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基于PID的蔬菜次氯酸消毒水在线测控系统设计

更新时间:2016-07-05

0 引言

鲜切菜,又叫轻度加工蔬菜,是只改变蔬菜的物理形状,但仍然保留其新鲜状态的可食用蔬菜产品[1]。中国的鲜切菜产业始于20 世纪90 年代,鲜切菜具有新鲜、方便、卫生等特点,可以满足消费者即食和即用的需求,随着中国现代生活节奏加快和消费水平的提高,正日益受到消费者的关注和欢迎[2-3]

第四,落实防疫成本费,稳定防疫团队。畜禽动物防疫工作费用需要财政预算颁布,费用有工作人员薪资、免疫药物费用、疫苗费用等。这一方面稳定防疫团队,一方面减轻防疫团队和养殖户的负担。完善动物防疫系统,让各级乡、村均有专业防疫人员,让动物防疫工作真正落实到各个角落,从而做到“无不漏”防疫原则。

鲜切菜的生产主要包括清洗、去皮、切分、消毒、脱水、包装等工序,菜汁液外流易引起微生物的大量繁殖,因此消毒是其中一个重要工序,在此工序中要清除菜品表面的细菌等微生物,以延长其货架期[4-5]。目前应用的果蔬消毒方法有使用含氯消毒剂、臭氧、过氧化氢等化学方法和高压、紫外线、超声波等物理方法[6]。其中,次氯酸消毒成本低、广谱,且能够一定程度上清除甲胺磷农药[7-8],在鲜切菜生产中被广泛应用[9-10]

游离氯,又称游离余氯,是指消毒水中的次氯酸(HClO)、次氯酸根离子(ClO-)和溶解的单质氯(Cl2)。有研究表明,HClO的杀菌效果是相同浓度ClO-的80倍左右[11],消毒水中,次氯酸占游离氯的比例与其pH值有显著关系,工艺要求调节消毒水pH值在6.0~7.0的区间,此时次氯酸占比高,消毒能力较强[12]

次氯酸浓度越高,消毒作用越强,但过量易使产品氯残留超标[13]。因此,实时、精准地控制消毒水次氯酸浓度,是决定消毒效果的关键。对于消毒水次氯酸浓度的控制,目前主要采用的方式还是人工定时检测并添加消毒液,这种方式控制精度低、波动大[14],很难满足自动化安全生产的需要。

为解决这一问题,本设计以鲜切菜消毒需求为出发点,以PLC为核心控制器,配以相关传感器、加液计量泵等部件,研究并设计可现场制备次氯酸消毒水,并在线检测、自动控制其游离氯浓度及pH值的系统。

一场成功的家长会,不仅赢得家长对新班主任的高度肯定,使家长之前对老师的疑惑一扫而光,而且增强家长对孩子教育的信心。和家长建立良好关系,不是一种技巧,更不是一种圆滑,而是发自内心地对家长的欣赏、尊重和关怀,只有这样才能与家长形成教书育人的合力,才能真正达到教育的目的。

1 总体方案设计

1.1 次氯酸消毒水制备方法

次氯酸溶液易受光催化发生氧化还原反应而降解,且pH值越低稳定性越差[15],无法长期储存并在使用时直接添加。故采用“pH调整法”在线调配,即向清洗水中添加碱性的次氯酸钠溶液和某种酸溶液(例如柠檬酸)[16]

在 25℃时,Ka取 2.98×10-8,代入式(1)可知,消毒水pH值越小,次氯酸占总游离氯的比例越大。pH值为6.5时,次氯酸占比可达91%,pH值超过7.0时占比显著下降。

调配好的消毒水中,次氯酸占总游离氯的比例如下式所示:

1.2 总体方案框图

系统总体方案如图1所示,其中清洗池、过滤池和循环泵为清洗机的部件,其余为本系统部件,实线连接线为液路,箭头表示水的流向,虚线连接线为电路。

图1 总体方案示意图

在循环泵的作用下,消毒水在清洗机内的不断循环,在过滤池内完成固体杂质的粗过滤,以保持消毒水的基本清洁。由于工作时消毒水不断地流失,清洗机会定期补水,每次补充的水量约占总水量的10%~20%。

系统与蔬菜清洗机配合作业,将检测单元液路入口连接至循环泵的排水孔,使待测水样流入,由其中传感器实现对水样的游离氯浓度、pH值和温度的在线检测,而后水样回流入清洗池;各传感器的电信号输入控制单元,经过计算,控制单元计算出次氯酸钠和柠檬酸两种溶液的添加速率,然后控制两台计量泵进行相应的作业,两溶液在清洗池内水流的作用下很快充分混合,最终达到控制目标。

