大體積富集儀中壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guó)家海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心，遼寧 大連 116023)＊

0 引言

大體積富集儀用于環(huán)境監(jiān)測(cè)過(guò)程中對(duì)水體中痕量有機(jī)污染物進(jìn)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(gè)系統(tǒng)中，富集柱相當(dāng)于是一個(gè)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(guò)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(guò)大時(shí)會(huì)引起自鎖現(xiàn)象的發(fā)生.本課題設(shè)計(jì)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(guò)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(yùn)行，同時(shí)還會(huì)造成采樣泵的損壞.為了使整個(gè)樣品前處理過(guò)程完全達(dá)到自動(dòng)化處理而無(wú)需人工操作，在富集柱后加上自動(dòng)洗脫和在線濃縮裝置，在線濃縮是在負(fù)壓加熱的條件下進(jìn)行的，需要對(duì)其真空度進(jìn)行控制，防止?jié)饪s容器中的溶液出現(xiàn)“暴沸”現(xiàn)象，且達(dá)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(tái)均采用模擬壓力表對(duì)流路壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)［1-2］，該方法難以滿足自動(dòng)化處理的目的.本文針對(duì)上述問(wèn)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(jì)的壓力控制系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了流路壓力檢測(cè)和濃縮裝置真空度控制.

圖1 富集儀器組成框圖

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 壓力監(jiān)測(cè)源分析

大體積富集儀中有兩個(gè)模塊涉及到壓力檢測(cè)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(gè)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(dòng)加熱體造成干燒而使設(shè)備損毀，其二是監(jiān)測(cè)流路壓力值，防止過(guò)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(cè)到流路壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，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(diǎn)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(biāo)化合物沸點(diǎn)相差很大，在負(fù)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(shí)需要提高工作效率，避免大量時(shí)間的耗費(fèi)，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(diǎn)，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(shí)間.此處需要控制濃縮容器中的真空度，屬閉環(huán)控制.

1.2 系統(tǒng)組成

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)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(hào)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(hào)閉環(huán)控制真空泵的抽速?gòu)亩刂圃诰€濃縮容器中的真空度.微控制器通過(guò)RS485總線與上位工控機(jī)通訊，將檢測(cè)到的壓力數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到上位機(jī)，上位機(jī)界面實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前狀態(tài)，同時(shí)能夠在上位機(jī)指令下工作.

圖2 系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集與處理

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(jì)為7 bar.正壓傳感器選用美國(guó)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(hào).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(jià)格適中，該產(chǎn)品是超穩(wěn)系列傳感器中價(jià)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(shí)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(hào).根據(jù)本文設(shè)計(jì)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(fù)壓力，根據(jù)實(shí)驗(yàn)，工作壓力范圍 －0.9～ －0.2 bar，腔內(nèi)溫度常溫至70℃，負(fù)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(shí)間穩(wěn)定性好等特點(diǎn).帶有0～70℃溫度補(bǔ)償.本文設(shè)計(jì)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(jī)溶劑，接口方便，便于安裝［3］.

2.1.2 模/數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

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(shí)鐘頻率范圍100 kHz～20 MHz，ADC 轉(zhuǎn)換使用4 MHz內(nèi)部時(shí)鐘，轉(zhuǎn)換時(shí)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(guò)維持片選信引腳低電平時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)重置模擬信號(hào)輸入通道，一般4～7個(gè)時(shí)鐘周期重置通道0，在通道0轉(zhuǎn)換完成后，大于8個(gè)時(shí)鐘周期，則進(jìn)入通道1的轉(zhuǎn)換，重置時(shí)序如圖4所示.

圖3 A/D轉(zhuǎn)換電路圖

圖4 LTV2542重置時(shí)序圖

2.2 PID調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)

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(jì)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(duì)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(dá)到最優(yōu)控制效果 KP，Ti，Td，r四個(gè)參數(shù)必須通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)才能設(shè)置到合理值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般按P、I、D的順序進(jìn)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(shí)間.

2.3 主電路設(shè)計(jì)

硬件電路以ATEML公司的AT89S52單片機(jī)為控制核心，完成數(shù)據(jù)采集，DIP控制運(yùn)算，增量輸出，開關(guān)量輸出，與上位機(jī)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(duì)平衡閥，采樣泵以及加熱體啟動(dòng)控制均采用繼電器輸出.

3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

主控芯片軟件部分主要完成3個(gè)工作，①采集數(shù)據(jù)，控制A/D轉(zhuǎn)換器完成壓力信號(hào)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(jī)的通訊，將當(dāng)前壓力值傳送至上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，接收來(lái)至上位機(jī)設(shè)置的壓力值.

3.1 數(shù)據(jù)采集子程序

對(duì)于串行輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在編寫程序時(shí)需注意其工作時(shí)序，LTV2542通過(guò)控制控制CS引腳低電平時(shí)間來(lái)選擇模擬信號(hào)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(gè)時(shí)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(cè)兩點(diǎn)的壓力值，LTV2542芯片具有低功耗自動(dòng)轉(zhuǎn)換功能，每次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換需先啟動(dòng)，子程序流程如圖5所示.

圖5 數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2 PID控制子程序

PID程序入口參數(shù)是采集到的當(dāng)前值，它的各個(gè)系數(shù)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)找出最佳值，由初始化時(shí)確定，只能通過(guò)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(dòng)真空泵的交流電機(jī)轉(zhuǎn)速.本設(shè)計(jì)中，當(dāng)被控對(duì)象進(jìn)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(gè)循環(huán)中調(diào)用一次，采用間斷性定時(shí)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P(yáng)ID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(shí)間內(nèi)輸出偏差很大會(huì)導(dǎo)致控制量超出執(zhí)行機(jī)構(gòu)允許的最大動(dòng)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(xiàng)的累積速度，對(duì)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性十分有效.

3.3 數(shù)據(jù)通訊子程序

壓力測(cè)控系統(tǒng)作為整個(gè)儀器的一個(gè)子模塊，掛接在RSRS485通訊總線上，單片機(jī)數(shù)據(jù)通訊子程序是將單片機(jī)通過(guò)LTV2542采集到的兩個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的壓力值通過(guò)串口送到上位機(jī);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

4 結(jié)論

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(jì)出一個(gè)是集數(shù)據(jù)采集、處理、通訊為一體的壓力監(jiān)測(cè)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(dá)到儀器設(shè)計(jì)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(shí)采用防水設(shè)計(jì)，避免在海面現(xiàn)場(chǎng)操作時(shí)進(jìn)水造成損壞，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)死機(jī)，程序跑飛等現(xiàn)象.

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［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(jī)的壓力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用，2008(5):111-113.

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［7］趙建領(lǐng)，薛圓圓.51單片機(jī)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(jī)常用模塊設(shè)計(jì)查詢手冊(cè)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010:449-505.