方 杉

(華東交通大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)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(xué)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(hù)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(rèn)為是電鍍保護(hù)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(dá)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(yīng)用于機(jī)械設(shè)備和汽車動(dòng)力、傳動(dòng)、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(yán)重危害人體的健康，并會(huì)對(duì)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(jià)鉻離子的毒性最大，因此在電鍍生產(chǎn)過程中，要對(duì)電鍍廢液中的鉻濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控，并對(duì)廢水進(jìn)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(zhǔn)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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入智能化控制系統(tǒng)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)[9-10]，計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)不僅可實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)管理功能，而且能使系統(tǒng)更高效、更準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)共享[11].

針對(duì)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(luò)的電鍍鉻廢液中鉻濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).要進(jìn)行多組零件的電鍍鉻實(shí)驗(yàn)，分析對(duì)鍍液配方、電鍍過程中電流密度、鍍液溫度、酸堿度等關(guān)鍵參數(shù)的控制及其不同的參數(shù)組合對(duì)鍍后廢液中鉻濃度的影響.

依據(jù)實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確設(shè)定廢液中鉻濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件部分的參數(shù)值、監(jiān)測(cè)區(qū)間，實(shí)現(xiàn)電鍍鉻廢液中鉻濃度的遠(yuǎn)程監(jiān)控，并提高監(jiān)測(cè)的精度.實(shí)驗(yàn)證明，提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)廢液中的鉻濃度、降低電鍍廢液對(duì)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(luò)的電鍍鉻廢液中鉻濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基于電鍍鉻實(shí)驗(yàn)的鍍液最優(yōu)參數(shù)提取

鍍液的配比不僅關(guān)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(guān)[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(shí)，能夠最大限度地減少?gòu)U液中正六價(jià)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(huì)對(duì)最后鍍液中的正六價(jià)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(jìn)行電鍍實(shí)驗(yàn)，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(shè)定鉻濃度檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)區(qū)間和參數(shù)，以提高檢測(cè)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(dá)到表面檢測(cè)的要求，要重復(fù)進(jìn)行該步驟，如果去油不徹底，會(huì)導(dǎo)致鍍層與零件結(jié)合的牢固度下降，增加掉鉻的風(fēng)險(xiǎn)[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(jìn)行活化處理，控制時(shí)間為15 min，能夠增加鍍件表面的活性.

前處理完畢的鍍件，準(zhǔn)備進(jìn)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(jià)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(jià)鉻離子的生成，但穩(wěn)定劑會(huì)增加電鍍成本，還會(huì)對(duì)鍍層質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響，具體討論要基于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.

電鍍完畢后，還要進(jìn)行鈍化、清洗、烘干的工序，將4種電鍍廢液進(jìn)行檢測(cè)，判定電鍍廢液中鉻濃度水平[18].經(jīng)過測(cè)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(chǔ)上，基于表3的檢測(cè)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(cè)范圍為45～65 mol/L，縮小監(jiān)測(cè)范圍，能夠提高電鍍廢液中鉻含量的精度，基于電鍍鉻實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定監(jiān)測(cè)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(duì)比

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

依據(jù)電鍍實(shí)驗(yàn)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(biāo)，來設(shè)定鉻濃度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件部分和軟件流程.

基于控制網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主站、Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、基于USB的智能PC節(jié)點(diǎn)、電鍍廢水終端監(jiān)控的RTU設(shè)計(jì)等部分，硬件系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)程監(jiān)控主站利用RS232總線，并通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)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(cè)信息通過終端RTU，進(jìn)入廢水處理主站PC啟動(dòng)廢水處理系統(tǒng).然后RTU初始化終端節(jié)點(diǎn)，校驗(yàn)相關(guān)參數(shù)，并加入到主站PC組建的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)體傳感器、信號(hào)調(diào)理電路.電鍍廢水終端用于對(duì)電鍍鉻廢液中六價(jià)鉻離子濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過LED指示電路中的電流來評(píng)定感知信號(hào)強(qiáng)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(hào)調(diào)制電路將濃度數(shù)據(jù)與設(shè)備工作狀態(tài)數(shù)據(jù)打包 , 通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān).

