基于組態(tài)王的游泳池水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任 偉 ，歐美英，谷勝偉 ，鄒國(guó)柱

游泳作為備受公眾喜歡的運(yùn)動(dòng)方式，最近幾年得到了廣泛推廣。由一開始的簡(jiǎn)單娛樂休閑到對(duì)健康生活的運(yùn)動(dòng)追求，人們對(duì)游泳池水質(zhì)處理等各方面的要求越來越高。保障泳池環(huán)境的最重要工作就是提高泳池池水的水質(zhì)，所以泳池池水處理技術(shù)也在不斷地進(jìn)步。

人們?cè)谟斡具^程中，會(huì)有大量廢物（汗液、口水、皮屑、毛發(fā)等）排到水里，嚴(yán)重影響水體質(zhì)量，易滋生細(xì)菌、傳播疾病，因此需要采取措施去控制水質(zhì)。對(duì)于游泳池水體的控制處理，主要是針對(duì)水體溫度、液位，以及水中余氯、pH值、臭氧、濁度的控制。對(duì)于這些變量的控制要求主要有：（1）水溫需要控制在23～30℃，其原因是這個(gè)溫度范圍比較適合人體在水中的運(yùn)動(dòng)，還可以很好地控制水體菌群的生長(zhǎng)。（2）余氯需要控制在0.3～0.5 mg/L范圍內(nèi)，這樣不僅可以保證消毒效果，消滅病菌病毒，使游泳池水中細(xì)菌數(shù)量控制在規(guī)定范圍內(nèi)，而且可以抑制藻類生長(zhǎng)，防止水體變綠，但水中余氯過高將會(huì)傷害人體，刺激皮膚。（3）游泳池水體pH值控制在7.2～7.6范圍內(nèi)，因?yàn)榭刂圃谶@個(gè)區(qū)域里，水對(duì)人體皮膚、眼睛不會(huì)產(chǎn)生刺激，比較舒適，且可以促進(jìn)余氯和臭氧作用的充分發(fā)揮。（4）臭氧控制在0.1～0.5 mg/L，具有很強(qiáng)的殺菌性及滅活病毒的作用［1］，能夠有效防止傳染性疾病傳播，但當(dāng)臭氧含量過高時(shí)，會(huì)強(qiáng)烈刺激人的呼吸道，造成胸悶、咳嗽，還會(huì)引起神經(jīng)衰弱和頭暈。（5）作為游泳的水體應(yīng)該是清澈透明的，因此渾濁度不應(yīng)大于5度。直觀上判斷池水透明度時(shí)，人們應(yīng)站在水深1.5 m的岸邊能清楚看到第4、5泳道水底的泳道標(biāo)志線。（6）池水深度主要控制在1.6～2 m范圍內(nèi)，此時(shí)比較適合人群活動(dòng)，水位過高會(huì)造成一定的安全隱患。

當(dāng)游泳池水中臭氧、余氯、pH值、濁度等指標(biāo)不達(dá)標(biāo)時(shí)，需要對(duì)池水進(jìn)行相關(guān)的物理或化學(xué)處理，使其達(dá)到正常值，從而達(dá)到改善水質(zhì)、健康娛樂的目的。

本文主要是利用組態(tài)王軟件對(duì)設(shè)計(jì)的相關(guān)功能進(jìn)行模擬仿真，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)調(diào)試并能實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。在水處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，組態(tài)王擁有不可替代的地位。組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)具有提供可視化操作界面、自動(dòng)建立I/O點(diǎn)、分布式存儲(chǔ)報(bào)警和歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備集成能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)勢(shì)使得組態(tài)王軟件在模擬仿真設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 主要結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)采用的是以西門子S7-200 PLC為下位機(jī)，組態(tài)王仿真軟件為上位機(jī)的控制方案［2］。主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。利用組態(tài)王發(fā)出命令信息，將控制信息傳給PLC，通過PLC去控制繼電器，然后便可以根據(jù)需要去啟動(dòng)或關(guān)閉相應(yīng)的電機(jī)，達(dá)到相關(guān)控制的目的。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

1.2 主要流程圖

池水處理系統(tǒng)主要由循環(huán)水泵、反沖洗、加投泵控制和水位水溫控制四個(gè)部分組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要流程如圖2所示。

圖2 主要流程圖

設(shè)計(jì)思路是先利用循環(huán)水泵將池中的水抽出，然后主要對(duì)余氯值、臭氧含量、pH值、水質(zhì)濁度等水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，再通過相應(yīng)化學(xué)方法和物理方法進(jìn)行加投泵控制等處理，同時(shí)對(duì)水位水溫進(jìn)行相應(yīng)控制。設(shè)計(jì)的最終目的就是對(duì)這些水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行同時(shí)控制調(diào)節(jié)，使其值控制在所設(shè)定的正常范圍里，形成一個(gè)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。例如當(dāng)檢測(cè)到水體pH值過高，濁度也過高時(shí)，立即啟動(dòng)稀鹽酸加投泵和絮凝劑加投泵，使pH值和濁度值降低。其他變量變化和調(diào)節(jié)與之相類似。

