酸性氧化电位水生成器自动控制系统的设计

朱燕丛++孙大鹏++李亚杏

摘要：酸性氧化电位水不仅具有良好的杀灭病原微生物的作用，还具有对机体和组织无刺激性、无残留性酸性、富含游离氧、对创面有轻度的麻醉作用等优点。文章的研究目的是设计出一种以欧姆龙PLC为核心的高效连续的酸性氧化电位水生成器控制系统，并运用PID进行自动调节，实现酸性氧化电位水控制系统的自动化

制水。

关键词：PLC；PID；酸性氧化电位水生成器；自动控制系统；自动化制水

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）19-0017-02

酸性氧化电位水（E1ectrolyzed Oxidizing Water，E0W）是将加入低浓度食盐（0.1%以下）的自来水在生成器的电解槽中进行电解、在阳极一侧生成的电位水。它是一种无色、透明、无刺激性异味的液体，pH值为2.3～2.7，溶解氯浓度仅为50～70ppm，氧化还原电位（ORP）为+1100mV，接触空气、光线、有机物，可逐渐还原成普通水。它不仅具有良好的杀灭病原微生物的作用，还具有对机体和组织无刺激性、无残留性酸性、富含游离氧、对创面有轻度的麻醉作用等优点。氧化电位水及其电解仪于20世纪80年代在日本研制成功，后被广泛应用到医学领域，用于医院消毒以及一些感染性疾病的预防与治疗。本文根据公司要求，采用了欧姆龙的CP1H可编程控制器，设计了酸性氧化电位水生成器的控制系统，包括硬件接线、I/O地址分配和程序设计，其中采用的PID调节实现了制水的全自动化。

1 酸性氧化电位水生成器的硬件设计

酸性氧化电位水生成器是根据酸性氧化电位水的制备原理设计的，整个生成器由四部分组成。进软水部分：由于各个国家和不同地区的水的硬度不同，在电解过程中会影响酸性氧化电位水的质量，减少电极寿命，影响消毒效果。所以在自来水超过硬度50mg/L时应在自来水与酸性氧化电位水之间加一个软水处理装置，以保证酸性氧化电位水的质量和消毒质量。混合盐水部分：为了达到电解槽制备酸性氧化电位水的所需的盐水浓度和盐水的量，在混合盐水阶段需要用PLC的PID调节控制软水泵和盐泵的转速，以便控制软水的流量与盐水流量，保证所需的盐水的浓度和量合格。电解盐水部分：为了使电解槽使用寿命延长，在电解盐水时每过一段时间进行电解槽的换向电解。在换向时为保证酸性氧化电位水的质量，必须进行电解槽的清洗。出酸水部分：为了实现在酸水箱的水位在酸水下位开关以上时，打开酸水龙头就能出水，设计了在酸水龙头打开时，酸水箱中的水流出冲开流量开关，触发PLC控制酸水泵运转使酸性氧化电位水可以从酸水的水龙头流出。

所有过程的设计都是为了酸性氧化电位水符合ORP大于1100mV，pH值为2.0～3.0，有效氯含量为50～70mg/L，残留氯离子<1000mg/L。每分钟进水4L，酸水出2L的要求。根据要求设计出如下水路图1。根据水路图1设计出如下供电电路图2。

2 控制系统的组成方案

2.1 控制系统的硬件组成方案

根据实际生产要求，确定使用欧姆龙公司型号为CP1H的PLC为控制器。本系统是一个小型集中控制系统，PLC选型主要取决于控制系统输入、输出开关信号的数量、模拟量的输出等。根据此控制系统要求I/0点数在30左右，并且考虑到系统需要3个模拟量的输入输出扩展，我们选择了性能价格比比较高的欧姆龙CP1H系列机型，其输入点为24点，输出点16点，并且内置模拟量，4个输入2个输出，精度可达到1/12000。根据设计要求完成了完成PLC的硬件接线如图3。其中，由于CP1H基本模块中只有2个D/A转换，而实际工作中需要3个D/A转换，因此，在基本模块上还需要扩展模块，在此，我们选用MAD11进行扩展。

