毕业设计（论文）-游泳池水处理系统.doc

青岛滨海学院电气工程及其自动化专业毕业设计前 言随着生活水平的不断提高，大众在运动方面的重视程度也在不断增加。游泳作为一项对身体多项机能都能进行有效锻炼的运动，正受到大众的广泛追捧。目前国内大部分的游泳池的水质卫生和水处理技术还不够完善，部分技术水平还比较落后，但近几年游泳池的设计已经开始摆脱原来的传统方式，开始借鉴国外的先进经验，设计更新颖，使得这项运动变得更加具有生命力和吸引力。现代游泳池的水处理系统与自来水厂的水处理系统相类似，通过水泵将水抽离出来进行水质检测、温度检测、含氯量的检测等，之后对不达标的池水进行物理和化学等方式的处理，最后将处理合格的水灌入游泳池。PLC作为目前工业上广泛运用的可编程控制器，可以对游泳池的水处理系统进行控制，实现自动化。在人们日益重视自身健康的今天，游泳池的水质安全正在成为关注的重点，这就给水处理系统提出了重大的考验，也促使水处理系统必须不断地完善和发展。通过借鉴国外先进的游泳池水处理系统的经验，同时结合国内实际情况，在原来的水处理系统上做了一些完善。1概述1.1引言在物质文化不断丰富的今天，游泳正成为人们日常生活中一项十分重要的体育运动。尤其是在夏季，游泳馆经常爆满，这对游泳馆的水质安全提出了不小的考验，游泳池水处理技术的重要性得到了越来越多人的关注与重视，这也要求水处理技术要不断的完善和发展才能满足人们对游泳馆水质提出的更高要求。下面就介绍一下国内外在水处理方面的工艺流程和技术。1.2选题背景为了节约水资源，保护水资源保证水质安全及卫生指标，大部分的游泳池采用循环净化的给水方式。但因为我国游泳场馆的发展历史相对较晚，游泳池的实际运行与规范设计存在很大的差异，另外在实际的运行管理中，一般的游泳馆缺少专业的技术人员，由于种种原因造成较大的热耗、水耗以及电耗等资源浪费的现象，这些不必要的浪费给经营管理带来了一定的负担。通过对现有设备下游泳池水处理系统的研究，对进一步完善节水、节能，降低运行成本等方面有着突出的经济意义，并由此总结出一些实践经验，通过合理的理论分析，提出关于游泳池水处理的优化设计方案。1.3设计目的和前景目前越来越多的民众开始重视加强自身的锻炼，游泳作为一项健康的娱乐项目也自然成为了大众的首选。想要获得良好的水质，只有通过完善的水处理设备及成熟专业的水处理技术才可得到根本的保证。这些自动化程度要求较高的控制系统，就有了PLC的用武之地。就泳池水处理系统而言，最重要的就是保证泳池水质的安全与卫生。游泳池水处理技术的不断完善和发展对于水上娱乐场所的进一步发展具有重要的意义。泳池水处理技术的发展离不开市场和大众的支持，这就要求不断加强和提高人们的健康意识，让人们认识到水质安全的重要性，以及增强对水处理技术重要意义的理解。有了这样的社会需求与意识，水处理技术才能快速发展和进一步的完善。2游泳池水处理系统2.1主要研究内容现代游泳池水处理系统主要由三部分组成：第一个部分是水循环与游泳池过滤系统，第二个部分是游泳池水质调节系统，第三个部分是池水恒温加热系统。下图2-1为泳池水处理工艺图。图2-1游泳池水处理工艺图2.2水循环与池水过滤系统介绍水循环系统的运行基本是无人值守的，通过两台互为备用的循环水泵，实现水循环的自动运行，每间隔8个小时，两台水泵就会自动切换。令水泵为M，两台水泵编号分别为M1与M2，两台水泵在启动时为轮换启动，在此规定首次进入水处理系统中的水循环程序时，开启1号水泵，在运行没有故障且8小时之后正常停止，在下一次进入水循环程序时，就启动2号水泵。通过此法来减小某一台水泵因为反复启动造成的损耗。在运行的过程中若其中一台水泵停止运行，必须等待水泵完全停止动作才可以启动另一台水泵，以防止出现回流，造成水泵损坏。