2 主要部分設(shè)計(jì)介紹

2.1 循環(huán)水泵控制

在本設(shè)計(jì)里，需要利用兩個(gè)循環(huán)水泵，分別命名為循環(huán)水泵1和循環(huán)水泵2。設(shè)計(jì)兩個(gè)水泵的原因是：一方面避免了單個(gè)水泵的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；另一方面保證了一旦其中一個(gè)水泵故障，另一個(gè)可以切換使用。這樣，可以提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

循環(huán)水泵1和循環(huán)水泵2的動(dòng)作設(shè)定思路：?jiǎn)?dòng)循環(huán)水泵1有兩種情況：一種是循環(huán)水泵1運(yùn)行時(shí)間超過切換時(shí)間，并且循環(huán)水泵2出現(xiàn)故障；另一種是循環(huán)水泵2工作時(shí)間超過切換時(shí)間且循環(huán)水泵1未出現(xiàn)故障。啟動(dòng)循環(huán)水泵2也有兩種情況：一種是循環(huán)水泵2運(yùn)行時(shí)間超過切換時(shí)間，并且循環(huán)水泵1出現(xiàn)故障；另一種循環(huán)水泵1運(yùn)行時(shí)間超過切換時(shí)間，循環(huán)水泵2正常。

2.2 反沖洗設(shè)定

反沖洗整個(gè)過程為：正常運(yùn)行—反沖洗運(yùn)行—過渡過程—正常運(yùn)行。這個(gè)過程主要是通過控制閥門的開啟和關(guān)閉去控制通過砂濾罐的水流方向來實(shí)現(xiàn)的。正常運(yùn)行的水流方向是從上向下，而反沖洗是使水流方向從下向上來實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)設(shè)置了2個(gè)啟動(dòng)反沖洗的條件：其一是通過檢測(cè)砂濾罐入口和砂濾罐出口的壓力，計(jì)算壓差，壓差大于或者等于設(shè)定的啟動(dòng)反沖洗壓差，則自動(dòng)啟動(dòng)反沖洗；其二是手動(dòng)反沖洗，通過按手動(dòng)反沖洗按鈕，執(zhí)行反沖洗操作。

2.3 加投泵部分設(shè)定

加投泵或閥門和水質(zhì)檢測(cè)變量是一一對(duì)應(yīng)的，余氯值對(duì)應(yīng)消毒劑加投泵，濁度值對(duì)應(yīng)絮凝劑加投泵，pH值對(duì)應(yīng)稀鹽酸加投泵，臭氧值對(duì)應(yīng)臭氧閥等。仿真中水質(zhì)檢測(cè)處理部分設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是使檢測(cè)變量的值控制在一個(gè)范圍內(nèi)，一旦檢測(cè)到的值不在這個(gè)范圍里，就啟動(dòng)或停止相應(yīng)的加投泵或閥門工作。

在實(shí)際運(yùn)行中，之所以其中的變量如濁度、pH值、臭氧等會(huì)變高或變低，還能控制在一定范圍里，主要是因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)是在不停地運(yùn)行，不停地調(diào)節(jié)，相互之間會(huì)受到影響。例如：當(dāng)濁度變高時(shí)系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行絮凝劑加投處理，使其變低，一旦低于限定值即關(guān)閉相應(yīng)調(diào)節(jié)泵，但由于游泳池中人群的活動(dòng)，濁度又會(huì)提高；由于游泳池水中添加了消毒劑、漂白粉等，水體呈現(xiàn)堿性，當(dāng)pH值低于7.2時(shí)，關(guān)閉稀鹽酸加投泵，由于水中添加劑、濁物和新注入一部分水等原因又會(huì)使水體pH值提高，使其恢復(fù)到7.2以上的控制范圍中；對(duì)于水中臭氧量和余氯量的變化控制也是如此，當(dāng)水中臭氧或余氯含量過高時(shí)，關(guān)閉臭氧閥或消毒劑加投泵，水中臭氧或余氯含量會(huì)隨著池水不斷更新而降低，直至降低到控制范圍。這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的過程，通過不斷地控制調(diào)節(jié)來維系它的穩(wěn)定。

2.4 水位水溫控制

液位對(duì)應(yīng)清水加注閥、溫度對(duì)應(yīng)蒸汽調(diào)節(jié)閥。水位的高低變化是由反沖洗過程排出污水和清水注入等所導(dǎo)致。而水體溫度變化是由于水體不停散熱和蒸汽調(diào)節(jié)閥打開通蒸汽導(dǎo)致的。因此設(shè)計(jì)控制也是保證其液位和溫度在正常范圍內(nèi)，一旦測(cè)量到的值不在正常范圍內(nèi)，將會(huì)反饋到其對(duì)應(yīng)閥門，控制其打開和關(guān)閉。

