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反冲洗过滤器

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自动反冲洗过滤站本安控制器的设计

发布时间:2017-06-23 11:51:37 4年前 热度:1246 ℃

引言

自动反冲洗过滤站是矿用乳化液泵站出口的重要设备,它对乳化液中的杂质起到过滤的作用。当反冲洗过滤站滤芯中的杂质积累到一定程度后,系统压力就会降低。如不及时进行反冲洗恢复正常压力,将会影响设备的使用功能,形成安全隐患,甚至会引发事故。

本文利用单片机作为主控制器,设计了一套自动本质安全型反冲洗过滤站控制器。系统可以通过实时监测过滤站前后的压差,实现反冲洗过程的自动化,也可以通过定时器进行定时反冲洗。整个反冲洗过程无需人工干预,反冲洗效率高,提髙了系统的安全性。

1控制器总体设计

控制器硬件部分由主控制器、传感器、人机界面、按钮、驱动电路、通讯电路、外壳等部分组成。

选用AVR高速单片机作为主控制器,处理来自传感器、按钮的信号。同时担负着驱动先导阀的动作和向上位计算机发送本机状态的任务。前后压力传感器分别安装在反冲洗过滤站的前后,用来检测前后压差,当压差到达一定值后,反冲洗过滤站进行反冲洗。

控制器上方的2个手动按钮是手动操作按钮,可以分别控制2个滤芯的反冲洗动作。手动和自动模式由切换按钮进行切换。虚线圆圈表示红色报警灯,当发生故障时指示灯亮起。

由驱动电路驱动2个先导阀,先导阀继续开启主阀进行反冲洗。反冲洗的时间和周期可以通过控制箱下面的按键进行调整。

LCD液晶屏是人机对话的窗口,通过人机界面配合按键的操作,可以实现系统参数的输入输出,如监视系统压力、压力上下限值等参数。控制系统如图所示:

lip_image003.gif

额定电压峰值/V1030

爬电距离/mm1.52.0

绝缘涂层下的爬电间距/mm0.20.2

相对泄痕指数-100

电气间隙/mm1.52.0

胶封中的间距/mm0.50.7

由于系统中电压峰值为12.5V(大于10V),因此需要参考表1中30V的规定进行设计。此外,电路设计中对关联设备(如本安电源)的选取,在满足功率要求的前提下,尽量选择负载电容和电感大一些的电源。这样在电路设计过程中,元件选取时的灵活性会高一些。

基于单片机的本安电路设计,一般选择5V/3.3V直插式单片机作为主控制器,如果选用贴片封装的单片机一定要考虑绝缘涂层下的爬电间距不小于0.2mm(见表1)及对时钟精度要求不高的情况下,可以使用内部晶振,减少整个系统的电容值。

电源部分的设计是整个系统最为关键的部分,在进行防爆检测时,很多时候都是电源部分设计不合理而导致退件。电源部分进行滤波的电容和电感,一定要根据本安电源(关联设备)的输出特性进行选取。例如设计中用到的型号为KDW0.4/127的本安电源,输出参数:{/。=12.5丫、/。=1.3A/^47jjiF、 i«F〇.lmH这就要求负载电流不能超过1.3A;负载电容不能超过47|xF;负载电感不能超过0.1mH。参考本安电源的参数,控制器电源电路在设计中采用了电容滤波,并由DC-DC模块进行电源隔离,提高了控制器电源的供电质量。电源部分本安电路如图2所示。

ip_image002.jpeg

图2控制器电源电路

图中利用LM7805进行降压,得到5V电压给传感器、开关等供电;5V电压再经过DC-DC隔离给单片机供电,保证了供电的稳定性。为了防止短路和反接,在电路中串联了自恢复保险和二极管。由于DC-DC模块输出电压纹波较大,故并联了瓷片电容进行滤波。

输人输出电路的本安设计,主要是进行光电隔离。数字量人输出的隔离采用数字光耦,而模拟量输人输出的光电隔离采用线性光耦。系统中数字量输人是面板按钮,模拟量输人是本安压力传感器。图3是数字量输人本安电路。

ip_image004.jpeg

图3数字量输入本安电路

选用进口TLP521进行光电隔离,把外部的高压信号(12V)和干扰信号隔离在单片机的外部,达到系统稳定的目的。模拟量输人的光电隔离芯片选用的是线性光耦HCNR201,外部接线参考元件手册。

数字量输出的原理与数字量输人完全一样,也使用TLP521进行光电隔离,数字量输出驱动继电器,一定要对继电器的线圈电感进行核实,并要有抑制反电动势的措施,否则防爆测试很难通过。下面对485通讯电路的本安电路设计进行说明:

