基于s7_200PLC的游泳池水处理系统的设计说明 53页

ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY本科毕业论文基于s7-200PLC的游泳池水处理系统的设计DesignofS7-200PLC-BasedWaterTreatmentfortheSwimmingPool系（院）名称：电子信息与电气工程学院专业班级：自动化2008级2班学生：xxx学号：2008020200xx指导教师：彦涛指导教师职称：讲师2012年5月\n毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作者签名：　　　　　日　期：　　　　指导教师签名：　　　　　日　　期：　　　　　使用授权说明本人完全了解工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部容。作者签名：　　　　　日　期：　　　目录摘要IAbstractII引言1第一章概述21.1国外游泳池水处理介绍2\n1.2设计的目的、意义3第二章游泳池水处理系统方案设计42.1本课题研究的主要容42.2游泳池水处理工艺简介42.3游泳池净水系统的基本设计思想6第三章PLC的选型及其他硬件的选择83.1可编程序控制器PLC的选择83.2西门子S7-200PLC的硬件结构及扩展模块的选择83.3其它资源的配置10第四章硬件设计134.1水循环及过滤部分134.2水质检测及加投药部分控制系统144.3恒温加热控制系统214.4PID温度控制214.4.1PID调节214.4.2PLC中的PID控制实现方法22第五章软件设计245.1水循环及过滤部分245.2水质检测及加投部分265.3恒温加热控制部分295.3.1恒温及加热系统的工作原理295.3.2Smith补偿原理305.4系统仿真32结论34致35参考文献36附录37\n基于s7-200PLC的游泳池水处理系统的设计摘要：随着现代城市的发展，娱乐项目日益增多，游泳池成为人们日常生活必不可少的娱乐选择。游泳池水质的好坏对人们生活的影响越来越显著，因此必须努力提高水质及控制系统的性能，保证游泳池水质的清洁。可编程序控制器在各行各业的应用不断增加，让我们看到他的应用之广泛，此次设计是在游泳池水处理自动控制方面的一个具体体现。可编程逻辑控制器，简称PLC，是一种工业控制微型计算机。它的编程方便、操作简单，尤其是高通用性等优点，使它在工业生产过程中得到了广泛的应用。其中的一个应用便是游泳池水处理系统的控制，游泳池水处理PLC控制系统包括：水循环过滤净水系统，水质调整及加药系统，恒温加热控制系统三大组成部分。该设计介绍了这三大组成部分的硬件组成及软件设计方法，给出了软件流程图。着重介绍了模拟量输入信号的处理和调整方法。该PLC控制系统经实际应用表明，系统自动化程度高，运行稳定，可靠。本文还介绍了SIEMENS的PLC产品以及其对应的软件，并且用它来进行游泳池水处理控制系统的控制编程。关键词：西门子；可编程逻辑控制器；变频器；PID调节\nDesignofs7-200PLC-BasedWaterTreatmentfortheSwimmingPoolAbstract:Withthedevelopmentofmoderncitiesanincreasingnumberofentertainmentprojects,swimmingpoolbecomeanindispensablechoiceofentertainmentofdailylife.Thequalityofswimmingpoolwaterperformanceoftheimpactonpeople’slivesbecomingmoreandmoreobvious.Itmuststrivetoimprovetheperformanceofthequalityrectifyingandreagentaddingcontrolsystem.theProgrammableLogicControllerthathasbeenwidelyappliedinalotfieldshasbecomefocusnowadays.Thisdesigningisamaterialandconcreteexhibitionintheaspectofnatatoriumwaterprocessingsystem.ProgrammableLogicController，whichusedtobecalledPLCforshort,asonekindofindustriescontrolmicrocomputerobtainedthewideapplicationintheindustrialproductionprocess,foritseasyprogramming,easyoperation,andsoon.Oneofwhichisthecontrolofswimmingpoolwaterqualityrectifyingandreagentadding,andthemainfunctionofwhichusedislogiccontrol.ThePLCcontrollingofswimmingpoolwatertreatmentsystemincludes:watercyclefiltering,waterqualityrectifyingandreagentadding,temperaturesteadyingandincreasing.Thispaperintroducesthehardwarestructureanddesigningmethodofthesoftwarefortheaforementionedfourparts,designsthesoftwareflowcharts.Andintroducesthedisposalandadjustingmethodaboutthesimulationinputsignalindetail.BythepracticeapplicationofthePLCcontrollingsystem,itisprovedthattheautomationsystemrunssteadilyandcredibly.ThisarticlealsotalksabouttheproductofSiemensplcandsoftware,andusethissoftwaretocontroltheswimmingpoolwaterqualityrectifyingandreagentadding.KeyWords:Siemens;PLC;inverter;PIDadjusting\n引言当前人们越来越注重加强自身锻炼和健康娱乐，游泳及水上休闲活动也成为人们的首选项目。所以游泳池水质卫生和水处理技术越来越受到人们的普遍重视和关注，游泳池水质的清澈洁净直接关系到泳客的健康和安全。近几年来，集娱乐、休闲与健身为一体的游泳场馆的需求与建设可谓方兴未艾，国家级大型游泳馆、各种公共游泳馆、家用游泳池、星级宾馆的室游泳池等遍及全国城镇。游泳池、水上乐园像雨后春笋般涌现，其中许多游泳池已跳开古板的传统模式，摹仿国外的先进经验，设计更新颖，融健身性、娱乐性于一体，更具吸引力及生命力。现代游泳池水处理系统类似于自来水厂的水处理系统,通过循环水泵将水置换出来检测水质、检测温度、含氯等,再通过化学和物理的方法来调整水质,然后将达到标准水质的“净水”回灌进游泳池。PLC是一种为工业环境下应用而设计的,按照用户编制的程序实现控制和数据处理功能的组合器件,其可靠性高、简单易学、维护方便而广泛应用于各种控制系统。本文简单的介绍了基于PLC的水处理控制系统。\n第一章概述随着人民生活需求的不断提高，游泳逐渐成为人们生活中不可欠缺的体育运动项目，在生活中所处的地位越来越重要。近几年来，我国游泳设施发展很快，从游泳池使用地点分，游泳池有室外露天游泳池（场）以及室温水游泳池（馆）两大类。从游泳池的使用性质分，有比赛池，训练池，跳水池，儿童戏水池等；从经营性质分，有公用游泳池，商业宾馆游泳池，也有私人别墅住宅的游泳池等。随着使用人数的增加，游泳池中细菌滋生，水质变差，直接危害游泳者的身体健康，水处理成为不可忽视的一个重要问题。下面具体介绍一下游泳池水处理工艺流程及国外游泳池水处理技术。1.1国外游泳池水处理介绍游泳池中的水相对来说是一种易处理的水质，游泳池的水处理分为两个部分，即游泳池的循环水处理和溢流回用水处理。综合国外游泳池水的处理流程，一般采用以下工艺流程。　　对于原游泳池循环水采用直接过滤后投加消毒剂处理，消毒剂采用次氯酸钠消毒液，由次氯酸钠发生器现场制备提供。而游泳池溢流水，只要循环管道设计没有缺陷，避免了由于系统缺陷造成的浪费用水，这样就只有正常围的溢流水。对于正常的游泳池溢流水，如要处理，就先进行混凝处理，再经过滤、游泳池循环水泵，然后再加药消毒、最后进入游泳池。主循环过滤罐的滤料一般采用石英砂，其寿命长，过滤效果好。为了节约用水，保护水资源保证水质及卫生指标，绝大多数游泳池采用循环净化给水方式。但由于我国游泳场馆的发展相对较晚(二十世纪九十年代中后期才真正开始大规模发展)，所以在运行管理方面和给排水的设计方面积累总结的经验较少，缺乏系统的分析与交流，且游泳池的实际运行与规下的设计存在着较大的差异。就水处理系统来说，目前规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，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。\n1.2设计的目的、意义当前人们越来越重视加强身体锻炼和健康娱乐，游泳及水上休闲项目也成为了人们的首选项目。所以游泳池水质卫生和水质监测加投药技术越来越受到人们的普遍重视和关注，游泳池水质的清澈清洁直接关系到人们的健康和安全。同时也将决定水上娱乐项目经营的成败，要想取得良好的水质结果，必须依靠完善的水处理设备和成熟的专业技术才能得到根本的保证。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。对于游泳池的水处理工作，目的都是如何保证水质清澈清洁和安全卫生。游泳池水处理技术是一项与人们健康息息相关的重大课题，对于水上娱乐场所的发展具有特别重要的意义。