因此，在启动水泵时必须增加10秒钟的延时来保证另一台水泵有足够的时间完全停止动作。下图2-2是循环水泵自动控制图：图2-2 循环水泵自动控制图 在游泳池的过滤系统中，沙缸是最重要的过滤装置，通过加投絮凝剂将池水中的微小杂物凝结成较大块的杂物，然后经过沙缸过滤。沙缸的基本工作原理,如下图2-3所示，在沙缸正常工作的情况下，池水从阀门F1流入后，从阀门F4流出完成冲洗过程，与此同时其他的阀门全部关闭。除了此种情况之外，沙缸还存在另一种工作过程即反冲洗过程，在沙缸正常过滤一段时间后，沙缸中就会存在大量的过滤残渣，这会造成沙缸的过滤效果下降，水流进入沙缸后的阻力也会增大。因此，对沙缸进行定期的反冲洗是十分必要的。沙缸进行反冲洗工作时，水流是从阀门F1与阀门F2流入，从阀门F3与F5流出，此时其他阀门均处于关闭状态。沙缸中的过滤残渣在水流的冲洗作用下从排污管道流出。在沙缸进行反冲洗作业时，此时沙缸内的过滤残渣全部被水流冲出，此时水流不能流回泳池。因此反冲洗过程中阀门F4处于关闭状态，待反冲洗过程结束之后阀门F4打开，阀门F3与F5关闭，池水从阀门F1进入，从阀门F4流出，进行正常的过滤工作。反冲洗过程的持续时间一般较短，要根据现场的具体情况进行调试得出。沙缸中的滤料一般采用使用寿命长、效果好的石英砂。图2-3 沙缸反冲洗工作示意图2.3游泳池水质调节系统基本设计游泳池的水质调节系统包含两个部分，第一部分是游泳池的水质检测部分，第二部分就是自动投药部分。泳池的水处理系统通过循环水泵将游泳池中的水抽离出来之后进行检测，然后按照水质标准，运用必要的物理以及化学方法来改善水质，最后将达到标准的水灌入泳池。水质检测包括浊度检测、尿素含量检测、过氧化物含量检测、余氯值检测、菌群总数检测、PH值检测等。首先检测水质的各种仪器采集到实时的水质数据，检测仪器将采集到的模拟量数据传到PLC模拟量输入模块中，PLC将这些采集到的数据进行处理，与规定的标准值进行比较。若某个水质数据与标准量不符，PLC就会发出指令控制各个精确计量泵进行加投药，使得水质达到标准要求。下图2-4为水质调节系统控制图。图2-4 水质调节系统控制简图 模拟量输入方式与控制方法基本上是相类似的，在这里以浊度絮凝剂为例来说明水质调节系统的基本工作原理。图2-5 浊度控制曲线从图2-5所示的浊度控制曲线可以看出，标准浊度控制值是在24NTU，而5NTU是浊度的限幅值与报警值，即只要浊度值大于或等于4NTU时就要开启计量泵加投絮凝剂，当小于或等于2NTU时就要关闭计量泵，停止加投。浊度仪的量程是010NTU，经过电流变送装置转换成420mA电流输出到模拟量输入模块中，FX2N-4AD模拟量输入模块对应的电流输入范围也是420mA，内部对应的数字范围为032000。通过简单的计算可以得知，在浊度为2、4、5NTU时，对应转换成的电流值为3.2、6.4、8mA。在模拟量模块内部对应的数字为6400、12800、16000。这就可以PLC内部进行上下限的设定，即当数值低于6400时停止加投絮凝剂，当高于数值12800时，开启絮凝剂计量泵，当高于数值16000时，系统报警。2.4游泳池恒温加热在水处理工艺中仅仅对水质进行调整处理是不够的，当池水温度降低到标准温度以下时,还需要进行加温处理。当池水温度低于标准温度时，PLC就会控制伺服电机调节蒸汽阀门，向水管内通入一定量的蒸汽，保证池水温度在规定范围之内。目前国内游泳池的恒温加热系统的加热方式还比较落后，主要通过燃煤、燃气、燃油和电加热这四种方式。但这种加热方式的缺点十分明显，即能源消耗大，会造成环境污染。在国外，游泳池恒温加热系统比较成熟，采取的方式是太阳能结合电加热的方式为池水进行恒温加热。