多通道蘇瑪罐VOCs采樣控制器的設(shè)計(jì)

王奕飛

(遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 自動(dòng)控制工程系，遼寧 丹東 118009)

隨著霧霾天氣越發(fā)嚴(yán)重，臭氧和PM2.5所代表的細(xì)粒子污染漸漸發(fā)展成為大城市和區(qū)域空氣污染的首要大敵[1]。揮發(fā)性有機(jī)物(volatile organic compounds，VOCs)是生成PM2.5的重要前體物之一。近年來(lái)，濃度低、高毒性的VOCs在PM2.5中的比重上升極快，VOCs治理已刻不容緩，而VOCs治理的前提是科學(xué)有效的監(jiān)測(cè)[2]。目前，對(duì)于環(huán)境空氣中VOCs的監(jiān)測(cè)，美國(guó)EPA(美國(guó)環(huán)境保護(hù)署)采用的標(biāo)準(zhǔn)(TO—14/15)及我國(guó)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境空氣 揮發(fā)性有機(jī)物的測(cè)定 罐采樣/氣相色譜法-質(zhì)譜》(HJ759—2015)均推薦使用蘇碼罐采集VOCs。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于保持了與采樣點(diǎn)一致的大氣穩(wěn)定狀況，實(shí)現(xiàn)了原位采樣，同時(shí)蘇瑪罐閥門(mén)及罐內(nèi)壁惰硅涂層，避免了VOCs在采集、保存過(guò)程中的吸附損失和氧化遷移，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室冷阱預(yù)濃縮儀富集、氣相色譜質(zhì)譜檢測(cè)分析，大大提高了監(jiān)測(cè)方法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性[3-7]。

目前，全自動(dòng)蘇瑪罐采集VOCs裝置內(nèi)部普遍包含氣泵、電磁閥、流量控制單元、系統(tǒng)控制器以及各種傳感器等部件，為實(shí)現(xiàn)多路采樣，控制器內(nèi)部還會(huì)存在復(fù)雜的氣路結(jié)構(gòu)。多通道采樣控制器為實(shí)現(xiàn)整套系統(tǒng)的控制和單罐的獨(dú)立采樣控制，往往會(huì)配有獨(dú)立的上位機(jī)系統(tǒng)而且多為國(guó)外廠家開(kāi)發(fā)，這使得現(xiàn)有控制器普遍存在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操控繁瑣、操作人員學(xué)習(xí)成本較高等問(wèn)題。

筆者設(shè)計(jì)的多通道蘇瑪罐VOCs采樣控制器，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可旋轉(zhuǎn)的氣體分配閥，實(shí)現(xiàn)了多通道的氣體采集，有效簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；控制器可根據(jù)需求靈活連接1～16路蘇瑪罐，采樣過(guò)程設(shè)計(jì)可以作用于每一個(gè)罐體，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)采樣和遠(yuǎn)程控制；所有采樣設(shè)置均可以通過(guò)簡(jiǎn)單的觸摸屏面板操作完成。采樣裝置配備的多種類型傳感器，可對(duì)氣體采集時(shí)的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，為后續(xù)數(shù)據(jù)分析提供了有力保障。

1 采樣控制器系統(tǒng)組成

采樣控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由主控單元、氣體采集與流量控制單元、多路氣體分配單元和通訊單元組成。主控單元以STM32F429為控制核心，并配有工業(yè)串口屏進(jìn)行人機(jī)交互，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制以及完成工作參數(shù)的配置；氣體采集與流量控制單元負(fù)責(zé)對(duì)進(jìn)入蘇瑪罐的氣體進(jìn)行流量調(diào)控，實(shí)現(xiàn)恒流采樣；多路氣體分配單元負(fù)責(zé)完成多路采樣通道之間的精準(zhǔn)切換；通訊單元使設(shè)備具有遠(yuǎn)程通訊能力，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)信息化條件下的遙控采樣和無(wú)人值守運(yùn)行。

2 采樣控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 氣體采集與流量控制單元設(shè)計(jì)

