基于PLC的游泳池水处理系统.doc

重庆文理学院成人高等教育毕 业 论 文论文题目上：基于PLC的游泳池水处理系统论文作者：董长辉指导老师：尹 金专业班级：电子信息科学与技术学 号：31144500504提交论文日期：2010年10月10日论文答辩日期：年 月 日中国.重庆2010年 10月目 录摘要：3Abstract4第一章 序言111 引言112 课题背景及意义113 可编程控制器（PLC）的概述11.3.1 PLC的主要优点1第二章 系统的总体结构221 供水系统的结构2211 电气控制系统2212 控制系统的工艺流程图222 系统工作过程3第三章 硬件系统的配置331 PLC的选型332 其它资源的配置4321 接触器4322 变频器4323 各类按钮5324 人机界面5325 传感器5第四章 软件系统的设计54. 1 水循环及过虑部分64. 2 水质检测及加投部分743 加热及恒温控制部分94.3.1 恒温及加热系统的工作原理10432 Smith补偿原理10结束语10参考文献:11致谢语：12基于PLC 的游泳池水处理控制系统电子信息科学与技术2008级 董长辉摘要：随着人们的消费观念越来越高，人们也不满足现有的状态，偏向于物质生活，精神上的享受。而游泳池在我国也越来越普遍。可编程控制器（PLC）已经广泛地运用在所有的工业部门，是应用最广的计算机控制装置，是自动控制系统中的关键设备，随着其性能价格比的不断提高，应用范围不断扩大。本文是一个采用PLC与变频器等构成的供水系统，给游泳池进行供水。设计内容流畅、所设计的电路单元较为合理。关键词：PLC 变频器 循环Based on PLC, swimming pools, water treatment control systemElectronic information science and technology level DongChangHui 2008Abstract: in our country, the programmable controller (PLC) has been widely used in all industries, is the most widely used computer control device, is the key equipment automatic control system, with its performance to price rise ceaselessly, the application scope expands unceasingly. This paper is a PLC and inverter constitute the water system design, design content fluent, the design of circuit units is more reasonable.Keywords: PLC inverter cycle2008级电子信息科学与技术第一章 序言11 引言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。12 课题背景及意义随着人们的生活水平提高，城市游泳池及水上娱乐项目得到了迅速的发展。当前人们越来越重视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。本文简要阐述城市游泳池的水处理技术。对于游泳池的水处理工作，目的都是如何保证水质清澈洁净和安全卫生。就目前最常用的游泳池水处理手段而言，水处理过程一般包括混凝、过滤(吸尘)、和消毒、循环、恒温等手段。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和认识，使我国的游泳池和水上娱乐事业朝着光明、健康的方向不断发展、壮大。 13 可编程控制器（PLC）的概述可编程控制器（Programmable Logic Controller）简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已成为当代工业自动化的主要 控制设备之一，在工业生产的所有领域得到了广泛的应用，在其他领域（例如民用和家庭自动化）的应用也得到了迅速的发展。国际电工委员会（IEC）在1985年的PLC标准草案第3稿中，对PLC作了以下定义：“可编程序控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序及其有关设备，都应按易于使工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。”从上述定义可以看出，PLC是一种用程序来改变控制功能的工业控制计算机，除了能完成各种各样的控制功能外，还有与其他计算机通信联网的功能1。