方 杉

(華東交通大學 電氣與自動化工程學院，江西 南昌 330013)

鉻是一種重要的合金元素，具有穩(wěn)定的化學特性，在自然環(huán)境下極耐氧化，鉻附著于其他金屬表面，能夠起到保護其他金屬的作用[1-2].基于鉻金屬的優(yōu)良特性，在工業(yè)中被認為是電鍍保護鍍層的最佳選擇.電鍍鉻鍍層具有諸多優(yōu)良的性能，首先是鉻鍍層硬度高，可以達到1 000 HV以上，常被稱為硬鉻[3].鉻鍍層極為耐磨，因此被廣泛應用于機械設備和汽車動力、傳動、懸掛等系統(tǒng)的桿、軸類的加工[4].其次，鉻鍍層性能穩(wěn)定、耐酸堿腐蝕、表面光亮，也常被用于裝飾性產(chǎn)品的生產(chǎn)和制造[5].但在電鍍生產(chǎn)過程中，排放的廢液中帶有較多的重金屬離子,嚴重危害人體的健康，并會對周圍的環(huán)境造成持續(xù)性的污染[6].

廢液中的重金屬離子，以正六價鉻離子的毒性最大，因此在電鍍生產(chǎn)過程中，要對電鍍廢液中的鉻濃度進行實時準確地監(jiān)控，并對廢水進行有效的無害化處理[7].傳統(tǒng)電鍍鉻廢液中鉻濃度監(jiān)控方法，多為人工采樣，效率低、準確性差，而且樣品采集的可信度不高，不能有效地降低電鍍廢液的危害[8].隨著計算機網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展，將計算機網(wǎng)絡技術引入智能化控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢[9-10]，計算機控制網(wǎng)絡不僅可實現(xiàn)控制系統(tǒng)管理功能，而且能使系統(tǒng)更高效、更準確地實現(xiàn)遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享[11].

針對傳統(tǒng)電鍍鉻廢液中鉻濃度監(jiān)控方法的不足，本文提出了一種基于控制網(wǎng)絡的電鍍鉻廢液中鉻濃度檢測系統(tǒng)設計.要進行多組零件的電鍍鉻實驗，分析對鍍液配方、電鍍過程中電流密度、鍍液溫度、酸堿度等關鍵參數(shù)的控制及其不同的參數(shù)組合對鍍后廢液中鉻濃度的影響.

依據(jù)實驗結(jié)果，在保證鍍件表面性能參數(shù)合格的前提下，獲取最優(yōu)的參數(shù)組合.依據(jù)這些參數(shù)組合，來準確設定廢液中鉻濃度監(jiān)測系統(tǒng)硬件部分的參數(shù)值、監(jiān)測區(qū)間，實現(xiàn)電鍍鉻廢液中鉻濃度的遠程監(jiān)控，并提高監(jiān)測的精度.實驗證明，提出的系統(tǒng)設計能夠準確地監(jiān)測廢液中的鉻濃度、降低電鍍廢液對工廠周圍居民和環(huán)境的影響和危害.

1 一種基于控制網(wǎng)絡的電鍍鉻廢液中鉻濃度監(jiān)測系統(tǒng)設計

1.1 基于電鍍鉻實驗的鍍液最優(yōu)參數(shù)提取

鍍液的配比不僅關系到鍍后產(chǎn)品的質(zhì)量，還與電鍍鉻廢液中的鉻濃度密切相關[12-13].優(yōu)化的鍍液配方，在保證鍍后產(chǎn)品表面質(zhì)量合格的同時，能夠最大限度地減少廢液中正六價鉻離子的含量，降低電鍍廢液的毒性.

鍍液的配比濃度、酸堿度、鍍液加熱溫度及電流密度均會對最后鍍液中的正六價鉻離子含量產(chǎn)生一定的影響.本文選定4組鍍液參數(shù)分別進行電鍍實驗，分析鍍后廢液中鉻濃度，并確定其變化區(qū)間[14-15].依據(jù)這些提取的廢液中的鉻含量，精確設定鉻濃度檢測系統(tǒng)的檢測區(qū)間和參數(shù)，以提高檢測的精度[16].

按1∶105的比例配置好Na3PO4溶液，并加溫至90 ℃，去除鍍件表面的銹蝕；按1∶135的比例配置Na2CO3溶液去除鍍件表面過多的油污，清洗完畢后，使用熱水清洗2遍.去油步驟要完全和徹底，如果不能達到表面檢測的要求，要重復進行該步驟，如果去油不徹底，會導致鍍層與零件結(jié)合的牢固度下降，增加掉鉻的風險[17].

去油清洗后，正確稱量NH4Cl晶體5 g，(NH4)2SO4晶體2 g，加入純水1 L溶解，攪拌均勻，按此比例配制成活化液.將鍍后的零件置于活化液鍍槽中進行活化處理，控制時間為15 min，能夠增加鍍件表面的活性.

