1、辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页 游泳池水处理系统的 PLC 设计 摘 要 在工业不断发展的今天，人们更加追求自动化的同时可编程序控制器映入了我们的眼帘，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，正文介绍了可编程序控制器（ PLC）、西门子 S7-300 CPU313及温度传感器在游泳池水处理系统 中 的应用及 PID调节 。 本 设计在详细 了 解了 S7-300 PLC 的结构、用法 ，以及游泳池水处理系统的工艺流程的前提下，运用 PLC 对水处理各环节进行精确的控制 。引 入 PLC 后 ， 比传统的游 泳
2、池更加安全、可靠，更加节省人力资源，操作简单，节省硬件等诸多优点，随着市场的开放与不断扩大许多国外的品牌不断 涌 入我国，我们可以选用更适合要求的产品。选用合适的 PLC 有利于系统的完美发挥，无论是从抗干扰能力 或 是其他方面 PLC 控制的系统都 是当前最具实力的产品。 关键词 ：可编程序控制器 ； S7-300； PID温控 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页 PLC designing of natatorium water processing system Abstract With the development and advancement of industry, t
3、he Programmable Logic Controller that has been widely applied in a lot fields has become focus nowadays. This designing is a material and concrete exhibition in the aspect of natatorium water processing system. This article mainly illustrates PID regulation and the application of Programmable Logic
4、Controller-PLC, Siemens S7-300 CPU313 and temperature sensor in the natatorium water processing system. The article has detailed introduced the S7-300 PLC structure and usage. Furthermore, it has completely complained the process of circulation water processing system and temperature regulation, as
5、well as the concrete operation process. Comparing to the traditional one, the PLC controlling system has made the natatorium more safe and credible. Moreover, it not only can be operated easily, but also can save a lot of human resource and hardware for us too. As people have known, Programmable Log
6、ic Controller has become the developing trend of industrial automation. Due to the open and distensible market, a lot of foreign products of PLC that provide more choices for us have entered. As people have known, a good choice of PLC will make the system more perfect. Keywords： Programmable Logic C
7、ontroller ； S7-300； PID temperature control 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 III 页 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 1 绪 论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 国内外游泳池水处理方式 . 1 1.3 本课题研究主要内容 . 2 1.4 课题研究的意义 . 2 2 系统概述 . 4 2.1 设计要求 . 4 2.2 控制系统简介 . 4 2.3 控制系统要求 . 5 2.3.1 水循环及过滤部分 . 6 2.3.2 水质检测及加投药部分 . 7 2.3.3 恒温加热系统 控制 . 7 3 PID温度控制 .11 3.1 基
8、本概念 .11 3.1.1 比例调节（ P 调节） .11 3.1.2 积分调节（ I 调节） .11 3.1.3 微分调节（ D 调节） . 12 3.2 PLC 中的 PID 控制实现方法 . 12 4 西门子 S7-300 及硬件设计 . 15 4.1 PLC 的简介 . 15 4.1.1 PLC 的特点 . 15 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 IV 页 4.1.2 PLC 的分类 . 16 4.2 PLC 的基本组成 . 16 4.2.1 主机 . 16 4.2.2 编辑器 . 18 4.2.3 I/O 扩展和其他外围设备 . 18 4.3 PLC 的基本工作原理和工作方式 . 18
9、 4.4 硬件介绍 . 19 4.4.1 数字量模块 . 19 4.4.2 模拟量模块 . 20 5 操作与软件部分 . 22 5.1 水循环控制过程 . 22 5.2 恒温加热部分控制 . 23 结 论 . 24 致 谢 . 25 参考文献 . 26 附 录 . 27 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页 1 绪 论 1.1 引言 随着社会的不断发展人民的生活水平也在不断提高，人民对物质、精神生活不断提出新的要求，健身、游泳、等娱乐活动不断增加，游泳逐步成为一项群 众性的休闲娱乐活动。在炎炎夏日，游泳场馆更是变成了人们消暑纳凉的消费场所。特别是在暑期，热浪滚滚，酷热难耐，许多家长带着放假的
10、孩子 ， 兴致勃勃地嬉戏畅游在游泳池之 “蓝天碧水 ”间。而在最热的时候，游泳场馆更是天天爆满 ， 随之而来对这些活动的客观要求也不断提出了新的标准与要求，对游泳的环境和各方面的要求也逐步提高。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。 1.2 国内外游泳池水处理方式 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
11、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，
12、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。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页 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
13、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
14、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
15、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
16、控制设备 。 由于它具有的功能强、可靠辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页 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。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页 2 系统概述 2.1 设计要求 1 循环水泵的自
17、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 1C。 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 温 度 仪 温 度 仪 P H 仪余 氯 仪浊 度 仪定 时 器伺 服 控制 器过 滤沙 缸过 滤沙 缸出池口水管1 号2 号循 环 水 泵热 交 换N布 水 口 布 水 口游 泳 池进池口水管热力蒸汽絮 凝 剂 加 投 消 毒 剂 加 投 稀 盐 酸 加 投 硫 酸 铜 加 投图 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辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5
18、页 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
19、 ”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。 进 水沙 缸废 水F 1F 2F 3 F 5F 4图 2.2 沙缸反冲洗工作示意图 2.3
20、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 S7-300 CPU313 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，辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页 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 水 循 环 主 程 序 开 始启 动 准 备自 动 ？启 动 1 号 泵故 障 ？计 时 8 小 时 ？启 动 2 号 泵故 障 ？计 时 8 小 时 ？手 动停 泵 延 时1 0 s停 泵 延 时1 0 s停 泵 ？停 泵 ？总 停水 循 环 主 程 序 结 束NYYNNNYYNYNYYN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