3 通信和變量建立

3.1 通信建立

利用安裝的組態(tài)王軟件，在設(shè)備管理里面找到COM，對(duì)其相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。一般情況下不需要改動(dòng)，盡量使數(shù)據(jù)與S7-200 PLC設(shè)定的值相一致，這樣才有利于軟件的正常使用。

新建設(shè)備連接時(shí)，從設(shè)備中選擇PLC，找到西門子S7-200系統(tǒng)，選擇 PPI［3］。 設(shè)定設(shè)備名稱時(shí)使用預(yù)設(shè)的“新IO設(shè)備”。對(duì)于相應(yīng)通信端口，不能直接決定類型，需要跟電腦實(shí)際使用端口一致，故先查到電腦端口類型再選好其串口號(hào)。設(shè)定PLC的地址時(shí)設(shè)定值需要跟實(shí)際PLC的地址相一致。

3.2 變量建立

本文對(duì)于游泳池水處理設(shè)計(jì)主要包括各類加投泵、循環(huán)水泵、清水加注閥、蒸汽調(diào)節(jié)閥，以及關(guān)于pH、濁度、臭氧和余氯的讀取值和控制范圍值等。為了建立組態(tài)王與PLC的通信和組態(tài)王動(dòng)畫，這里需要先建立相應(yīng)變量，對(duì)于變量具體的設(shè)置內(nèi)容包括變量名、變量類型、初始值和最大最小值等［4］。圖3是變量余氯值的設(shè)定，其他變量的設(shè)定與之類似。

圖3 定義變量

4 組態(tài)王監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

基于組態(tài)王的界面設(shè)計(jì)主要建立了主監(jiān)控畫面、參數(shù)設(shè)定畫面、實(shí)時(shí)曲線畫面、歷史曲線畫面、報(bào)表畫面、報(bào)警畫面等［5］。通過設(shè)計(jì)的畫面，能夠?qū)τ斡境厮\(yùn)行進(jìn)行仿真模擬、實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)。

4.1 主監(jiān)控畫面

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，利用組態(tài)王仿真的主監(jiān)控畫面如圖4所示。其中輔助添加了報(bào)警閃爍指示，用來判斷測(cè)量值是否超過預(yù)定值范圍，一旦超出范圍，將閃爍提醒，具有良好的人機(jī)交互功能。

圖4 主監(jiān)控畫面

4.2 循環(huán)泵監(jiān)控

設(shè)計(jì)中加入循環(huán)水泵，是為了將泳池水抽出，便于后面的檢測(cè)和處理。在實(shí)際使用中，考慮到循環(huán)水泵單獨(dú)長(zhǎng)期使用可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)體溫度過高或高負(fù)荷運(yùn)作帶來的損壞等故障，因此需要利用兩個(gè)循環(huán)水泵交替使用來提高系統(tǒng)的高效性和穩(wěn)定性。

循環(huán)水泵的實(shí)際運(yùn)行如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，循環(huán)水泵按照切換時(shí)間計(jì)時(shí)順序交替使用；當(dāng)系統(tǒng)中一個(gè)循環(huán)水泵出現(xiàn)故障時(shí)，將立即切換另一個(gè)循環(huán)水泵使用，不再考慮切換時(shí)間，不影響系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行。

4.3 反沖洗監(jiān)控

反沖洗設(shè)計(jì)，主要是依靠砂濾罐的過濾作用，通過控制閥門控制水流方向的方法，完成對(duì)水體中固體物的過濾功能。

過濾過程的設(shè)計(jì)如圖4所示，設(shè)計(jì)內(nèi)容如下：過濾工作正常運(yùn)行時(shí)，水流的方向是從YV5流入，從YV8流出，其他的閥門關(guān)閉。反沖洗工作時(shí)，水流從YV6流入，從YV7流出，其他閥門關(guān)閉，砂濾罐中的廢物被反向的水流帶走，從污水管道中排出去。通過設(shè)定反沖洗持續(xù)時(shí)間，控制反沖洗的過程。從反沖洗運(yùn)行完成到正常過濾運(yùn)行開始這段時(shí)間屬于過渡過程，因?yàn)楫?dāng)反沖洗時(shí)間到達(dá)時(shí)，流出的水中仍然含有殘余污物，所以這個(gè)過程產(chǎn)生的水不能回注入泳池。因此，需要YV8關(guān)閉，使水從YV5流入，從YV9流出，流入污水管道。通過對(duì)這個(gè)過程的時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，去控制過渡階段進(jìn)程。結(jié)束這個(gè)過渡過程后，進(jìn)入正常過濾工作過程，使 YV9閥門關(guān)閉，YV8閥門打開，過濾后的水注入游泳池。

