凈水過濾反沖洗控制系統設計

衛珊 ，李海豐 ，姚堃 ，吳斌星 ，孫學民

（1.天津商業大學信息工程學院，天津300134；2.天津超林水產養殖有限公司，天津300120）

1 引言

弧形篩作為工業化水產養殖中水凈化的必備裝置，工作時易被殘餌、微生物等污染物堵塞，導致水循環效率降低。目前解決辦法是更換弧形篩或將弧形篩從水下凈化裝置中取出，人工進行清洗作業，這種清洗方法工作煩瑣、清洗成本高、自動化程度低[1]。并且，若弧形篩更換或清理不及時，水體環境發生異常，將對魚類生命安全產生威脅，造成較大經濟損失。為保證弧形篩的正常工作，需要對其定時沖洗，由于沖洗介質的流向與過濾方向相反，因此把該沖洗過程稱為反沖洗[2]。本文設計一個可進行自動過濾反沖洗系統，可以提高水體自凈能力和水循環效率。

2 養殖魚塘水循環過程

在多層循環式養殖魚塘中，清水從進水管流入魚塘，再由出水管流出，然后經弧形篩濾除雜質后被回收利用，污物則進入集污池后經排污口排出。在此過濾過程中，水體雜質逐漸堆積，附著在弧形篩表面，引起弧形篩內外腔壓差升高，過濾阻力加大[3]，養殖池內水循環速度逐漸變慢，弧形篩堵塞到一定程度時，將開始反沖洗過程，對弧形篩進行清洗。弧形篩在魚塘系統中的位置如圖1所示。

圖1 魚塘系統中弧形篩等裝置

3 反沖洗控制系統設計

為實現弧形篩自動反沖洗的功能，采用STC89C51單片機對執行機構進行控制，且接觸器、限位開關作為自動控制元件，也對執行機構控制，執行機構通過連接機械傳動裝置和清洗裝置，完成清洗。按鍵作為人機交互接口，可控制直流無刷電機轉向、轉速，液晶屏用于顯示直流無刷電機運行狀態。

3.1 機械清洗裝置的組成

機械清洗裝置由定位滑臺、高壓水槍、潛水泵、水管相連接組成。采用滾珠絲杠及聯軸器作為傳動機構，傳動效率高，定位準確，具有很小的摩擦阻力。

滾珠絲杠上安裝有定位滑臺和高壓水槍，在絲杠的兩端分別放置限位開關A和B。限位開關作為自動控制元件，可以確定水槍的位置，從而通過控制直流無刷電機轉向，使得高壓水槍在滑臺上做往復運動來進行對紗網的沖洗，使紗網上殘留的固體污物沖到集污池里。機械裝置行程控制原理如圖2所示。

在弧形篩左側安裝一個水管，水管對著弧形篩紗網的方向開一排口來安裝水槍噴頭，其沖水方向與過水篩孔垂直，可定時形成往復沖洗，并可根據需要調節沖洗頻次。高壓水槍通過水管可連接到潛水泵。

圖2 機械裝置行程控制原理圖

3.2 反沖洗過程原理與特點

當弧形篩需要清洗時，先由按鍵1設定反沖洗時間輸入到單片機中，再按下按鍵2開始反沖洗過程，按鍵2的動作信號傳給單片機時，單片機控制直流無刷電動機起動，絲杠進行傳動，帶動滑臺和高壓水槍運動，同時打開潛水泵，潛水泵通過水管將清水輸送到高壓水槍,高壓水槍噴出高強度水流對弧形篩進行清洗。

為增強沖洗清潔程度，清洗裝置需進行往返運動對弧形篩進行反復清洗，因此采用兩個限位開關確定及限定水槍、滑臺的位置，當水槍、滑臺運動到限位開關A處，在水槍及滑臺上放置的限位壓片撞擊限位開關，開關A閉合，該動作信號傳給單片機，由單片機發送脈沖信號控制電機反轉。同理，當水槍及滑臺運動到限位開關B處，在水槍及滑臺上放置的限位壓片撞擊限位開關，開關B閉合，電機開始正轉，如此反復，由限位開關對水槍進行的往復運動實現行程控制，直至達到單片機設定的反沖洗時間，反沖洗過程結束。沖洗過程一旦開始，液晶屏可顯示直流無刷電機運行狀態，包括轉向和轉速，當沖洗結束時，液晶屏顯示關閉。

3.3 直流無刷電機驅動設計

為保證對弧形篩進行反沖洗的清潔能力，本系統應選擇較高揚程潛水泵和大功率直流無刷電機。直流電機作為執行機構，需要動力來驅動其運轉，因此在單片機和直流電機之間必須有驅動模塊進行驅動。電機驅動芯片選擇BL04，負責將單片機發給步進電機的信號功率放大，從而驅動電機工作。

4 軟件設計

基于Keil C51開發環境，采用模塊化思想進行設計，包括系統初始化和定時中斷、按鍵掃描處理、液晶顯示、直流電機控制程序。

軟件設計流程如下：

首先單片機判斷是否有按鍵按下，若是則單片機發送指令啟動直流無刷電機，同時啟動潛水泵，直流無刷電機帶動水槍運動，水槍朝向弧形篩噴水。根據限位開關動作原理，實現機械裝置的往復運動控制，直至達到設定時間，直流無刷電機停止，完成反沖洗過程。

5 結語

本系統選擇負載高壓水槍約2kg，潛水泵功率2.2～4kw、流量12～23L，直流電機57BL015，其參數為電壓24V、電流3A，電機驅動BL04，滿足大功率驅動要求。將電氣自動控制元件與機械裝置結合起來運用，實現了機電一體化，能有效提高弧形篩的清潔能力。經測試，系統協調運轉，反沖洗過程沖洗周期設計合理，有利于提高經濟效益，滿足實際工程應用要求。