2.2 控制系统中自动调节部分的软件组成方案

（1）软件整体设计。生成器的第一次工作流程为冲洗（30s）、清洗（90s）、电解（600s）、反向电解（300s），然后按照清洗-电解-反向电解进行循环，直到水位达到要求。其中还加入了对水位的监测、加盐和报警的过程。在整个过程中，由于进水的流量、电解电流以及盐水浓度都是实时变化的，因此，为了实现整个制水过程的自动化，在编写程序时加入了PID的调节。

（2）软水流量PID调节环的参数整定。该控制系统需要4L/min的进水量，用PID调节变频器转速从而调节实现软水流量的控制。软水流量控制如图4。

（3）盐水浓度电导率PID调节环的参数整定。电解盐水时需要0.05%低浓度的盐水，需要控制盐水的浓度来保证盐水在电解时的合格。图5是盐水浓度电导率PID调节环。测电导率实际就是测电阻的倒数，盐水流过时产生一定的电阻，所以测电导率间接测的是盐水的浓度。电导率经过A/D数模转换，信号给PLC，PLC进过PID运算处理后，经过D/A模块，再经过辅助板放大，来调节盐泵的转速。

（4）电解电流PID调节环的参数整定。在制备酸性氧化电位水时需要合适的电解电流来电解盐水，这里采用控制电压的方法，因为I=U/R，1/R就是电导率由盐水浓度电导率PID调节环控制，只要用可控硅控制电解电压就可以得到我们想要的电解电流。图6是电解电流PID调节环的原理图。用电流放大器来检测电解槽两端的电流，经过A/D模块的转换，传送到PLC进行PID运算处理后，经D/A模块输出，发送给移动触发器，由可控硅控制调节电压的大小。

3 结语

PID控制是制备酸性氧化电位水的重要环节，直接影响着酸水的质量，参数的设置就成了调试的关键。本文用PLC为控制元件，变频器、电磁阀、水泵为执行元件，采用PID闭环控制，将PID控制运用到软水流量、电解电压、盐水浓度的控制，实现了制酸水的自动化。整个设计使得系统具有操作简单、运行可靠、效率高、消毒效果好的优点，同时使得机器的安装和维修变得更加便利，带来了很好的经济效益。

参考文献

[1] OMRON. CP1H CP1L编程手册（中文）[M].上海：OMRON公司，2007.

[2] 霍罡.欧姆龙CPlH PLC应用基础与编程实践[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3] 毛雅琴，曹国芳，邵彩英.酸性氧化电位水在消毒供应中心的应用[J].中国护理管理，2009，

（4）.

[4] 王伟.PID参数先进整定方法综述[J].自动化学报，2000，（3）.

作者简介：朱燕丛（1982-），女，山东济南人，北京工业大学耿丹学院机械系讲师，硕士，研究方向：机械控制、机械电子工程。

摘要：酸性氧化电位水不仅具有良好的杀灭病原微生物的作用，还具有对机体和组织无刺激性、无残留性酸性、富含游离氧、对创面有轻度的麻醉作用等优点。文章的研究目的是设计出一种以欧姆龙PLC为核心的高效连续的酸性氧化电位水生成器控制系统，并运用PID进行自动调节，实现酸性氧化电位水控制系统的自动化

制水。

关键词：PLC；PID；酸性氧化电位水生成器；自动控制系统；自动化制水

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）19-0017-02

酸性氧化电位水（E1ectrolyzed Oxidizing Water，E0W）是将加入低浓度食盐（0.1%以下）的自来水在生成器的电解槽中进行电解、在阳极一侧生成的电位水。它是一种无色、透明、无刺激性异味的液体，pH值为2.3～2.7，溶解氯浓度仅为50～70ppm，氧化还原电位（ORP）为+1100mV，接触空气、光线、有机物，可逐渐还原成普通水。它不仅具有良好的杀灭病原微生物的作用，还具有对机体和组织无刺激性、无残留性酸性、富含游离氧、对创面有轻度的麻醉作用等优点。氧化电位水及其电解仪于20世纪80年代在日本研制成功，后被广泛应用到医学领域，用于医院消毒以及一些感染性疾病的预防与治疗。本文根据公司要求，采用了欧姆龙的CP1H可编程控制器，设计了酸性氧化电位水生成器的控制系统，包括硬件接线、I/O地址分配和程序设计，其中采用的PID调节实现了制水的全自动化。

