河道黑臭水體原位修復無人船控制系統(tǒng)的設(shè)計＊

吳 丹,戴有華,金文忻,陳秀珍

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 句容 212400）

1 引言

隨著城鎮(zhèn)化的推進，人們的生活水平越來越高，但是環(huán)境污染問題卻是越來越嚴重。其中，水質(zhì)的污染是一個重要的問題，由于缺乏有效治理，致使原本清澈的河水漸漸變成了黑臭水體[1]。這樣的黑臭水體除了散發(fā)出陣陣怪味、影響市容市貌以外，還嚴重影響了人們的生產(chǎn)及生活用水。因此，黑臭河道的治理已經(jīng)成為迫在眉睫的問題[2]。目前，針對黑臭河道的治理主要有物理方法、化學方法和生物方法三種。比如清淤、曝氣充氧等是物理方法，投絮凝劑和強氧化劑等是化學方法，微生物強化修復、水生植物修復等是生物方法。但是無論使用哪種方法，都需要人工進行操作，但人長時間處于黑臭河道內(nèi)會影響身體健康[3-5]。

采用無人駕駛船(無人船)替代人工進行黑臭河道的治理是大勢所趨，針對本地區(qū)黑臭河水的特點，本文的無人船在進行黑臭河道治理時采用了物理方法、化學方法和生物方法相結(jié)合的治理手段。在河道內(nèi)曝氣增氧[6]、并且根據(jù)需要自動投入微生物菌劑、碳纖維生態(tài)草，已到達無人化治理黑臭河道的目的[7-9]。

2 河道黑臭水體原位修復無人船控制系統(tǒng)概述

本文的無人船控制系統(tǒng)[10-12]主要由電源系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)、觸摸屏組成。

電源系統(tǒng)由有蓄電池、光伏板和逆變器組成，晴天時可由光伏板發(fā)電為蓄電池充電，若連續(xù)陰雨天也可由市電給蓄電池充電；若無人船在工作時，光伏板也可直接發(fā)電為無人船供電，提高無人船的續(xù)航能力。逆變器將蓄電池的直流電逆變?yōu)?20V交流電，供無人船上的交流電動機運行。

PLC控制系統(tǒng)主要由相關(guān)接觸器、熱繼電器、斷路器、按鈕、相關(guān)執(zhí)行元件和西門子S7-200 SMART 小型高性能PLC組成，控制無人船的航行和完成黑臭河道的治理工作。其中相關(guān)執(zhí)行元件的名稱和作用見表1。

表1 無人船控制系統(tǒng)主要執(zhí)行元件

觸摸屏作為人機界面，主要功能是向無人船發(fā)出指令和監(jiān)測各設(shè)備運行情況。

3 無人船控制系統(tǒng)方案設(shè)計

無人船在進行修復作業(yè)時，要求控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，修復效率高，具有手動和自動兩種模式。在手動模式下，可以自主控制無人船的速度、轉(zhuǎn)向、曝氣增氧的啟停、微生物菌劑的投放和碳纖維生態(tài)草的投放。在自動模式下，無人船能自主航行、避障、自動進行曝氣增氧、定點進行微生物菌劑和碳纖維生態(tài)草的投放。據(jù)此，總結(jié)出無人船的控制系統(tǒng)需求如下：

(1) 驅(qū)動電機速度可調(diào)，分為前進2檔和后退2檔，每檔分別用相應的按鈕開關(guān)控制；

(2) 舵機控制無人船左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)，左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)之間互鎖，防止舵機短路；

(3) 無人船在河道內(nèi)采用“S”型軌跡進行航行，盡可能全面修復河道內(nèi)的黑臭水體。見圖1。

圖1 無人船航行軌跡示意圖

(4) 船兩側(cè)的曝氣桿由電推桿推入或推出水中，曝氣桿推入到位后，由限位開關(guān)控制電推桿停止工作；

(5) 在電推桿啟動的同時需同時啟動曝氣機的電磁閥，保證曝氣桿入水時能排出氧氣，曝氣機由電磁閥控制其氧氣的排出；

(6) 需要進行微生物菌劑混合時，則啟動攪拌桶內(nèi)的攪拌電機，當攪拌充足后，開啟流量閥將液體流入河道，流量閥根據(jù)需要采用PID自動控制；當需要進行碳纖維生態(tài)草混合時，啟動碳纖維生態(tài)草撥動電機，根據(jù)需要打開電磁閥向河道內(nèi)排入碳纖維生態(tài)草；

(7) 船身四周裝有四個超聲波傳感器，當船身左側(cè)傳感器檢測到障礙物時，啟動舵機右轉(zhuǎn)，當船身前方檢測到障礙物時，啟動驅(qū)動電機的后退1檔，以此類推。

根據(jù)控制需求，整個系統(tǒng)的主控制器選擇S7-200 SMART，并且?guī)M量輸入輸出模塊，與觸摸屏MCGS 采用RS485通信?？刂葡到y(tǒng)的框架圖見圖2。

圖2 控制系統(tǒng)框架圖

4 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計

4.1 PLC硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用西門子S7-200 SMART PLC SR60作為主控制器，硬件設(shè)計考慮手動控制需求和系統(tǒng)的安全性能，為每個電機分配了各自的啟停按鈕，并安裝了急停按鈕。模擬量輸入/輸出中，COD傳感器的數(shù)值作為流量閥開度控制的依據(jù)。系統(tǒng)的I/O分配表如表2所示。

表2 I/O分配表

4.2 軟件設(shè)計

軟件采用STEP 7-Micro/WIN SMART編程軟件，是西門子公司專門為S7-200 SMART PLC設(shè)計的編程軟件。

根據(jù)控制需求，將程序分為三個部分，分別為：無人船航行控制系統(tǒng)、曝氣增氧控制系統(tǒng)、微生物菌劑和碳纖維生態(tài)草投放控制系統(tǒng)。三個部分的程序流程圖見圖3、圖4 和圖5。流程圖均表示在自動條件下運行過程，手動運行在此不詳細闡述。

圖3 無人船航行控制系統(tǒng)

圖4 曝氣增氧控制系統(tǒng)

圖5 微生物菌劑和碳纖維生態(tài)草投放控制系統(tǒng)

無人船航行控制系統(tǒng)中，當按下SB1時，驅(qū)動電機啟動，接著按下SB2，無人船以低速航行，10S后將自動轉(zhuǎn)為高速航行。在高速航行時，船身四周的超聲波傳感器實時檢測周圍有無障礙物，若有，將改變航行方向，根據(jù)需要啟動舵機進行左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。

曝氣增氧控制系統(tǒng)中，在驅(qū)動電機運行到高速檔時，同時啟動左右電推桿到達指定位置，按照無人船航行軌跡進行曝氣增氧。

微生物菌劑和碳纖維生態(tài)草投放控制系統(tǒng)中，在無人船航行時，按照航行軌跡定時定點投放微生物菌劑，當達到投放位置時，無人船停止運行，并開始投放微生物菌劑和碳纖維生態(tài)草，投放時間設(shè)置為3min，停止投放后，再按照軌跡繼續(xù)航行，如此重復10次后無人船返航充電。

4.3 微生物菌劑的流量閥PID控制

無人船在航行過程中會根據(jù)其航行軌跡實時獲取當?shù)氐乃|(zhì)情況，若水質(zhì)變化不大，營養(yǎng)成分充足的情況下可以不用頻繁的添加微生物菌劑[13-14]。但若是水質(zhì)變化較大或者不穩(wěn)定時，需要加大添加微生物菌劑的量。而且微生物的代謝產(chǎn)物有些是有毒性的，長時間積累也會抑制細菌的生長添加量也不能過大[15-16]。因此，無人船在進行微生物菌劑投放時，需要實時進行流量閥的調(diào)節(jié)。

PID是比例、積分、微分運算的簡稱，用以維持微生物菌劑投放量的穩(wěn)定。具體方法是首先利用COD傳感器測得河道內(nèi)COD 余量，再經(jīng)過換算得到目前河道內(nèi)微生物菌劑的含量。而河道內(nèi)最佳的微生物菌劑含量在3%～4%之間，本文以4%為準，主要程序如下：

微生物菌劑投放量控制初始化子程序：

微生物菌劑投放量控制中斷服務(wù)程序：

5 調(diào)試運行試驗

采用MCGS 觸摸屏人機交互界面，進行控制系統(tǒng)的調(diào)試。觸摸屏總共分為4 個界面：無人船航行控制界面、曝氣增氧控制界面、微生物菌劑和碳纖維生態(tài)草投放控制界面和數(shù)據(jù)顯示界面。分別見圖6～圖9。

圖6 無人船航行控制界面

圖7 曝氣增氧控制界面

圖8 微生物菌劑和碳纖維生態(tài)草投放控制界面

圖9 數(shù)據(jù)顯示界面

在無人船航行控制界面中，可以按下M1啟停按鈕一次，M1啟動，M1右邊的指示燈亮，代表M1的接觸器KM1運行；若船身前方右障礙物，則SQ3 指示燈會亮，以此類推。在工作過程中若遇到緊急情況，可以按下急停按鈕停止無人船的作業(yè)。

在微生物菌劑和碳纖維生態(tài)草投放控制界面中，可以實時獲得COD傳感器的數(shù)據(jù)和流量閥開度的數(shù)據(jù)。

在數(shù)據(jù)顯示界面中，可以實時查看蓄電池和光伏板電壓、電流數(shù)據(jù)。若發(fā)現(xiàn)電壓、電流較低，不能供給無人船航行所需的電量，可以提前手動操作無人船回航查找故障原因，避免無人船因不夠電量回航而停在河道中央。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種河道黑臭水體原位修復無人船控制系統(tǒng)，采用PLC作為主控制器完成無人船的自主航行、曝氣增氧、微生物菌劑和碳纖維生態(tài)草的自動投放，采用蓄電池和光伏板作為電源，MCGS觸摸屏作為人機交互界面。樣機經(jīng)過調(diào)試，表明整個控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，作業(yè)效率高，大大降低了工人工作強度。