必须进一步加强人们的水质安全意识，提高人们对水处理的意义的认识，使我国的游泳池和水上娱乐事业朝着光明、健康、高效的方向不断发展、壮大。第二章游泳池水处理系统方案设计\n2.1本课题研究主要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，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，决定首先开启哪一号泵，若无故障运行后，且在一个周期要求停泵，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，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不适应或受伤。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。2.2游泳池水处理工艺简介现代游泳池水处理系统与自来水厂的水处理系统相类似，主要是通过循环水泵将水从池中置换出来检测水质，然后再按照游泳池水质标准，通过物理以及化学的方法来调整水质，最后回灌到游泳池。一般要进行的水质检测项目有浊度、过氧化物含量、尿素含量、菌群总数、余氯值、pH值等。以池水浊度调整为例，当浊度达到一定值时，通过精确计量泵加投絮凝剂到循环泵前，由于絮凝剂能将水中悬浮物凝结成相对大小的块，通过过滤沙缸就可将浊度过大的池水过滤成净水回灌到游泳池中，这个过程基本是物理的过程。在水处理过程中除了水质调整外，在环境温度及水温较低时，还需对池水进行加温，池水加温是通过PID控制伺服蒸汽调节阀，定量地给水管道混合器通以蒸汽，使池水按要求保持恒温，整个水处理工艺流程图如图2.1所示。\n图2.1游泳池水处理工艺流程图另外，沙缸还有反冲洗过程，就是当系统运行一段时间后，沙缸的沙层表面会蓄积很多的污物，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。进水F1F2沙缸F3F4F5废水\n图2.2沙缸反冲洗工作示意图正常情况下，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，通常在一分钟之，需现场调整，最后，F5关闭，F4打开，反冲洗过程结束。2.3游泳池净水系统的基本设计思想游泳池水质检测及自动加投药控制系统首先要有两台循环水泵实现水循环控制，这就涉及到循环水泵的启停和联锁。系统要按照标准实现游泳池水质的浊度、酸碱度、余氯值的控制，要求浊度仪、PH仪、余氯仪检测到的水质模拟量信号输入到PLC的模拟量输入模块，当浊度超出水质控制标准外时，需启动/停止絮凝剂、消毒剂、稀盐酸精确计量泵实现水质的调整。游泳池水处理系统还包括池水加温控制，这里需要温度仪对游泳池出水口温度进行检测，并将检测结果送到PLC，PLC就要模拟量输出模块通过控制伺服控制器对蒸汽调节阀开度进行控制，从而实现调温。此外，循环水泵还需要一个手动过程，除了辅助自动过程的正常运行外还用于实现过滤缸反冲洗过程的操作。基于此，控制系统的基本设计思想如下图：沙缸口压力泳池水温浊度值余氯值PH值操作开关循环泵控制伺服控制器信息指示数字量输入数字量输出模拟量输出模拟量输入CPU及扩展模块\n图2.3控制系统简图在此设计思想基础之上，要实现游泳池清洁供水控制系统的设计，西门子CPU需接入模拟量输入输出模块，且至少需要5个模拟量输入模块，1个模拟量输出模块。具体实现时，如果CPU数字量输入输出口不足，还要接入数字量输入输出模块。硬件配置方面需要温度变送器，浊度、酸碱度、余氯值检测仪，精确计量泵用来加投药剂，交替工作的循环水泵及伺服控制器。\n第三章PLC的选型及其他硬件的选择3.1可编程序控制器PLC的选择通过对游泳池现场的工艺分析可知，游泳池水处理过程大体包括水循环及过滤部分、水质监测及加投药消毒部分、反冲洗过程和恒温加热部分。需要控制的参数有：水泵的启停和联锁、浊度、PH值、余氯值、水压、温度和反冲洗过程等。系统按照检测浊渡及自动加投药为重点，同时实现余氯值、PH值、温度检测和反冲洗过程等要求进行配置。通过各厂家PLC产品的比较，最后选门子（SIEMENS）公司生产的S7-200可编程序控制器。3.2西门子S7-200PLC的硬件结构及扩展模块的选择根据工艺要求，统计出开关量输入信号有19个点，模拟量输入信号有5个量，开关量输出信号有16个点，模拟量输出信号有1个。该系统由多个开关量、模拟量、多种自动检测仪、伺服控制器，控制要求自动化程度高、无人值守，对这样的控制系统，采用PLC控制可充分发挥其优势，能获得和好的控制效果。1.CPU226根据控制要求选用CPU226较合适。本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。由于是直流输入模块，所以采用直流电源作为检测各输入接点状态的电源（用户提供）。M、L+两个端子提供24V（DC）/400mA传感器电源，可以为传感器提供电源，也可以作为输入端的检测电源使用。对于继电器输出方式，既可带直流负载，也可带交流负载。负载的激励源由负载性质确定。输出端子排的右端N、L1端子是供电电源120/240V（AC）输入端。该电源电压允许围为85~264V（AC）。