由于我国的太阳能资源存在很大的差异且太阳能集热器占用的面积比较大，因此太阳能加热方式只适合在太阳能资源丰富且场地面积大的游泳场馆，存在一定的局限性，但从节约资源、保护环境以及发展新科技的方面来说，具有无可比拟的优势。设计中，恒温加热系统采用的是太阳能加热与电加热相结合的方式，但在设计中，关于太阳能与电加热的部分不做详细的介绍，主要介绍游泳池的温度控制与调节部分。池水温度通过PT100温度传感器进行检测。检测到的实时数据通过模拟量模块传送到PLC中，经过PLC处理后再传送到显示器，与此同时根据与标准水温的对比，若低于标准水温则下达加热指令。下面介绍一下PID调节的相关内容。（1）比例调节 在比例调节中，调节器的输出信号u与偏差信号e是成比例的，即： （2-1）其中表示比例增益。（2）积分调节在积分调节中，调节器的输出信号的变化速率与偏差信号e是成正比的，即 （2-2） 其中表示积分速度，可根据情况取正值或负值。采取积分调节时控制系统的开环增益和积分速度是成正比的。增大积分速度会造成控制系统的稳定程度降低，直至最后出现发散振荡。（3）微分调节微分调节具有一定的预见性，它通过被调量的变化速率来进行调节的，而不是在被调量出现较大的偏差时，才开始调节，通过这样的方式，得到的效果会更好。微分调节的输出和被调量或其偏差对时间的导数是成正比的。即 （2-3）3 PLC选型及其他硬件的选择3.1可编程序控制器的选择通过对游泳池水处理系统的分析可知需要进行控制的主要参数有：浊度、水泵的启停和联锁、余氯值、PH值、水压、反冲洗过程和温度等。系统的输入点数为11个，输出点数为13个，考虑到随着水处理系统的不断发展，今后可能会出现新的控制要求，需要预留一些输入输出点，所以最终选择三菱公司生产的FX2N-32MR-001型PLC。实物图如图3-1所示。图3-1 FX2N-32MR-001型PLC3.2硬件与扩展模块的选择3.2.1 I/O模块I/O模块是连接外部信号与CUP的重要模块。主要作用是用于连接输入和输出软元件。输入信号分为两类：第一类信号是开关量输入信号，第二类信号是模拟量输入信号。PLC通过输出模块控制各种执行装置，PLC的其他外部负载装置还包括数字显示器、指示灯、报警器等。通常，CPU模块的工作电压为5V，然而PLC的工作电压通常较高，电压一般为直流24V或交流220V。若直接从外部接入电压，可能会导致CPU模块的损坏，或导致PLC不能正常工作。此时就需要I/O模块的电平转换与噪声隔离功能来发挥作用，保证PLC正常工作。实物图如图3-2所示。图3-2 I/O模块3.2.2 FX2N-4ADFX2N-4AD是三菱FX2N系列PLC专用的模拟量输入模块，具有四个模拟量输入通道，每个通道都可以进行AD转换，通道输入的信号可以是电流信号也可以是电压信号。电流信号的采集范围是420mA和-2020mA,电压信号的采集范围是-1010V。具体的信号采集范围可以通过缓存存储器BFM#0进行控制选择。FX2N-4AD模块占用FX2N拓展总线的8个点，供电电压为5V，电流为30mA。在420mA输入时，对应的内部数字值为032000。实物图如图3-3所示。图3-3 FX2N-4AD模块3.2.3 FX2N-4DAFX2N-4DA是三菱FX2N系列PLC专用的模拟量输出模块，与FX2N-4AD模块的功能正好相反，具有四个模拟量输出通道。信号的输出形式可为电压信号也可为电流信号，这主要取决于接线方式，电压输出时，输出电压范围是-1010V，电流输出时，输出范围是020mA。实物图如图3-4所示。图3-4 FX2N-4DA模块3.3其他硬件介绍除了PLC主机以及必要的拓展模块，控制系统还需要其他必要的硬件设备。下面简单的介绍一下相关设备。3.3.1接触器 在游泳池恒温加热系统中，所有的设备在运行时都是不连续的，只有在传感器发出反馈信号之后或者人为手动进行操作，因此需要PLC根据实际的工作状态，和实际的数据进行对设备的启停进行控制。