基于s7200PLC的游泳池水处理系统的设计文档格式.docx
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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
Designofs7-200PLC-BasedWaterTreatmentfortheSwimmingPool
Abstract:
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
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、星级宾馆的室内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。
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）以及室内温水游泳池（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，商业宾馆内游泳池，也有私人别墅住宅内的游泳池等。
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内外游泳池水处理技术。
1.1国内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。
综合国内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，这样就只有正常范围内的溢流水。
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范下的设计存在着较大的差异。
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。
1.2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。
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
2.1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，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。
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，最后回灌到游泳池内。
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。
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。
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，通常在一分钟之内，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：
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。
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，最后选定西门子（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内部集成特殊功能。
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。
该电源电压允许范围为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。
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.EM231
EM231的电压输入范围：
单极性0~10V，0~5V；
双极性±
5V，±
2.5V。
电流输入范围：
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.EM235
EM235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。
电压输入范围有所不同，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）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。
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