按照廢水處理流程檢測(cè)電鍍廢液中的鉻濃度，上傳到PC節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程的監(jiān)控主站，基于數(shù)據(jù)庫(kù)的 Web 應(yīng)用判斷廢水中的鉻含量.從終端 RTU 對(duì)采集的樣品數(shù)據(jù)信息，通過網(wǎng)絡(luò)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(yuǎn)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(luò)的電鍍鉻廢液中鉻濃度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件工作流程

電鍍廢水監(jiān)控設(shè)備的硬件系統(tǒng)和整個(gè)控制網(wǎng)絡(luò)由終端 RTU、PC 轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)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(diǎn)，功能由計(jì)算機(jī)語言編程實(shí)現(xiàn).

利用計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)庫(kù)開發(fā)了上位機(jī)面向廢水處理的Web應(yīng)用，來實(shí)現(xiàn)對(duì)提取廢液信息的分析和加工，并準(zhǔn)確地檢測(cè)出廢液的濃度，并報(bào)警提示.及時(shí)獲取廢液的污染程度數(shù)據(jù)，及時(shí)對(duì)廢液進(jìn)行無害化處理，或定期提純鍍液、更新鍍液配方.應(yīng)用控制網(wǎng)絡(luò)的電鍍廢水中鉻濃度檢測(cè)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(cè)軟件需要先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后設(shè)定Zigbee網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，判斷無線信號(hào)的有無，無信號(hào)則重新進(jìn)行Zigbee網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)定，存在無線信號(hào)進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通信；然后進(jìn)行信號(hào)的傳輸，將信號(hào)傳輸給RTU終端，反之則返回?zé)o線通信部分.當(dāng)檢測(cè)探頭與無線網(wǎng)關(guān)距離較遠(yuǎn)時(shí),檢測(cè)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(diǎn)作為傳輸樞紐站,將通信信號(hào)的RTU終端與網(wǎng)關(guān)的通信距離縮短.通過采集末端節(jié)點(diǎn)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(guān)信息傳送給監(jiān)控主站.檢測(cè)末端應(yīng)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(luò)的組建,具有直接序列擴(kuò)頻功能,網(wǎng)絡(luò)組建比較方便.RTU終端的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用Zigbee，主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、維護(hù)和管理.本文提出了一種基于控制網(wǎng)絡(luò)的電鍍鉻廢液中鉻濃度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).通過電鍍實(shí)驗(yàn)，分析各種參數(shù)組合對(duì)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(luò)配置、合理規(guī)劃監(jiān)控主站和終端，完成對(duì)電鍍鉻廢液中鉻濃度的遠(yuǎn)程精確監(jiān)控，及時(shí)預(yù)警鍍液的正六價(jià)鉻離子含量，并做出相應(yīng)處理，降低周圍環(huán)境的危害.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)本文提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性和系統(tǒng)誤差進(jìn)行了對(duì)比分析.

本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于控制網(wǎng)絡(luò)，通過多個(gè)RTU終端，從多個(gè)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(luò)，傳輸速度快；而遠(yuǎn)程監(jiān)控主站具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析和處理功能，采用人工取樣、半自動(dòng)分析系統(tǒng)以及所設(shè)計(jì)系統(tǒng)三種系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)準(zhǔn)確率對(duì)比，三種系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果如下圖所示：

圖4 廢液中鉻濃度監(jiān)控對(duì)比圖

圖4為廢液中鉻濃度的監(jiān)控對(duì)比曲線，從圖中可以看出，本文基于控制網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)在檢測(cè)精度方面具有較大優(yōu)勢(shì).

廢液中鉻濃度檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的誤差率是一項(xiàng)重要的系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，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(shè)計(jì)的系統(tǒng)誤差曲線

從圖5可以得出，本文基于控制網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以將系統(tǒng)誤差控制在一個(gè)很低的范圍.通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的基于控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和有效性.

3 結(jié)束語

電鍍屬于重污染行業(yè)，隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)重視程度的增強(qiáng)，如何對(duì)電鍍廢液進(jìn)行有效監(jiān)控和無害化處理，已經(jīng)成為一個(gè)重要的研究方向和課題.本文將控制網(wǎng)絡(luò)和電鍍廢液監(jiān)控相結(jié)合，能夠在提高監(jiān)測(cè)速度的同時(shí)，改善了監(jiān)控的準(zhǔn)確率，并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程操作.