接触器在这个过程中起到的作用就是闭合和断开触点，来达到控制设备的开启和停止。接触器分为交流接触器与直流接触器，工作原理就是当电流通过线圈产生磁场，使触头闭合，达到控制执行器的目的。实物图如图3-5所示。图3-5接触器3.3.3余氯仪余氯仪是由余氯传感器和余氯仪表两个部分组成的。可以同时测量PH值、余氯和温度。现在已经广泛应用于自来水厂、电力、医院等行业中水质中余氯的连续监测。在设计中使用的是CL8130A型余氯仪。实物图如图3-6所示。图3-6 CL8130A型余氯仪余氯仪基本原理是：电解液与渗透膜将电解池和水样品相互隔开，渗透膜选择性的只让ClO通过；在两个电极之间存在一个固定的电位差，生成的电流强度就可换算成余氯的浓度。 在一定温度和PH值下，ClO、HOCl与余氯之间存在固定的换算关系，通过这个固定的换算关系可以计算出余氯值。3.3.4 PH仪PH测试仪是一种十分常见的仪器，主要用于测量液体介质的酸碱度。PH的应用范围在014之间，池水标准PH值范围是6.57.5。设计中采用的是P-110在线PH计。实物图如图3-7所示。图3-7 P-110在线PH计3.3.5浊度仪浊度仪又叫浊度计，主要是对水样浑浊度进行测试的仪器。设计中采用的是GDS3P散射光浊度仪。实物图如图3-8所示。图3-8 GDS3P散射光浊度仪浊度的定义是水中悬浮物对光线透过时所造成的阻碍程度。浊度仪的原理是90度散射光原理。当光源发出的平行光束通过溶液时，其中一部分被吸收和散射，另外一部分则透过溶液。当入射光成90度方向时，散射光强度符合雷莱公式： （3-1） 其中I0为入射光强度； Is为散射光强度；N为单位溶液微粒数； V为微粒体积； 为入射光波长； K为系数； 当入射光条件恒定时，在一定的浊度范围之内，散射光的强度与溶液的混浊度是成正比的。 上式就可表示成： （A为常数） （3-2）3.3.6温度传感器热电阻是一种常用的温度检测仪器。它的主要优点是性能稳定，测量精度高，典型的热电阻有铂热电阻、铜热电阻等。其中测量精确度最高的是铂热电阻。设计中采用PT100铂热电阻。实物图如图3-9所示。图3-9 PT100铂热电阻 PT100是一种广泛应用的测温元器件，PT后的100表示的是它在0时阻值为100欧姆，当温度为100时它的阻值就约为138.5欧姆。因为铂电阻的电阻值和温度的关系是成非线性的，所以需要对其进行校正。因为铂热电阻能测出的只是温度的变化，所以需要在信号输入PLC之前加入一个温度变送装置，把温度信号转变成电流信号。4硬件设计控制系统具体硬件配置如下：三菱FX2N-32MR-001型PLC一台，4通道模拟量输入和4通道模拟量输出的模拟量模块各一块；一体化温度传感器一支；余氯检测仪一台；浊度检测仪和PH检测仪各一台；精确计量泵4台；循环水泵2台。4.1 I/O分配表表4-1 控制系统I/O分配表1X0水处理系统启动SB0Y0水温控制阀KM02X1水处理系统停止SB1Y11号水泵接触器KM13X2沙缸反冲洗启动SB2Y22好水泵接触器KM24X3总急停SB3Y3反冲洗阀驱动KM35X4总接触器SB4Y4高温指示灯HL16X51号热继电器KA1Y5低温指示灯HL27X62号热继电器KA2Y6过余氯指示灯HL38X7絮凝剂脱液SL1Y7过PH指示灯HL49X10消毒剂脱液SL2Y10低PH指示灯HL510X11PH调节剂脱液SL3Y11絮凝剂脱液指示灯HL611X12硫酸铜脱液SL4Y12消毒剂脱液指示灯HL712CH1PH测定仪Y13PH调节剂脱液指示灯HL813CH2PT100温度传感器Y14硫酸铜脱液指示灯HL914CH3浊度仪CH5絮凝剂加投计量泵1号15CH4余氯仪CH6消毒剂加投计量泵2号16CH7稀硫酸加投计量泵3号17CH8硫酸铜加投计量泵4号4.2硬件接线图FX2N-32MR-001型PLC与FX2N-4AD、FX2N-4DA模拟量模块的接线图如图4-1所示。