海洋环境自动监测站试剂调配系统设计

杨洪涛

(商丘职业技术学院，河南 商丘 476000)

0引言

海洋拥有多样的生物、丰富的石油、天然气以及巨大的潮汐能源等。在对海洋进行合理开发、利用的同时，需要对海洋实施监测和保护。近岸海洋环境自动监测站是我国对近岸海洋环境监测、海洋生态保护以及海洋资源开发利用的重要工作设施，在对海洋环境、海域使用动态、海洋开发探测和海洋信息统计等方面具有重要作用[1]。

随着科技的发展进步，如今的水质监测技术也日益完善和成熟，对海洋的监测技术和手段也越来越多样化和科学化，然而相对于近岸海洋的监测最可靠和经济可行的手段还是运用近岸海洋环境自动监测系统[2]。目前的近岸海洋环境自动监测系统还存在一些问题，这些问题影响了近岸海洋环境自动监测站的工作效率和功能。例如：现有系统保持工作的周期较短[3]，且需要由人工进行海洋检测试剂的配置。因此，迫切需要开发自动化程度高、无人化运行周期长的试剂调配系统。目前国内外已经通过多种手段开展了海洋生态环境监测相关研究，如生态浮标、海洋生态传感器等[4-15]。针对现有系统的不足，拟设计一种全新的近岸海洋环境自动监测系统，以提高自动化、智能化程度。

1系统设计方案

以一种名为R3SAA的海水检验试剂为配制目标展开，对近岸海洋环境自动监测站试剂调配系统的设计方法及具体实施方案进行说明。

1.1 主要任务

主要是以一种检测试剂的配制为例，对近岸海洋环境自动监测站试剂调配系统进行设计。在对取样的海水进行初步过滤处理后，通常会对样品进行一定的处理，添加一种配制的化学试剂，使取样的海水在试剂的作用下发生某些变化，从而方便对其进行分析、测量，充分了解取样海水的水质成分。此次需要配制的反应试剂是一种名为R3SAA的目标溶液，这种溶液在海洋水质检测的过程中较为常见。配制方法如下：

1)将1.0g对氨基苯磺酰胺溶于约40mL水；

2)加入稀释后的浓硫酸，待冷却混合后定容到100mL，盛于塑料瓶中，稳定至少一个月(稀释的浓硫酸是将98%的浓硫酸7.2mL加入40mL水中)。

1.2 系统设计方案

本近岸海洋环境自动监测试剂调配系统，设计在一个密闭的恒温箱内进行，因为恒温环境能更好地保持溶液的性能及反应的良好性。在恒温箱内，设置一个试剂混匀机构，机构上可放置3个反应瓶，在反应瓶中事先放置好1.0g的氨基苯磺酰胺固体，然后运用蠕动泵设备注入等离子水40mL,等氨基苯磺酰胺固体充分溶解后，注入事先已经稀释的浓硫酸溶液(7.2mL浓硫酸溶于40mL水)60mL，定容到100mL，整个过程用混匀机构代替人手的摇匀工作，让它们充分反应后，再一次通过蠕动泵将配置好的100mL溶液从反应瓶抽出到指定的位置，如此便完成了一次完整的R3SAA溶液的配制。一次R3SAA溶液能够满足30天的工作需求；周而复始重复这个过程三次，就实现了三次溶液的配制，从而实现了90日工作周期的保持。

图1 系统示意图

如图1所示，整个系统封闭在15℃的恒温箱内，有两根管子通过保温箱接到反应瓶中，分别向反应瓶通入等离子水和浓硫酸溶液，再由另一根管子将配置好的溶液输出。具体实验流程如下：

1)将稀释的浓硫酸置于恒温箱中的浓硫酸溶液瓶中；

2)在实验室环境下分别将1g氨基苯磺酰胺放置于三个反应瓶中；

3)配制开始时，启动蠕动泵和摇匀机构；

4)现将40mL等离子水通过蠕动泵注入反应瓶中，同时使用旋转混匀仪保证固体充分溶解于液体中；

5)通过蠕动泵将60mL预先稀释过的硫酸溶液注入反应瓶中，定容到100mL，让其充分反应；

6)反应完成，并混匀后，将配好的溶液通过蠕动泵输送出保温箱；

在三个月时间里，每月配制R3溶液一次，每次由3)至6)自动操作。

1.3 系统构成

根据上述需求，设计了如图2所示的海洋环境自动监测站试剂调配系统。以PLC为控制中心，通过编程完成对混匀机构和蠕动泵的动作控制。混匀机构代替人工完成一个试剂摇匀动作；蠕动泵完成对试剂的吸取抽放动作。在摇匀机构和蠕动泵之间，以特质软管连接实现试剂流动转换。

图2 近岸海洋环境自动监站试剂调配系统

为实现将反应瓶中的固态氨基苯磺酰胺充分溶解于等离子水，并实现浓硫酸等各成分充分混匀，设计了如图3所示的旋转混匀机构。机构运用电机带动载物盒及反应瓶做单自由度的轴向往复旋转运动，实现一个类似于人手左右晃动反应瓶的动作，整个机械摇匀机构结构简单、紧凑。

图3 混匀机构

2 控制系统

控制系统包括步进电机的驱动器、PLC元件以及其他辅助元件等。

2.1 系统概述

试剂调配系统的电气系统以PLC为整个电气控制系统的核心，与摇匀机构之间连接了步进电机驱动器，可通过PLC控制摇匀机构动作；与蠕动泵之间通过RS-232/RS-485转换器，将控制程序从PLC中读取出，并进行转换，从而通过蠕动泵RS-485通信口将控制信息输入，控制蠕动泵运转；电压转换器用于将220V的交流电压转换为实验所需的24V直流电。实物图与连接图分别如图4、图5所示。