前處理完畢的鍍件，準備進入電鍍環(huán)節(jié)，分別采用4種不同的鍍液配方及電鍍參數(shù)控制，來確定鍍后廢液的正六價鉻離子含量，確定其變化范圍.未加入穩(wěn)定劑的鍍液配方如表1所示.

表1 零件電鍍工藝參數(shù)及電鍍鉻配方(未加入穩(wěn)定劑)

為了穩(wěn)定鍍液的水平，表2中的鍍液配方加入了氟化物穩(wěn)定劑，加入穩(wěn)定劑能使鍍液的性能更加穩(wěn)定，而且在一定程度上，抑制正六價鉻離子的生成，但穩(wěn)定劑會增加電鍍成本，還會對鍍層質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，具體討論要基于實驗的結(jié)果.

電鍍完畢后，還要進行鈍化、清洗、烘干的工序，將4種電鍍廢液進行檢測，判定電鍍廢液中鉻濃度水平[18].經(jīng)過測定4種鍍液的鉻含量及其變化的范圍如表3所示.

在保證鍍后零件鍍層表面合格的基礎上，基于表3的檢測數(shù)據(jù)，可以分析出加入穩(wěn)定劑的鍍液配方4的鉻濃度最低，為最優(yōu)的鍍液配方；鉻濃度的檢測范圍為45～65 mol/L，縮小監(jiān)測范圍，能夠提高電鍍廢液中鉻含量的精度，基于電鍍鉻實驗結(jié)果，設定監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分及軟件工作流程.

表2 零件電鍍工藝參數(shù)及電鍍鉻配方3(加入穩(wěn)定劑)

表3 不同配方下電鍍廢液鉻含量對比

1.2 基于控制網(wǎng)絡的電鍍鉻廢液中鉻濃度監(jiān)測的硬件系統(tǒng)構(gòu)成

依據(jù)電鍍實驗結(jié)果、提取的最優(yōu)參數(shù)組合及濃度監(jiān)控范圍等重要指標，來設定鉻濃度檢測系統(tǒng)的硬件部分和軟件流程.

基于控制網(wǎng)絡的電鍍鉻廢液鉻濃度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分主要包括：遠程網(wǎng)絡監(jiān)控主站、Zigbee無線網(wǎng)絡系統(tǒng)、基于USB的智能PC節(jié)點、電鍍廢水終端監(jiān)控的RTU設計等部分，硬件系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示.

圖1 電鍍廢液中鉻濃度監(jiān)控硬件拓撲結(jié)構(gòu)圖

遠程監(jiān)控主站利用RS232總線，并通過Zigbee網(wǎng)絡通信收發(fā)控制模塊，來接收數(shù)據(jù)信息并傳遞指令.鍍件制造完成后，電鍍鉻廢液的監(jiān)測信息通過終端RTU，進入廢水處理主站PC啟動廢水處理系統(tǒng).然后RTU初始化終端節(jié)點，校驗相關參數(shù)，并加入到主站PC組建的Zigbee網(wǎng)絡，實現(xiàn)控制網(wǎng)絡的無線連接.其中，電鍍廢水終端監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 電鍍廢水終端監(jiān)控結(jié)構(gòu)圖

電鍍廢水終端監(jiān)控主要構(gòu)件有：內(nèi)核模塊、電源、傳感器控制電路、半導體傳感器、信號調(diào)理電路.電鍍廢水終端用于對電鍍鉻廢液中六價鉻離子濃度進行監(jiān)測，通過LED指示電路中的電流來評定感知信號強度 ,根據(jù)傳感器控制電路中電流大小估算電鍍廢水鉻濃度，通過信號調(diào)制電路將濃度數(shù)據(jù)與設備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)打包 , 通過無線網(wǎng)絡發(fā)送到網(wǎng)關.

按照廢水處理流程檢測電鍍廢液中的鉻濃度，上傳到PC節(jié)點和遠程的監(jiān)控主站，基于數(shù)據(jù)庫的 Web 應用判斷廢水中的鉻含量.從終端 RTU 對采集的樣品數(shù)據(jù)信息，通過網(wǎng)絡將變送過程的參數(shù)、控制試劑投放量等重要信息傳遞到遠程監(jiān)控主站，經(jīng)主站的分析和處理，確定廢液中的鉻含量.

1.3 基于控制網(wǎng)絡的電鍍鉻廢液中鉻濃度監(jiān)測系統(tǒng)的軟件工作流程

電鍍廢水監(jiān)控設備的硬件系統(tǒng)和整個控制網(wǎng)絡由終端 RTU、PC 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點、遠程控制系統(tǒng)等部分組成.基于硬件系統(tǒng)構(gòu)建的軟件工作流程可以描述為：終端 RTU 采集鍍液的鉻濃度信息，并且由PC端轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，功能由計算機語言編程實現(xiàn).

