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　　系统设计认为设计是科学知识一产品，即应用科学知识，综合考虑材料、技术条件、社会需求、经济环境等因素进行产品设计。

　　第一篇

　　1鱼类养殖水体臭氧处理系统

　　1.1系统组成与原理图1是臭氧水处理系统布局。

　　系统主要由三部分组成:一部分是由8个规格相同的养殖池(直径2m，高1m)、回水槽、水泵、过滤机、臭氧混合设备和进排水管道组成的水循环系统;另一部分是由气源泵、臭氧发生器、流量计、臭氧混合设备、尾气处理器组成;第三部分是基于PLC的控制系统，由温度和臭氧传感器、PLC组件、调节步进电机和数据输出微机组成。

　　图1试验设备布局Fig.1Layoutofthetestequipments系统工作时，养殖池的水靠水压力进入回水槽，由水泵压入过滤器，经过滤后的水进入臭氧混合设备与来自臭氧发生器的臭氧气体进行混合、溶解，溶解后臭氧水进入养殖池，对养殖水体进行臭氧处理，并反复循环进行，直到池水臭氧溶解浓度达到所要求的浓度为止。

　　未溶解的臭氧通过尾气处理器进行无害化处理。

　　1.2臭氧的产生设计了空气和氧气作为气源产生臭氧的两种方法。

　　空气是常用的臭氧产生方法，氧气的使用是为了提高臭氧的产生效率而采用的方法。

　　氧气由制氧机从空气中制备，纯度达95%。

　　臭氧发生器采用XY-19型的臭氧发生器，额定气体流量为8m3/h，额定臭氧产量为100g/h。

　　1.3臭氧浓度控制系统臭氧浓度控制系统如图2所示。

　　系统通过设置在鱼池水中的传感器进行温度和臭氧浓度监测，监测数据传输给PLC并通过PLC的数据线自动记录在电脑中。

　　根据预先设定的臭氧浓度，PLC对当前臭氧浓度进行分析后将控制信号传输给步进电机，步进电机依照PLC的指令控制臭氧发生器的电压变化，以增加或者减少臭氧的产量，从而达到控制臭氧浓度的目的。

　　1.3.1臭氧浓度监测监测传感器采用哈希9185sc在线臭氧分析仪检测探头。

　　检测仪采用选择性膜电极;不受样品中pH、氯、溴、二氧化氯或过氧化氢的干扰，测量范围:0～20mg/L，测量精度±5μg/L。

　　同时设计了温度补偿系统，以消除温度波动的干扰。

　　1.3.2监控系统监控系统由上位机、下位机、模拟量输入模块构成。

　　模拟量输入模块采用哈希公司SC100控制器，控制器采集9185sc传感器信号并将其转换成模拟信号发送给下位机。

　　下位机采用西门子公司生产的s7-200型PLC进行数据采集，通过通信电缆传输给上位机，上位机中安装组态王监控软件。

　　组态王监控软件能够实时采集PLC传输的数据，自动画出变化趋势图表，通过软件的报表功能可以查询记录历史数据并导人Excel便于以后的处理。

　　根据监控工程的需要在软件界面中制作3个功能窗口，每个窗口完成特定的功能。

　　1.3.3功能窗口选择利用软件的历史趋势曲线控件，可以将PLC采集到的数据记录下来并自动连成趋势曲线，横坐标为采样时间，纵坐标为溶解臭氧含量，所有数据存入历史库以备查询。

　　该窗口有自动打印功能，可将形成的历史趋势曲线定时打印，利于日后查阅。

　　利用软件中报表功能可以从组态王历史数据库中查到之前记录的所有数据，包括PLC采集的溶解臭氧含量和对应的采样时间，该报表可以自定义所要查询的变量和时间间隔，并显示在列表中，便于试验中随时掌握数据的变化情况。

　　1.3.4臭氧浓度的控制采用MA860H型两相混合式电机驱动器驱动86BYG二相步进电机，步进电机驱动器采用交流伺服驱动器的电流环进行超细分控制，电机的转矩波动小，低速运行平稳，振动和噪音低。

