凈水過濾反沖洗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衛(wèi)珊 李海豐 姚堃 吳斌星 孫學(xué)民

【摘 要】論文設(shè)計(jì)一個(gè)過濾反沖洗控制系統(tǒng)，對(duì)凈水弧形篩進(jìn)行自動(dòng)清洗。系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制核心，選擇接觸器、限位開關(guān)作為控制元件，由軟硬件兩部分來實(shí)現(xiàn)。論文介紹了反沖洗過程、機(jī)械清洗裝置及電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，由潛水泵對(duì)清洗裝置輸送清水、由執(zhí)行機(jī)構(gòu)大功率直流無刷電機(jī)帶動(dòng)清洗裝置完成沖洗任務(wù)。經(jīng)測(cè)試，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了弧形篩的自動(dòng)清洗，解決了過濾中弧形篩堵塞問題，可提高工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖的經(jīng)濟(jì)效益。

【Abstract】 The paper designs a control system of the water purification filter backwashing for the automatic cleaning of the water purification arc screen. The system uses the single chip microcomputer as the control core， selects contactor and limit switch as control elements， and it is realized by two parts of hardware and software. The paper introduces the backwashing process， the mechanical cleaning device and the motor driving part， the submersible pump conveys water to the cleaning device， and the cleaning device is driven by the executive power DC brushless motor to complete the washing task. After testing， the system realizes the automatic cleaning of the arc screen， solves the blockage problem of the arc sieve in the filtration， and improves the economic benefits of the industrialized aquaculture.

【關(guān)鍵詞】反沖洗；弧形篩；STC89C51；直流電機(jī)

【Keywords】backwashing； arc screen； STC89C51； DC motor

【中圖分類號(hào)】TU991.24 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-1069（2018）08-0136-02

1 引言

弧形篩作為工業(yè)化水產(chǎn)養(yǎng)殖中水凈化的必備裝置，工作時(shí)易被殘餌、微生物等污染物堵塞，導(dǎo)致水循環(huán)效率降低。目前解決辦法是更換弧形篩或?qū)⒒⌒魏Y從水下凈化裝置中取出，人工進(jìn)行清洗作業(yè)，這種清洗方法工作煩瑣、清洗成本高、自動(dòng)化程度低[1]。并且，若弧形篩更換或清理不及時(shí)，水體環(huán)境發(fā)生異常，將對(duì)魚類生命安全產(chǎn)生威脅，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。為保證弧形篩的正常工作，需要對(duì)其定時(shí)沖洗，由于沖洗介質(zhì)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(shè)計(jì)一個(gè)可進(jìn)行自動(dòng)過濾反沖洗系統(tǒng)，可以提高水體自凈能力和水循環(huán)效率。

2 養(yǎng)殖魚塘水循環(huán)過程

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

3 反沖洗控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)弧形篩自動(dòng)反沖洗的功能，采用STC89C51單片機(jī)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，且接觸器、限位開關(guān)作為自動(dòng)控制元件，也對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過連接機(jī)械傳動(dòng)裝置和清洗裝置，完成清洗。按鍵作為人機(jī)交互接口，可控制直流無刷電機(jī)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速，液晶屏用于顯示直流無刷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。

3.1 機(jī)械清洗裝置的組成

機(jī)械清洗裝置由定位滑臺(tái)、高壓水槍、潛水泵、水管相連接組成。采用滾珠絲杠及聯(lián)軸器作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，傳動(dòng)效率高，定位準(zhǔn)確，具有很小的摩擦阻力。

滾珠絲杠上安裝有定位滑臺(tái)和高壓水槍，在絲杠的兩端分別放置限位開關(guān)A和B。限位開關(guān)作為自動(dòng)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(jī)轉(zhuǎn)向，使得高壓水槍在滑臺(tái)上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)來進(jìn)行對(duì)紗網(wǎng)的沖洗，使紗網(wǎng)上殘留的固體污物沖到集污池里。機(jī)械裝置行程控制原理如圖2所示。

在弧形篩左側(cè)安裝一個(gè)水管，水管對(duì)著弧形篩紗網(wǎng)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(shí)形成往復(fù)沖洗，并可根據(jù)需要調(diào)節(jié)沖洗頻次。高壓水槍通過水管可連接到潛水泵。

