游泳池水处理系统的PLC设计文档格式.docx

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就水处理系统来说，目前规范基本上是按市政给水处理厂的要求来制定的，在设计中均是按照规范中的专业比赛用连续处理运行来设计的，而在实际运行过程中，无论是水质还是投药管理等，均不同于设计与规范，造成了水处理场地及设备的极大浪费，无形中增大了建设投资费用。

另外大多数游泳场馆未配制专业技术人员参与运行管理，因此，在实际运行过程中，因各种原因发生了较大的水耗、热耗及电耗，并造成了不必要的水质超标甚至恶化，给经营带来较大的负担与影响。

鉴此通过对现有设备下的游泳池的研究，对于进一步节水、节能，降低运行成本有着重要的经济意义，并由此总结实践经验，进行理论分析，从而提出游泳池水处理的优化设计。

1.3本课题研究主要内容

现代游泳池主要分三大部分：

一是循环及过滤部分，二是水质检测及加投药部分，三是恒温及加热部分。

水处理循环系统是整个系统最为关键的地方，主要由两台循环水泵互为备用，循环水泵是为提供循环动力及循环处理水量而设置。

循环水泵的自动过程由两台泵互为备用（1#泵和2#泵），且8小时自动切换和非正常停泵自动起动备用泵（如加热继电器动作等）。

起动过程由两台泵轮值起动，即在程序中设定一个起动泵号N（N=1、2），当第一次进入水循环主程序时，首先读取泵号N（并令N加1），决定首先开启哪一号泵，若无故障运行后，且在一个周期内要求停泵，当再次进入水循环主程序时，则起动当前泵。

以此，来减小某一台泵因连续工作而引起的损耗。

实际证明此方法可行且有效。

当某一台泵出现故障需停机时，需等待该泵完全停止后，方可开启另一台泵，否则会出现局部回流现象，极易损坏水泵，因此，在起动另一台水泵时，有一个10s的延时。

为了补充因各种原因所造成的池水热损失及加热补充水需设置换热设备。

目前，国内采用的是快速式换热器和新型板式换热器。

恒温加热部分由PLC可编程序控制器来控制，恒温及加热控制主要采用PID调节，输出控制信号由PQW288输出控制伺服控制器来控制蒸汽调节阀的开启度，定量地给汽水管道混合器通以蒸汽，使池水按要求保持恒温。

水池温度的检测通过两个途径获得：

一是水池温度；

二是蒸汽调节阀进水池布水口的温度。

检测蒸汽进水池的温度目的是为了与水池温度相比较，不致两者温差过大，以免造成人员短时间内不适应或受伤。

I2.3控制条件为紧急停止信号，由值班人员发出。

水质检测都是通过检测仪器送来的模拟量检测信息，输入到模拟量模块进行处理，处理后根据水质标准确定控制量，分别控制各药剂精确计量泵，加投水处理药剂。

各模拟量输入的处理及控制都基本相同。

絮凝剂加投的前提是循环水泵开启，若循环水泵未开启，絮凝剂加投后，也只是在局部起作用，不仅浪费资源，更使水质变差。

1.4课题研究的意义

本设计主要着重介绍各环节的控制和操作过程及原理，选用的控制设备也比传统的设备更为先进，目前可编程序控制器在整个电气控制领域已经占领主导地位，发展的也是非常迅速，它的控制方式采用可编程序控制器进行控制。

PC或PLC，它是在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。

由于它具有的功能强、可靠高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外以广泛应用于自动化控制的各个领域，并成为实现工业自动化的支柱产品。

近年来，国内在PC技术与产品开发应用方面的发展也很快。

除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越多的采用PC控制系统取代的继电器、接触器控制系统。

国产化的小型PC性能也基本达到同类国外产品的技术指标。

目前PLC已广泛用于冶金、化工、轻工、电力、建筑、交通、运输等各个行业[1]。

2系统概述

2.1设计要求

1．循环水泵的自动过程由两台泵互为备用，8h自动切换和非正常停泵自动起备用泵。

2．温度控制精度1°

C。

3．采用可编程序控制器设计。

4．画出原理图，编制程序。

2.2控制系统简介

图2.1游泳池水处理工艺流程图

现代游泳观的池水处理系统类似与自来水厂的水处理系统，通过循环水泵将池水置换出来检测水质，再通过化学和物理的方法调整水质，然后将达到一定水质标准的“净水”回灌进游泳池。

