1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1背景

在油田等工业场所以及日常生活中人们会产生大量的废水，这对过滤系统提出了巨大需求。但如果使用传统过滤器，需要维护人员定期的为其跟换滤芯以防止堵塞，这会造成大量的人力与财力的浪费。而自清洗过滤器的出现给这个问题提供了更好的解决方法。该方法是利用水压自动清洗滤网上残留的滤渣且不停止过滤进程^[1]。各种不同的自清洗过滤器其原理相同，但根据其自清洗方式可分为三类：吸污式、刷式(刮式)、反冲洗式^[2]。吸污式过滤器结构紧凑不太适合大量水量的过滤，而刷式过滤器自清洗时所耗工艺流体较多，且相对于普通液体，刮式更适合处理粘性流体等特殊液体。考虑到需处理的液体仅为污水，且进水量较大，这里选择双向反冲洗过滤器控制系统进行过滤。

1.2国内现状

我国对反冲洗过滤系统研究较晚，研究起初阶段是引进国外反冲洗过滤产品，其性能存在很大的缺陷。但近年来已有所改进，涌现出了如常州沛德水处理有限公司、苏州明瑞过滤等^[4]。除此之外，国内也对其改进进行了广泛的研究，例如使用叠式过滤器代替传统的篮式及Y型过滤器^[5]，又或者在炼油工业中对反冲洗过滤器加入超声波清洗措施^[6]。同时在PID控制方面，我国也在PID模糊控制取得一定进展^[7]。

1.2.1 工业用水自动反冲洗过滤器

DDFLQ型反冲洗过滤器是常州沛德水处理有限公司所研发的对工业用水进行处理的设备。其功能为滤除水中细菌、胶体、悬浮物等大分子物质，截留水中大的颗粒物及杂质降低水的SDI值。其工作原理是利用其自身压力逐个将其过滤器内滤芯进行反冲洗，将堵塞的颗粒排出过滤器外。

图1.1 DDFLQ自动清洗过滤器

1.2.2 新型层叠式过滤器

新型的叠式可以有效的解决传统的篮式与Y式过滤器清洗周期太短，拆洗工作量大的问题——其使用周期扩大了3倍（2天增至7天），，清洗周期更是增长至30倍（2天增至60天）^[5]。

图1.2新型层叠式过滤器的设计与应用

1.3国外现状

最早对反清洗过滤器进行研究的当属以色列，以色列有大片的沙漠其降雨气度不均，这使得他们必须提高对水资源的利用。曾今有三家著名的生产自清洗

过滤器的公司，分别是福马特（Filtomat）过滤有限公司、Arkal过滤有限公司和阿米亚德（Amiad）水系统邮箱公司。不过以水力驱动过滤器为特点的福马特公司于2001被阿米亚德公司收购。同时在美国，著名的TEKLEEN公司研发出了好几款全自动自清洗过滤器，最高可以节约90%的清洗水^[8]。在美国印第安纳包装工公司中TEKLEEN公司的反冲洗过滤器的应用不仅帮其节约大量清水，更是有效保护了环境。^[9]除此之外美国更是在简易反冲洗过滤器上花了巨大心血，并已经进入使用阶段，这可有效降低成本^[10]。现如今不仅仅在包装工业上，甚至在泳池清洁上，美国也推广了反冲洗过滤器。

1.3.1Amiad刷式自清洗过滤器

图1.3 CSB自清洗过滤器

污水从入口1进入设备内，通过过滤网2后杂质与液体分离达到过滤的效果。同时随着杂质的积累，入口1和出口2之间会形成一个压力差，待这个压力差到达设定之后，控制器控制打开冲洗阀，驱动电机5驱动冲洗刷3沿轴线转动，清洗杂质循环周期为10s。

1.3.2 TEKLEEN反冲洗过滤器

图1.4 TEKLEEN自清洗过滤器

污水首先通过粗滤网，然后进入细过滤室，由细滤网将污物过滤，得到的即为净水。杂物聚集在细滤网上慢慢形成压力差，当达到设定值后，传感器将信号传递给控制器，控制器打开冲洗阀使得污物收集器，液压马达内气压与大气压相通。这使得细滤网内外产生一个压力差，产生出吸力强劲的反冲洗水将吸嘴相对的滤网上的污物清洗干净。最后由冲洗阀排出。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

本次设计为双向反冲洗过滤器的控制系统。控制对象为双向反冲洗过滤器，其又多个阀门组成。所以收首先需要了解清楚双向反清洗过滤器的内部结构以及运行机制，清晰的明白过滤以及反冲洗的控制过程。其次搞清阀门的安装控制机理，方便控制系统控制其开关。最后，本次课题选用STM32单片机作为控制系统的核心部分，所以需要了解清楚此单片机的基本构造，控制原理与编程方法。

