大体积富集仪中压力控制系统设计

张坤武，何川先，姚子伟，丁丽

(1.大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028;2.国家海洋环境监测中心，辽宁 大连 116023)＊

0 引言

大体积富集仪用于环境监测过程中对水体中痕量有机污染物进行样品前处理，包括采样、富集、洗脱浓缩、收集等部分.基本结构如图1所示.在这个系统中，富集柱相当于是一个阻力单元，不同的吸附填料及内部填充结构造成的阻力有所不同，在其前端的采样泵需要有一定的正压力，才能使水体通过富集柱.而用于流路切换的两位三通阀有一定的工作压力，在管路压力过大时会引起自锁现象的发生.本课题设计富集系统中，在高流速富集的情况下，富集柱产生的阻力有可能超过两位三通阀的极限工作压力出现自锁，从而造成仪器不能正常运行，同时还会造成采样泵的损坏.为了使整个样品前处理过程完全达到自动化处理而无需人工操作，在富集柱后加上自动洗脱和在线浓缩装置，在线浓缩是在负压加热的条件下进行的，需要对其真空度进行控制，防止浓缩容器中的溶液出现“暴沸”现象，且达到最佳工作效率.目前加拿大AXYS公司的Infiltrex系列产品和纽约环保局TOPs平台均采用模拟压力表对流路压力进行监测［1-2］，该方法难以满足自动化处理的目的.本文针对上述问题提出以微控制器为核心，辅助模数转换器，压力传感器，数字变频器以及相应的执行器件所设计的压力控制系统较好的实现了流路压力检测和浓缩装置真空度控制.

图1 富集仪器组成框图

1 系统整体设计

1.1 压力监测源分析

大体积富集仪中有两个模块涉及到压力检测和控制，即预热装置和在线浓缩容器.预热管内设置压力传感器有两个目的，其一是为了防止预热装置内部未充满水体就启动加热体造成干烧而使设备损毁，其二是监测流路压力值，防止过压，超出两位三通阀极限耐压值，造成两位三通阀自锁现象发生，在监测到流路压力超过设定值时，切断相应的设备，属开环控制;在线浓缩容器内设置压力传感器是为了控制容器内真空度，防止某些低沸点溶剂出现“暴沸”，造成有效成分大量损失.不同萃取试剂、不同目标化合物沸点相差很大，在负压条件下很容易发生“暴沸”的现象，这在精确定量化学分析中是不允许的，但是同时需要提高工作效率，避免大量时间的耗费，浓缩速率受真空度的影响非常大.一般情况，都是让其工作在零界点，合适的温度和真空度下，维持在“暴沸”临界状态，使浓缩处于最快的浓缩速度以减少工作时间.此处需要控制浓缩容器中的真空度，属闭环控制.

1.2 系统组成

根据项目实际要求提出如图2所示系统组成，AT89S52微控制器作为控制核心，由传感器1的压力信号开环控制采样泵，陶瓷加热体以及压力平衡阀的工作状态，由传感器2的压力信号闭环控制真空泵的抽速从而控制在线浓缩容器中的真空度.微控制器通过RS485总线与上位工控机通讯，将检测到的压力数据实时传递到上位机，上位机界面实时显示当前状态，同时能够在上位机指令下工作.

图2 系统组成框图

2 系统硬件设计

2.1 数据采集与处理

2.1.1 压力传感器选型

大体积富集仪流路为正压力，最大压力值即为采样泵出口压力，设计为7 bar.正压传感器选用美国精量电子公司(Measurement Specialties)US300系列高性能传感器.US300系列超稳压力传感器采用不锈钢隔离式小型结构，具有较宽的量程范围(0～5 000 PSI各档)和多种输出信号.该传感器结合了MEAS的固态超稳定技术，可以在较宽温度范围(－40～125℃)内具有良好的稳定性.价格适中，该产品是超稳系列传感器中价格最低廉的产品.此外，该传感器还具有多种压力接口，同时还可以提供 0 ～100 mV，0.5 ～4.5 V(比例输出)、1～5 V(固定输出)和4～20 mA(环路输出)等多种输出信号.根据本文设计具体要求，选择量程为0～100 PSI，单电源DC+5 V供电，1～5 V固定输出，接口方便，便于安装［3］.

在线浓缩装置中为负压力，根据实验，工作压力范围 －0.9～ －0.2 bar，腔内温度常温至70℃，负压传感器选用瑞士富巴(HUBA)公司DB515系列传感器，该系列传感器采用陶瓷膜片技术，具有抗腐蚀，热稳定性和时间稳定性好等特点.带有0～70℃温度补偿.本文设计选择量程－1～0 bar，DC+24 V供电，0～5 V输出，采用防腐材料，抗有机溶剂，接口方便，便于安装［3］.

2.1.2 模/数转换设计

模数转换电路如图3所示，其中A/D转换器选用TI公司LTV2542芯片，它具有两通道模拟输入12位串行输出，+2.7～+5.5 V单电源供电，参考电压范围+2 V～VDD，本文使用+5V参考电源LM4040A50.外部时钟频率范围100 kHz～20 MHz，ADC 转换使用4 MHz内部时钟，转换时间3.5 μs.使用SPI接口，串行输出数据位16位，高位在前，低位在后，D15～D4为有效数据.通过维持片选信引脚低电平时间长短来重置模拟信号输入通道，一般4～7个时钟周期重置通道0，在通道0转换完成后，大于8个时钟周期，则进入通道1的转换，重置时序如图4所示.