本设计的游泳池水处理工艺流程如图2.1所示。

通过循环水泵将池水置换出来检测水质，再通过化学和物理方法调整水质，然后将达到一定水质标准的“净水”回灌进游泳池。

一般检测项有浊度、过氧化物、尿素含量、菌去群含量、余氯值、臭氧值和pH值等。

以pH值调节为例，当pH值过高，超过控制时，则通过精确计量泵加投稀盐酸以调低pH值，这就是化学的方法。

再如当浊度达到一定值时，亦通过精确计量泵将絮凝剂（需搅拌）加投到循环泵前，絮凝剂可将水中悬浮物凝结成块，通过过滤沙缸把“浊水”过滤成“净水”回灌到泳池[2]。

另外，沙缸还有反冲洗过程，就是当系统运行一定时间后，沙缸的沙层表面会积蓄很多的污物，使沙缸对水的阻力增大，流速减缓，过滤效果下降。

因此，必须定期进行清除。

清除的办法就是使水流反方向流动，如图2.2所示。

温度仪I、II进行温度检测。

检测的结果经模拟量输入模块送到PLC，由PLC处理后一方面送控制屏进行温度显示，另一方面由PLC的PID指令控制。

经PID调节后，输出的信号通过模拟量输出模块控制伺服蒸汽调节阀，定量的给汽水管道混合器通以蒸汽，使池水按要求保持恒温[3]。

图2.2沙缸反冲洗工作示意图

2.3控制系统要求

该系统按只检测浊度、余氯、pH值和温度等几项来配置，PLC按输入/输出点数、通信接口数等技术要求选定，检测仪、泵、伺服控制器及操作系统根据工艺流程选定或按甲方要求选定。

具体硬件配置如下：

西门子S7-300CPU313一块，SM321、SM322的数字量模块各一块，SM331S、M332模拟量模块各一块；

德国普罗明特温度传感器——变送器两支，浊度仪、pH仪、余氯仪各一台；

高温电动伺服阀一台；

精确计量泵四台；

循环水泵两台；

大厅显示屏（自制）一台；

5.7in台达触摸屏一台；

控制柜（定制）一台。

2.3.1水循环及过滤部分

图2.3水处理主程序流程图

水循环及过滤部分主程序流程图如图2.3所示。

循环水泵的自动过程由两台泵互为备用，8h自动切换和非正常停泵自动启动备用泵（如热继电器动作等）。

循环水泵的手动过程，只是配合自动过程的辅助手段，手动状态除操作两台泵的起/停以外，还担当过滤缸反冲洗过程的操作。

正常情况下，水流的方向是F1入F4出，其他阀门关闭。

反冲洗时，水流从F2入F3出，其他阀门关闭。

污物被反向的水流带走而排入污水管道。

反冲洗持续时间需根据实际情况现场调整。

从反冲洗结束到正常过滤状态中间有一个过渡状态，这段时间水流不应流入泳池，因为此时水流不稳且有残余杂质存在。

因此这个过程的阀门状态是F1入F5出，其他阀门关闭。

这个过程持续时间很短，通常在1min之内，需现场调整，最后，F5关闭，F4打开，反冲洗过程结束。

反冲洗过程的触发条件一般有3个：

压差反冲洗、定时反冲洗和手动反冲洗。

这两个过程基本是物理的过程[4]。

2.3.2水质检测及加投药部分

水质检测都是通过各检测项目的检测仪器送来的模拟量检测信息，输入到模拟量模块进行处理，处理后根据水质标准确定的控制量，分别控制各药剂精确计量加投泵加投水处理药剂。

各模拟量输入的处理及控制都基本相同，这里仅以浊度—絮凝剂为例说明模拟量输入及控制的基本方法[5]。

浊度—絮凝剂流程图如图2.4所示。

从图2.5所示浊度控制曲线看出，要求浊度控制值在2~4NTU，5NTU为浊度报值，即当大于等于4NTU时开计量泵加投絮凝剂，当小于等于2NTU时关计量泵，大于等于5NTU报警。