2.2设备结构，原理与控

图2.1 过滤器原理图

本次研究对象选择如图的双向反冲洗过滤器^[15]。由于采用对称设计过滤器两端均可进水与出水。当从左侧进水时，首先打开阀12,18关闭其他阀门。污水进入罐体通过挡板10中的空隙进入过滤仓8中，通过滤芯5,9最后排出清水。当因为滤渣堆积引起过滤仓8压力过大时，关闭进出水阀12,18，打开反冲洗阀15以及排污阀14，其他阀门保持关闭。污水经过过滤仓4过滤后反冲洗过滤仓8，污水通过16口排出。当得到清水后停止反清洗过滤仓8开始反清洗过滤仓4。关闭进出水阀18反冲洗阀19打开反冲洗阀17。同反清洗过滤仓8一样。污水在过滤仓8中过滤，然后全压反清洗过滤仓4。当16口流出清水后结束反冲洗过程。开启进出水阀12,18，关闭其他阀门开启正向过滤。

图2.2 反清洗过程流程图

2.4 方案对比

在控制系统方面可以采用两种方案PLC控制以及单片机控制

一．PLC控制特点

（1）可以完成基本的继电器逻辑电路控制系统，且具有体 积小、控制量大、具有无触点开关等特点，完全可以代替现有继电器系统，实现直接对电气元件的控制.

（2）故障率低，经久耐用。PLC一般由集成电路和继电器构成，结构紧凑，不易发生故障。

（3）功能强大，可以外扩触摸屏，通讯等模块。

（4）使用简单，一般来说，使用人员只需要按钮或触摸屏就可以操作系统。

（5）编程简单，开发周期短，通用性好，生产成本较高。PLC 程序设计一般使用语句表和梯形图，较为简单，通过改变程序 可以适用于不同的应用场合，但 PLC整机及模块价格较高

二．单片机系统特点

（1）单片机已属于计算机系列，其功能更加强大，通过芯片级进行扩展，

可以完成几 乎所有现场控制功能。通过硬件设计和软件编程使得工业现场检测与控制更加灵活。

（2）占用的空间更小，体积更加迷你。单片机一般是由PCB板和芯片构成。体积小便于嵌入自动化控制设备中。

（3）单片机一般使用的是汇编或者C语言等计算机语言，运行速度更快，实时性好。

（4）使用简单，可以用按键控制，液晶屏显示。

（5）生产成本低，通用性差，设计难度大，开发周期长。从单 片机硬件组成来说，是由各种芯片、分立元件和 PCB 板组成 的，成本较低。但是在硬件和软件设计方面，又有极强的针对 性，使得通用性差，且设计难度增加，开发试验周期长，不仅要保证所要达到的功能，而且要求性能稳定，

（6）故障查找较难，可维护性差。当单片机系统发生故障 时，软硬件故障都较难查找，维护性差。

2.4.1 科学性分析

本次设计为工业上污水使用的反冲洗过滤器，在使用的控制系统方面，不同于对控制系统有较高要求的设备（如危化品装车），本次设计的双向反冲洗过滤器环境不算极度恶劣，故PLC系统，单片机系统均可满足此次设计需求。并且在工程中是可以运用的。

2.4.2 社会因素分析

本次设计的控制系统对象为双向反冲洗过滤器，其设计本身并未违反任何一宗教禁忌。而因考虑到生产成本，其外壳不会使用多色彩如艺术品的设计，故其不会应文化因素遭到妨碍。而使用此机械的工厂一般处于全自动隔离状态，故产生噪声对周围居民及工人影响较小，不会受其投诉。故社会因素下不存在问题。

2.4.3经济成本因素分析

在设计中，PLC系统价格远高于单片机系统，且模块集成，不易往其外扩新的功能。而单片机系统价格低廉，易于外扩多种功能，方便在线维护。考虑到过滤器工作环境不是十分恶劣，为单片机设计独立工作隔离箱便可正常工作。算上其成本还是应比PLC系统低廉。

考虑到单片机系统价格低廉，功能强大（单片机系统对时间的把握更加准确，系统更加精确，方便通过串口等连接实时对设备的运行进行监控），故此次设计使用单片机作为控制系统。

3. 研究计划与安排

2018/2/26-3/11 明确设计任务，查阅相关的文献资料（知网，万方，谷歌学术等权威渠道），撰写出开题报告初稿给老师审阅

2018/3/12-3/18 完成开题报告，确定需要上传的英文文献翻译，并开始翻译

2018/3/19-3/25 开题报告定稿，相关英文文献翻译完成并上交以上文献资料

4. 参考文献（12篇以上）

[1]刘彭.过滤器的最新研究进展及应用[j].过滤与分离,2014,24(04):34-39.

[2]王爱伟,范德顺.自清洗过滤器的分类及特点[j].过滤与分离,2008(02):46-48.

[3]龚志广,常青,刘春蕾.“单片机原理及应用”课程与“plc原理及应用”课程教学的对比研究[j].西部素质教育,2017,3(03):253-255.