净水过滤反冲洗控制系统设计

卫珊 李海丰 姚堃 吴斌星 孙学民

【摘 要】论文设计一个过滤反冲洗控制系统，对净水弧形筛进行自动清洗。系统采用单片机作为控制核心，选择接触器、限位开关作为控制元件，由软硬件两部分来实现。论文介绍了反冲洗过程、机械清洗装置及电机驱动部分，由潜水泵对清洗装置输送清水、由执行机构大功率直流无刷电机带动清洗装置完成冲洗任务。经测试，本系统实现了弧形筛的自动清洗，解决了过滤中弧形筛堵塞问题，可提高工业化水产养殖的经济效益。

【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.

【关键词】反冲洗；弧形筛；STC89C51；直流电机

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

【中图分类号】TU991.24 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2018）08-0136-02

1 引言

弧形筛作为工业化水产养殖中水净化的必备装置，工作时易被残饵、微生物等污染物堵塞，导致水循环效率降低。目前解决办法是更换弧形筛或将弧形筛从水下净化装置中取出，人工进行清洗作业，这种清洗方法工作烦琐、清洗成本高、自动化程度低[1]。并且，若弧形筛更换或清理不及时，水体环境发生异常，将对鱼类生命安全产生威胁，造成较大经济损失。为保证弧形筛的正常工作，需要对其定时冲洗，由于冲洗介质的流向与过滤方向相反，因此把该冲洗过程称为反冲洗[2]。本文设计一个可进行自动过滤反冲洗系统，可以提高水体自净能力和水循环效率。

2 养殖鱼塘水循环过程

在多层循环式养殖鱼塘中，清水从进水管流入鱼塘，再由出水管流出，然后经弧形筛滤除杂质后被回收利用，污物则进入集污池后经排污口排出。在此过滤过程中，水体杂质逐渐堆积，附着在弧形筛表面，引起弧形筛内外腔压差升高，过滤阻力加大[3]，养殖池内水循环速度逐渐变慢，弧形筛堵塞到一定程度时，将开始反冲洗过程，对弧形筛进行清洗。弧形筛在鱼塘系统中的位置如图1所示。

3 反冲洗控制系统设计

为实现弧形筛自动反冲洗的功能，采用STC89C51单片机对执行机构进行控制，且接触器、限位开关作为自动控制元件，也对执行机构控制，执行机构通过连接机械传动装置和清洗装置，完成清洗。按键作为人机交互接口，可控制直流无刷电机转向、转速，液晶屏用于显示直流无刷电机运行状态。

3.1 机械清洗装置的组成

机械清洗装置由定位滑台、高压水枪、潜水泵、水管相連接组成。采用滚珠丝杠及联轴器作为传动机构，传动效率高，定位准确，具有很小的摩擦阻力。

滚珠丝杠上安装有定位滑台和高压水枪，在丝杠的两端分别放置限位开关A和B。限位开关作为自动控制元件，可以确定水枪的位置，从而通过控制直流无刷电机转向，使得高压水枪在滑台上做往复运动来进行对纱网的冲洗，使纱网上残留的固体污物冲到集污池里。机械装置行程控制原理如图2所示。

在弧形筛左侧安装一个水管，水管对着弧形筛纱网的方向开一排口来安装水枪喷头，其冲水方向与过水筛孔垂直，可定时形成往复冲洗，并可根据需要调节冲洗频次。高压水枪通过水管可连接到潜水泵。

3.2 反冲洗过程原理与特点

当弧形筛需要清洗时，先由按键1设定反冲洗时间输入到单片机中，再按下按键2开始反冲洗过程，按键2的动作信号传给单片机时，单片机控制直流无刷电动机起动，丝杠进行传动，带动滑台和高压水枪运动，同时打开潜水泵，潜水泵通过水管将清水输送到高压水枪， 高压水枪喷出高强度水流对弧形筛进行清洗。

为增强冲洗清洁程度，清洗装置需进行往返运动对弧形筛进行反复清洗，因此采用两个限位开关确定及限定水枪、滑台的位置，当水枪、滑台运动到限位开关A处，在水枪及滑台上放置的限位压片撞击限位开关，开关A闭合，该动作信号传给单片机，由单片机发送脉冲信号控制电机反转。同理，当水枪及滑台运动到限位开关B处，在水枪及滑台上放置的限位压片撞击限位开关，开关B闭合，电机开始正转，如此反复，由限位开关对水枪进行的往复运动实现行程控制，直至达到单片机设定的反冲洗时间，反冲洗过程结束。冲洗过程一旦开始，液晶屏可显示直流无刷电机运行状态，包括转向和转速，当冲洗结束时，液晶屏显示关闭。

3.3 直流无刷电机驱动设计

为保证对弧形筛进行反冲洗的清洁能力，本系统应选择较高扬程潜水泵和大功率直流无刷电机。直流电机作为执行机构，需要动力来驱动其运转，因此在单片机和直流电机之间必须有驱动模块进行驱动。电机驱动芯片选择BL04，负责将单片机发给步进电机的信号功率放大，从而驱动电机工作。

4 软件设计

基于Keil C51开发环境，采用模块化思想进行设计，包括系统初始化和定时中断、按键扫描处理、液晶显示、直流电机控制程序。

软件设计流程如下：

首先单片机判断是否有按键按下，若是则单片机发送指令启动直流无刷电机，同时启动潜水泵，直流无刷电机带动水枪运动，水枪朝向弧形筛喷水。根据限位开关动作原理，实现机械装置的往复运动控制，直至达到设定时间，直流无刷电机停止，完成反冲洗过程。

5 结语

本系统选择负载高压水枪约2kg，潜水泵功率2.2～4kw、流量12～23L，直流电机57BL015，其参数为电压24V、电流3A，电机驱动BL04，满足大功率驱动要求。将电气自动控制元件与机械装置结合起来运用，实现了机电一体化，能有效提高弧形筛的清洁能力。经测试，系统协调运转，反冲洗过程冲洗周期设计合理，有利于提高经济效益，满足实际工程应用要求。

【参考文献】

【1】王文宾，李志峰.通风管中弧形筛自动清洗装置的设计与研制[J].煤矿机械，2016，37（3）：38-40.

【2】李展峰，邹振裕.水厂滤池自动反冲洗控制系统[J].电气应用，2008（8）：61-63.

【3】张德友，陈道林，卓培忠.新型自动反冲洗过滤机的开发与应用[J].过滤与分离，2002（1）：21-23.