氣體采集與流量控制單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。

氣路首端總控電磁閥作為整體氣路的總開(kāi)關(guān)，當(dāng)電磁閥開(kāi)啟后，氣泵產(chǎn)生負(fù)壓，氣體由進(jìn)氣口流入并經(jīng)穩(wěn)流器混合穩(wěn)流。通過(guò)對(duì)支路電磁閥的控制，可使氣體流入相應(yīng)的質(zhì)量流量控制器，完成對(duì)氣體采樣流量的控制，實(shí)現(xiàn)恒流采樣。安裝于多路氣體分配單元進(jìn)氣口的壓力傳感器可以有效測(cè)量當(dāng)前所接通的蘇瑪罐內(nèi)部氣壓，進(jìn)而判斷出罐內(nèi)氣體采集程度。

2.2 多路氣體分配單元設(shè)計(jì)

多路氣體分配單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

多路氣體分配單元主要由步進(jìn)電機(jī)和氣體分配閥組成，氣體分配閥內(nèi)設(shè)有相互配合的旋轉(zhuǎn)盤(pán)和靜止盤(pán)，旋轉(zhuǎn)盤(pán)上設(shè)有不同曲線行程的多組軌跡，靜止盤(pán)上按一定等分角度設(shè)有若干孔道，旋轉(zhuǎn)盤(pán)和靜止盤(pán)之間形成氣體動(dòng)態(tài)密封結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)盤(pán)與步進(jìn)電機(jī)相連接；當(dāng)步進(jìn)電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)盤(pán)上不同作用的軌跡對(duì)應(yīng)靜止盤(pán)上的多組孔道，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多路氣體的通、斷控制。氣體分配閥安裝于質(zhì)量流量控制器的氣路出口，單臺(tái)分配閥可連接8路蘇瑪罐，控制器可根據(jù)需求連接兩路氣體分配單元，實(shí)現(xiàn)1～16路蘇瑪罐的“順序采樣”和雙8路蘇瑪罐的“平行采樣”。

2.3 采樣控制器整體結(jié)構(gòu)

采樣控制器整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

采樣氣體由控制箱Ⅰ的氣路進(jìn)氣口流入，經(jīng)穩(wěn)流器穩(wěn)流后流入質(zhì)量流量控制器，進(jìn)行流量調(diào)控后經(jīng)氣體分配閥分配給相應(yīng)連接管上的蘇瑪罐，完成氣體采集；若連接數(shù)量無(wú)法滿足要求，可根據(jù)需求增加控制箱Ⅱ，實(shí)現(xiàn)16路蘇瑪罐的氣體采集。兩個(gè)控制箱共同由控制箱Ⅰ中的控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)控，這兩個(gè)控制箱既相互聯(lián)系又相互獨(dú)立，使系統(tǒng)具有良好的靈活性和擴(kuò)展性。

3 控制器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32F429作為控制核心，由串口通訊電路、AD轉(zhuǎn)換電路、MOSFET驅(qū)動(dòng)電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、傳感器接口電路等部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3.1 串口通訊電路

在控制器中，工業(yè)串口屏與微處理器間采用RS-232通訊方式，質(zhì)量流量控制器和用來(lái)反映步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置信息的編碼器都采用RS-485通訊方式，其原理如圖6所示。

3.2 模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換電路

氣路中的壓力傳感器用于檢測(cè)氣體采集過(guò)程中的壓力值，壓力傳感器將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)外部模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換芯片后通過(guò)串行外設(shè)接口(SPI)將壓力數(shù)據(jù)傳送給微處理器。安裝于蘇瑪罐進(jìn)氣口的壓力傳感器可直接測(cè)量其內(nèi)部的氣體采集程度。為提高采樣精度，壓力傳感器選用德州儀器生產(chǎn)的16位ADC芯片ADS1220；此芯片能夠以高達(dá)2 000 次/s采樣數(shù)據(jù)速率執(zhí)行轉(zhuǎn)換，并且能夠在單周期內(nèi)保持穩(wěn)定，可有效保證采樣精度。其電路原理圖如圖7所示。

