基于控制网络的电镀铬废液中铬浓度监测系统设计

方 杉

(华东交通大学 电气与自动化工程学院，江西 南昌 330013)

铬是一种重要的合金元素，具有稳定的化学特性，在自然环境下极耐氧化，铬附着于其他金属表面，能够起到保护其他金属的作用[1-2].基于铬金属的优良特性，在工业中被认为是电镀保护镀层的最佳选择.电镀铬镀层具有诸多优良的性能，首先是铬镀层硬度高，可以达到1 000 HV以上，常被称为硬铬[3].铬镀层极为耐磨，因此被广泛应用于机械设备和汽车动力、传动、悬挂等系统的杆、轴类的加工[4].其次，铬镀层性能稳定、耐酸碱腐蚀、表面光亮，也常被用于装饰性产品的生产和制造[5].但在电镀生产过程中，排放的废液中带有较多的重金属离子,严重危害人体的健康，并会对周围的环境造成持续性的污染[6].

废液中的重金属离子，以正六价铬离子的毒性最大，因此在电镀生产过程中，要对电镀废液中的铬浓度进行实时准确地监控，并对废水进行有效的无害化处理[7].传统电镀铬废液中铬浓度监控方法，多为人工采样，效率低、准确性差，而且样品采集的可信度不高，不能有效地降低电镀废液的危害[8].随着计算机网络技术的快速发展，将计算机网络技术引入智能化控制系统已经成为一种发展趋势[9-10]，计算机控制网络不仅可实现控制系统管理功能，而且能使系统更高效、更准确地实现远程监控和数据共享[11].

针对传统电镀铬废液中铬浓度监控方法的不足，本文提出了一种基于控制网络的电镀铬废液中铬浓度检测系统设计.要进行多组零件的电镀铬实验，分析对镀液配方、电镀过程中电流密度、镀液温度、酸碱度等关键参数的控制及其不同的参数组合对镀后废液中铬浓度的影响.

依据实验结果，在保证镀件表面性能参数合格的前提下，获取最优的参数组合.依据这些参数组合，来准确设定废液中铬浓度监测系统硬件部分的参数值、监测区间，实现电镀铬废液中铬浓度的远程监控，并提高监测的精度.实验证明，提出的系统设计能够准确地监测废液中的铬浓度、降低电镀废液对工厂周围居民和环境的影响和危害.

1 一种基于控制网络的电镀铬废液中铬浓度监测系统设计

1.1 基于电镀铬实验的镀液最优参数提取

镀液的配比不仅关系到镀后产品的质量，还与电镀铬废液中的铬浓度密切相关[12-13].优化的镀液配方，在保证镀后产品表面质量合格的同时，能够最大限度地减少废液中正六价铬离子的含量，降低电镀废液的毒性.

镀液的配比浓度、酸碱度、镀液加热温度及电流密度均会对最后镀液中的正六价铬离子含量产生一定的影响.本文选定4组镀液参数分别进行电镀实验，分析镀后废液中铬浓度，并确定其变化区间[14-15].依据这些提取的废液中的铬含量，精确设定铬浓度检测系统的检测区间和参数，以提高检测的精度[16].

按1∶105的比例配置好Na3PO4溶液，并加温至90 ℃，去除镀件表面的锈蚀；按1∶135的比例配置Na2CO3溶液去除镀件表面过多的油污，清洗完毕后，使用热水清洗2遍.去油步骤要完全和彻底，如果不能达到表面检测的要求，要重复进行该步骤，如果去油不彻底，会导致镀层与零件结合的牢固度下降，增加掉铬的风险[17].

去油清洗后，正确称量NH4Cl晶体5 g，(NH4)2SO4晶体2 g，加入纯水1 L溶解，搅拌均匀，按此比例配制成活化液.将镀后的零件置于活化液镀槽中进行活化处理，控制时间为15 min，能够增加镀件表面的活性.

前处理完毕的镀件，准备进入电镀环节，分别采用4种不同的镀液配方及电镀参数控制，来确定镀后废液的正六价铬离子含量，确定其变化范围.未加入稳定剂的镀液配方如表1所示.

表1 零件电镀工艺参数及电镀铬配方(未加入稳定剂)

为了稳定镀液的水平，表2中的镀液配方加入了氟化物稳定剂，加入稳定剂能使镀液的性能更加稳定，而且在一定程度上，抑制正六价铬离子的生成，但稳定剂会增加电镀成本，还会对镀层质量产生一定的影响，具体讨论要基于实验的结果.

电镀完毕后，还要进行钝化、清洗、烘干的工序，将4种电镀废液进行检测，判定电镀废液中铬浓度水平[18].经过测定4种镀液的铬含量及其变化的范围如表3所示.

在保证镀后零件镀层表面合格的基础上，基于表3的检测数据，可以分析出加入稳定剂的镀液配方4的铬浓度最低，为最优的镀液配方；铬浓度的检测范围为45～65 mol/L，缩小监测范围，能够提高电镀废液中铬含量的精度，基于电镀铬实验结果，设定监测系统的硬件部分及软件工作流程.

表2 零件电镀工艺参数及电镀铬配方3(加入稳定剂)

表3 不同配方下电镀废液铬含量对比

1.2 基于控制网络的电镀铬废液中铬浓度监测的硬件系统构成

依据电镀实验结果、提取的最优参数组合及浓度监控范围等重要指标，来设定铬浓度检测系统的硬件部分和软件流程.