2 控制算法的设计及仿真

2.1 控制规律分析

系统中有两个被控量,即清洗池中消毒水游离氯浓度和pH值,控制规律主要有以下3点:

清洗池中游离氯浓度控制系统的建模,可以根据氯元素质量平衡算式:Cl变化率=Cl输入率-Cl消耗率,得到游离氯浓度动态模型:

(1)检测环节时间滞后较大。为满足传感器的技术要求,检测工作在清洗池外的检测单元中进行,所需检测的对象是清洗池中消毒水,而直接检测的对象是从循环泵流出的消毒水,因此检测环节存在一定的时间滞后。常见蔬菜清洗机的容量为600~900L,循环泵的流量最大约为10L/s,该循环时长可达60~90s;不过,次氯酸分子在水中自由扩散一定程度上减小循环时长;检测游离氯浓度和pH值的电化学传感器亦会有数秒的滞后;综合考虑上述3个因素,检测环节的总时间滞后约为 60~90s。

对式(2)进行拉普拉斯变换得:

他一时有些恍惚。这些年他拼命朝前赶,是以为她远远走在自己的前面。却不料一朝相见,她还留在原地,他却已经走出很远,很远……

(3)被控对象的干扰较多:由于清洗机的换水,消毒过程次氯酸的衰减[17],蔬菜汁液(碱性)的渗出,以及消毒成分附着在蔬菜表面流出等情况的存在,被控对象受到的干扰较多。

2.2 控制算法设计

系统的核心控制器选用三菱FX系列PLC,外扩与之适配的A/D模块和铂电阻专用A/D模块;使用游离氯传感器、pH传感器和温度传感器(Pt100)采集所需信息;以Pro-face GC-4401W触摸屏为上位机实现人机交互;通过脉冲控制Prominent CNPb0223型电磁隔膜计量泵(加液泵1、加液泵2)的动作频率来调节加液量,可实现流量 0~100% 的无级调节[19]

民族文化价值:古建筑是民族文化历代相传的载体,同时本身也是民族文化的生动表现,是连接民族情感纽带、促进民族团结的重要文化基础。诸多古建筑物均讲求简朴,但不乏美观,体现了一种不攀比的地域性民族建筑文化。

图2 游离氯控制方框图

对于pH值的控制,采用PID控制与pH补偿机制相结合的方式,其控制如图3所示。

图3 pH值控制方框图

所谓pH值补偿机制是指每添加一定剂量的次氯酸钠溶液,就同时添加一定比例的柠檬酸,大体上补偿因次氯酸钠的添加而导致的pH值变化。PID控制的输出值与pH值补偿的输出值相加,控制柠檬酸计量泵的加液,能够实现对消毒水pH值更及时、平稳地控制。

2.3 游离氯控制过程的数学建模

我喜欢画面中有些绿色,所以你总是能见到树的存在,不管是一棵树,还是一片小树林。树,总是带着一种意向性,希望、依靠、内敛、奉献、坚守、生命力……诗人们也很喜欢用树来表达对爱的立场,席慕容说:“长在你必经的路旁,阳光下慎重地开满了花”;舒婷说:“我必须是你近旁的一株木棉,作为树的形象和你站在一起”;黎戈说:“很希望自己是一棵树,守静、向光、安然”;三毛说:“如果有来生,要做一棵树,站成永恒……”而我也希望把这美好的寓意和祝福放在婚纱照里,送予你们。

式中 V——消毒水总量/ L

C——消毒水有效氯质量浓度/ mg·L-1

Q——NaClO原液添加速度/ μL·s-1

C0——NaClO原液游离氯浓度/ mg·L-1

“无后者,为户绝。”所谓户绝,指没有男性继承人的情况,不仅包括亲生子,也包括养子、命继子、立继子。唐开元《丧葬令》中规定了户绝情况下的财产分割:男性户主身死而无男性继承人的情况下其所有动产不动产出丧葬费用支出外由女性直系卑亲属继承。原法律条文中的“女”,并无直接指明是在室女,因此存在两种观点,一种认为此“女”指在室女,另一种观点认为指在室女、出嫁女、归宗女,不论哪一种说法,在室女都享有继承户绝财产的权利。宋朝继承了这一规定,即户绝之人的继承除了丧葬费用支出外由在室女继承,此处原法律条文的“女”仅指在室女,宋朝的法律对女子的身份作出了区分,在室女、出嫁女在继承方面享有的权利是不一样的。