PLC外接220V交流电源，X端口为输入端口，Y端口为输出端口。PLC通过串口与输入量模拟模块FX2N-4AD相连，输出量模拟模块FX2N-4DA再通过串口与FX2N-4AD相连。在模拟量输入模块中，测量仪器将数据采集完毕之后，经过变送器将数据变换成电流信号输入输入量模拟模块，输入量模块通道通过将VIN与IIN短接可以接收电流信号，信号通过模块进行AD转换，转换的信号进入PLC进行处理，处理完毕后，最后进入输出量模拟模块FX2N-4DA。输出量模拟模块再进行DA转换之后，将输出量模拟模块输出通道的IOUT与COM短接，就可以输出电压信号驱动精确计量泵加投药物。 图4-1 PLC及其模拟量模块接线图5软件设计5.1水循环与过滤部分在整个水处理系统中最重要的是水循环系统，主要的运行原理以及运行方式在前面已经做了介绍，这里就不在赘述。软件设计的主要方面也是围绕水循环系统进行设计的。图5-1为水循环主程序流程图。水循环主程序启动启动1号泵是故障否否停泵否停泵延时10秒停泵延时10秒是计时8h是启动2号泵是故障否否否停泵是计时8h是停止水循环主程序结束图5-1 水循环主程序流程图 下面介绍一下水循环主程序梯形图的具体作用。图5-2 水循环启动停止程序 如上图所示，X0为水循环启动按钮，X1为停止按钮，当按下启动开关后，M0得电并自锁，C100为保持型计数器，在程序中的作用是让水循环程序启动时，实现两台水泵的轮换启动。图5-3 水泵1运行程序 图中M6为1号水泵的中间继电器，当M0得电后，M6启动并运行8小时。图5-4 水泵2运行程序图中T1作用是在1号水泵停止运行之后，延时十秒，目的是保证1号水泵完全停止动作，防止回流。M7为2号水泵中间继电器，在1号水泵停止运行十秒之后，2号水泵开始运行并运行8个小时。图5-5 水泵循环运行程序 图中T3作用与上文提到的T1作用相同，都是水泵停止运行后的延时程序。RST为复位指令，复位C0与C1的作用是让水泵循环运行。图5-6 再启动水循环水泵2运行程序图中C100在水循环系统停止之后，第二次开启程序时闭合。M8为2号水泵的中间继电器，得电后运行8小时。图5-7 再启动水循环水泵1运行程序图中T5为延时计时器。M9为1号水泵中间继电器，得电后运行8小时。图5-8 水泵输出继电器程序M6和M9中间继电器共同控制1号水泵线圈Y1，M7和M8中间继电器共同控制2号水泵线圈Y2。图5-9 沙缸反冲洗程序按下X2按钮，水泵停止运行，延时十秒后，驱动沙缸的接触器得电，运行一分钟之后，自动停止运行。5.2水质调节与药物加投部分水质调节与药物加投主要是通过检测仪器采集信号，信号传送到输入量模拟模块中，再通过PLC处理之后，从输出量模拟模块输出控制计量泵完成药物加投的动作。这部分的软件设计主要是模拟量模块的程序设定。下面以输入量模拟模块为例简单的介绍一下的基本程序的设定。图5-10 FX2N-4AD模块基本设定程序 M8002为PLC初始脉冲，FROM指令将“0”位置的模拟量模块的ID号从BFM#30中读出与K2010进行比较，来检查模块是否为FX2N-4AD，若是，则M1得电。TOP指令将H1111写入FX2N-4AD的BFM#0，建立4个模拟电流输入通道。将4写入BFM#1BFM#4，表示4个通道的采样次数为4次。从BFM#29中读出模块的操作状态，若操作状态无误，则读取BFM#5BFN#8的平均数字量，并保存到D0D3中。FX2N-4AD共有32个BFM，每个BFM均为16位，BFM的分配表见表5-1。