　　高速时可输出相对较高的力矩，定位精度高。

　　然后用PLC控制步进电机驱动器，内置于S7-200PLC的PTO能使用一个脉冲串输出用于步进电机的速度和位置控制。

　　基于检测到的臭氧浓度，使用PLC编程自动控制步进电机的位移和方向来控制臭氧发生器的电压大小，最终达到对臭氧浓度的PID控制。

　　2臭氧溶解、衰减与杀菌消毒试验

　　2.1材料与方法试验目的是确定臭氧在处理鱼类养殖水体时产生所需臭氧浓度的时间和衰减至安全浓度的时间，从而确定臭氧处理的安全方法。

　　试验内容为:1)在没有养殖鱼类，气源分别为氧气和空气的条件下，试验养殖水体臭氧溶解和衰减过程，以确定不同臭氧浓度的应用技术和处理过程的控制方法。

　　2)以氧气为气源的条件下，分批次对鱼类进行消毒处理，检验杀菌消毒水体臭氧浓度稳定控制的准确性，确保处理过程可靠与鱼类安全。

　　根据鱼类对臭氧浓度耐受试验[8-9]，设定臭氧溶解浓度测量范围为0～0.5mg/L。

　　为了满足过程中臭氧用量的不同需要，氧气产量在设计能力60%～100%进行调节。

　　在鱼类消毒试验中，养殖鱼类消毒杀菌的安全范围为0.1～0.2mg/L，试验中设定0.18mg/L为控制量的给定希望值，单次消毒时间为40min。

　　试验选择8个水池中的1个为试验池，养殖池水2m3，分4次对系统养殖鱼类进行消毒;用水量包括臭氧混合设备、回水槽和养殖池水量总计5m3。

　　试验鱼类为冷水性鱼类虹鳟鱼，平均体重160g，200尾，密度为32kg/m3;试验水温为10℃;循环水泵型号50JYWQ25-10，流量为25m3/h。

　　试验初始，打开监控软件，启动臭氧检测仪半小时待其稳定之后开启臭氧发生装置并打开自动控制软件自动记录采样数据，采样频率为2次/s，待水池中臭氧浓度稳定之后关闭臭氧发生装置系统导出数据曲线并打印。

　　2.2结果与讨论2.2.1臭氧溶解和衰减过程试验结果表明:利用纯氧制备臭氧和利用空气制备臭氧进行养殖水体处理，其效果差别较大，见图3、图4。

　　由图3可知:在气源为纯氧的条件下，养殖水体循环10min就可以达到试验设定的最大臭氧溶解浓度0.5mg/L。

　　溶解过程中臭氧浓度快速上升，持续供气可以保持该浓度;衰减过程中曲线缓慢下降，10℃水温下，循环40min后才能衰减到鱼类安全浓度0.06mg/L[8]。

　　在纯氧为气源的条件下，臭氧发生器产生了高纯度臭氧，溶解过程中没有其他气体分压的影响，向液相转移的动力远高于臭氧与其他气体混合的混合体，提高了臭氧向水体溶解速度。

　　这一结果表明，氧气为气源产生的臭氧在养殖水体处理中，可以采用高浓度短时间应用于鱼类和水体的消毒杀菌。

　　由于可以产生较高浓度的臭氧水，因此在对养殖水体和鱼类处理时，要进行监测与控制，以实现操作过程的安全可靠。

　　由图4可知:在气源为空气的条件下，养殖水体循环1.5h，臭氧才能到消毒杀菌处理的最低浓度0.1mg/L。

　　臭氧溶解过程非常缓慢，且剧烈波动，不够稳定，最大臭氧浓度能达到0.14mg/L;其衰减过程也很缓慢，衰减到鱼类安全浓度0.06mg/L需要1h。

　　由于空气中氧气含量约为21%，以空气为气源产生的臭氧不纯，臭氧向液相转移的过程中，受其他气体分压的影响，其溶解动力明显降低，溶解过程缓慢;同时，由于溶解过程气体混杂，干扰了臭氧检测的精度，产生了波动不稳定现象。

　　在衰减过程中，由于低温及其他溶解气体的影响，该过程也同样很缓慢。

　　这一结果表明:利用空气为气源的臭氧水产养殖应用时，选择低浓度长时间的处理方法，适应于养殖水体的氨氮、悬浮物、有机物处理[16]。

　　由于其浓度低，难以形成稳定的状态，且臭氧浓度在消毒杀菌的范围内，不需对其过程进行自动控制，只要控制处理时间就可以达到安全可靠的要求。

　　2.2.2纯氧为气源产生臭氧对鱼类消毒杀菌的影响试验结果表明，在40min消毒过程中，试验鱼类游速加快、运动剧烈。

　　但是消毒后的各项体表形态并无损伤现象，进入养殖水体后可以进行正常的饲养，无不适反应。

　　消毒过程中，系统工作正常，臭氧浓度稳定在0.18mg/L。

　　图5是臭氧消毒试验过程中，控制系统调节下养殖水体臭氧浓度随时间的变化情况。

　　由图5可知:系统工作开始后，臭氧浓度迅速接近设定的阀值0.18mg/L，随后在自控系统的控制下，溶解过程缓慢，其浓度在阀值0.18mg/L附近小幅波动，最终趋于稳定，稳定时臭氧发生器的电压为104kV。

　　纯氧为气源产生臭氧的产生效率是使用空气的2倍～3倍[14]。

　　由于自控系统的作用，臭氧浓度稳定保持在0.18mg/L附近，在操作过程中可以把整个工厂化养殖系统的鱼类分批次放入进行消毒杀菌。

　　纯氧产生臭氧的曲线比空气产生臭氧曲线平滑稳定，有利于控制系统进行准确控制。

　　建立可靠的臭氧浓度监控系统，利用纯氧为气源产生臭氧利用其高纯度、溶解过程快速的特性进行工厂化养殖鱼类的消毒杀菌，高效安全可靠，是一种清洁、无残留和无污染的有效方法，有利于工厂化养殖鱼类的健康生长和产品安全。