1 酸性氧化电位水生成器的硬件设计

酸性氧化电位水生成器是根据酸性氧化电位水的制备原理设计的，整个生成器由四部分组成。进软水部分：由于各个国家和不同地区的水的硬度不同，在电解过程中会影响酸性氧化电位水的质量，减少电极寿命，影响消毒效果。所以在自来水超过硬度50mg/L时应在自来水与酸性氧化电位水之间加一个软水处理装置，以保证酸性氧化电位水的质量和消毒质量。混合盐水部分：为了达到电解槽制备酸性氧化电位水的所需的盐水浓度和盐水的量，在混合盐水阶段需要用PLC的PID调节控制软水泵和盐泵的转速，以便控制软水的流量与盐水流量，保证所需的盐水的浓度和量合格。电解盐水部分：为了使电解槽使用寿命延长，在电解盐水时每过一段时间进行电解槽的换向电解。在换向时为保证酸性氧化电位水的质量，必须进行电解槽的清洗。出酸水部分：为了实现在酸水箱的水位在酸水下位开关以上时，打开酸水龙头就能出水，设计了在酸水龙头打开时，酸水箱中的水流出冲开流量开关，触发PLC控制酸水泵运转使酸性氧化电位水可以从酸水的水龙头流出。

所有过程的设计都是为了酸性氧化电位水符合ORP大于1100mV，pH值为2.0～3.0，有效氯含量为50～70mg/L，残留氯离子<1000mg/L。每分钟进水4L，酸水出2L的要求。根据要求设计出如下水路图1。根据水路图1设计出如下供电电路图2。

2 控制系统的组成方案

2.1 控制系统的硬件组成方案

根据实际生产要求，确定使用欧姆龙公司型号为CP1H的PLC为控制器。本系统是一个小型集中控制系统，PLC选型主要取决于控制系统输入、输出开关信号的数量、模拟量的输出等。根据此控制系统要求I/0点数在30左右，并且考虑到系统需要3个模拟量的输入输出扩展，我们选择了性能价格比比较高的欧姆龙CP1H系列机型，其输入点为24点，输出点16点，并且内置模拟量，4个输入2个输出，精度可达到1/12000。根据设计要求完成了完成PLC的硬件接线如图3。其中，由于CP1H基本模块中只有2个D/A转换，而实际工作中需要3个D/A转换，因此，在基本模块上还需要扩展模块，在此，我们选用MAD11进行扩展。

2.2 控制系统中自动调节部分的软件组成方案

（1）软件整体设计。生成器的第一次工作流程为冲洗（30s）、清洗（90s）、电解（600s）、反向电解（300s），然后按照清洗-电解-反向电解进行循环，直到水位达到要求。其中还加入了对水位的监测、加盐和报警的过程。在整个过程中，由于进水的流量、电解电流以及盐水浓度都是实时变化的，因此，为了实现整个制水过程的自动化，在编写程序时加入了PID的调节。

（2）软水流量PID调节环的参数整定。该控制系统需要4L/min的进水量，用PID调节变频器转速从而调节实现软水流量的控制。软水流量控制如图4。

（3）盐水浓度电导率PID调节环的参数整定。电解盐水时需要0.05%低浓度的盐水，需要控制盐水的浓度来保证盐水在电解时的合格。图5是盐水浓度电导率PID调节环。测电导率实际就是测电阻的倒数，盐水流过时产生一定的电阻，所以测电导率间接测的是盐水的浓度。电导率经过A/D数模转换，信号给PLC，PLC进过PID运算处理后，经过D/A模块，再经过辅助板放大，来调节盐泵的转速。

（4）电解电流PID调节环的参数整定。在制备酸性氧化电位水时需要合适的电解电流来电解盐水，这里采用控制电压的方法，因为I=U/R，1/R就是电导率由盐水浓度电导率PID调节环控制，只要用可控硅控制电解电压就可以得到我们想要的电解电流。图6是电解电流PID调节环的原理图。用电流放大器来检测电解槽两端的电流，经过A/D模块的转换，传送到PLC进行PID运算处理后，经D/A模块输出，发送给移动触发器，由可控硅控制调节电压的大小。