3.2 反沖洗過程原理與特點(diǎn)

當(dāng)弧形篩需要清洗時(shí)，先由按鍵1設(shè)定反沖洗時(shí)間輸入到單片機(jī)中，再按下按鍵2開始反沖洗過程，按鍵2的動(dòng)作信號(hào)傳給單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)控制直流無刷電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，帶動(dòng)滑臺(tái)和高壓水槍運(yùn)動(dòng)，同時(shí)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(qiáng)度水流對(duì)弧形篩進(jìn)行清洗。

為增強(qiáng)沖洗清潔程度，清洗裝置需進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)對(duì)弧形篩進(jìn)行反復(fù)清洗，因此采用兩個(gè)限位開關(guān)確定及限定水槍、滑臺(tái)的位置，當(dāng)水槍、滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)到限位開關(guān)A處，在水槍及滑臺(tái)上放置的限位壓片撞擊限位開關(guān)，開關(guān)A閉合，該動(dòng)作信號(hào)傳給單片機(jī)，由單片機(jī)發(fā)送脈沖信號(hào)控制電機(jī)反轉(zhuǎn)。同理，當(dāng)水槍及滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)到限位開關(guān)B處，在水槍及滑臺(tái)上放置的限位壓片撞擊限位開關(guān)，開關(guān)B閉合，電機(jī)開始正轉(zhuǎn)，如此反復(fù)，由限位開關(guān)對(duì)水槍進(jìn)行的往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)行程控制，直至達(dá)到單片機(jī)設(shè)定的反沖洗時(shí)間，反沖洗過程結(jié)束。沖洗過程一旦開始，液晶屏可顯示直流無刷電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，包括轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，當(dāng)沖洗結(jié)束時(shí)，液晶屏顯示關(guān)閉。

3.3 直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

為保證對(duì)弧形篩進(jìn)行反沖洗的清潔能力，本系統(tǒng)應(yīng)選擇較高揚(yáng)程潛水泵和大功率直流無刷電機(jī)。直流電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要?jiǎng)恿眚?qū)動(dòng)其運(yùn)轉(zhuǎn)，因此在單片機(jī)和直流電機(jī)之間必須有驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇BL04，負(fù)責(zé)將單片機(jī)發(fā)給步進(jìn)電機(jī)的信號(hào)功率放大，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作。

4 軟件設(shè)計(jì)

基于Keil C51開發(fā)環(huán)境，采用模塊化思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)初始化和定時(shí)中斷、按鍵掃描處理、液晶顯示、直流電機(jī)控制程序。

軟件設(shè)計(jì)流程如下：

首先單片機(jī)判斷是否有按鍵按下，若是則單片機(jī)發(fā)送指令啟動(dòng)直流無刷電機(jī)，同時(shí)啟動(dòng)潛水泵，直流無刷電機(jī)帶動(dòng)水槍運(yùn)動(dòng)，水槍朝向弧形篩噴水。根據(jù)限位開關(guān)動(dòng)作原理，實(shí)現(xiàn)機(jī)械裝置的往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制，直至達(dá)到設(shè)定時(shí)間，直流無刷電機(jī)停止，完成反沖洗過程。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)選擇負(fù)載高壓水槍約2kg，潛水泵功率2.2～4kw、流量12～23L，直流電機(jī)57BL015，其參數(shù)為電壓24V、電流3A，電機(jī)驅(qū)動(dòng)BL04，滿足大功率驅(qū)動(dòng)要求。將電氣自動(dòng)控制元件與機(jī)械裝置結(jié)合起來運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化，能有效提高弧形篩的清潔能力。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，反沖洗過程沖洗周期設(shè)計(jì)合理，有利于提高經(jīng)濟(jì)效益，滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求。

【參考文獻(xiàn)】

【1】王文賓，李志峰.通風(fēng)管中弧形篩自動(dòng)清洗裝置的設(shè)計(jì)與研制[J].煤礦機(jī)械，2016，37（3）：38-40.

【2】李展峰，鄒振裕.水廠濾池自動(dòng)反沖洗控制系統(tǒng)[J].電氣應(yīng)用，2008（8）：61-63.

【3】張德友，陳道林，卓培忠.新型自動(dòng)反沖洗過濾機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用[J].過濾與分離，2002（1）：21-23.