2.I/O模块I/O模块是系统联系外部现场和CPU模块的桥梁。输入模块用来接收和采集输入信号。输入信号有两类：一类是开关量输入信号；另一类是模拟量输入信号。\n可编程控制器通过输出控制模块控制接触器、电磁阀、电磁铁、调节阀、调速装置等执行器。可编程控制器控制的另一类外部负载是指示灯、数字显示装置和报警装置等。CPU模块的工作电压一般是5V，而可编程控制器的输入/输出信号电压一般较高，如直流24V和交流220V。从外部引用的尖峰电压和干扰噪声可能损坏CPU模块中的元器件，或是可编程控制器不能正常工作，所以CPU模块不能直接与外部输入/输出装置相连。I/O模块处理传递信号外，还有电平转换和噪声隔离的作用。3.编程器编程器除了用来输入和编辑程序外，还可以用来监视可编程控制器运行时梯形图中各种编程元件的工作状态。编程器可以永久地连续在可编程控制器上，将它取下来后可编程控制器也可以运行，一般只在程序的输入、调试阶段和检修时使用，一台编程器可供多台可编程控制器公用。4.EM231EM231的电压输入围：单极性0~10V，0~5V；双极性±5V，±2.5V。电流输入围：0~20mA；模拟量到数字量的最大转换时间：250μs；该模块模拟量的输入值为只读数据。模拟量输入模块（EM231）的输入信号经模数（A/D）转换后的数字量数据值是12位二进制数。数据值的12位在CPU中存放格式如图所示。最高有效位是符号位：0表示正值数据，1表示负值数据。每个通道占用存储器AI区域2个字节。5.EM235EM235具有4个模拟量输入通道、1个模拟量输出通道。模拟量输入功能同EM231模拟量输入模块，技术参数基本相同。电压输入围有所不同，单极性为0~10V、0~5V、0~1V、0~500mv、0~100mv、0~50mv。双极性为±10V、±5V、±2.5V、±1V、±500mV、±250mv、±100mv、±50mv、±25mv。该模块的模拟量输出功能同EM232模拟量输出模块。技术参数也基本相同。该模块需要直流24V供电。可由CPU模块的传感器电源24VDC/400mA供电。也可由用户提供外部电源。3.3其它资源的配置要完成系统的控制功能除了需要PLC主机及其扩展模块外，还需要各种开关、接触器和变频器等设备。1.接触器在变频恒温供水系统中，其中所有的设备运行都不是连续的，而是根据控制面板上的按钮情况或者根据传感器的反馈值直行动作的，因此需要PLC\n根据当前的工作情况，以及按钮的情况来控制所有设备的启停。2.变频器在该系统中的MM430变频器是一种风机水泵负负载专用变频器，能适用于各种变速驱动系统，尤其适合于工业部门的水泵和风机。以下就介绍了变频器的工作原理，我们知道，交流电动机的同步转速表达式：（3-1）式中n———异步电动机的转速；f———异步电动机的频率；s———电动机转差率；p———电动机极对数。由式(3-1)可知，转速n与频率f成正比，只要改变频率f即可改变电动机的转速，当频率f在0~50Hz的围变化时，电动机转速调节围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的，是一种理想的高效率、高性能的调速手段。主要优点有以下几个方面。（1）捕捉再启动功能，可使变频器与正在转动的电动机接触时所受冲击力最小。（2）采用较高的脉冲开关频率，运行时噪声较小。（3）具有完善的电动机和变频器保护功能。（4）具有较高的输出转矩。（5）具有旁路功能,可安全地将电动机直接转换为电源供电。（6）具有节能功能，可最大的节约能源。（7）如果对水泵进行驱动时，可以对无载空转状态进行检测。（8）集成的EMC滤波器能有效地降低对安装工作的要求。（9）复合制动功能可实现快速制动。3.余氯仪在线余氯分析高智能化在线连续监测仪，由传感器和二次表两部分组成。可同时测量余氯、pH值、温度。可广泛应用于电力、自来水厂、医院等行业中各种水质的余氯和pH值连续监测。余氯可分为化合性余氯（指水中氯与氨的化合物，有NH2Cl、NHCl2及NHCl3三种，以NHCl2较稳定，杀菌效果好），又叫结合性余氯；游离性余氯（指水中的OCl-、HOCl、Cl2等，杀菌速度快，杀菌力强，但消失快），又叫自由性余氯；总余氯即化合性余氯与游离性余氯之和。\n余氯仪测量原理：电解液和渗透膜把电解池和水样品隔开，渗透膜可以选择性让ClO穿透；在两个电极之间有一个固定电位差，生成的电流强度可以换算成余氯浓度；在阴极上：ClO+2H+2e→Cl+H2O；(3-2)在阳极上：Cl+Ag→AgCl+e（3-3）由于在一定温度和pH值条件下，HOCl、ClO和余氯之间存在固定的换算关系，通过这种方式可测量余氯。本系统采用的是CL8130A型余氯仪。8000系列工业在线余氯仪是带微处理器的水质在线监测仪。该仪表广泛用于饮用水处理厂、饮用水分布网、游泳池、冷却循环水、水质处理工程等各个行业。4.PH仪PH测定仪是一种常用的仪器设备，主要用来精密测量液体介质的酸碱度值，配上相应的离子选择电极也可以测量离子电极电位MV值，广泛应用于工业、农业、科研、环保等领域。实际上是水溶液中酸碱度的一种表示方法。平时我们经常习惯于用百分浓度来表示水溶液的酸碱度，如1%的硫酸溶液或1%的碱溶液，但是当水溶液的酸碱度很小很小时，如果再用百分浓度来表示则太麻烦了，这时可用pH来表示。