　　3结论

　　通过对鱼类工厂化养殖水体臭氧溶解和衰减过程的监测与控制，确定了空气和纯氧产生臭氧在工厂化水产养殖中的不同应用方式，为臭氧在工厂化养殖方面的应用奠定了基础，并可以得出下述结论:1)利用纯氧产生臭氧进行鱼类和水体的消毒杀菌较为有利，臭氧产生的浓度大效率高，而利用空气产生的臭氧进行氨氮、悬浮物和有机物处理比较有效和安全。

　　纯氧产生的臭氧在应用过程中须进行浓度的精准控制。

　　2)通过对纯氧产生臭氧进行设定阀值控制试验，验证了使用纯氧产生臭氧进行鱼类消毒杀菌安全控制的可靠性，在自控设备的保障下臭氧浓度可稳定保持在安全阀值内。

　　3)在工厂化养殖中应用臭氧处理系统，通过采取适当技术措施控制臭氧发生器的产量，可以达到控制养殖水体臭氧浓度、消毒杀菌安全和可靠的目的。

　　作者：曹广斌 戚翆战 韩世成 周煊亦 蒋树义 陈忠祥 单位：中国水产科学研究院黑龙江水产研究所 上海海洋大学工程学院

　　第二篇

　　1系统整体方案设计

　　在线式电能综合质量分析仪，能连续、实时、高分辨率地监测外电网的电能质量，并将高分辨率的录波数据、实时数据、故障波形、故障报警等信息，通过独立CAN总线上传给车站站机，由站机对数据进行显示、存储。

　　利用铁路信号微机监测的2M带宽专网，将外电网数据实时传送给远程服务器，使得通过远程终端可以查看各个车站外电网的实时高分辨率录波数据、实时数据(电压、电流、功率、功率因数等)、历史数据、报警记录、瞬间突变波形等信息，满足了电务段对于供电结合部管理的实际需要。

　　2系统硬件设计

　　在线式电能综合质量分析仪，包括信号采样电路、核心CPU模块、can总线接口电路。

　　2.1信号采样设计电能综合质量分析仪采集两路三相电的电压、电流。

　　电流采样采用开口的电流互感器CT53C104b-100A/50mA，将采样线从电流互感器中间穿过，通过电磁感应采集采样线中通过的电流，并输出最大50mA的电流，电流互感器输出的电流信号先在隔离转换板上转换为低于1.5V的电压信号，再输出到CPU板。

　　电压采样是在采样位置与信号隔离转换板之间连接采样线，在隔离转换板上，先经过保险管，再经YXY300-1.06V进行隔离转换，输出到CPU板。

　　保险管是防止电压采样线在电能质量分析仪内短路，影响到外电网正常运行。

　　采集的电压、电流信号经过隔离防护后接入CPU模块，不会因为在线电能质量分析仪采集外电网信号，对外电网的正常运行造成影响。

　　2.2CPU板设计核心CPU模块的中央处理器采用DSP芯片TMS320F2812[3]，外围电路包括电源电路、晶振、外扩RAM，电源采用DSP专用电源芯片PS73HD301，为TMS320F2812提供所需工作电源;晶振采用30M有源晶振和中央处理器的时钟端口连接，在TMS320F2812系统初始化时，将主频倍频为150M。

　　外扩RAM选用CY7C1041V33芯片，作为高分辨率数据的暂存空间。

　　2.3Can总线接口设计Can总线接口设计采用TMS320F2812自带的Can接口，在外围增加高速光耦6N137、Can收发器82C250以及Can防护电路。

　　Can收发器82C250和核心CPU模块的中央处理器自带的Can接口通讯连接，在Can收发器82C250的串行输入和输出端口设有光耦隔离电路及Can防护电路;从所述Can收发器82C250引出与外部Can总线连接的Can总线接口。

　　Can通讯线需采用双绞屏蔽线，且屏蔽层接地。

　　因在线式电能综合质量分析仪具有高分辨率数据采样，且具有较高的实时性，所以在TMS320F2812满足高分辨率数据采样的前提下，必须具有足够高带宽的通讯总线将数据及时地传送出去，且具有足够长的通讯距离。

　　Can总线具有1M带宽，且在速率500k时，通讯最大距离可达130m，可以满足高分辨率数据的传输带宽以及现场通讯距离的实际需求。

　　3软件设计

　　在线式电能综合质量分析仪，实时监测铁路信号机械室两路三相电的相电压(基波、谐波)、线电压、电流(基波、谐波)、频率、相位角、功率、功率因数等信息，并将实时采集的高分辨率实时电压/电流波形、瞬间波形突变等信息通过CAN总线上送给站机;同时，对采集的原始数据进行运算，计算出每相电压电流的有效值(基波、谐波)，定时上送给站机。

　　根据计算出的有效值，作为判断外电网断电/瞬间断电的依据。

　　并根据采集的高分辨率原始数据，判断是否有瞬间突变(突变时间≥2ms)，如果有瞬间突变波形，则截取突变前后几个周期的高分辨率数据进行存储，并记录突变时间、置位突变开关量，将突变时间、突变开关量、突变波形，依次上送给站机。

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