由于485端口要与井上安全区设备进行通讯,为防止传输过程的强电压干扰信号和井上非本安信号进人反冲洗本安控制器。在设计时除了进行信号的光电隔离外,还要有过电压抑制措施,电路如图4所示。

4.jpeg

图4通讯接口本安电路

关键元件ADM2483是ADI推出的一款隔离型的RS485收发器,内部集成了ADI专利的磁耦隔离技术,功能上相当于集成了3个单通道的光耦和1个RS485收发器。此外,瞬态抑制二极管P6KE6.8CA也是必不可少的,它可以在瞬间吸收掉485总线上超过6.8V的正负干扰电压信号。这2个元件都与本安电路有密切关系,必须要有(或者用相同功能的元件代替)。

3控制算法和程序设计

反冲洗控制器有3种运行方式可以选择:手动、自动、定时。

切换按钮被按下时,切换到手动模式。这时2个手动按钮均可进行操作,分别反冲洗2个过滤站;切换按钮弹出时,切换到自动模式。这时系统会根据过滤站前后的压差(该压差值可以设定),进行自动反冲洗;当处于自动模式时,可以在人机界面上通过按键设置定时/压差(默认压差)模式,当处于定时模式时,每隔一定周期7X—般为24~72h)自动开启反冲洗,反冲洗的时间为S(—般为5~10s)。

自动反冲洗控制流程图如图5所示。

程序主要是对AVR单片机的编程。涉及系统配置、模拟量处理、按键处理、人机界面、看门狗等程序部分。这里仅列出主函数内的程序:

intmain()
{
uinti;
system_init();//液晶的端口的初始化
wdt_init();//看门狗初始化
eeprom_init();//把eeprom中存人的原始值读出来
init_adc();//ad的初始化
key_init();//按键的初始化
timer_init();//定时器的初始化
0011(:丨=(1<<0)丨(1<<1)丨(1«2);//置为推挽输出
LCDjnitG;//液晶的指令的初始化
write_com(0x01丨;//清屏指令
delay_ms(l);//延时必须要大于lms不然花屏
for(i=0;i<1024;i++)//读人主界面信息到RAM中
temp[i]=pgm_read_byte(&major[i]); display_graph(temp);//画出主界面 while(l)
{
deal_adc_filter();//处理ad数据 
Dtemp=mpa_dataO-mpa_data1;//两通道的差值 
handle_time();//将剩余冲洗时间进行处理 
jUdge_DPreSS();//判断压差是否大于设定值
 LvXinBaoJing();//滤芯故障闪光报警 
choose_scan();//按键的扫描 asm("wdr";);//喂狗指令
exit_scan();//退回主界面 light_screen();//检测按键按下就会点亮屏幕
check_auto_hand();//检测自动还是手动函数 if(maj_display==0)//显7K剩余时间和压差.
{一
time_display();//剩余时间显尔
display_Differ_press();//压差显不
if(hand_flag==1y/手动控制
{
TIMSK&=~((1«TOIEO)I(1«TOIE1)I (1«T0IE2));
hand_control();//手控操作
}
if(hand_flag==()y/自动控制 TIMSKI=(l«TOIE0);

5.jpeg

图5控制流程图

主程序主要包括了各类功能的子函数,结合控制流程图不难理解。

4人机界面设计

人机界面主要包括主界面、参数设置界面、报警査询界面等。

主界面要显示关键的系统信息。滤芯前后的压差和2个传感器的当前压力是关心的,反冲洗的次数也是想知道的。此外,界面上还有能够切换界面的切换按钮。根据以上分析,设计的主界面如图6

所示。

本安型反冲洗过滤站控制系统主界面
滤芯前压力:〇MPa 滤芯后压力:〇MPa
前后压力差:〇MPa
冲洗周期:Oh 冲洗时间:0s 冲洗次数:0次
|主畀面||参数设置|手动操作||报警信息|


图6主界面

主界面的数据是只读模式,要进人其他界面可以通过按键进行选择切换。在设计人机界面时需要注意最大数值显示时占据的字符空间,不要遮挡了后面的单位(如MPa)。

参数设置界面主要包括最大动作压力差、反冲洗周期、反冲洗时间等。报警界面包括单次反冲洗的具体时间、系统故障信息(如传感器断线故障)。这些界面设计过程与主界面类似。

5结语

本文对反冲洗过滤站的工作原理、控制器总体设计、本安电路设计、控制算法、程序设计、人机界面等方面进行了较为详细的分析和介绍。对所涉及的本质安全型电路的设计进行了较为深人的阐述。

设计中采用的控制方法同样也适合于安全区域的冲洗过滤站自动控制;本安电路的设计思路和过程也适合其他产品的本安电路,具有一定的通用性。


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