3 结语

PID控制是制备酸性氧化电位水的重要环节，直接影响着酸水的质量，参数的设置就成了调试的关键。本文用PLC为控制元件，变频器、电磁阀、水泵为执行元件，采用PID闭环控制，将PID控制运用到软水流量、电解电压、盐水浓度的控制，实现了制酸水的自动化。整个设计使得系统具有操作简单、运行可靠、效率高、消毒效果好的优点，同时使得机器的安装和维修变得更加便利，带来了很好的经济效益。

参考文献

[1] OMRON. CP1H CP1L编程手册（中文）[M].上海：OMRON公司，2007.

[2] 霍罡.欧姆龙CPlH PLC应用基础与编程实践[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3] 毛雅琴，曹国芳，邵彩英.酸性氧化电位水在消毒供应中心的应用[J].中国护理管理，2009，

（4）.

[4] 王伟.PID参数先进整定方法综述[J].自动化学报，2000，（3）.

作者简介：朱燕丛（1982-），女，山东济南人，北京工业大学耿丹学院机械系讲师，硕士，研究方向：机械控制、机械电子工程。

摘要：酸性氧化电位水不仅具有良好的杀灭病原微生物的作用，还具有对机体和组织无刺激性、无残留性酸性、富含游离氧、对创面有轻度的麻醉作用等优点。文章的研究目的是设计出一种以欧姆龙PLC为核心的高效连续的酸性氧化电位水生成器控制系统，并运用PID进行自动调节，实现酸性氧化电位水控制系统的自动化

制水。

关键词：PLC；PID；酸性氧化电位水生成器；自动控制系统；自动化制水

中图分类号：TP27 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）19-0017-02

酸性氧化电位水（E1ectrolyzed Oxidizing Water，E0W）是将加入低浓度食盐（0.1%以下）的自来水在生成器的电解槽中进行电解、在阳极一侧生成的电位水。它是一种无色、透明、无刺激性异味的液体，pH值为2.3～2.7，溶解氯浓度仅为50～70ppm，氧化还原电位（ORP）为+1100mV，接触空气、光线、有机物，可逐渐还原成普通水。它不仅具有良好的杀灭病原微生物的作用，还具有对机体和组织无刺激性、无残留性酸性、富含游离氧、对创面有轻度的麻醉作用等优点。氧化电位水及其电解仪于20世纪80年代在日本研制成功，后被广泛应用到医学领域，用于医院消毒以及一些感染性疾病的预防与治疗。本文根据公司要求，采用了欧姆龙的CP1H可编程控制器，设计了酸性氧化电位水生成器的控制系统，包括硬件接线、I/O地址分配和程序设计，其中采用的PID调节实现了制水的全自动化。

1 酸性氧化电位水生成器的硬件设计

酸性氧化电位水生成器是根据酸性氧化电位水的制备原理设计的，整个生成器由四部分组成。进软水部分：由于各个国家和不同地区的水的硬度不同，在电解过程中会影响酸性氧化电位水的质量，减少电极寿命，影响消毒效果。所以在自来水超过硬度50mg/L时应在自来水与酸性氧化电位水之间加一个软水处理装置，以保证酸性氧化电位水的质量和消毒质量。混合盐水部分：为了达到电解槽制备酸性氧化电位水的所需的盐水浓度和盐水的量，在混合盐水阶段需要用PLC的PID调节控制软水泵和盐泵的转速，以便控制软水的流量与盐水流量，保证所需的盐水的浓度和量合格。电解盐水部分：为了使电解槽使用寿命延长，在电解盐水时每过一段时间进行电解槽的换向电解。在换向时为保证酸性氧化电位水的质量，必须进行电解槽的清洗。出酸水部分：为了实现在酸水箱的水位在酸水下位开关以上时，打开酸水龙头就能出水，设计了在酸水龙头打开时，酸水箱中的水流出冲开流量开关，触发PLC控制酸水泵运转使酸性氧化电位水可以从酸水的水龙头流出。