K——Cl消耗速率/ s-1

她走下车来,缩着瘦削的,但并不露骨的双肩,窘迫地走上人行路的时候,我开始注意着她的美丽了。美丽有许多方面,容颜的姣好固然是一重要因素,但风仪的温雅,肢体的停匀,甚至谈吐的不俗,至少是不惹厌,这些也有着份儿,而这个雨中的少女,我事后觉得她是全适合这几端的。

(2)两被控量不完全独立。因为次氯酸钠溶液是碱性的,加入后会升高溶液pH值,所以对游离氯浓度的调控会影响pH值;而对pH值的调控不影响游离氯浓度。

再结合检测环节的时间滞后τ =75s,并代入实 际 参 数:V=700L,C0=105mg·L-1(10%NaClO 原液),K=0.05%(每分钟消耗3%),得到游离氯控制系统的传递函数为:

2.4 游离氯控制过程的仿真

使用Matlab中的Simulink模块对游离氯控制进行仿真,首先建立如图4所示的仿真框图。

仿真系统的游离氯设定值为150mg/L;PID控制器模拟PID算法,其设置了输出值上下限5400和0,对应加液计量泵最大流量5400μL·s-1和停止时的零流量;传递函数为式(4);时间滞后设置为75s;为仿真清洗机补水导致的游离氯浓度突降,阶跃信号(突降值)设定在800s时突降15mg/L(相当于补水10%)。

此外,当时各个图书馆为吸引社会力量的广泛支持,自身所做的努力也是有目共睹的,如果除去社会人士的图书捐赠和建馆捐款,仅仅依靠当时的政府,图书馆是不可能有那么惊人的发展的。社会各界发展出了多种不同形式的参与方式,给予了社会大众更多参与图书馆建设的可能,使热情的民众不会因为途径过少和门槛过高而被拒之于千里之外,形成了可观的社会影响。当时造成社会力量参与图书馆建设的因素,大部分现在依旧存在着,尤其是图书馆的财政状况,尽管现在的财政比当时有所改善,但是不可否认地方图书馆依旧面临着严峻的经费问题。面对这样的状况,图书馆需要一些契机将社会对图书馆的兴趣激发出来,使它们转向对图书馆有利的方向。

综合上面的阐述可以知道,为了加强对林业营林造林的管理工作,进而保证林业的健康发展应该坚持一定的原则,即有序性、科学性和长效性等,为林业的工程的建设和发展奠定基础,确保林业健康的同时也能保证林业经济效益的实现。

图4 游离氯控制matlab仿真结构框图

通过对PID参数的整定,在较快的时间内得到游离氯控制系统的PID控制参数:比例增益Kp=54,积分时间 Ti=0.02s,微分时间 Td=620s,其仿真响应曲线如图5所示。

图5 游离氯控制Matlab仿真响应曲线

可以看出,控制过程超调量和稳态误差较小,面对清洗机补水导致的游离氯浓度突降,能够较快回到稳定状态,整体控制效果较满意,可以为以后的实际生产提供参考。在实际应用时,人工对PID参数进行微调,以获得更好的控制效果。

2.5 pH值控制过程的建模与仿真

pH值控制过程的建模、仿真与游离氯控制相似,故不再赘述。计算机仿真结果显示控制效果良好,能够满足实际需要。

3 控制系统的实现

3.1 硬件组成

控制系统的硬件结构如图6所示。

图6 控制系统结构框图

考虑到以上分析的情况,结合PID控制结构简单、实现容易、鲁棒性强等优点,系统对游离氯浓度采用PID控制,控制如图2所示。这是一个典型的闭环负反馈控制系统,由给定环节、测量环节、比较环节、放大及运算环节以及执行环节组成,利用设定值与反馈值之间的偏差对输出进行控制[18]。通过对PID参数的整定以获得较好的控制效果。

中职专业课教学有别于其他教学,更注重专业素养的积累,专业实践能力的培养,这些都需要学生的自主学习能力作保障。课堂作为学习最直接的途径,也是培养学生自主学习能力的有效途径。本文将探讨如何通过课堂有效提高学生自主学习能力。