图4 系统电路实物图

图5 系统电路图

2.2 步进电机驱动器

步进电机驱动器是连接PLC与步进电机之间的桥梁，是一种能够将电脉冲信号转化为角位移信号的执行电子器件。当PLC根据程序指令发出脉冲信号时，它可把信号转换，驱动步进电机按一定的方向旋转一定的角度，PLC不断发出的脉冲信号就可以控制步进电机连续运行。因此，可通过PLC程序命令控制步进电机的角位移量，而脉冲频率用来控制步进电机的速度和角速度，从而实现调速和定位的目的。试剂调配系统选择通用步进电机驱动器，型号为日本山社步进电机驱动器MD-2422(图6)，具体性能见表1。

图6 步进电机驱动器MD24-22

2.3 PLC

西门子S7-200系列PLC是小型的可编程控制器，可用于各种场合的检测、监测和控制。该系列有4种不同的基本型号对应8种CPU供选择，同时根据输出不同又分为直流输出和继电器输出两种。由于PLC需驱动步进电机，所以选择直流输出方式，最终PLC型号为：S7-200 CN CPU224XP AC/DC/DC (6ES7 214-2BD23-0XB8)。

表1 MD-2422性能

图7 本系统使用的PLC

2.4 RS-232/RS-485转换器与电压转换器

通过计算机编程后，采用PC/PPI电缆将程序下载到PLC中。将PPI电缆的USB接口端连接到计算机的COM端口，另一端RS-485连接到PLC的CPU模块通信端口，以进行程序下载。在完成程序下载，将控制程序下载到PLC内部后，蠕动泵的控制需要通过RS-485通讯口进行控制，但是程序信号不能够直接通过RS-485读取，需要借助 RS-232/RS-485转换器(图8)，将PLC中的信号读取出来，对蠕动泵进行控制。在整个近岸海洋环境自动监测站试剂调配系统设计中，运用到的PLC、步进电机驱动器都需要提供24V的直流外部电源，因此使用电压转换器(图9)将220V交流电转换成为24V直流电，以驱动这些元件。

图8 RS-232/RS-485转换器

图9 电压转换器

3 实验与讨论

3.1 程序设定

编写的PLC程序有两个控制对象，其一是步进电机，其二是蠕动泵。步进电机的控制简单，只需从启动系统到结束一直正常运行即可，而蠕动泵的控制相对复杂。蠕动泵采用485通信接口控制其流量和运行时间，并输送定量的硫酸和等离子水到反应瓶，待摇匀机构摇匀后，抽出。控制流程如图10所示，IO口分配如表2所示。

表2 IO分配设置

图10 控制流程

3.2 参数设置

3.2.1 转速型参数设置

表3 蠕动泵转速参数

3.2.2 读取正常运行参数

E9 01 0252 4C 1D

全速状态下读取参数为

E9 01 0A 52 4C 00 00 92 5E 02 00 01 19 C3

图11 蠕动泵全速参数读取

3.2.3 读取转数及运行参数

E9 01 0244 4C 0B

全速状态下读取参数为

E9 01 06 44 00 01 02 00 0C

图12 蠕动泵转速参数读取

3.2.4 流量校准

E9 01 06 43 4C 00 01 00 A4 AD

表4 流量校正

3.2.5 电机参数设置

正转72度，反转72度，往复循环。细分为2000，减速比1:20，一个脉冲旋转0.009度，72度8000个脉冲，时间设置大于250ms，小于500ms。

3.3 实验结果

实验调试是指蠕动泵流量时间控制的调试过程。实际的实验过程中，由于软管的长度改变、液体所受到的压强、人为造成的误差等问题可能会影响到实际的测量数据，所以需要对程序经行调试，以确保整个R3SAA溶液的成分配制比例尽可能趋于精确。

3.3.1 PLC驱动前的校正测量数据

在运用PLC程序对蠕动泵驱动前，经过流量校正确保蠕动泵流量输出正常后，展开了对抽取40mL、60mL和100mL液体的测量数据。通过多次的数据测量，进一步验证了蠕动泵流量的稳定外，也确定了蠕动泵时间控制上的参考值。表5为某一次的测量数据。

表5 液体抽取数据

如表5所示，在蠕动泵流量控制为42.84mL/min__80RPM的控制条件下，管1抽取40mL液体为96.33s,管2抽取60mL液体为140.18s,管3排放100mL液体为257.29s.根据这些数据，可在PLC程序中设置定时器以控制蠕动泵抽取的液体体积。

3.3.2 PLC驱动下的流量数据及调整

在PLC程序对蠕动泵的驱动下，由于蠕动泵各管路同状态流量的缘故，增加了电磁阀对各管路控制，尽管影响很小，但对管路的长度还是产生了影响。同时在进行等离子水和硫酸溶液输入的过程中，在管路1完成40mL等离子水输入关闭电磁阀；在电磁阀2打开，通入硫酸液体时，管路1中的等离子水也会通入反应瓶；而反向派出R3SAA溶液时，蠕动泵刚反向，而管路2的硫酸液体完全注入反应瓶。所以根据以上问题对PLC定时器时间进行了调整修改。

表6 PLC定时器时间数据

4小结

以配制一种R3SAA溶液为目标，设计了一款用于近岸海洋环境自动监测站的试剂调配系统。通过机械系统设计、电气系统搭建、程序编写等，实现了自动化试剂调配操作，显著提高了我国近岸海洋环境监测的自动化程度，该系统也可以用于其他包含试剂调配作业的机电一体化装备。