吳清收，孟雍祥（山東科技大學(xué)，山東青島266590）

軟化水硬度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鈉離子交換器的設(shè)計(jì)

吳清收，孟雍祥
（山東科技大學(xué)，山東青島266590）

鈉離子交換器調(diào)節(jié)松床、再生、清洗等步驟的運(yùn)行時(shí)間需要依據(jù)其所產(chǎn)水的硬度指標(biāo)，而目前對(duì)水質(zhì)硬度的檢測(cè)大多采用人工完成，不僅操作繁瑣，而且不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟化水的硬度指標(biāo)。為解決這一問(wèn)題，以微控制器STM32F103RB為核心，通過(guò)專門設(shè)計(jì)的檢測(cè)容器中的鈣離子選擇性電極對(duì)交換器的出水硬度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)檢測(cè)到的硬度指標(biāo)自動(dòng)調(diào)整各步驟的運(yùn)行時(shí)間，達(dá)到降低成本、提高效率的目的。

鈉離子交換器；水硬度；微控制器；離子選擇性電極；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

熱電廠、印染行業(yè)使用的工業(yè)鍋爐用水主要來(lái)源于地下水或自來(lái)水，由于這些水源尤其是地下水，鈣鎂離子濃度較高，如果將其直接應(yīng)用于工業(yè)鍋爐，在管道和鍋爐中容易形成碳酸鹽垢，不僅降低了鍋爐的熱傳導(dǎo)率，增加了能耗，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起鍋爐爆炸和管道堵塞。因此，鍋爐用水應(yīng)當(dāng)經(jīng)過(guò)軟化處理〔1-2〕。目前最普遍也是最有效的軟化方法是采用鈉離子交換器對(duì)水質(zhì)進(jìn)行軟化，其基本原理是利用離子交換樹脂吸收水中的鈣鎂離子，并釋放出鈉離子，也就是用鈉離子將水中的鈣鎂離子置換出來(lái)，使水的硬度降低。鈉離子交換器由2個(gè)罐體組成，1個(gè)罐產(chǎn)水時(shí)，另1個(gè)罐則要經(jīng)過(guò)松床、再生和清洗等步驟為產(chǎn)水做準(zhǔn)備，2個(gè)罐循環(huán)交替工作。目前，各個(gè)步驟的運(yùn)行時(shí)間需要根據(jù)軟化水的硬度人工設(shè)置，并且軟化水硬度的檢測(cè)仍然是采用化學(xué)試劑由人工完成，不僅工作繁瑣，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，而且不利于鈉離子交換器的自動(dòng)化運(yùn)行〔3〕。對(duì)此，筆者以微控制器STM32F103RB為核心，通過(guò)專門設(shè)計(jì)的檢測(cè)容器，采用鈣離子選擇性電極對(duì)交換器的出水硬度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)檢測(cè)到的硬度指標(biāo)自動(dòng)調(diào)整各步驟的運(yùn)行時(shí)間；同時(shí)，一旦軟化水硬度超標(biāo)，則發(fā)出報(bào)警，真正實(shí)現(xiàn)了工業(yè)鍋爐用水軟化裝置的無(wú)人值守。

1　裝置整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)裝置由交換罐（左罐和右罐）、鹽罐、給水泵、鹽泵、電磁閥、流量計(jì)、單向閥、電動(dòng)閥、檢測(cè)電極和檢測(cè)容器組成，如圖1所示。

系統(tǒng)工作時(shí)，給水泵打開，左罐和右罐交替產(chǎn)水，1個(gè)產(chǎn)水時(shí)另1個(gè)調(diào)整。左罐產(chǎn)水時(shí)，電磁閥1打開，電磁閥2關(guān)閉；右罐產(chǎn)水時(shí)，電磁閥動(dòng)作相反。處于調(diào)整階段的交換罐其調(diào)整步驟分別為松床、再生（加鹽）和清洗，各個(gè)步驟的運(yùn)行時(shí)間根據(jù)軟化水硬度檢測(cè)結(jié)果自動(dòng)調(diào)整。在再生階段，鹽泵工作，向罐內(nèi)加鹽提供更多的鈉離子，用于置換硬水中的鈣鎂離子〔4〕。檢測(cè)軟化水硬度采用的是水硬度復(fù)合電極，檢測(cè)時(shí)電動(dòng)閥1打開取樣，電動(dòng)閥2關(guān)閉；取樣完成后電動(dòng)閥1關(guān)閉，開始檢測(cè)；檢測(cè)完成后電動(dòng)閥1關(guān)閉，電動(dòng)閥2打開排出檢測(cè)過(guò)的水樣，這樣可以在水樣靜止?fàn)顟B(tài)下完成檢測(cè)，克服了在管道內(nèi)直接檢測(cè)時(shí)檢測(cè)結(jié)果誤差較大的弊端。

圖1　系統(tǒng)裝置構(gòu)成

2　檢測(cè)控制系統(tǒng)

