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微型超纯水控制系统设计

[导读]针对微型超纯水生产设备的控制系统, 就设计中的单片机系统配置、控制系统的输入输出接口、单片机系统软件程序设计、系统参数设置及窗口显示等设计内容进行了论述, 并提出了超纯水生产设备控制系统较详细的设计方案。

0 引言

介绍的内容是基于四川省教育厅立项并通过专家鉴定的“ 反渗透水处理新工艺及设备研究”科研项目的控制系统设计,该项目科研成果已经在西南地区部分工矿企业和纯水生产企业进行较好的推广应用, 其控制系统的设计方案也推广应用于医用和家庭用微型纯水机中。

以微型超纯水机的控制原理为例进行了硬件电路和软件程序的设计。 微型超纯水机主要适用实验室和医疗机构等水质要求高而用水量少的场合。 由于用户的特点, 要求微型超纯水机在使用操作上简单方便、智能化高, 因此, 在控制系统的设计中, 不仅要满足纯水生产的设备功能要求, 同时还要尽量减少操作按扭, 简化菜单的结构, 提高系统的智能化。

1 控制系统的硬件组成

系统采用单片机作为控制及数据处理中心, 系统配置了用于系统状态显示和工作菜单选择的液晶显示屏, 以及分别控制系统工作、系统设置、菜单上选、菜单下选和取水等功能的 5 个按钮。同时 , 系统还设置了与打印机、上位计算机的通讯接口。为了提高系统的可靠性, 输入输出接口电路采用了光电隔离[ 1] 。图 1 为单片机系统的基本配置电路原理图。 单片机系统的基本 配置电路 采用的 芯片主 要有 C8051F020 单片 机、19264LCD、时钟 12C887、微型打印机、RS-485 接口、铁电存储器FM24LC64 等[ 2] 。

微型纯水机的单片机控制系统主要监控的输入信号包括低压开关(水压监控)、流量计(水流监控)、低水位输入、高水位输入、电阻率测试和温度测试等对象, 控制的输出对象包括增压泵、加压泵、抽水泵、循环泵、紫外消毒灯、冲洗电磁阀、源水进水电磁阀、循环进水电磁阀、排水电磁阀、取水电磁阀、加药电磁阀、反冲洗电磁阀和蜂鸣报警器等输出信号。 图 2 为单片机基本配置系统的输入输出接口示意图[ 3] 。



2 控制系统的软件设计原理

根据微型纯水机的功能要求, 该系统可以按用户的菜单设置进行定时、定量、定质取水, 并可进行手动、自动两种方式的水路循环。 当系统正常运行时, 若被监测的纯水电导率数值低于设定值, 系统水路自动循环;若达到设定上限, 循环停止;若循环了一定时间(一般选择 30 min)水质还达不到设定上限, 系统自动停止运行, 蜂鸣器提示报警。 手动控制水路循环主要用于系统调试。

当超纯水系统运行一段时间后(该时间可以预先设置或通过检测水质检测自动控制), 要进行药物清洗时, 系统自动运行加药清洗系统。 其运行过程是:先打开加药电磁阀、排水电磁阀和反冲洗电磁阀, 当药液流进超滤膜后关闭排水电磁阀并延时1 h, 再打开排水电磁阀, 关闭加药电磁阀, 然后冲洗 1 h , 最后关闭反冲洗电磁阀和排水电磁阀, 完成自动清洗过程。 紫外消毒灯的启动与停止与原水进水电磁阀同步, 在药物清洗水路时自动关闭。

2 .1 取水过程工作程序

如图 3 所示, 取水过程受取水按钮控制, 系统分别要判断水质状况、定量取水流量、定时取水时间及循环状态等信息, 以此来决定取水电磁阀的开关控制。 取水过程中, 液晶显示窗口提示电阻率值和温度值。


2 .2 增压泵工作程序

进水增压泵的控制与进水水压、水位上下限的状态有关,进水电磁阀随增压泵的启动与停止同步打开与关闭(如图 4 所示)。 正常运行时系统显示为“ 系统制水中” , 水压不足时显示为“ 低水压, 系统保护” , 水压不稳时显示为“ 水压不稳 , 系统保护” 。

2 .3 排水电磁阀工作程序

如图 5 所示, 排水过程是受用户设定的定时时间控制, 一般为工作 2~ 3 h 自动排出废水一次。 排水系统一般设置有抽水泵、排水电磁阀与抽水泵同步工作, 同时, 在排水时要求取水电磁阀处于关闭状态。 排水时间与纯水机容量有关, 一般为 20s 左右。