1.3.1 PLC的主要优点（1）可靠性高 PLC是专门为工业控制设计的，在设计与制造过程中均采用了诸多屏蔽、滤波、隔离、无触点、精选元件等多层次有效的抗干扰措施，因此可靠性很高，其平均故障时间间隔为2万小时以上。此外，PLC还具有很强的自诊能力，可以迅速方便地检查判断出故障，缩短检修时间。（2）编程简单 PLC用于编程的梯形图与传统的继电器控制线路有许多相似之处，对于具有一定电工知识和文化水平的人员，都可以在较短的时间内学会编程序的步骤和方法。（3）通用性好 PLC品种多，档次也多，可由各种组件灵活组合成不同的控制系统，以满足不同的控制要求。同一台PLC只要改变软件则可实现控制不同的对象或不同的控制要求。在构成不同的PLC的控制系统时，只需在PLC的输入、输出端子上，接上不同的相应的输入信号，PLC就能接受输入信号和输出控制信号。（4）功能强PLC能进行逻辑、定时、计数和步进等控制，能完成A/D与D/A转换、数据处理和通信联网等任务，具有很强的功能。随着PLC技术迅猛发展，各种新的功能模块不断得到开发，使PLC的功能日益齐全，应用领域也得以进一步发展。（5）体积小、重量轻、易于实现机电一体化 由于PLC采用半导体集成电路，因此具有体积小、重量轻、功耗低的特点。第二章 系统的总体结构21 供水系统的结构 供水系统的设计主要包括两个方面，机械结构的设计和PLC电气控制方面的设计。机械控制是控制系统的基础，是实现控制功能的前提。PLC电气控制系统是实现控制功能的核心。下面就对电气控制系统做一个简单的介绍。211 电气控制系统电气控制区系统主要包括操作面、电气控制控制柜等单元。由于在该系统中需要检测较多的数字输入量，并且还要检测模拟量的输入，然而根据设定的程序进行数据处理，输出控制信号，因此系统的控制逻辑与时序就需要严格按照检测信号的输入进行控制。电气控制系统示意图如图1所示。图1 电气控制系统示意图212 控制系统的工艺流程图控制系统的工艺流程图一般检测项有浊度、过氧化物、尿素含量、菌群总数、余氯值、水温、pH 值等检测。根据游泳池水处理控制系统的需要,对游泳池水处理系统工艺流程图设计如图2所示。图2 游泳池水处理控制系统工艺流程图22 系统工作过程控制系统的工作原理是由PLC作为核心控制器,通过检测操作面板按钮的输入、各类传感器的输入以及一些相关模拟量的输入，对传送回来的数据进行处理，输出控制信号，然则作出相应的操作。下面以余氯值调节为例,当氯值过高,超过控制值时,则通过精确计量泵加投消毒剂以调低含氯值,与此同时,定时器开始计时,计时结束,暂时关闭计量泵3 ,再次检测余氯值,若仍然偏高则继续开启计量泵,并重新计时,如此循环,直到水质余氯达到要求;若一次加投消毒剂,水质余氯值达到要求,便不再开启计量泵。根据试验,定时时间常数K为40s ,可达最佳效果 。图2 游泳池水处理控制系统工艺流程图。第三章 硬件系统的配置31 PLC的选型 根据游泳池供水系统的电气控制系统的功能需要,从经济性、可靠性方面来考虑，选择西门子S7200系列PLC作为本系统的控制主机，由于游泳池电气控制系统的输入/输出端口较少，而其控制过程相对复杂，因此采用PLC CPU226作为该系统的主机。S7_200系列PLC CPU226集成了24输入/16输出共40个数字量I/O点.或连接7个扩展模块,最大可扩展248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间.6个独立的30KHZ高速计存器,2路独立的20KHZ高速脑部输出,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4 。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内部集成特殊功能。32 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。321 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。322 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位： n60 f(1s)/p (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(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050Hz的范围内变化时，电动机转速调节范围非常宽。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体积小，结构紧凑。3采用模块化结构，组态灵活。4采用较高的脉冲开关频率，运行时噪声较小。5具有完善的电动机和变频器保护功能。6具有较高的输出转矩。7具有旁路功能,可安全地将电动机直接转换为电源供电。8具有节能功能，可最大的节约能源。9如果对水泵进行驱动时，可以对无载空转状态进行检测。10集成的EMC滤波器能有效地降低对安装工作的要求。