pH的应用围在0~14之间，当pH=7时水呈中性;pH<7时水呈酸性，pH愈小，水的酸性愈大;当pH>7时水呈碱性，pH愈大，水的碱性愈大。本系统采用的是P-110在线PH计。P-110在线PH计既可以选用PH电极也可以选用ORP电极测量氧化还原电位值，广泛应用于游泳池、SPA、饮用水、污水处理等多种领域。5.浊度仪又称浊度计。可供水厂、电厂、工矿企业、实验室及野外实地对水样浑浊度的测试。该仪器常用于饮用水厂办理QS认证时所需的必备检验设备。浊度是表现水中悬浮物对光线透过时所发生的阻碍程度。水中含有泥土、粉尘、微细有机物、浮游动物和其他微生物等悬浮物和胶体物都可使水中呈现浊度。本浊度仪（浊度计）采用900散射光原理。由光源发出的平行光束通过溶液时，一部分被吸收和散射，另一部分透过溶液。与入射光成900方向的散射光强度符合雷莱公式：　（3-4）其中：I0——入射光强度Is——散射光强度N——单位溶液微粒数　V——微粒体积λ——入射光波长K——系数在入射光恒定条件下，在一定浊度围，散射光强度与溶液的混浊度成正比。\n上式可表示为：（A为常数）(3-5)根据这一公式，可以通过测量水样中微粒的散射光强度来测量水样的浊度。本系统采用的是GDS－3P散射光浊度仪。6.温度传感器温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，典型的有铜热电阻、铂热电阻等。其中铂热电阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪，它的阻值会随着温度的变化而改变，通常用PT100来表示。其中PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。PT100是广泛应用的测温元件，在-50~600℃围具有其他任何温度传感器无可比拟的优势，包括高精度、稳定性好、抗干扰能力强等。由于铂电阻的电阻值与温度成非线性关系，所以需要进行非线性校正。校正分为模拟电路校正和微处理器数字化校正，模拟校正有很多现成的电路，其精度不高且易受温漂等干扰因素影响，数字化校正则需要在微处理系统中使用，将Pt电阻的电阻值和温度对应起来后存入EEPROM中，根据电路中实测的AD值以查表方式计算相应温度值。常用的Pt电阻接法有三线制和两线制，其中三线制接法的优点是将PT100的两侧相等的的导线长度分别加在两侧的桥臂上，使得导线电阻得以消除。常用的采样电路有两种：一为桥式测温电路，一为恒流源式测温电路。本设计采用的就是三线制接线。由于铂热电阻测出的是温度变化，需要在将信号输入PLC前加一个温度变送器，将温度信号转换成电压信号。本系统采用的温度变送器是DZ4130，使用过程中要加一个24V的电源，该电源可以从PLC上直接获得。第四章硬件设计根据工艺流程图，统计出开关量输入信号有19\n点，模拟量输人信号有5个量，开关量输出信号有16点，模拟量输出信号有1个。该系统由多个开关量、模拟量、多种自动检测仪、伺服控制器、触摸屏组成，控制要求自动化程度高、无人值守，对这样的控制系统，采用PLC控制可充分发挥其优势，能获得很好的控制效果。控制系统具体硬件配里如下:西门子S7-200CPU226一台，4入/1出和4入/0出的模拟量模块各一台；DZ4130温度变送器两支；CL8130A型余氯仪一台；GDS－3P散射光浊度仪和P-110在线PH计一台；高温电动伺服控制阀一台；高温截止阀一台；精确计量泵四台；7.5kw循环水泵二台等。4.1水循环及过滤部分考虑到水循环运行基本无人值守，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(热继电器动作等)自动投入备泵。循环水泵的手动过程，只是配合自动过程的辅助手段。水循环主程序流程图，这部分以非正常停泵自动切换部分为重点和难点，可用部继电器做一个与循环水泵“同起/选停”的“监控器”，来判断是停泵信号还是故障信号以及8h切换信号，再经计时器延时切换和完成切换工作等。下图为各硬件连接图：图4.1循环水泵自动控制图\n图4.2精确计量泵接线图图4.3变频器接线图4.2水质检测及加投药部分控制系统\n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，输入到模拟量扩展模块0或l模块进行处理，处理后根据水质标准确定的控制量，控制精确计量加投泵加投药剂。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。图4.4浊度控制曲线及刻度值换算比例从图4.4所示浊度控制曲线看出，要求浊度控制值在2~4NTU，5NTU为浊度的限幅值和报警值，即当浊度值≧4NTU时开计量泵加投絮凝剂，当≤2NTU时关闭计量泵，通过是否加投絮凝剂，凝结或不凝结池水中的杂质，循环水流过过滤缸时产生不同的滤除作用，使池水的浊度保持在规定的围。主程序部分主要的功能就是通过比较器判断出浊度控制上下限值，再由Q0.4输出到加药计量泵实现絮凝剂加投控制;在Q.4输出时，需先起动搅拌电机搅均制剂再加投;其次主程序还包括何种条件下调用各子程序。