2 .4 水路循环工作程序

如图 6 所示, 水路循环有手动与自动两种控制方式, 自动循环的条件与水质的电导率指标的上下限有关, 当循环时间达到设定值时水质依然没有达到指标, 系统将强迫停机, 并显示“ 请降低设定标准或请更换耗材” 。 水路循环时原水进水电磁阀和取水电磁阀关闭, 循环进水电磁阀打开, 循环泵启动。 在自动循环时, 若按动取水键则系统停止循环。

3 系统设置与显示设计

根据功能要求, 在系统运行前应对微型纯水机的工作参数进行设定, 设定内容主要有每天几点几分定时取水和取水流量设定;取水时纯水的电导率值下限设定, 低于下限值时不能取水;水路循环的电导率值下限与上限范围, 低于循环下限时开始循环, 高于上限值时停止循环;当循环极限时间达到时水质仍达不到指标, 循环停止并报警提示。


系统在运行过程中, 液晶显示屏及时显示系统的工作状态, 其显示内容主要包括:当系统水路循环时提示纯水正在生产, 禁止使用取水按钮, 请等待;当系统制满水后显示水满;当按下取水按钮后显示电导率值和水温值;当水压不足时, 显示低水压, 并蜂鸣提示;当水压不稳时, 停机保护并显示水压不稳, 水压稳定后自动恢复工作状态;当增压泵启动时, 显示系统自动冲洗中;当按下系统设置按扭后, 显示为系统设置主菜单,主菜单选项主要包括:定时取水时间设定、定量取水设定、取水指标下限设定 、取水后停止取水时间长短设定、循环指标下限设定、循环指标上限设定、循环极限时间设定等。

4 结束语

该控制系统的设计及应用, 保证了水处理系统的安全运行, 提高了用户在超纯水使用中的安全性, 尤其是简单灵活的操作, 简洁易懂的用户界面, 受到了用户和生产厂家的好评。在国内, 纯水生产和普及应用的时间较短, 高质量的超纯水生产设备的研制还处于起步阶段, 特别是在微型超纯水生产设备的集成度、寿命和可靠性等方面尚有不足, 希望自动化技术的专业人士关注和积极参与该行业的技术发展。






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0 引言

介绍的内容是基于四川省教育厅立项并通过专家鉴定的“ 反渗透水处理新工艺及设备研究”科研项目的控制系统设计,该项目科研成果已经在西南地区部分工矿企业和纯水生产企业进行较好的推广应用, 其控制系统的设计方案也推广应用于医用和家庭用微型纯水机中。

以微型超纯水机的控制原理为例进行了硬件电路和软件程序的设计。 微型超纯水机主要适用实验室和医疗机构等水质要求高而用水量少的场合。 由于用户的特点, 要求微型超纯水机在使用操作上简单方便、智能化高, 因此, 在控制系统的设计中, 不仅要满足纯水生产的设备功能要求, 同时还要尽量减少操作按扭, 简化菜单的结构, 提高系统的智能化。

1 控制系统的硬件组成

系统采用单片机作为控制及数据处理中心, 系统配置了用于系统状态显示和工作菜单选择的液晶显示屏, 以及分别控制系统工作、系统设置、菜单上选、菜单下选和取水等功能的 5 个按钮。同时 , 系统还设置了与打印机、上位计算机的通讯接口。为了提高系统的可靠性, 输入输出接口电路采用了光电隔离[ 1] 。图 1 为单片机系统的基本配置电路原理图。 单片机系统的基本 配置电路 采用的 芯片主 要有 C8051F020 单片 机、19264LCD、时钟 12C887、微型打印机、RS-485 接口、铁电存储器FM24LC64 等[ 2] 。

微型纯水机的单片机控制系统主要监控的输入信号包括低压开关(水压监控)、流量计(水流监控)、低水位输入、高水位输入、电阻率测试和温度测试等对象, 控制的输出对象包括增压泵、加压泵、抽水泵、循环泵、紫外消毒灯、冲洗电磁阀、源水进水电磁阀、循环进水电磁阀、排水电磁阀、取水电磁阀、加药电磁阀、反冲洗电磁阀和蜂鸣报警器等输出信号。 图 2 为单片机基本配置系统的输入输出接口示意图[ 3] 。

