人工海水制備系統(tǒng)的濃鹽水制備過程設(shè)計

高翔，唐騰飛，徐毅茹，胡進(jìn)，張坤壯

（武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205）

人工海水制備系統(tǒng)的濃鹽水制備過程設(shè)計

高翔，唐騰飛，徐毅茹，胡進(jìn)，張坤壯

（武漢工程大學(xué)機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430205）

人工制備海水要求在有限的時間內(nèi)自動制備具有精確鹽度與電導(dǎo)率的人工海水,其中的一個重要環(huán)節(jié)是濃鹽水制備工藝過程.首先,設(shè)計了濃鹽水制備工藝流程、制備裝置和自動控制系統(tǒng).工藝流程是在濃鹽水罐中補充淡水或低濃度海水,加入海鹽,循環(huán)攪拌和定量排出的過程.制備裝置是由鹽水罐、截止閥、電磁閥、回止閥、過濾器、攪拌器和管路系統(tǒng)等組成的，采用可編程控制器實現(xiàn)自動工藝流程控制.其次,進(jìn)行了軟件設(shè)計,將制備工藝過程分成4種工況分別設(shè)計：海鹽與目標(biāo)水池水量不足、海鹽與目標(biāo)水池水量過量、海鹽不足而目標(biāo)水池水位達(dá)到、海鹽溶解完畢與目標(biāo)水池水位未達(dá)到.最后，軟件系統(tǒng)編程實現(xiàn)了工藝流程動作順序的邏輯控制,完成了復(fù)雜工藝流程的自動控制.

濃鹽水制備工藝；可編程控制器；鹽度和電導(dǎo)率

0 引言

人工海水制備裝置是為某研究所提供基礎(chǔ)研究條件而研制的，其主要功能是在有限時間內(nèi)制備符合要求的人工海水量，利用自動化控制技術(shù)實現(xiàn)制備工藝流程的自動化和鹽度與電導(dǎo)率的精確控制．

人工海水是使用淡水溶解各種礦物鹽的混合物．人工海水具有良好的可重復(fù)性，所以在科研中代替自然海水，用于模擬新材料受到海水侵蝕、化學(xué)反應(yīng)、古海洋環(huán)境模擬等實驗［1－3］，主要用于微生物培育與海洋生物的養(yǎng)殖［4－5］，也用于海洋環(huán)境的模擬研究．

濃鹽水制備系統(tǒng)是人工海水制備裝置的一個環(huán)節(jié)．人工海水裝置主要由濃鹽水制備系統(tǒng)、淡水與濃鹽水混合比例控制系統(tǒng)、水池海水循環(huán)系統(tǒng)、水池水位控制系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、水質(zhì)監(jiān)測與保障系統(tǒng)、污水排放與收集系統(tǒng)組成．

濃鹽水制備系統(tǒng)將海鹽與淡水或低鹽度的人工海水在濃鹽水罐中混合，通過攪拌在短時間內(nèi)制備出數(shù)倍于設(shè)定鹽度的濃海水，為有限時間內(nèi)配置正常濃度人工海水創(chuàng)造條件．

PLC常用于工業(yè)環(huán)境下自動控制系統(tǒng)，具有高可靠性、靈活性、使用方便等特點．在濃鹽水制備系統(tǒng)中應(yīng)用PLC技術(shù)，可以實現(xiàn)制備系統(tǒng)的自動控制［6］．

1 系統(tǒng)工作流程

為實現(xiàn)海鹽晶體充分溶解，一次制備300 m3且鹽度分布均勻的人工海水，需通過本系統(tǒng)配置濃鹽水（鹽度17．5%）．濃鹽水制備系統(tǒng)主要功能是將海鹽與淡水或低鹽度的人工海水在濃鹽水罐中混合，通過攪拌在短時間內(nèi)制備出與設(shè)定鹽度成一定倍數(shù)的濃鹽水．濃鹽水制備工藝流程如圖1所示．

圖1 濃鹽水制備流程圖Fig．1Brine seawater flow chart

2 系統(tǒng)原理及設(shè)計

常溫下，鹽的飽和溶解度在35%至40%，制備17．5%鹽度的濃鹽水每立方米需消耗175 kg海鹽．通過人員定時向濃海水罐加入定量海鹽，在濃鹽水罐進(jìn)行攪拌，使其充分溶解；同時控制濃鹽水的排放速度和淡水的補入速度，當(dāng)水罐中水位達(dá)到一定高度時，啟動鹽水泵進(jìn)行排放．根據(jù)濃鹽水系統(tǒng)工作流程，設(shè)計出如圖2所示的濃鹽水制備系統(tǒng)原理圖．通過淡水截止閥與海水補水電磁閥實現(xiàn)淡水單獨輸入，低濃度海水輸入以及兩者結(jié)合輸入．