在子程序中，主要对输人模拟量进行调整和处理。该控制系统的5个模拟量变送器输出信号围是4~20mA电流，而PLC模拟量输人模块接收到信号围是0~20mA电流。因此需要对输人电流量进行转换。再将输入电流量转换成PLC部刻度值，仍以浊度为例，从图4.5所示的坐标可以算得浊度控制上下限值对应的信号电流值x1、x2及限幅值x3，再通过换算得到相对应的刻度值。图中4mA对应的刻度值并不是0，而是6400，即相当于坐标原点移至(4，6400)，由此原点的新坐标按比例计算出对应的y1、y2及y3刻度值。其计算式如下:(4-1)(4-2)（4-3）（4-4）(4-5)\n(4-6)模拟量输入信号转换成刻度值还应当注意模拟量输人/输出模块本身的分辨率，如西门子S7-200的4模入/1模出模块EM235，分辨率为12位，而刻度值数据位为15位，即实际输人信号低3位数据“悬空”，为了使比较数据时相对稳定，可在信号输入时先将低3位移除，再使用该信号就可获得相对较“稳定”的信号。如图4.5中所示的最大刻度值为(4000)和最小刻度值为(800)，电流值保持不变，类似于式(4-1)到（4-6)，计算出新的y1、y2及y3刻度值即可。从流程图可看出程序有信号取平均值部分，浊度信号本身是易波动的信号，因此信号必须采若于次后取平均值才能使用。在触摸屏和显示屏上面的所显示的所有模拟量值都应使用取平均后的值。图4.5系统硬件框图\n图4.6CPU226-CN输入端口接线图（A）图4.6CPU226-CN输入端口接线图(B)\n图4.7CPU226-CN输出端口接线图图4.8扩展模块接线图(A)\n图4.8扩展模块接线图(B)\n以上各硬件I/O端口信息如表4.1所示：表4.1控制系统I/O分配表1I0.0急停总按钮SB0Q0.0KM0前接触器2I0.1总接触器启动SA1Q0.1KM0后接点、KA03I0.2手自动切换SA2Q0.21号泵KM14I0.31号泵启动SB3Q0.32号泵KM25I0.41号泵停止SB4Q0.4絮凝剂搅拌接触器KM56I0.51号泵热继KA1Q0.5絮凝剂加投接触器KM47I0.62号泵启动SB6Q0.6消毒液加投接触器KM38I0.72号泵停止SB7Q0.7CLO2液加投接触器KM29I1.02号泵热继KA2Q1.0硫酸铜加投KM110I1.1反冲洗启动SB11Q1.1蒸汽阀驱动KM911I1.2反冲洗停SB12Q1.2高温指示灯KM612I1.3伺服阀电启SB13Q1.3余CLO2指示KA513I1.4伺服阀电停SB14Q1.4过PH指示KA414I1.5搅拌热继KA5Q1.5脱液指示KA315I1.6絮凝剂脱液Q1.6热继电器接触器KM1016I1.7消毒剂脱液Q1.7蜂鸣器驱动接触器KM1117I2.0PH调节剂脱液AQ1控制伺服阀的阀门开度18I2.1硫酸铜脱液19I2.2过滤缸压力继KA620CH1PH仪21CH5温度传感器122CH6温度传感器223CH7浊度仪24CH8余氯仪\n4.3恒温加热控制系统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。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。4.4PID温度控制在工程实际中，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。4.4.1PID调节（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：（4-7）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，他们之间一定有偏差。比例调节的偏差随着比例带的加大而加大。（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\n（4-8）式中称为积分速度，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）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（4-9）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。4.4.2PLC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：（4-10）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：\n（4-11）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。\n第五章软件设计5.1水循环及过滤部分水循环及过滤部分主程序流程图如图5.1所示。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。手动程序直接简单,本文不再阐述。循环水泵的自动过程由两台泵互为备用(1#泵和2#泵),且8h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,且在一个周期要求停泵,当再次进入水循环主程序时,则起动当前泵N(当N=2,令N=1)。