基于控制网络的电镀铬废液铬浓度监控系统的硬件部分主要包括：远程网络监控主站、Zigbee无线网络系统、基于USB的智能PC节点、电镀废水终端监控的RTU设计等部分，硬件系统的拓扑结构图，如图1所示.

图1 电镀废液中铬浓度监控硬件拓扑结构图

远程监控主站利用RS232总线，并通过Zigbee网络通信收发控制模块，来接收数据信息并传递指令.镀件制造完成后，电镀铬废液的监测信息通过终端RTU，进入废水处理主站PC启动废水处理系统.然后RTU初始化终端节点，校验相关参数，并加入到主站PC组建的Zigbee网络，实现控制网络的无线连接.其中，电镀废水终端监控结构图如图2所示.

图2 电镀废水终端监控结构图

电镀废水终端监控主要构件有：内核模块、电源、传感器控制电路、半导体传感器、信号调理电路.电镀废水终端用于对电镀铬废液中六价铬离子浓度进行监测，通过LED指示电路中的电流来评定感知信号强度 ,根据传感器控制电路中电流大小估算电镀废水铬浓度，通过信号调制电路将浓度数据与设备工作状态数据打包 , 通过无线网络发送到网关.

按照废水处理流程检测电镀废液中的铬浓度，上传到PC节点和远程的监控主站，基于数据库的 Web 应用判断废水中的铬含量.从终端 RTU 对采集的样品数据信息，通过网络将变送过程的参数、控制试剂投放量等重要信息传递到远程监控主站，经主站的分析和处理，确定废液中的铬含量.

1.3 基于控制网络的电镀铬废液中铬浓度监测系统的软件工作流程

电镀废水监控设备的硬件系统和整个控制网络由终端 RTU、PC 转发节点、远程控制系统等部分组成.基于硬件系统构建的软件工作流程可以描述为：终端 RTU 采集镀液的铬浓度信息，并且由PC端转发节点，功能由计算机语言编程实现.

利用计算机和数据库开发了上位机面向废水处理的Web应用，来实现对提取废液信息的分析和加工，并准确地检测出废液的浓度，并报警提示.及时获取废液的污染程度数据，及时对废液进行无害化处理，或定期提纯镀液、更新镀液配方.应用控制网络的电镀废水中铬浓度检测软件的工作流程如下图3所示.

图3 电镀废液中铬浓度软件工作流程

根据图3可知，电镀废液中铬浓度监测软件需要先进行系统初始化，然后设定Zigbee网络参数，判断无线信号的有无，无信号则重新进行Zigbee网络参数设定，存在无线信号进行无线网络通信；然后进行信号的传输，将信号传输给RTU终端，反之则返回无线通信部分.当检测探头与无线网关距离较远时,检测数据必须经过多次跳跃才能完成无线传输,而PC节点作为传输枢纽站,将通信信号的RTU终端与网关的通信距离缩短.通过采集末端节点发送的铬浓度和工作状态参数数据,把这些相关信息传送给监控主站.检测末端应用ZigBee/IEEE802.15.4协议,是一种内嵌组网协议，能够完成网络的组建,具有直接序列扩频功能,网络组建比较方便.RTU终端的硬件设计应用Zigbee，主要负责网络的建立、维护和管理.本文提出了一种基于控制网络的电镀铬废液中铬浓度检测系统设计.通过电镀实验，分析各种参数组合对镀后废液中铬浓度的影响；依据提取的最优参数组合，搭建系统的硬件部分和软件部分；通过优化控制网络配置、合理规划监控主站和终端，完成对电镀铬废液中铬浓度的远程精确监控，及时预警镀液的正六价铬离子含量，并做出相应处理，降低周围环境的危害.

2 实验结果与分析

为验证提出系统设计的有效性，进行了仿真实验，对本文提出系统设计的监测准确性和系统误差进行了对比分析.

本文系统设计基于控制网络，通过多个RTU终端，从多个镀槽取样和监控，因此监控的范围广、精度高；数据传输基于Zigbee无线网络，传输速度快；而远程监控主站具有强大的数据分析和处理功能，采用人工取样、半自动分析系统以及所设计系统三种系统进行检测准确率对比，三种系统检测结果如下图所示：

图4 废液中铬浓度监控对比图

图4为废液中铬浓度的监控对比曲线，从图中可以看出，本文基于控制网络的监控系统设计在检测精度方面具有较大优势.

废液中铬浓度检测结果与实际结果的误差率是一项重要的系统性能评价指标，将使用系统90 d后，提取的平均系统误差拟合成曲线，如图5所示.

图5 本文设计的系统误差曲线

从图5可以得出，本文基于控制网络的监控系统设计可以将系统误差控制在一个很低的范围.通过仿真实验验证了本文提出的基于控制网络系统设计的准确性和有效性.

3 结束语

电镀属于重污染行业，随着国家对环境保护重视程度的增强，如何对电镀废液进行有效监控和无害化处理，已经成为一个重要的研究方向和课题.本文将控制网络和电镀废液监控相结合，能够在提高监测速度的同时，改善了监控的准确率，并且能够实现远程操作.