表5-1 BFM分配表#0通道初始化，初始值为H000#1通道1平均值采样次数（14096），计算平均结果，初始值为8#2通道2#3通道3#4通道4#5通道1这些缓存区为输入的平均值#6通道2#7通道3#8通道4#9通道1这些缓存区为输入的当前值#10通道2#11通道3#12通道4#13#14保留#15选择A/D转换速度 如设为0，则选择正常速度，15ms/通道（默认） 如设为1，则选择高速，6ms/通道#16#19保留#20复位到默认值和预设。默认值为0#21调整增益、偏移选择#22增益、偏移调整B7B6B5B4B3B2B1B0G4O4G3O3G2O2G1O1#23偏移值，默认值为0#24增益值，默认值为5000#25#28保留#29错误状态#30识别码K2010#31禁用5.3游泳池恒温加热部分在游泳池的恒温加热系统中，采用的是PID调节。这部分的软件设计主要是对PID指令进行参数设定，下面简单介绍一下PID指令以及参数的设定。下图为PID指令。图5-11 PID指令D0保存目标数据（SV）的数据寄存器地址，D1保存测量值（PV）的数据寄存器地址，D100保存参数的数据寄存器起始地址，D150保存输出值（MV）的数据寄存器地址。设定参数S3.S3.+28（D100D128）见表5-2。表5-2 参数区域设定参数区域项目设定内容S3.采样时间132767msS3.+1动作设定略S3.+2输入滤波常数0%99%S3.+3比例增益1%32767%S3.+4积分时间032767(100ms)S3.+5微分增益0%100%S3.+6微分时间032767(100ms)S3.+7S3.+19PID内部占用S3.+20输入变化量报警设定032767S3.+21输入变化量报警设定032767S3.+22输入变化量报警设定032767S3.+23输入变化量报警设定032767S3.+24报警输出S3.+25PV临界值宽度根据测量值波动设定S3.+26输出值上限设定输出最大值S3.+27输出值下限设定输出最小值S3.+28自整定结束到PID控制开始参数50%32767%6组态演示首先进入MCGS组态软件用户窗口。如下图6-1所示。图6-1 用户窗口设置参数变量，进入实时数据库进行设定。如图6-2所示。图6-2 变量设定 进入循环策略，可以对组态模拟程序进行编辑如下图6-3所示。图6-3 水处理模拟程序组态实时运行画面，如下图6-4所示。图6-4 运行画面总 结整篇设计主要介绍了基于PLC的游泳池水处理系统的三大组成部分，分别是水循环与游泳池过滤系统、泳池水质检测与药物投放系统以及保持池水恒温与加热系统，着重介绍了三个主要部分的软硬件的设计以及模拟量控制所要注意的问题。在整个毕业设计的过程中，自己做的主要工作有：（1）查阅与设计相关的大量文献资料，研究各个系统元件的作用。（2）制定设计的主要研究方向，论证系统的可行性。（3）绘制系统硬件的接线图，并对部分系统进行了完善。（4）编写游泳池水处理系统的主要程序，并用组态软件进行模拟。 在完成毕业设计的过程中，印象最深的是在三菱PLC的学习过程中遇到很多的困难，尤其在三菱PLC的PID调节上一直存在问题，通过反复的查阅三菱PLC使用手册，以及老师的帮助下，最终解决了问题。因整个设计是基于理论完成，加上本人的知识有限，在系统设计中还有很多缺陷，还需要改进：(1) 在设计方案中,没有对水池水位的控制做成具体要求,这有可能会造成泳池溢水，造成不必要的浪费。(2) 在水质检测中没有增加对尿素的检测，这有可能给水质安全造成一定的影响。致 谢随着毕业设计的完成，四年的大学生活也将结束，我十分珍惜这四年来与老师以及同学的情谊。尽管大学生活即将结束，但这份感情始终不会有丝毫改变。在最后的这段时间里，忙碌而充实，从一开做毕业设计时茫然，到现在完成毕业设计，其中遇到了很多的困难，因