圖2 濃鹽水制備系統(tǒng)原理圖Fig．2Schematic diagram of brine seawater system

此系統(tǒng)硬件包含有海鹽稱重臺、加鹽人梯、濃海水罐、攪拌器、海水過濾器、水位傳感器、電磁閥、調(diào)節(jié)閥等組成．

3 程序流程設(shè)計

為了便于人員操作，將控制程序集成化，實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的自動化［7－8］，人工海水制備工藝有5個流程：初次配置工況工藝控制流程、增加海水鹽度工況控制流程、減少海水鹽度工況工藝控制流程、補加淡水工況工藝控制流程、排污流程．

濃鹽水制備系統(tǒng)屬于初次配置工況，也是整個制備裝置的工藝流程的第一步．啟動初次工況后，打開淡水補水電磁閥，在濃鹽水灌中加入淡水，達(dá)到高水位后投入海鹽晶體確認(rèn)進(jìn)行攪拌，完成后與淡水按比例混合排入目標(biāo)水池，根據(jù)可能出現(xiàn)四種條件情況：1）海鹽未加完，目標(biāo)水池沒達(dá)到需求海水水量，則繼續(xù)補入海鹽與自動補充淡水；2）目標(biāo)水池已經(jīng)達(dá)到需求水量，海鹽還有剩余未充分溶解，則經(jīng)循環(huán)泵將目標(biāo)水池的低濃度海水循環(huán)送入濃鹽水灌溶解海鹽；3）海鹽已經(jīng)溶解完目標(biāo)水池未達(dá)需求水量，則直接向目標(biāo)水池注入淡水至需求水量；4）海鹽全部溶解且目標(biāo)水池達(dá)到需求水量，則進(jìn)行循環(huán)混合使?jié)舛染鶆?，循環(huán)時間達(dá)到后結(jié)束初次配置工況．其工藝流程圖如圖3所示．

圖3 初次配置工況工藝控制流程圖Fig．3The initial configuration of operating process control flow chart

4 PLC程序編寫

濃鹽水制備系統(tǒng)的控制程序采用三菱GXDeveloper編寫，本軟件能實現(xiàn)項目管理、程序鍵入、模擬仿真與程序調(diào)試等功能［9］完整的PLC控制程序包括PLC控制主程序、PLC與觸摸屏交互程序、PLC與模擬量I／O模塊通信程序、輔助操作程序以及故障診斷程序．這里對濃鹽水系統(tǒng)的控制主程序依據(jù)初次配置工況工藝流程圖進(jìn)行設(shè)計［10－11］．

初次配制工況中需預(yù)先設(shè)定的值用于滿足初始要求，人員輸入設(shè)定值后，數(shù)據(jù)存入對應(yīng)數(shù)據(jù)寄存器．在工況啟動前，需輸入需要輸入鹽度35%、初次配置總加鹽次數(shù)、最后一次加鹽質(zhì)量等制備中需要的參數(shù)．為避免損失原始數(shù)據(jù)的精度，在運算的過程中需將數(shù)據(jù)進(jìn)行先乘后除計算．

啟動初次配制工況之后，程序?qū)闹苽錆恹}水開始．在濃鹽水罐注入淡水時，需限制其他動作．當(dāng)濃鹽水罐加水時，需加入延時控制，初次配制工況制備濃鹽水程序如圖4所示．制備濃鹽水的過程中，等待加鹽輔助繼電器M601置1后，畫面切換到加鹽確認(rèn)界面．加鹽完畢后，按下確認(rèn)鍵，然后進(jìn)行攪拌并對攪拌時間計時，時間達(dá)到要求后將濃鹽水注入水池．

圖4 初次配制工況制備濃鹽水程序Fig．4Initial preparation of brine preparation conditions program

5 結(jié)語

上述設(shè)計的濃鹽水系統(tǒng)，通過PLC控制使其能夠快捷的實現(xiàn)海水的鹽度均勻分布，作為人工海水制備裝置的一個重要環(huán)節(jié)，實現(xiàn)人工海水的自動制備創(chuàng)造了條件．

使用PLC編程和仿真軟件GX-Developer進(jìn)行控制系統(tǒng)的仿真，方便快捷，提高效率與降低了成本．

目前人工海水制備系統(tǒng)已經(jīng)通過鑒定，實際運行效果良好．

致謝

感謝中國船舶重工集團(tuán)公司對本研究的支持．

［1］PIRES A．Artificial seawater culture of the gastropod Crepidula fornicata for studiesof larval settlement and metamorphosis［J］．Methods in Molecular Biology，2014（1128）：35－44．