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，以此来保护水泵。\n水循环主程序启动准备自动手动NY启动1号泵故障N计时8h?启动2号泵故障N计时8h?停泵延时10秒停泵延时10秒YY停泵N停泵N总停水循环主程序结束YNYNY图5.1水处理主程序流程图\n5.2水质检测及加投部分水质检测都是通过各种检测仪器送来的模拟量检测信息,输入到模拟量扩展模块进行处理,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。在水质检测及加投药程序中，首先检查扩展模块0是否有错和用户电源是否有错。浊度仪检测浊度值信号存在波动，要取平均值后才能进行使用，浊度平均值的计算包括初始化程序和设置每批信号的采样次数。浊度程序中刻度值是0~32000，但基于扩展模块EM235分辨率的原因，要通过移位指令将程序刻度值变成0~4000。程序用移位实现除法，可节省直接除法处理的时间。当达到加投要求时，先启动絮凝剂搅拌器，再启动絮凝剂计量泵，将药剂加投到循环水泵前。\nSm0.1调用子程序7初始化浊度—絮凝剂主程序扩展模块错误？调用子程序1检查模块Sm0.0调用子程序8计算平均值循环水泵开vw420>=16640启动絮凝剂搅拌器3秒后启动絮凝剂计量泵vw420<=10240关泵及搅拌器浊度—絮凝剂主程序结束NYYYYNN图5.2浊度—絮凝剂流程图(A)\n子程序7开始预置采样计数器和清零子程序7结束子程序1开始子程序1结束检查SMB8模拟量模块是否连城扩展模块0检查SMB9扩展模块是否电源有错？设置错误标志NYYN子程序8开始从模拟量输入AIW4中取个值加到采样和中，采样计数器加一，直到最大采样数用移位发求采样平均值子程序8结束图5.2浊度—絮凝剂流程图(B)5.3恒温加热控制部分\n该部分将介绍自动控制部分。当环境温度及水温较低时,就还需对池水进行加温,恒温及加热控制主要采用PID调节,输出控制信号由AQW0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。当水循环过程开始运转后，可对水温进行调节与控制，当按下按钮温度按钮SB9后，他通过设置在PLC部的子程序来完成对温度的监控与显示，当发现水温发生过高或者过低时，可通过温度控制按钮SB10，系统将自动进行调节，可设置标准温度，当两个按钮都按下后，系统将很快很稳定的把温度调节在规定围以，由于他是不间断监控，所以调节速度会很快，SB10按钮是通过控制PLC部的一个继电器来控制伺服蒸汽阀的，省略了人为调节过程，也避免了人为造作的超调量过高。其中SB9、SB10必须在水循环系统开始以后才可以进行调节的。当池水温度过高或者过低时，通过出池口水温的测量，系统将根据设定标准是否报警，此系统的标准温度为23.5度，最低为20度，最高45度，如果超过45度或者低于20度，系统将发出响铃报警。5.3.1恒温及加热系统的工作原理根据恒温加热系统的主程序的开始，SM0.1就调用子程序0进行对系统的初始化、预置采样和清零。当子程序0结束以后，SM为0.0就调用子程序1进行对模块进行检测。如果出现错误就进行报警，如果没有错就调用子程序6对水温进行计算平均值。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不适应或受伤。水池温度控制规律由AQW0输出,控制蒸汽阀的开启;蒸汽进口温度控制规律由AQW1输出,控制蒸汽阀的开启度。中断程序0显示的温度为水池温度。每隔一定的时间设置中断0，送到显示屏，时间可以根据自己所需设定。然后根据传送回来的数据进行判断是否要急停。如果不需要，就进行下一步，调用子程序5，启动PID调节水温，由于水池容积较大,滞后现象严重,故在PID控制中加入前馈控制算法,但试验调试时,发现控制效果依然很迟缓。因此,去掉前馈控制,给系统增加一个补偿,尝试采用Smith补偿。5.3.2Smith补偿原理其补偿原理是:与PID控制器并接一补偿环节,即Smith预估器,其传递函数为(G(s)为水池对象传递函数；τ为纯滞后时间,取265s)。补偿后控制甚好。根据经验及现场实际调试,设定温度为23.5℃;进水口与水池温差为8.5℃(控制刻度为10752);PID控制采用PI控制,其中比例常数取1,积分时间常数取10min\n。当进池口温度低于20℃(16640)时,设置最大值(32000)输出;当进池口温度高于45℃(29440)时,设置0(6400)输出。再启动伺服蒸气驱动电源。当伺服蒸气驱动电源结束后，恒温及加热系统的主程序就结束了。恒温加热控制输入输出点配置如表5.1：表5.1恒温加热控制输入输出点符号地址注释运行M0.00运行1停止输出归一VD9000~1手自动M0.30手动1自动手动输出VD7000~1实际温度VD550度设定温度VD650度模拟输出AQW016000~0PID输出VW800VW800\n恒温-加热主程序开始包内一组数即命令头+温度值SM0.1调用子程序7初始化扩展模块有错误？调用子程序1检查模块I2.3=1？