基于arm的电化学水处理器控制系统设计论文

来源：江阴职业技术学院更新时间：2021-12-01

摘要：工业循环水的除垢、杀菌一直是钢铁、电力、化工等工业领域的重要研究课题，本项目综合采用自动化控制技术和工业物联网技术，研发了一种能够通过在循环水水中施加低压脉冲电场，完成杀菌阻垢任务的水处理器，并能对水处理器运行状况进行实时在线检测、调控的自动化控制系统软件。

1、引言

电力、钢铁、化工等部门大多使用以水为介质的热交换系统。其中配套的输送管道、泵、阀等设备内结垢现象出现的十分普遍。结垢严重会导致锅炉及其配套设备浪费大量能源，更严重的会引起锅炉鼓包、爆管等严重后果。另外，水中含有的细菌，也会造成设备生锈，给设备长期运行带来安全影响，为了有效对工业用水进行杀菌阻垢，传统做法是添加水质稳定剂，通过添加水质稳定剂的办法，的确能够改善工业用水在用水设备的各个节点结垢，也能够在一定程度上改善水的相关指标，但添加稳定剂不仅成本较高，而且含添加剂的工业用水的排放及泄漏会对周围环境造成二次污染。

为了克服添加化学药剂存在的种种缺陷，近年来，经过不断的探索和实践，通过物理法处理循环水结垢和腐蚀问题，得到了大量的应用，常用的物理除垢方法主要有：磁场处理法[1]、高压静电处理法[2]等。微电解处理法[3]在国内外也逐渐兴起，通过在工业用水中施加低压脉冲电场，使得水在低压电场的直接作用下，发生电化学变化，在电极区周边会产生大量的碳酸钙微晶核，由于这些微晶核具有防止新垢结在管壁及换热面上的功能，从而达到有效阻垢的目的，进一步，电场中的脉冲能够使得微晶核聚集形成松散的针状文石，沉淀在处理器底部，定期排出这些沉淀物，这相当与把水中的钙镁离子含量降低，从而有效降低水质硬度。另外，当水中电压超过1100mv时能够击穿其中的微生物的外壳，达到消杀微生物的效果。

本文结合一种基于电化学理论进行杀菌阻垢的水处理器，依据其工作流程，从设备运行安全保护，设备正常工作时各执行元件的动作流程，设备运行参数的采集、输出、显示等有关角度出发，以Arm处理器为现场控制器，开发了与之配套的控制软件。

2、电化学水处理器控制系统功能结构

本项目采用自行研发的脉冲发生器，通过采集在线电导率、综合合水质监测器、电压电流等传感器的相关参数，对目标水质进行监测，采用增量式PID算法，对设备脉冲频率，占空比，电流等参数进行动态调节从而形成一套闭环水质处理参数调控系统。

电化学水处理系统主要包括6个子系统，分别为进水控制子系统、低压供电子系统、设备保护子系统、远程通信子系统、叠加脉冲子系统、排污子系统。各子系统相互之间的关系如下图1-1所示：

阀门控制可以通过控制进水子系统来完成。要求通过点击阀门开启按钮可以自动开启阀门。打开到位后，自动跳闸，切断电源。点击阀门关闭按钮，阀门可以自动关闭。关闭到位后，自动跳闸，切断电源。

水或环境温度的变化可通过低压供电系统和设备保护子系统进行检测，并通过远程通信子系统实时显示在触摸屏上。

设备保护子系统主要解决运行环境的不确定性。当温度低于设定值时，阀门将自动关闭。当温度高于设定值时，阀门将自动打开。当温度保持在设定值内时，阀门将保持正常工作状态。温度上限报警和下限报警信息应能通过DTU同步到远程服务器，服务器应将状态提交给相关用户。

通过远程通信子系统，远程服务器可以发送控制命令来打开和关闭阀门。当本地控制器收到操作阀门的命令时，应将响应信息返回给服务器。阀门打开或关闭到位后，可在触摸屏上显示状态。远程监控端还提供监控范围内的设备运行历史查询统计、报表分析、打印等功能。

叠加脉冲子系统主要通过设备的本地人机交互界面或远程通信模块进行手动调整，主要调整脉冲频率和占空比参数。为了使子系统同时接受本地和远程调节，子系统作为设备主控制器的485子系统连接到设备主控制器，调节命令由主设备通过485接口传送到子系统。

排污子系统主要定期将电化学水处理器处理水体中的结垢物质和其他杂质后形成的污物从水垢收集桶中排出。由于污垢的累积速率取决于水质和处理时间，因此污垢的累积速率决定了排污子系统的作用周期。排污时间应根据用户节水要求、电化学水处理器内的水压和电化学水处理器的反应器电流量确定。