2 控制系统的软件设计原理

根据微型纯水机的功能要求, 该系统可以按用户的菜单设置进行定时、定量、定质取水, 并可进行手动、自动两种方式的水路循环。 当系统正常运行时, 若被监测的纯水电导率数值低于设定值, 系统水路自动循环;若达到设定上限, 循环停止;若循环了一定时间(一般选择 30 min)水质还达不到设定上限, 系统自动停止运行, 蜂鸣器提示报警。 手动控制水路循环主要用于系统调试。

当超纯水系统运行一段时间后(该时间可以预先设置或通过检测水质检测自动控制), 要进行药物清洗时, 系统自动运行加药清洗系统。 其运行过程是:先打开加药电磁阀、排水电磁阀和反冲洗电磁阀, 当药液流进超滤膜后关闭排水电磁阀并延时1 h, 再打开排水电磁阀, 关闭加药电磁阀, 然后冲洗 1 h , 最后关闭反冲洗电磁阀和排水电磁阀, 完成自动清洗过程。 紫外消毒灯的启动与停止与原水进水电磁阀同步, 在药物清洗水路时自动关闭。

2 .1 取水过程工作程序

如图 3 所示, 取水过程受取水按钮控制, 系统分别要判断水质状况、定量取水流量、定时取水时间及循环状态等信息, 以此来决定取水电磁阀的开关控制。 取水过程中, 液晶显示窗口提示电阻率值和温度值。

2 .2 增压泵工作程序

进水增压泵的控制与进水水压、水位上下限的状态有关,进水电磁阀随增压泵的启动与停止同步打开与关闭(如图 4 所示)。 正常运行时系统显示为“ 系统制水中” , 水压不足时显示为“ 低水压, 系统保护” , 水压不稳时显示为“ 水压不稳 , 系统保护” 。

2 .3 排水电磁阀工作程序

如图 5 所示, 排水过程是受用户设定的定时时间控制, 一般为工作 2~ 3 h 自动排出废水一次。 排水系统一般设置有抽水泵、排水电磁阀与抽水泵同步工作, 同时, 在排水时要求取水电磁阀处于关闭状态。 排水时间与纯水机容量有关, 一般为 20s 左右。

2 .4 水路循环工作程序

如图 6 所示, 水路循环有手动与自动两种控制方式, 自动循环的条件与水质的电导率指标的上下限有关, 当循环时间达到设定值时水质依然没有达到指标, 系统将强迫停机, 并显示“ 请降低设定标准或请更换耗材” 。 水路循环时原水进水电磁阀和取水电磁阀关闭, 循环进水电磁阀打开, 循环泵启动。 在自动循环时, 若按动取水键则系统停止循环。

3 系统设置与显示设计

根据功能要求, 在系统运行前应对微型纯水机的工作参数进行设定, 设定内容主要有每天几点几分定时取水和取水流量设定;取水时纯水的电导率值下限设定, 低于下限值时不能取水;水路循环的电导率值下限与上限范围, 低于循环下限时开始循环, 高于上限值时停止循环;当循环极限时间达到时水质仍达不到指标, 循环停止并报警提示。

系统在运行过程中, 液晶显示屏及时显示系统的工作状态, 其显示内容主要包括:当系统水路循环时提示纯水正在生产, 禁止使用取水按钮, 请等待;当系统制满水后显示水满;当按下取水按钮后显示电导率值和水温值;当水压不足时, 显示低水压, 并蜂鸣提示;当水压不稳时, 停机保护并显示水压不稳, 水压稳定后自动恢复工作状态;当增压泵启动时, 显示系统自动冲洗中;当按下系统设置按扭后, 显示为系统设置主菜单,主菜单选项主要包括:定时取水时间设定、定量取水设定、取水指标下限设定 、取水后停止取水时间长短设定、循环指标下限设定、循环指标上限设定、循环极限时间设定等。

4 结束语

该控制系统的设计及应用, 保证了水处理系统的安全运行, 提高了用户在超纯水使用中的安全性, 尤其是简单灵活的操作, 简洁易懂的用户界面, 受到了用户和生产厂家的好评。在国内, 纯水生产和普及应用的时间较短, 高质量的超纯水生产设备的研制还处于起步阶段, 特别是在微型超纯水生产设备的集成度、寿命和可靠性等方面尚有不足, 希望自动化技术的专业人士关注和积极参与该行业的技术发展。

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