11复合制动功能可实现快速制动。323 各类按钮在控制系统中的自动控制中，采用3种机械按钮来进行对供水系统的调试和运行进行控制。例如手动/自动按钮使用旋钮，即旋到一边接通，旋到别一边就断开。自动启按钮采用触点触发式按钮，急停按钮使用旋转复位按钮，按下后系统停止，旋转后自动弹起复位等等。 在手动状态下，对于每个设备都不能对应设置一个按钮，采用触点触发式按钮，即按下接通，松开复位。324 人机界面 该系统的显示系统采用西门子TD200文本显示器，该晃示器可适用于所有S7200系列的PLC，采用TD200主要完成以下功能。1 显示信息。2 设定和修改控制系统的参数，3 8个可由用户定义的功能键，可代替普通按键。4 通过强制I/O检测功能。TD200的连接很简单，只需在所提供的连接电缆到S7200系列接口即可，在距离不超过其规定范围时，由PLC对其进行供电。在编程时，可利用西门子公司提供的编程软件STEP-Mirco/WIN32，由于在CPU中已经保留了一个专门的域用于与TD200进行数据交换，所以只需要将显示及修改的中间继电器，寄存器等与文本显示器相应的数据区域进行连接即可。325 传感器 传感器的作用将压力、温度等非电量的物理量信号转换为电量信号，以便后续电路进行处理，在此系统中传感器将压力、温度以及水质等转换为电信号，传送到PLC特殊功能模块，在PLC主机中进行数据处理后，能过九泉之下信口变频器控制机。第四章 软件系统的设计系统软件主要完成模拟量信息的采集与处理,以及各个模块的相应常规的控制。 在文章中给出主程序和部分子程序流程图,并附以简要说明。为便于理解各子程序,主程序流程如图3所示。图3 子程序流程图说明:在进行开始时，子程序0 完成其它子程序的初始化、预置采样计数和清零 ,并与上位机连接,然后进行数据处理。子程序1完成检测，充当检测模块。子程序2 完成发送数据，充当发送数据模块。子程序3完成余氯控制。子程序4完成PH控制。子程序5进行PID控制。子程序6与子程序7 计算浊度平均值的程序编写相同,只是在程序中存储数据时赋以不同的地址。在运行程序中，当需要各个模块的时候，程序就会进入相应的子程序。以完成各个模块的相应功能。4. 1 水循环及过虑部分水循环及过虑部分主程序流程图如图4 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,且在一个周期内要求停泵,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。图4 水处理主程序流程图4. 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。各模拟量输入的处理及控制都基本相同,本文仅以PH值硝酸盐为例说明模拟量输入及控制的基本方法。PH值硝酸盐流程图如图5 所示。图5 控制检测及加投部分根据国家水质标准，PH值定为6.58.5之间。这是水的中性范围，饮用水的标准也是在这一个范围。在这个范围之内的水对人的身体无害，对皮肤也无刺激。如果低于或高于这一个范围，则需要用碳酸纳或氢氧化纳等来调节酸碱性。在这里选择硝酸盐做为中合物质。在加投硝酸盐的前提是循环水泵开启,若循环水泵未开启, 硝酸盐加投后,也只是在局部起作用,不仅浪费资源,更使水质变差。从图6 所示PH控制曲线看出,要求浊度控制值6.58.5之 间 ,6.5为PH值酸性报警值,8.5为碱性报警器。即当小于6.5或小于8.5时开计量泵加投硝酸盐,报警器报警。图6PH控制曲线根据水质检测部分的运行，系统应用了子程序0、子程序1、子程序4三个子程序。在系统中，对系统加了一个报警器，作为扩展模块检测不正常和PH控制不正常时报警，下面则对水质检测部分的子程序作以介绍。如图7所示。图7 PH控制子程序流程图43 加热及恒温控制部分该部分将介绍自动控制部分,如图 所示。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3 ,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.间隔相应的时间设置中断0传回显示屏恒温加热主程序开始紧急停止？SM0.1调用子程序0 YSM0.0调用子程序1 N调用子程序5报警 Y扩展模块是否有错？起动伺服蒸气驱动电源调用子程序6 N恒温加热子程序结束图8 恒温及加热系统流程图4.3.1 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内不适应或受伤。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。432 Smith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(1 - es) G( s) ( G( s) 为水池对象传递函数;为纯滞后时间,取265s) 。补偿后控制