3、电化学水处理器控制系统功能实现

本项目硬件部分采用stm32f407工业控制器作为设备本地控制器，本地人机交互设备采用昆仑通态TCP-1061hn触摸屏，远程通信设备采用周立功工业DTU。

本地控制软件以嵌入式实时操作系统为基础，设计了与之对应的系统任务实现相关功能：

osTaskRemoteInteract远程交互任务

osTaskScreenInteract触屏交互任务

osTaskPumpCtrl进水控制任务

osTaskPowPulseCtrl供电控制任务

osTaskPullDirtyCtrl排污任务

osTaskDeviceProtect设备保护任务

远程交互任务主要负责解析DTU接收到的远程服务器发来的命令，即上行命令和下行命令，上行命令主要是指服务器的查询命令。

在设备窗口中添加“通用串口父设备”，随后添加子设备，选择“莫迪康ModbusRTU”，双击该子设备，进入“子设备”配置界面，对设备属性值进行配置。

最小采集周期一般选择100ms~5000ms之间的，周期主要指触屏向下位机请求或设置数据的周期，设置值要根据下位机处理能力、待处理任务特点及下位机代码响应机制进行确定。

设备地址，主要用于下位机身份确认，一般用于单台触摸屏与多个控制器进行通信的情况。

功能码，设备通道和连接变量主要指触摸屏从下位机申请数据（读取请求）或设置数据（写入请求）时涉及的变量和寄存器起始地址。这里描述的变量是指触摸屏实时数据库中定义的变量，用户可以通过脚本程序更改或显示这些变量的值。寄存器是指在下位机中接收写数据或提供读数据的单元。它可以在下位机中随机定义，也可以根据需要定义为具有连续地址的数组。响应读写命令时，请注意顺序。

设备通道及连接变量一经配置完毕并启用后，触屏将按照规定采集周期，遵循modbus协议向下位机发送读写码。

表一、触屏modbus请求码表

从左到右依次为：设备地址、功能码、寄存器地址高8位、寄存器地址低8位、寄存器数量高8位、寄存器数量低8位、CRC校验高8位、CRC校验低8位。

如果触摸屏成功向下位机发送modbus命令码（按钮点击成功），下位机设一个数组usart_rx_buf接受这段命令码。

比如昆仑通态触摸屏的排水阀设备运行状态思路如下：在main.c中设置一个every_device_stutas的宏定义。every_device_stutas是一个32位无符号整形数据。状态如下表：

下位机将数据发给触摸屏，触摸屏收取数据并发送给实时数据库DV0进行判断,从而改变触摸屏显示状态。

阀门正转：闭合D01，使得图3-2的继电器1两个管脚上拉，继电器1的9号通道和5号通道相连，继电器2的8号通道和12号通道相连；形成回路，使的+24v电源供给排水阀的管脚1，com口配给管脚2，使得排污阀正转。

阀门反转：闭合D02，使得图3-2的继电器1的8号通道和12号通道相连，继电器2的9号通道和5号通道相连，形成回路，使的+24v电源供给排水阀的管脚2，com口配给管脚1，使得排污阀反转。

以下为DO1闭合的modbus命令码：

modbus_DO_Set[0]=0x1;

modbus_DO_Set[1]=0x5;

modbus_DO_Set[2]=0x0;

modbus_DO_Set[3]=0x0;

modbus_DO_Set[4]=0xFF;

modbus_DO_Set[5]=0x0;

modbus_DO_Set[6]=0x8C;

modbus_DO_Set[7]=0x3A;

以下为DO1断开的modbus命令码：

modbus_DO_Clr[0]=0x1;

modbus_DO_Clr[1]=0x5;

modbus_DO_Clr[2]=0x0;

modbus_DO_Clr[3]=0x0;

modbus_DO_Clr[4]=0x0;

modbus_DO_Clr[5]=0x0;

modbus_DO_Clr[6]=0xCD;

modbus_DO_Clr[7]=0xCA;

将modbus_DO_Sethe和modbus_DO_Clr

分装到modbus_send_command这个函数中，通过这个函数将DO1断开和闭合的命令码通过485接口发送给508N，508N上对应的DO口控制与排水阀相关的继电器的断开和闭合，进而控制排水阀的正转和反转。

图一、控制水阀开关的命令码

排水阀的5号和6号管脚若闭合，证明排水阀开到位和关到位，将排水阀的5号管脚和6号管脚接到508N的DI1和DI2上，若DI1亮，则表示排水阀开到位，若DI2亮，则表示排水阀关到位，然后将生成的modbus命令码发送给控制器，由控制器的modbus_rev_buf这个数据接收，若modbus_rev_buf[5]=01,则表示排水阀开到位或关到位。再将modbus_rev_buf里面的命令码发送给usart_send_buf，通过modbus_send_command发送给触摸屏。

图二、MCGS触摸屏接受到下位机传过来的数据时做出水阀当前状态的判断