所有过程的设计都是为了酸性氧化电位水符合ORP大于1100mV，pH值为2.0～3.0，有效氯含量为50～70mg/L，残留氯离子<1000mg/L。每分钟进水4L，酸水出2L的要求。根据要求设计出如下水路图1。根据水路图1设计出如下供电电路图2。

2 控制系统的组成方案

2.1 控制系统的硬件组成方案

根据实际生产要求，确定使用欧姆龙公司型号为CP1H的PLC为控制器。本系统是一个小型集中控制系统，PLC选型主要取决于控制系统输入、输出开关信号的数量、模拟量的输出等。根据此控制系统要求I/0点数在30左右，并且考虑到系统需要3个模拟量的输入输出扩展，我们选择了性能价格比比较高的欧姆龙CP1H系列机型，其输入点为24点，输出点16点，并且内置模拟量，4个输入2个输出，精度可达到1/12000。根据设计要求完成了完成PLC的硬件接线如图3。其中，由于CP1H基本模块中只有2个D/A转换，而实际工作中需要3个D/A转换，因此，在基本模块上还需要扩展模块，在此，我们选用MAD11进行扩展。

2.2 控制系统中自动调节部分的软件组成方案

（1）软件整体设计。生成器的第一次工作流程为冲洗（30s）、清洗（90s）、电解（600s）、反向电解（300s），然后按照清洗-电解-反向电解进行循环，直到水位达到要求。其中还加入了对水位的监测、加盐和报警的过程。在整个过程中，由于进水的流量、电解电流以及盐水浓度都是实时变化的，因此，为了实现整个制水过程的自动化，在编写程序时加入了PID的调节。

（2）软水流量PID调节环的参数整定。该控制系统需要4L/min的进水量，用PID调节变频器转速从而调节实现软水流量的控制。软水流量控制如图4。

（3）盐水浓度电导率PID调节环的参数整定。电解盐水时需要0.05%低浓度的盐水，需要控制盐水的浓度来保证盐水在电解时的合格。图5是盐水浓度电导率PID调节环。测电导率实际就是测电阻的倒数，盐水流过时产生一定的电阻，所以测电导率间接测的是盐水的浓度。电导率经过A/D数模转换，信号给PLC，PLC进过PID运算处理后，经过D/A模块，再经过辅助板放大，来调节盐泵的转速。

（4）电解电流PID调节环的参数整定。在制备酸性氧化电位水时需要合适的电解电流来电解盐水，这里采用控制电压的方法，因为I=U/R，1/R就是电导率由盐水浓度电导率PID调节环控制，只要用可控硅控制电解电压就可以得到我们想要的电解电流。图6是电解电流PID调节环的原理图。用电流放大器来检测电解槽两端的电流，经过A/D模块的转换，传送到PLC进行PID运算处理后，经D/A模块输出，发送给移动触发器，由可控硅控制调节电压的大小。

3 结语

PID控制是制备酸性氧化电位水的重要环节，直接影响着酸水的质量，参数的设置就成了调试的关键。本文用PLC为控制元件，变频器、电磁阀、水泵为执行元件，采用PID闭环控制，将PID控制运用到软水流量、电解电压、盐水浓度的控制，实现了制酸水的自动化。整个设计使得系统具有操作简单、运行可靠、效率高、消毒效果好的优点，同时使得机器的安装和维修变得更加便利，带来了很好的经济效益。

参考文献

[1] OMRON. CP1H CP1L编程手册（中文）[M].上海：OMRON公司，2007.

[2] 霍罡.欧姆龙CPlH PLC应用基础与编程实践[M].北京：机械工业出版社，2008.

[3] 毛雅琴，曹国芳，邵彩英.酸性氧化电位水在消毒供应中心的应用[J].中国护理管理，2009，

（4）.

[4] 王伟.PID参数先进整定方法综述[J].自动化学报，2000，（3）.

作者简介：朱燕丛（1982-），女，山东济南人，北京工业大学耿丹学院机械系讲师，硕士，研究方向：机械控制、机械电子工程。