［2］HERZOGGREGOIRE，MoujahidWaleed，TWOMEY Karen，LyonsConor．Onchipelectrochemicalmicrosystems for measurements of copp－er and conductivity in artificial seawater［J］．Talanta，2013（116）：26－27．

［3］XIAO Y，XIA K．Boron istope fractionation during brucite deposition from artificial se－aweater［J］．Clim．Past，2011（7）：693－706．

［4］何卓．我國水族館旅游發(fā)展現(xiàn)狀與對策研究［D］．哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2006．

HE Zhuo．The current situation and tacti－cs research of the development on thetourism of the aquariums in China［D］．Harbin：Northeast Forestry Unive－rsity，2006．（in Chinese）

［5］靳志玲，李樹生，朱國梁，等．海水觀賞魚人工海水研制［J］．海湖鹽與化工，2003，32（6）：16－17．

JIN Zhi－ling，LI Shu－sheng，ZHU Guo－liang，et al．Research of Artificial Sea－w－ater for Ornamental Fish［J］．Sea－Lake Salta－nd Chemical Industry，2003，32（6）：16－17．（inChinese）

［6］高翔，胡進(jìn)，唐騰飛．臥式高壓釜快開裝置設(shè)計［J］．武漢工程大學(xué)學(xué)報，2014，36（8）：56－59．

GAOXiang，HUJin，TANGTeng－fei．Designof quick－opening device of high pressure autoclave．［J］Journal of Wuhan Institute of Technology，2014，36（8）：56－59．（in Chinese）

［7］龔喜進(jìn)，趙浩，王慶凱，等．自動化系統(tǒng)在回水處理中的開發(fā)與應(yīng)用［J］．礦冶，2011（3）：95－97．

GONG Xi－jin，ZHAO Hao，WANG Qing－kai，et al．Research and application of automation system in backwater treatment［J］．Mining＆Metallurgy，2011（3）：95－97．（in Chinese）

［8］李鎮(zhèn)賚，張德福，于雷．淺談污水凈化計算機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］．鐵合金，2013，22（2）：36－38．

LIZhen－lai，ZHANGDe－fu，YULei．Discussionon computer contol system design of wast－ewater treatment［J］．Ferro－alloys，2013，22（2）：36－38．（in Chinese）

［9］李日清．PLC系統(tǒng)在深度水處理工藝中的應(yīng)用［J］．機械工程與自動化，2012（3）：198－199．

LI Ri－qing．Application of PLC System inAdvanced water treatment technology［J］．Mechanical Engineering＆Automation，2012（3）：198－199．（in Chinese）

［10］蓋超會，陽勝峰．三菱PLC與變頻器觸摸屏綜合培訓(xùn)教程［M］．北京：中國電力出版社，2010．

GAI Chao－h(huán)ui，YANG Sheng－feng．Touch sc－reen Mitsubishi PLC and inverter integra－ted training tutorials［M］．Beijing:China Electric P－ower Press，2010．（in Chinese）

［11］儀懷亮．基于PLC的水處理自動控制系統(tǒng)［J］．機械工程與自動化，2011（5）：131－133．

YI Huai－liang．Water treatment automat－ic control system based on PLC［J］．Mec－h(huán)anical Engineering＆Automation，2011（5）：131－133．（in Chinese）

Brine preparation process design of artificial seawater preparation system

GAO Xiang，TANG Teng－fei，XU Yi－ru，HU Jin，Zhang Kun－zhuang
School of Mechanical and Electrical Engineering，Wuhan Institute of Technology，Wuhan 430205，China

Brine preparation process was an important part of artificial seawater preparation device,which was used to produce an amount of artificial seawater with accurate salinity and conductivity in a limited time.Firstly,the brine preparation process,preparation device and automatic control system were designed.The brine preparation process consisted of filling the brine tank with freshwater supplement or artificial seawater with lower salinity,adding a certain amount of sea salt into the tank with water,mixing up the water and salt in the tank to make brine and pumping out for dilution.The preparation device was composed of brine tank,shut-off valve,solenoid valve,check valve,filter,mixture machine and pipelines.The automatic control system made use of Programmable Logic Controller to control the device and preparation process.Then the control software was designed,which divided the preparation process into 4 kinds of working cases:insufficient sea salt and pool water,excessive sea salt and pool water,insufficient sea salt and sufficient pool water,completed sea salt dissolution and sufficient pool water.Finally,the software system was designed to realize the conditional logic control of action sequence and to complete the automatic operation of complex preparation process.

brine preparation process;programmable logic controller;salinity and conductivity

TH16

A

10.3969/j.issn.1674-2869.2014.012.012

1674－2869（2014）012－0063－05

本文編輯：陳小平

2014-10-27

高翔（1963-），男，湖北武漢人，教授，博士.研究方向：機電一體化和艦船輔助機械的狀態(tài)監(jiān)測與自動控制.