如果在编程时将控制值转换为程序刻度值，由于浊度仪输出范围是4~20mA。

因此需分两步换算，如图2.6第一步，将2和4NTU对应的电流值求出来。

第二步，由电流值计算出对应的转换值。

即：

（2.1）

（2.2）

2.3.3恒温加热系统控制

在环境温度和水温较低时，还需对池水进行加温控制。

池水加温在泳池水处理中，也占有重要的地位。

它是通过温度仪I、II进行温度检测。

检测的结果经模拟量输入模块送

图2.4浊度—絮凝剂流程图

图2.5浊度刻度控制曲线

图2.6浊度刻度值换算比例图

到PLC，由PLC处理后一方面送控制屏进行温度显示，另一方面由PLC的PID指令控制。

经PID调节后，输出的信号通过模拟量输出模块控制伺服蒸汽调节阀，定量的给汽水管道混合器通以蒸汽，使池水按要求保持恒温。

该流程图仅介绍自动部分，如图2.7所示，该部分主要介绍池水（冬天）恒温PID调节，温度值向大厅显示屏传送的有关内容。

标准PID控制允许将闭环控制器、脉冲控制器以及步骤控制器集成到用户程序中。

带集成控制器设置的参数分配工具允许设置控制器，可在极短时间内优化使用。

如果简单PID控制器不足以解决自动化任务，可使用模块化PID控制。

可以互连所包含的标准功能块，创建几乎任何一种控制器结构。

恒温及加热系统主程序、子程序及中断部分梯形图恒温及加热系统主程序、子程序梯形图见附录。

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。

PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的[6,7]。

图2.7恒温加热系统控制流程图

3PID温度控制

3.1基本概念

PID控制是比例积分微分控制的简称。

PID控制是一种负反馈控制，在反馈控制系统中，自动调节器和被控对象构成一个闭合回路。

在连接成闭合回路时，可能出现两种情况：

正反馈和负反馈。

正反馈作用加剧被控对象流入量流出量的不平衡，从而导致控制系统不稳定；

负反馈作用则是缓解对象中的不平衡，这样才能正确地达到自动控制的目的。

PID控制具有以下优点

1．原理简单，使用方便。

2．适应性强。

3．鲁棒性强，即其控制品质对被控对象特性的变化不大敏感

3.1.1比例调节（P调节）

在P调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e成比例，即：

（3.1）

式中

称为比例增益。

比例调节的显著特点就是有差调节。

采用比例调节，则在符合扰动下的调节过程结束后，被调节量不可能与设定值准确相等，他们之间一定有残差。

比例调节的残差随着比例带的加大而加大。

3.1.2积分调节（I调节）

在I调节中，调节器的输出信号的变化速度

偏差信号e成正比，即

（3.2）

或

（3.3）

称为积分速度，可视情况取正值或负值。

调节器的输出与偏差信号的积分成正比。

积分调节器的特点是无差调节与P调节的有差调节形成鲜明对比，只有当被调节量偏差e为零时I调节器的输出才会保持不变。

然而与此同时调节器的输出却可以停留在任何数值上。

这意味着被控对象在负荷扰动下的调节过程结束后，被调量没有残差，而调节阀则可以停止在新的负荷所要求的开度上。

I调节的另一特点是它的稳定作用比P调节差。

采用I调节时口制系统的开环增益与积分速度

成正比。

增大积分速度将会降低控制系统的稳定程度，直到最后出现发散的振荡过程。

3.1.3微分调节（D调节）

调节器能够根据被调节量的变化速度来移动调节阀，而不要等到被调节量已经出现较大偏差后才开始动作，那么调节效果将会更好，等于赋予调节器以某种程度的预见性这种调节称为微分调节。

此时调节器的输出与被调量或其偏差对于时间的导数成正比。

即

（3.4）

单纯按上述规律运作的调节器是不能工作的。

这是因为实际的调节器都有一定的失灵区，如果被控对象流入流出量只相差很少以至被调量只以调节器不能察觉的速度缓慢变化时，调节器并不会运作。

但是经过相当长的时间以后，被调节量偏差去可以积累到相当大的数字而得不到校正，这种情况是不能容许的。

3.2PLC中的PID控制实现方法

典型的基于数字PID的闭环控制系统。

PLC的PID控制器的设计是以连续系统的PID控制规律为基础，将其数字化写成离散形式的PID控制方程，再跟据离散方程进行控制程序设计。

在连续系统中，典型的PID控制器的输入输出关系如下：

（3.5）

式中:

