單片機(jī)控制排泥機(jī)將淤泥（沉淀物）排出。

進(jìn)入手動控制模式時(shí)，用戶可自由進(jìn)行控制，沒有控制順序可言。在此控制過程中，液位計(jì)、pH 檢測儀、渾濁度測試儀等的運(yùn)作都是必不可少的，用戶必須得根據(jù)這些檢測儀的數(shù)據(jù)和設(shè)備實(shí)際情況進(jìn)行控制，才能保證排出的污水符合要求的指標(biāo)。

單片機(jī)在執(zhí)行上述所有控制的任意時(shí)刻，必須時(shí)刻檢測模式的切換，使用戶可以隨時(shí)切換工作模式。

另外，控制系統(tǒng)通過上位機(jī)，對設(shè)備的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將所有檢測數(shù)據(jù)記錄下來，使用戶在PC 端可以查看數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

具體軟件設(shè)計(jì)思路及流程如圖12 所示。部分程序段如圖13 所示。

圖12 程序設(shè)計(jì)流程圖

圖13 部分程序段

6 結(jié)束語

本控制系統(tǒng)在控制過程中加入了多個檢測環(huán)節(jié)，使得每個環(huán)節(jié)的控制更加精準(zhǔn)，更加迅速，更加自動化。相比傳統(tǒng)的污水處理方式而言，本控制系統(tǒng)節(jié)省了大量的人力和資源，進(jìn)而降低了處理成本；由于自動控制系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)的控制都很嚴(yán)格，檢測儀表都非常精確，進(jìn)而保證了排污質(zhì)量；最終處理完的污水可再次用來清洗地膜，實(shí)現(xiàn)了資源的循環(huán)利用。該控制系統(tǒng)不僅適用于地膜污水處理，對于其它工業(yè)污水處理領(lǐng)域，也具有一定的推廣價(jià)值。