3.3 MOSFET驅(qū)動(dòng)電路

MOSFET驅(qū)動(dòng)電路主要負(fù)責(zé)對(duì)氣路中的電磁閥和氣泵進(jìn)行控制，其原理圖如圖8所示。SN74LVC4245DB芯片負(fù)責(zé)將微處理器輸出的3.3 V電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為5 V驅(qū)動(dòng)光耦TLP521，光耦TLP521起到隔離放大作用，將放大后的信號(hào)施加到MOSFET管IRLR024N的柵極，驅(qū)動(dòng)其飽和導(dǎo)通，從而輸出24 V電源控制氣泵和電磁閥的工作。

3.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)接收微處理器發(fā)出的PMW脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度的精準(zhǔn)控制。光耦TLP521對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離放大，為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供使能和方向信號(hào)，高速光耦TLP2345為驅(qū)動(dòng)器提供PWM信號(hào)，其驅(qū)動(dòng)電路如圖9所示。

3.5 傳感器接口電路

SHT11溫濕度傳感器和MPL3115A2氣壓傳感器，可獲取氣體采集過(guò)程中的環(huán)境信息，與微處理器之間采用I2C總線進(jìn)行通訊，其接口電路如圖10所示。

4 控制器軟件設(shè)計(jì)

控制器軟件設(shè)計(jì)主要包括工業(yè)串口屏中人機(jī)交互系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和STM32F429中系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)。

4.1 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工業(yè)串口屏采用迪文科技177.8 mm智能觸摸屏，其主要交互界面如圖11所示。在觸摸屏中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)采樣控制器的控制，完成了參數(shù)配置、采樣監(jiān)控、系統(tǒng)校準(zhǔn)等功能，界面清新，操作簡(jiǎn)單。

4.2 控制系統(tǒng)工作流程

控制器軟件流程如圖12所示。

1)系統(tǒng)復(fù)位。系統(tǒng)上電后，氣路總電磁閥打開(kāi)，氣泵開(kāi)始工作，將氣路中的殘余氣體排出，防止對(duì)采樣氣體產(chǎn)生污染。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)氣體分配閥旋轉(zhuǎn)至第一通道，完成氣體分配閥復(fù)位；控制核心與各傳感器進(jìn)行通訊，檢查傳感器是否正常工作；完成系統(tǒng)時(shí)間校準(zhǔn)，等待采樣開(kāi)始。

2)采樣參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)完成復(fù)位后，對(duì)采樣參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括采樣通道選擇以及各通道的采樣流量、采樣周期、采樣時(shí)間、采樣次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3)采樣開(kāi)始。采樣參數(shù)設(shè)置完成后，可以控制系統(tǒng)開(kāi)始采樣，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)定的采樣通道和采樣參數(shù)進(jìn)行氣體采集。

4)采樣完成。蘇瑪罐內(nèi)部氣壓會(huì)隨著氣體采集量的增多而增大，可以讀取采樣器內(nèi)壓力傳感器的數(shù)值，間接看出氣體采集程度；當(dāng)罐內(nèi)壓力與采樣點(diǎn)的大氣壓力一致時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)，當(dāng)前通道采樣完成；當(dāng)控制器所連接所有蘇瑪罐都完成采樣時(shí)，系統(tǒng)工作結(jié)束。

4.3 采樣控制器運(yùn)行數(shù)據(jù)

控制器對(duì)采樣過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，為氣體采集后的數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)，表1中截取了2021-09-28 17:55—2021-09-28 18:40時(shí)間段內(nèi)的3號(hào)蘇瑪罐的采樣數(shù)據(jù)，詳細(xì)記錄了采樣過(guò)程中的工況參數(shù)與工況流量。從表1中數(shù)據(jù)可以看出，采樣控制器工作穩(wěn)定，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及時(shí)、有效。

表1 第3號(hào)蘇瑪罐的控制器采樣數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)多通道蘇瑪罐VOCs采樣控制器，詳細(xì)闡述了控制器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)流程，控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能完善，運(yùn)行穩(wěn)定，為多通道蘇瑪罐VOCs采樣控制器的設(shè)計(jì)提供了新的設(shè)計(jì)思路和有效參考。