PLC型号为FX-3GA-24MT,它有14个输入端和10个输出端,指令全面,运算速度完全满足实际需要。晶体管型的输出可靠性强,执行速度快,寿命长,负载能力较低[20],适合于连接加液泵的外控线对其进行控制。

PLC配备FX3U-4AD型模拟量输入模块,和FX3U-4AD-PT-ADP型铂电阻专用A/D模块。FX3U-4AD型模拟量输入模块支持4路电流、电压输入,可输入的电流范围是0~20mA,综合采样精度±200μA;温度模拟量模块可接入4路铂电阻Pt100(三线制接法),量程-50℃~250℃,综合采样精度为满量程的1%。

游离氯传感器选用Prominent CLR1-mA型,其量程 10~200mg/L,输出 4~20mA 电流信号;pH传感器选用Prominent PHER 112 SE型,其量程2~12,经变送后亦输出4~20mA电流信号。

3.2 软件组成

软件分为PLC控制程序和上位机程序两部分。使用GX Works2编写PLC控制程序,编程语言为梯形图,程序流程如图7所示。

图7 PLC程序流程图

程序循环扫描运行,在每个扫描周期内,首先通过专有通信协议,读写触摸屏组态中的字寄存器和位寄存器,随后判断用户要求的控制方式。若为用户要求手动控制,则运行加液泵手动控制程序,由用户通过触摸屏手动控制加液速率;若为自动控制,则依次运行模拟量采集、PID控制算法和加液泵自动控制程序。最后,结束该扫描周期,进行下一次循环。

由授课老师亲自选择典型病例,并确定一些问题,注意案例、问题等应与教学目标一致[2] 。授课老师将典型病例制作成幻灯片、视频等,在课堂上进行播放,并配合简单介绍,播放结束后,提出相应的问题,护士生则根据授课内容、问题等进行思考、分析,护士生之间亦可进行讨论,做好笔记,在下节课上课之前1天交给授课老师,在第二节课时选择1名学生做现场汇报,并做总结和分析。

模拟量采集程序的功能是:首先采集两个A/D模块输出的数字量,然后将该数字量换算为游离氯质量浓度、pH值和温度值,便于显示和下一步的计算。同时监控两个A/D模块的运行状态,错误时报警。

PID控制算法在PLC内置的PID运算指令的基础上进行改造,该指令是基于增量式PID算法。它的优点是:算式中不需要累加,控制增量的确定仅与最近3次的采样值有关,容易通过加权处理获得比较好的控制效果[21]。且每次PID计算只输出控制增量,机器发生故障时影响范围小,不会严重影响控制过程。

计量泵自动控制程序将PID运算结果通过脉冲频率调制(PFM),转化为脉冲信号对两个加液计量泵进行控制。

使用GP Pro Ex4.0编写上位机程序,主要包括人机交互界面和数据采集程序,可切换自动/手动控制状态,设置游离氯浓度和pH值的控制目标,并实时显示监测值。

4 试验验证

样机试制完成后并与清洗机联机进行试验,游离氯浓度目标值设定为150mg/L时,按照上文仿真的PID参数设置,其响应曲线如图8所示,由图可见超调量小于10mg/L,由于上料速度变化等干扰,系统达稳态后仍稍有波动,但稳态误差始终小于10 mg/L。

图8 游离氯浓度控制验证试验响应曲线

游离氯浓度目标值设定为50、100mg/L时,稳态误差始终小于8、10mg/L,pH值目标设定为6.5时,稳态控制误差小于0.2。

很多人认为社保征收体制改革将会给企业带来致命性的打击,企业将无法承担由此带来的成本的增加,从而引发企业的倒闭潮,面临舆论的压力,国务院也于近日做出表态,保证社保征收体制改革以后总体上不会增加企业的负担。笔者认为:如果未来继续降低企业社保社保费率,而公务员的薪酬制度不做相应改变,这将可能进一步拉大公务员和企业人员收入差距,激化社会矛盾。

5 结束语

系统同时控制消毒水游离氯浓度和pH值,游离氯调节范围40~180 mg/L,pH值调节范围6.0~7.0。控制消毒水的酸碱度至微酸性可以提高次氯酸占总游离氯的比例,在不增加氯的前提下增加消毒能力。本系统使用PLC作为核心控制器,以触摸屏实现人机交互,操作界面简单明了,便于现场工作人员使用,对于提升鲜切菜品质和生产自动化程度具有积极的作用和意义。

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宋程,杜志龙,李佳伟,周航
《包装与食品机械》2018年第2期文献

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