4.4 加投泵監(jiān)控與水位水溫監(jiān)控

對(duì)于pH值等變量變化時(shí)，加投泵監(jiān)控設(shè)計(jì)如圖4所示。如設(shè)置pH值為7.2～7.6，當(dāng)pH值低于7.2時(shí)，過低紅點(diǎn)閃爍，顯示pH值過低，此時(shí)將關(guān)閉稀鹽酸加投泵；而當(dāng)pH高于7.6時(shí)，過高紅點(diǎn)閃爍，此時(shí)啟動(dòng)稀鹽酸加投泵。其他變量的監(jiān)控畫面與pH值的監(jiān)控畫面相似。

對(duì)于水位監(jiān)控主要是將水位設(shè)置在120～125 cm，如圖4所示。當(dāng)水位低于120 cm時(shí)，過低紅點(diǎn)閃爍，清水加注閥YV4打開；當(dāng)水位正常后，紅點(diǎn)不出現(xiàn)；當(dāng)水位高于125 cm時(shí)，過高紅點(diǎn)閃爍，清水加注閥關(guān)閉。通過這樣的設(shè)置，可以將水位很好地控制在規(guī)定范圍內(nèi)。對(duì)于水溫的控制與水位控制類似，當(dāng)水溫高于溫度設(shè)定值時(shí)，將進(jìn)行加冷凝水操作［6］；當(dāng)溫度過低時(shí)，將控制蒸汽調(diào)節(jié)閥將水溫提高。

首先，要準(zhǔn)確調(diào)節(jié)各變量，就需要提高各傳感器元件和加投泵（例如溫度傳感器、臭氧檢測(cè)傳感器、稀鹽酸加投泵等）的靈敏性，只有其足夠敏感，才能在變量變化超出范圍時(shí)，迅速作出判斷。其次，系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制，還需依靠所設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)本身，內(nèi)部變量的變化，相互影響，相互制約，使其能夠完美地配合運(yùn)行。

4.5 實(shí)時(shí)曲線畫面

系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來的實(shí)時(shí)曲線畫面如圖5所示，為了更容易區(qū)分圖表里的曲線類型，在圖表右側(cè)標(biāo)出了相應(yīng)線所代表的變量。通過折線式的圖表，能夠很清楚地看到相應(yīng)變量的變化趨勢(shì)，同時(shí)右側(cè)文字下方的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新，這樣能夠更加方便觀察和研究。

圖5 實(shí)時(shí)曲線畫面

4.6 報(bào)表畫面和報(bào)警畫面

在報(bào)表畫面里，清楚地記錄著在具體時(shí)間點(diǎn)相應(yīng)變量（包括余氯、濁度、pH值、臭氧、水溫等）的值。制作這個(gè)畫面的目的是為了讓我們能夠?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，這樣更有利于我們對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況準(zhǔn)確把握。

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可以將采集到的數(shù)據(jù)和初步設(shè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷其是否超出設(shè)定范圍，然后進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警，形成報(bào)警畫面。

5 結(jié)束語

本文主要是利用組態(tài)王6.55建立模擬工程，該工程實(shí)現(xiàn)了對(duì)游泳池水水質(zhì)相關(guān)變量指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)并處理，所設(shè)計(jì)的整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定過程，各變量變化波動(dòng)，會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的處理機(jī)制去維系它的穩(wěn)定狀態(tài)，使系統(tǒng)有條不紊地運(yùn)行。利用設(shè)計(jì)的相應(yīng)畫面來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過曲線畫面和報(bào)表數(shù)據(jù)的形成，以數(shù)形結(jié)合的方式清晰直接地反映系統(tǒng)運(yùn)行狀況。這種設(shè)計(jì)方法不僅很好地實(shí)現(xiàn)了游泳池水處理過程的自動(dòng)監(jiān)控，而且有效地解決了人工操作中效率不高等問題，同時(shí)還提高了水處理過程的可靠性和高效性，達(dá)到了預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 王宏偉.臭氧發(fā)生器在游泳池水處理中的應(yīng)用［J］.工程技術(shù)（全文版），2016（7)：276-277.

［2］ 趙濤，虎恩典，丁曉軍.組態(tài)王和西門子S7-200PLC在雙儲(chǔ)液罐水位/溫度自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2012，33（6）：196-197.

［3］ 張文明，劉志軍.組態(tài)軟件控制技術(shù)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2006：15-18.

［4］ 徐航.基于GPRS的水庫(kù)水位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［D］.贛州：江西理工大學(xué)，2012.

［5］ 柯宇.大型燃煤機(jī)組電除塵系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.

［6］ 陳有文.熱泵水箱的定溫補(bǔ)水控制方式［J］.河南科技，2014（11）：162-162.