图3 A/D转换电路图

图4 LTV2542重置时序图

2.2 PID调节器设计

PID控制算法作为一种成熟的方法，由于其技术成熟，易于被人们熟悉和掌握，不需要复杂的数学建模，且控制效果好被广泛应用于各行各业.本文所设计的在线浓缩装置腔体内真空度控制采用PID控制的方式，根据控制对象的具体特征，采用不完全微分型，其传递函数如式(1)所示［5］.

为了达到最优控制效果 KP，Ti，Td，r四个参数必须通过反复实验才能设置到合理值，根据经验一般按P、I、D的顺序进行，先将Ti和Td固定，调好KP，再加入Ti，使误差为0，再加入Td和r以减小超调和稳定时间.

2.3 主电路设计

硬件电路以ATEML公司的AT89S52单片机为控制核心，完成数据采集，DIP控制运算，增量输出，开关量输出，与上位机通讯数据通讯等任务，A/D转换采用TI公司双通道12位串行输出LTV2542芯片.对平衡阀，采样泵以及加热体启动控制均采用继电器输出.

3 系统控制软件设计

主控芯片软件部分主要完成3个工作，①采集数据，控制A/D转换器完成压力信号的采集，存入相应的变量P1，P2中;②PID控制，采用PID发算法控制与浓缩容器相连接真空泵的转速，增量输出到变频器;③数据通讯，采用中断的方式(interrupt 4)，完成与上位机的通讯，将当前压力值传送至上位机实时显示，接收来至上位机设置的压力值.

3.1 数据采集子程序

对于串行输入模数转换器，在编写程序时需注意其工作时序，LTV2542通过控制控制CS引脚低电平时间来选择模拟信号输入通道，每次转换需要先将模拟输入通道重置，从AIN0通道开始转换，在AIN0转换完成后，读取AIN0通道数据，D15～D4为有效数据，控制CS引脚低电平大于8个时钟周期以转换模拟输入通道，等待转换完成，读取AIN1通道数据，以2S为周期循环检测两点的压力值，LTV2542芯片具有低功耗自动转换功能，每次数据转换需先启动，子程序流程如图5所示.

图5 数据采集流程图

3.2 PID控制子程序

PID程序入口参数是采集到的当前值，它的各个系数经过多次试验找出最佳值，由初始化时确定，只能通过程序修改.PID增量型的出口参数直接输入到变频器数字控制端口，控制带动真空泵的交流电机转速.本设计中，当被控对象进入稳定状态后，腔体内压力变化基本保持不变，所以PID子程序不需要连续控制，只是在一个循环中调用一次，采用间断性定时循环控制.PID子程序流程图如图6所示［5-6］.

图6 PID控制子程序流程图

该PID控制算法的主要目的是消除净差和提高控制精度，系统段时间内输出偏差很大会导致控制量超出执行机构允许的最大动作范围，从而使系统出现较大的超调量甚至发生系统振荡.采用变速积分法根据系统的偏差的大小改变积分项的累积速度，对提高系统的稳定性十分有效.

3.3 数据通讯子程序

压力测控系统作为整个仪器的一个子模块，挂接在RSRS485通讯总线上，单片机数据通讯子程序是将单片机通过LTV2542采集到的两个检测点的压力值通过串口送到上位机;在操作人员做出修改后，接收修改值，更改压力设置参数，通讯子程序流程如图7所示［7-8］.

图7 数据通讯子程序流程图

4 结论

本文以AT89S52微控制器为核心，采用串行A/D转换芯片，设计出一个是集数据采集、处理、通讯为一体的压力监测控制系统，在大体积富集仪研制中得到了应用，表现出较好的效果，达到仪器设计要求.该控制系统占用空间小，全部采用贴片元件，可靠性高，满足分布式控制要求;同时采用防水设计，避免在海面现场操作时进水造成损坏，在现场试验中长时间运行稳定，未出现死机，程序跑飞等现象.

［1］Axys Technologies INC.The InfiltrexTM300 introduction［EB/OL］.［2011-03-20］.http://www.axystechnologies.com/LinkClick.aspx?fileticket=XYrXFuOywc4%3d＆tabid=132.

［2］DONLON J，LITTEN S，WALL G R.Design of the Trace Organics Platform Sampler(TOPS)［EB/OL］.［2011-03-20］.http://ny.water.usgs.gov/pubs/posters/TOPS_Design.pdf.

［3］US300 Stainless Steel Pressure Transducer［EB/OL］.［2011-03-20］.http://www.meas － spec.com/downloads/US300.pdf.

［4］These compact OEM pressure transmitters type series 515［EB/OL］.［2011-03-20］.http://www.hubacontrol.com/fileadmin/user_ upload/domain1/Produkte/EN/Datenblatt/DB515_EN.pdf.

［5］张俊才，葛洪央.基于AT89C51单片机的压力控制系统设计［J］.单片机开发与应用，2008(5):111-113.

［6］赵东亮，朱太咏，潘丹妹，等.基于 AdμC812单片机的熏洗床压力控制系统设计［J］.医疗装备，2008(11):8-10.

［7］赵建领，薛圆圆.51单片机开发与应用技术详解［M］.北京:电子工业出版社，2009:368-386.

［8］雷伏容，张小林，崔浩.51单片机常用模块设计查询手册［M］.北京:清华大学出版社，2010:449-505.