基于CAN总线的污水加药控制系统设计

引言
针对以活性污泥法为基础的污水处理工艺，在处理高浓度有机物的污水过程中，混凝剂的投加是一个关键的问题，混凝剂的投加量直接影响最终的水处理效果和污水处理厂的运行成本。目前，大多数污水处理厂的混凝剂投加仍停留在凭经验，肉眼判断出水水质进行现场手动控制的方法，一般的药剂具有腐蚀性，投药间的工作环境差。因此，如何实现药剂的自动投放，减轻人工劳动强度，改善劳动环境是目前水处理行业普遍关注的问题。为此笔者开发了污水加药控制系统。
1 CAN总线介绍
为了改变操作人员的工作环境，实现加药系统的远程操作，加药控制系统采用CAN总线通信方式。CAN总线即控制器局域网，是目前国际上应用最广泛的现场总线之一，CAN总线是一种多主方式的串行通信总线设计规范，它具有高位速率，高抗电磁干扰性、低成本、极高的总线利用率，可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文，可靠的错误处理机制。最大通信速率为1Mps，最大传输距离达10km。CAN总线作为一种技术先进、可靠性高、功能完善且成本合理的远程通讯网络已被广泛应用到各个自动化控制系统中[1]。
2 基本原理
在污水处理过程中，加药反应过程是一个关键环节，由于影响加药量的因素很多，也很复杂，混凝剂的投加量不仅与处理工艺、进水浊度、pH 值、流量、水质、水温等有关，还和混凝剂种类、加药地点、混合方式、混凝剂质量浓度有关。根据污水处理的工艺要求，通过改变加药量来调整絮凝澄清效果，保证气浮机流出污水的浊度在一定范围即可保证净水效果。因此，加药量的控制非常关键，太少则混凝效果不好，水中胶体未完全絮凝。太多则发生再稳定现象，不仅出水效果差，而且浪费混凝剂。根据现场污水状况和污水处理工艺特点，污水的pH值和水温基本稳定。控制系统主要根据污水流量实现控制，以气浮机的出水浊度作为反馈修正，输出信号控制加药计量泵，实现对加药量控制。根据污水的进水量Q和单位污水需求混凝剂量K可以计算出加药量Q1，即Q1=K×Q，单位水需求混凝剂量K可根据原水的水质、药剂的浓度等因素确定。图1为加药控制系统的结构。由于计量泵加药后要经过一定时间后，才能测出污水浊度，具有很滞后性，不易实现实时控制[2]。但可以将污水的浊度数据和流量数据传给上位机进行数据分析，制定控制参数表，在线修正单位水需求混凝剂量K，保证出水浊度符合要求的范围。

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3 硬件接口设计
图2为系统的硬件结构原理图，主要包括CAN总线接口、模拟量I/O接口和数                    
字量I/O接口。
3.1 CAN总线接口
CAN总线控制器种类很多，常用的独立式CAN总线控制器有SJA1000，还有内置CAN总线控制器的微处理器。笔者采用PHILIPS公司的CAN控制器芯片SJA1000和CAN总线驱动器PCA82C250。CAN总线通信具有Basic CAN和 PeliCAN两种工作模式。SJA1000既支持CAN2.0A协议，也支持CAN2.0B协议，Basic CAN工作在CAN2.0A协议，PeliCAN工作再CAN2.0B协议。在设计中考虑到通信节点不多，故采用了Basic CAN工作模式。设置CAN总线通信波特率为200KB/S。CAN总线的驱动器采用PCA82C250，它是协议控制器和物理传输线路之间的接口芯片，此器件对总线上的数据提供差动发送能力，对CAN控制器提供差动接收能力。在控制器和收发器之间采用高速光电耦合器6N137，提高了系统的抗干扰性能和安全性能。微处理器采用AT89C52，内部具有8K的Flash Rom，满足了程序设计要求，无需外扩程序存储器。为确保系统工作可靠，外加一片看门狗芯片X5045来防止程序“跑飞”和存储一些系统参数。
3.2数据I/O接口
1 模拟量I/O电路
模拟量接口采用芯片TLC2543，TLC2543是TI公司的具有11个通道的12位开关电容逐次逼近串行A/D转换器，采样率为66kbit/s，采样和保持由片内采样保持电路自动完成。此多通道、小体积的TLC2543器件节省接口资源，成本低，特别适用于单片机数据采集系统的开发。由于多数的现场传感器输出是4～20mA电流信号，故系统采用Burr Brown公司的RCV420芯片进行I/V转换，RCV420是一种精密的电流/电压转换器，可靠性高，成本低，可将4～20mA的环路电流变换成0～5V的电压输出，直接输入到AD转换芯片TLC2543的相应通道即可。RCV420详细工作原理见参考文献[3]。
模拟量输出采用MAX5102，它是MAXIX公司生产的高性能并行8位D/A转换器，具有双通道电压输出，两个通道共用一个基准电压，具有独立的片内锁存器，数据通过公共的8位输入口送到相应的数据寄存器，WR作为片选置低电平时，由控制端A0选择通道输出，每个通道的输出电压信号Vout=Vref×CODE/256。公式中，Vref为基准电压输入，CODE为输入的数字量，其范围为0-255。