利用計算機和數(shù)據(jù)庫開發(fā)了上位機面向廢水處理的Web應用，來實現(xiàn)對提取廢液信息的分析和加工，并準確地檢測出廢液的濃度，并報警提示.及時獲取廢液的污染程度數(shù)據(jù)，及時對廢液進行無害化處理，或定期提純鍍液、更新鍍液配方.應用控制網(wǎng)絡的電鍍廢水中鉻濃度檢測軟件的工作流程如下圖3所示.

圖3 電鍍廢液中鉻濃度軟件工作流程

根據(jù)圖3可知，電鍍廢液中鉻濃度監(jiān)測軟件需要先進行系統(tǒng)初始化，然后設定Zigbee網(wǎng)絡參數(shù)，判斷無線信號的有無，無信號則重新進行Zigbee網(wǎng)絡參數(shù)設定，存在無線信號進行無線網(wǎng)絡通信；然后進行信號的傳輸，將信號傳輸給RTU終端，反之則返回無線通信部分.當檢測探頭與無線網(wǎng)關距離較遠時,檢測數(shù)據(jù)必須經(jīng)過多次跳躍才能完成無線傳輸,而PC節(jié)點作為傳輸樞紐站,將通信信號的RTU終端與網(wǎng)關的通信距離縮短.通過采集末端節(jié)點發(fā)送的鉻濃度和工作狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù),把這些相關信息傳送給監(jiān)控主站.檢測末端應用ZigBee/IEEE802.15.4協(xié)議,是一種內(nèi)嵌組網(wǎng)協(xié)議，能夠完成網(wǎng)絡的組建,具有直接序列擴頻功能,網(wǎng)絡組建比較方便.RTU終端的硬件設計應用Zigbee，主要負責網(wǎng)絡的建立、維護和管理.本文提出了一種基于控制網(wǎng)絡的電鍍鉻廢液中鉻濃度檢測系統(tǒng)設計.通過電鍍實驗，分析各種參數(shù)組合對鍍后廢液中鉻濃度的影響；依據(jù)提取的最優(yōu)參數(shù)組合，搭建系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分；通過優(yōu)化控制網(wǎng)絡配置、合理規(guī)劃監(jiān)控主站和終端，完成對電鍍鉻廢液中鉻濃度的遠程精確監(jiān)控，及時預警鍍液的正六價鉻離子含量，并做出相應處理，降低周圍環(huán)境的危害.

2 實驗結(jié)果與分析

為驗證提出系統(tǒng)設計的有效性，進行了仿真實驗，對本文提出系統(tǒng)設計的監(jiān)測準確性和系統(tǒng)誤差進行了對比分析.

本文系統(tǒng)設計基于控制網(wǎng)絡，通過多個RTU終端，從多個鍍槽取樣和監(jiān)控，因此監(jiān)控的范圍廣、精度高；數(shù)據(jù)傳輸基于Zigbee無線網(wǎng)絡，傳輸速度快；而遠程監(jiān)控主站具有強大的數(shù)據(jù)分析和處理功能，采用人工取樣、半自動分析系統(tǒng)以及所設計系統(tǒng)三種系統(tǒng)進行檢測準確率對比，三種系統(tǒng)檢測結(jié)果如下圖所示：

圖4 廢液中鉻濃度監(jiān)控對比圖

圖4為廢液中鉻濃度的監(jiān)控對比曲線，從圖中可以看出，本文基于控制網(wǎng)絡的監(jiān)控系統(tǒng)設計在檢測精度方面具有較大優(yōu)勢.

廢液中鉻濃度檢測結(jié)果與實際結(jié)果的誤差率是一項重要的系統(tǒng)性能評價指標，將使用系統(tǒng)90 d后，提取的平均系統(tǒng)誤差擬合成曲線，如圖5所示.

圖5 本文設計的系統(tǒng)誤差曲線

從圖5可以得出，本文基于控制網(wǎng)絡的監(jiān)控系統(tǒng)設計可以將系統(tǒng)誤差控制在一個很低的范圍.通過仿真實驗驗證了本文提出的基于控制網(wǎng)絡系統(tǒng)設計的準確性和有效性.

3 結(jié)束語

電鍍屬于重污染行業(yè)，隨著國家對環(huán)境保護重視程度的增強，如何對電鍍廢液進行有效監(jiān)控和無害化處理，已經(jīng)成為一個重要的研究方向和課題.本文將控制網(wǎng)絡和電鍍廢液監(jiān)控相結(jié)合，能夠在提高監(jiān)測速度的同時，改善了監(jiān)控的準確率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠程操作.