2.1檢測(cè)控制系統(tǒng)功能

裝置中調(diào)整步驟的檢測(cè)與切換、各調(diào)整步驟運(yùn)行時(shí)間的控制、系統(tǒng)掉電時(shí)步驟的記憶、軟化水硬度的檢測(cè)均要由檢測(cè)控制器完成，具體檢測(cè)控制任務(wù)如下：

（1）自動(dòng)實(shí)現(xiàn)各調(diào)整步驟的檢測(cè)與運(yùn)行，意外掉電時(shí)，能自動(dòng)記憶當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)及調(diào)整步驟運(yùn)行的時(shí)間。

（2）當(dāng)水箱水位達(dá)到上極限時(shí)自動(dòng)停止系統(tǒng)運(yùn)行，到達(dá)下極限時(shí)恢復(fù)運(yùn)行。

（3）實(shí)時(shí)檢測(cè)軟化水的硬度，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整各步驟運(yùn)行時(shí)間。

（4）實(shí)時(shí)檢測(cè)各閥的線路狀態(tài)，出現(xiàn)斷線時(shí)顯示對(duì)應(yīng)閥故障并停止系統(tǒng)運(yùn)行，待故障修復(fù)后繼續(xù)運(yùn)行。

（5）實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及當(dāng)前調(diào)整步驟的時(shí)間進(jìn)度。

2.2檢測(cè)控制系統(tǒng)組成

由于系統(tǒng)檢測(cè)控制任務(wù)較多，尤其是軟化水硬度的檢測(cè)需要復(fù)雜的處理運(yùn)算，因此，微處理器選用ARM內(nèi)核的高性能32位單片機(jī)STM32F103RB。除了單片機(jī)外，檢測(cè)控制系統(tǒng)還包含有同步減速電機(jī)、給水泵、電動(dòng)閥、電磁閥和鹽泵的控制電路，以及電磁閥和電動(dòng)閥的故障檢測(cè)電路、軟化水硬度檢測(cè)和軟化水水位檢測(cè)電路等。調(diào)整步驟的檢測(cè)與切換由同步減速電機(jī)帶動(dòng)齒輪盤旋轉(zhuǎn)，通過(guò)檢測(cè)齒輪盤上的不同觸點(diǎn)進(jìn)行；各調(diào)整步驟的運(yùn)行時(shí)間由定時(shí)器完成；系統(tǒng)意外掉電時(shí)當(dāng)前調(diào)整步驟的記憶采用EEPROM存儲(chǔ)，每隔1min存儲(chǔ)1次當(dāng)前調(diào)整步驟，這樣不至于存儲(chǔ)太頻繁影響EEPROM的壽命?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2。

圖2　檢測(cè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3　調(diào)整步驟的控制

調(diào)整罐各個(gè)調(diào)整步驟的檢測(cè)運(yùn)行是通過(guò)微控制器控制同步減速電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)與同步減速電機(jī)的輸出齒輪相嚙合的齒輪盤，齒輪盤在半徑R處均勻鑲嵌有圓柱形觸點(diǎn)，在半徑R處的正上方4mm處固定靜止的接近開關(guān)。隨著齒輪盤的勻速旋轉(zhuǎn)，圓柱形觸點(diǎn)也勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)其轉(zhuǎn)到接近開關(guān)的下方時(shí)，即檢測(cè)到該觸點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的調(diào)整步驟，此時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，由STM32F103RB控制開始該步驟運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)束后，同步減速電機(jī)再啟動(dòng)繼續(xù)檢測(cè)下一步驟，循環(huán)檢測(cè)各運(yùn)行步驟。調(diào)整步驟檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖3。

圖3　調(diào)整步驟檢測(cè)結(jié)構(gòu)示意

圖中觸點(diǎn)0、1、2分別對(duì)應(yīng)左罐產(chǎn)水時(shí)右罐調(diào)整的松床、再生和清洗步驟，觸點(diǎn)3、4、5分別對(duì)應(yīng)右罐產(chǎn)水時(shí)左罐調(diào)整的松床、再生和清洗步驟，這些步驟的檢測(cè)由主接近開關(guān)完成。為了找到各觸點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的步驟，在齒輪盤上半徑r處設(shè)計(jì)了一個(gè)觸點(diǎn)6完成定位功能，由輔接近開關(guān)檢測(cè)。當(dāng)檢測(cè)到該位置時(shí)，表示進(jìn)入了左罐產(chǎn)水、右罐調(diào)整的第1個(gè)步驟（松床），后續(xù)的步驟由主接近開關(guān)依次檢測(cè)。另外，在系統(tǒng)掉電再上電時(shí)，也是根據(jù)定位觸點(diǎn)位置找到掉電前的調(diào)整步驟。

4　軟化水硬度檢測(cè)

軟化水硬度測(cè)量采用硬度復(fù)合電極做傳感器，由測(cè)量電極和參比電極構(gòu)成。測(cè)量電極的電位隨著被測(cè)溶液濃度的變化按照能斯特方程變化；而參比電極的電位不隨被測(cè)溶液濃度的變化而變化，一般采用甘汞電極或銀-氯化銀電極，是測(cè)量電極的基準(zhǔn)，二者之間形成電化學(xué)電池。采用二次定標(biāo)計(jì)算法，依據(jù)能斯特方程〔5〕即可求出待測(cè)溶液的濃度。