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模拟量输出用于控制计量泵输出流量，笔者采用的计量泵的输入控制信号是4～20mA电流。因此，需要将模拟器件输出的电压信号转换成4～20mA电流信号，故采用AD公司的电流变换器AD694。AD694是标准单路输入V/I转换芯片，供电电压为+4.5V～+36V，可为现场执行机构提供符合工业标准的4～20mA电流环路输出。输入电压信号范围根据对应管脚连接不同为0～2V或0～10V。AD694具有2V和10V的内部基准电压，可向MAX1502转换器提供2V的基准电压Vref，AD694的详细原理见参考文献[4]。通过AD694将D/A转换器的0～2V电压信号转换为4～20mA电流信号，提供计量泵输入信号。
2 数字量I/O电路
数字量输入接口电路主要检测加药箱的液位信号，电路采用光电隔离器件4N25进行隔离，通过单片机的P1口采集液位开关信号。数字量输出接口电路主要用来驱动指示灯、交流接触器和其他电气设备，输出信号用74HC573进行数据锁存，为提高输出电路的驱动能力，采用了达林顿驱动芯片ULN2004，输入和输出电路均采用直流12V供电。
4 软件结构设计
控制系统的软件设计包括CAN总线通信程序，加药量控制程序和数字量控制程序。图3为系统的软件流程和中断处理流程。在系统运行前要对系统进行初始化，包括CAN 总线初始化，设置通信参数，加药量表格参数初始化。
4.1 CAN总线通信程序
CAN总线通信的接收数据和发送数据的通信方式均采用中断方式，主要程序包括，1、CAN总线初始化子程序。包括中断使能设置、波特率设置、节点号设置和模式设置等。2、中断接收子程序。3、定时中断发送子程序。4、错误处理程序。具体的功能是将下位机采集到的流量和浊度数据传给上位机软件供上位机查询和分析，同时接收上位机发送的控制命令和参数。
4.2 加药量控制程序
加药量控制程序主要包括A/D转换子程序，数字滤波子程序，查表计算子程序， D/A转换子程序。根据实际污水处理工艺要求，流量信号与加药量信号基本呈线性关系，易于实现自动控制。操作人员要根据污水进水流量、出水的浊度和操作经验制定控制参数表格，在线修改线性比例，即单位污水需求混凝剂量K，这个参数由上位机监控软件设定，通过CAN总线传给控制系统，实现在线参数修改。  

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4.3 数字量控制程序
数字量输出程序用于控制现场设备的启动和停止。数字量的输入程序用于检测加药箱的液位高低。当加药箱液位处于高位时，配药过程自动停止。当加药箱液位处于低位时，自动启动配药过程，即启动配药设备（电磁阀和螺杆泵），同时开启搅拌器，充分保证混凝剂的稀释和熟化。在系统运行前，要通过设置设备的流量保证配制溶液浓度不变。
5 结束语
在实践运行中表明，将先进的CAN总线技术应用于污水处理加药控制系统中，提高了污水处理效果和运行经济性。由于自主开发了符合标准的基于单片机的智能控制节点，节约了大量的资金投入，改变了传统污水处理控制中的时间控制模式为先进的网络控制方式，这就使得系统在现场维护、运行监控、管理、故障诊断及处理等方面都取得巨大的进步。CAN总线在污水处理控制领域的应用前景非常广阔。