SM0.0调用子程序8计算平均值调用子程序4起动PID调节水温由AQW0输出恒温-加热主程序结束结束SM0.0给PID算法回路表设初值YYYYYNN子程序3开始子程序3结束Y转换为0～32000之间的整数送至AQW0中断1开始子程序4结束子程序4开始由I1.3或触摸屏按钮起动伺服电动蒸汽阀驱动电源SM0.0设置自由端口0控制寄存器发送数据“包”包内一组数即命令头+温度值每隔200ms设置中断0，发送出池口温度值传至大厅显示屏SM0.0设置限幅值及中断1将处理过的出池口温度值转换成0～1之间的实数M0.1调用PID运算指令中断1结束图5.3恒温及加热系统流程图(A)\n中断0开始SM0.1调用子程序3设置发送SM0.7调用特殊功能标志位SM130.0SM0.5触发发送XMT指令中断0结束图5.3恒温及加热系统流程图(B)5.4系统仿真水循环主程序仿真（1)首先运行“S7—200汉化版”图标，选择“文件”下的载入程序命令，出现对话框，按“确定”，又出现文件对话框，找到生成的“水循环及过滤.awl文件”,打开后系统出现提示字样“不能打开文件或无法读取配置文件或数据块”，直接按确定即可，这样就完成程序的载入。（2)按绿三角形按钮(运行按钮)，此时系统提示“确实要切换到运行状态吗”，选择“确定”，则此时系统电源红色指示灯灭。运行绿色指示灯亮。按下系统图中输入开关的左边第二个按钮，该按钮为I0.1，则输入指示灯I0.1绿灯亮，并且输出指示灯没有显示，按下系统图中输入开关的左边第四个按钮，该按钮为I0.3，则输入指示灯I0.3绿灯亮，并且输出指示灯Q0.2亮，表示循环水泵1开始运行。仿真结果如图：\n图5.4系统仿真图（A）按下左边第五个按钮，该按钮为I0.4，则输出指示灯Q0.2灭，，表示循环水泵1停止。再按下输入开关左边第七个按钮，该按钮为I0.6，则输入指示灯I0.6绿灯亮，输出指示灯Q0.3亮，循环水泵2开始运行。仿真结果如图：图5.4系统仿真图（B）输出指示灯按程序运行，按下总接触器控制开关I0.1，程序就会停止。\n结论本文介绍了游泳池水处理PLC控制系统三大组成部分的硬件软件设计方法，着重介绍了模拟量控制所要注意的问题，即模拟量输入信号的转换和调整方法，模拟量输出信号的处理方法等。该系统自动化程度高，控制稳定、可靠、直观、方便，本文总结出的该控制系统的一般规律，可为游泳池水处理和其他水处理控制提供借鉴。PLC技术的应用使游泳池水处理的全自动化可视化控制成为可能，使水处理系统的自动化、可视化水平及控制成为可能，使水处理系统的可靠性、智能性和安全性都得到提高，很好地满足了人们对现代游泳场馆的需要。同时也降低了能耗，减轻了工人的劳动强度，提高了管理效率。取得了明显的经济效益和社会效益，具有非常好的推广价值和应用前景。由于本设计基于理论完成，再加上本人知识有限，在系统设计中还有很多缺陷，还需要改进：(1)在方案中,没有对水池水位的控制要求,准确保证水水位,杜绝水溢出,以免浪费资源。(2)增加尿素的检测,保证水质的安全。采用尿素遇周围水变红的化学方案,控制迅速、可靠。\n致本次毕业设计中，我得到了指导老师彦涛的热心指导，在整个的设计过程中，老师对我热心指导、严格要求，在选题、系统总体设计与技术方案上，给予我宝贵的建议，帮助我建立了正确的设计思想。并且自始至终关心督促毕业设计进程和进度，帮助解决毕业设计中遇到的许多问题。还不断向我们传授分析问题和解决问题的办法，并指出了正确的努力方向，使我在毕业设计过程中少走很多弯路。保证了课题的研究和开发工作的顺利完成。我从他那里学到的不仅仅是学术方面的知识，更重要的是严谨的治学态度。在这里非常感老师的指导和帮助，并致以诚挚的意！同时，身边的同学给了我许多的帮助，大家相互探讨，共同研究，在此，我向身边关心我的同学致以诚挚的意！另外，系里的领导和老师也给了我们必要的指导，我也向系和年级的领导们表示衷心的感！最后感学院对我这几年的培养。\n参考文献[1]齐占庆.电气控制技术[M].机械工业，2002.30～32[2]余雷声.电气控制与PLC应用[M].机械工业，2001.122～126[3]王永华.现代电气控制及PLC应用技术[M].航空航天大学，2005.68～71[4]宏林.PLC应用开发技术与工程实践[M].人民邮电，2008.112～116[5]高钟毓.机电控制工程（第二版）[M].清华大学，2002.41～42[6]柴瑞娟，海霞.西门子PLC编程技术及工程应用[M].：机械工业，2007.60～63[7]S7-200CN可编程序控制器手册[M].西门子自动化与驱动集团，2005.223～226[8]吴中俊，黄永红.可编程序控制器原理及应用[M].机械工业，2004.172～178[9]廖常初.PLC编程及应用[M].：机械工业，2005.128～141[10]胡学林.可编程控制器教程[M].：电子工业，2005.129～131[11]廖常初.PLC编程及应用[M].,机械工业,2002,9.[12]马.监控组态软件及其应用[M].,清华大学,2001,3.[13]福来,等.水泵变频调速的节电量计算及系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