为控制器的输出量，

为输出的初始值，

为给定值与被控变量的误差信号，

为比例系数；

为积分时间常数；

为微分时间常数。

将上式离散化，第n次采样时控制器的输出为：

（3.6）

可以互连所包含的标准功能块，创建几乎任何一种控制器结构[8]。

FB41称为连续控制的PID用于控制连续变化的模拟量，与FB42的差别在于后者是离散型的，用于控制开关量，其他二者的使用方法和许多参数都相同或相似。

PID的初始化可以通过在OB100中调用一次，将参数COM-RST置位，当然也可在别的地方初始化它，关键的是要控制COM-RST；

PID的调用可以在OB35中完成，一般设置时间为200MS，原理上，PID的调节节奏应该与其采样周期一致，这是数学模型应与物理过程一致的要求。

这也就是FB41要在OB35中周期调用且OB35的周期要与FB41采样周期一致的原因。

当然，在OB1或其他FC、FB中调用FB41也是可以的，此时最好将OB1参数区中扫描周期作为FB41的采样周期。

FB41参数的设置很灵活，可根据自己的习惯或应用的方便选择。

PVPER_ON：

是PID输入输出参数“PERIPHERAL化”的使能位，即将参数看成0~27648之间的整数。

换个说法，就是PID的反馈值直接取自相应AIW通道，而PID输出则直接给出到AQW通道。

参数整定由FB41完成。

本设计用调节装置的启动标志来触发本位。

CYCLE：

采样周期。

根据物理量变化快慢定，一般要求与FB41执行的周期一致，选择200ms。

SP_INT：

PID的设定值。

注意设定值与反馈值的单位一致。

为了避免错误，建议将SP_INT转换为-100.0~100.0%之间无量纲的百分数，输入到FB41时，注意只取百分号之前的数即可，输入设定值38.8即23.5℃。

PV_PER：

PID过程的反馈值，直接取自反馈量的PIW通道的A/D码。

GAIN：

比例系数。

设定1。

TI：

积分时间。

设定10min。

LMN_PER：

PID的调节输出，直接对应调节输出AQW通道。

P_SEL：

BOOL：

比例选择位：

该位ON时，选择P（比例）控制有效；

选择有效。

I_SEL：

积分选择位；

该位ON时，选择I（积分）控制有效；

D_SEL：

微分选择位，该位ON时，选择D（微分）控制有效；

一般的控制系统不用。

LMN_HLM：

REAL：

PID上极限，一般是100%。

LMN_LLM：

PID下极限；

一般为0%。

4西门子S7-300及硬件设计

4.1PLC的简介

可编程序控制器（ProgrammableController），简称PC或PLC。

它是20世纪70年代以来，在集成电路、计算机技术基础上发展起来的一种新型工业控制设备。

由于它具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重量轻等优点，国外已广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现工业生产自动化的支柱产品。

近年来，国内在PC技术与产品开发应用方面的发展也很快，除许多从国外引进的设备、自动化生产线外，国产的机床设备已越来越快地采用PC控制系统取代传统的继电器控制系统。

国产化的小型PC性能也基本达到国外同类产品的技术指标。

4.1.1PLC的特点

1．可靠性高，抗干扰能力强

为了确保PLC在恶劣的工作环境下能可靠的工作。

在设计中强化了PLC的抗干扰能力，使之能抗诸如点噪声，电源波动，振动，电磁干扰等干扰，能在高温高湿以及空气中存在有各种强腐蚀物质粒子的恶劣环境下可靠地工作。

PLC能承受电网电压的变化，可直接由交流市点供电，直接取自电控箱电源，即使在电源瞬间断电的情况下仍可以正常工作[9]。

电源电压：

AC220±

15%

抗振强度：

10Hz~55Hz0.5mm3轴方向各2h

抗冲击强度：

10g3轴方向各3次

抗干扰强度：

1000Vp-p、脉宽1us、30~100Hz噪声

工作温度：

0℃~55℃

存放温度：

-20℃~+70℃

湿度：

35%~90%（不结雾）

耐压：

AC1500V1min（各端子与接地端之间）

2．编程简单，易于掌握

PLC在基本控制方面采用“梯形图”语言进行编程，这种梯形图是与继电器控制电路图相呼应的，形式简练，直观性强，广大电气工程人员容易接受，还可以采用系统流程图和语句表方式编程，三种语言可有条件地相互转化，PLC这是PC优于微机的另一个特点。

3．模块化结构

PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计有机架和电缆将各模块连接起来。

系统的功能模块可根据用户的实际需求自行配置，从而实现最家性能价格比。

由于配置灵活，使扩展，维护方便。

4．安装简便，调试方便

PLC安装简便，只要把现场的I/O设备与PLC相应的I/O端子相连就能完成了全部的接线任务，缩短了安装时间。

5．网络通信

PLC提供标准通信接口，可以方便地进行网络通信

6．体积小，重量轻，功耗低。

4.1.2PLC的分类

1．按结构型式分类：

整体式和模块式。

（1）整体式PLC是将电源，CPU，I/O不见都集中在一个机箱内。

（2）模块式PLC是将PLC各部分分成若干个单独的模块。

（3）叠装式PLC是将整体式和模块式结合起来。

2．按PLC控制规模分类

（1）小型PCI/O点数在256以下，存储器容量2K步。

（2）中