檢測(cè)裝置部分見(jiàn)圖1。檢測(cè)前先打開電動(dòng)閥1，關(guān)閉電動(dòng)閥2，軟化水進(jìn)入檢測(cè)容器。當(dāng)?shù)竭_(dá)規(guī)定的容量后，關(guān)閉電動(dòng)閥1。待檢測(cè)溶液靜止后，開始檢測(cè)硬度。檢測(cè)完成后，打開電動(dòng)閥2，放出已檢測(cè)完成的水樣。關(guān)閉電動(dòng)閥2，直到下一次檢測(cè)再重復(fù)這一循環(huán)。由于檢測(cè)過(guò)程中待測(cè)水樣靜止，保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。

5　軟件設(shè)計(jì)

主程序完成系統(tǒng)初始化、軟化水硬度的檢測(cè)并依據(jù)檢測(cè)到的硬度指標(biāo)修改調(diào)整時(shí)間、從存儲(chǔ)器中調(diào)出系統(tǒng)掉電前的調(diào)整步驟及運(yùn)行時(shí)間、閥斷線故障的檢測(cè)、軟化水水箱水位的檢測(cè)、各調(diào)整步驟的切換。定時(shí)器中斷服務(wù)程序負(fù)責(zé)調(diào)整步驟運(yùn)行時(shí)間的控制以及該步驟運(yùn)行時(shí)間的定時(shí)存儲(chǔ)。程序流程見(jiàn)圖4。

6　應(yīng)用效果

該檢測(cè)裝置的研制屬于校企合作項(xiàng)目。樣機(jī)研制完成后，在廠內(nèi)進(jìn)行了半年的連續(xù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)證明設(shè)備性能穩(wěn)定。然后正式生產(chǎn)并投放市場(chǎng)，先后在山西大同、內(nèi)蒙古通遼、湖北武漢等地的化工、印染行業(yè)投入使用，每年的產(chǎn)量在100～200臺(tái)。從市場(chǎng)反饋回的信息看，客戶一致反映設(shè)備自動(dòng)化程度高，不僅能保證交換器產(chǎn)水的硬度指標(biāo)符合要求，而且顯著降低了設(shè)備運(yùn)行成本。以1臺(tái)30 t的設(shè)備為例，每年的運(yùn)行成本可降低5～10萬(wàn)元，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

7　結(jié)語(yǔ)

筆者論述的鈉離子交換器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)水硬度的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)，根據(jù)檢測(cè)到的硬度指標(biāo)可實(shí)時(shí)調(diào)整各步驟的運(yùn)行時(shí)間，不用擔(dān)心軟化水不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，克服了傳統(tǒng)設(shè)備需要人工檢測(cè)軟化水硬度、人工設(shè)置各步驟運(yùn)行時(shí)間的弊端，實(shí)現(xiàn)了軟化水處理設(shè)備的全自動(dòng)運(yùn)行，為工業(yè)鍋爐的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行提供了保障，具有重要的經(jīng)濟(jì)社會(huì)意義。

［1］沈勤.水處理方法和改進(jìn)措施在鍋爐應(yīng)用中的探討［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（26）：141-142.

［2］董長(zhǎng)園.全自動(dòng)軟水器在集中供熱中的應(yīng)用［J］.煤氣與熱力，2000，20（1）：35-37.

［3］陳立軍，楊寶弓.鈉離子軟化水程控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化與儀表，2003，18（1）：42-45.

［4］賀東偉，趙志寬.全自動(dòng)軟水器工藝特點(diǎn)及應(yīng)用［J］.應(yīng)用能源技術(shù)，2004（2）：27-28.

［5］王潔青，張金瑞，陳文闖.離子選擇電極測(cè)定工業(yè)水中的鈣含量［J］.水處理技術(shù)，1998，24（2）：95-98.

Design of the sodium ion exchangerhaving softened waterhardness real-tim emonitoring

Wu Qingshou，Meng Yongxiang
（Shandong University of Scienceand Technology，Qingdao266590，China）

The running time of the sodium ion exchanger in the following steps，such as loosing bed，regeneration，cleaning，etc.depends on the hardness index of the produced water.Nevertheless，at present，most of the monitoring of thewater hardness is donemanually.The operation ofmanualmonitoring is notonly complicated，but is impossible to accomplish the real-timemonitoring of the hardness index of the softened water.Aiming at the problem，using themicro controller STM32F103RB as the core，the real-time monitoring of effluentwater hardness of the exchanger is conducted by calcium ion selective electrode in a specifically designedmonitoring vessel.Based on the detected hardness index，the running time ofever step can be adjusted automatically.Asa result，the goalof cost reduction and efficiency increase can be reached.

sodium ion exchanger；water hardness；micro controller；ion selective electrode；real-timemonitoring

X703

B

1005-829X（2016）10-0104-03

吳清收（1969—），碩士研究生，副教授。E-mail：87390@163.com。

2016-07-08（修改稿）