基于PLC的雨水回收過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔君+王磊+王麗

摘 要：隨著全球經(jīng)濟(jì)化的發(fā)展，污染問題、資源短缺問題越發(fā)的嚴(yán)重。我國(guó)面臨的問題同樣嚴(yán)峻，水資源分布不均衡，長(zhǎng)江、黃河流域中下游地區(qū)降雨豐富但多為酸雨。為此，在實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了以PLC為控制核心的一套模擬雨水回收過程控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)自動(dòng)收集雨水、自動(dòng)凈化、智能除酸、智能灌溉與存儲(chǔ)。整個(gè)控制過程由觸摸屏實(shí)時(shí)顯示，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，可以長(zhǎng)期、連續(xù)、穩(wěn)定地在無(wú)人監(jiān)控狀態(tài)下工作。

關(guān)鍵詞：雨水回收；PLC；過程控制；模糊控制

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.117

雨水回收利用系統(tǒng)是將雨水根據(jù)需求進(jìn)行收集后，對(duì)收集的雨水進(jìn)行處理，使其符合設(shè)計(jì)使用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)。目前多數(shù)由棄流過濾系統(tǒng)、蓄水系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)組成。在國(guó)外，特別是一些歐洲城市，很早之前雨水回收與利用就已經(jīng)開始實(shí)施了，通過城市的建設(shè)設(shè)計(jì)，比如道路材料、鋪設(shè)設(shè)計(jì)、下水道的設(shè)計(jì)等，將整個(gè)城市的雨水資源集中，通過一系列的天然過濾，形成天然的循環(huán)系統(tǒng)。我國(guó)也在積極地研究雨水回收辦法和相關(guān)產(chǎn)品，以更好地利用雨水，實(shí)現(xiàn)資源的有效利用。通過國(guó)內(nèi)外雨水回收系統(tǒng)的對(duì)比，考慮到本設(shè)計(jì)是以家庭為基礎(chǔ)，兼顧我國(guó)酸雨的特點(diǎn)，所以采用整體自動(dòng)循環(huán)控制，智能除酸。觸摸屏可在室內(nèi)操作，簡(jiǎn)單直觀，該雨水回收系統(tǒng)可以長(zhǎng)期、穩(wěn)定地循環(huán)工作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

雨水回收過程控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)主要由四個(gè)水箱、離心泵、攪拌器、投藥器、液體酸堿傳感器、液位傳感器、流量傳感器等組成，如圖1所示。四個(gè)水箱從左往右依次完成雨水存儲(chǔ)和棄流、雨水自動(dòng)除酸、沉淀過濾、已凈化水的存儲(chǔ)四個(gè)過程。四個(gè)水箱的硬件結(jié)構(gòu)及控制要求如下：

1號(hào)水箱：存儲(chǔ)雨水和棄流，水箱內(nèi)如果有泥沙沉淀，可以通過水箱下管道抽走。當(dāng)該水箱水位高于設(shè)定值時(shí)，由離心泵抽水至2號(hào)水箱。

2號(hào)水箱：檢測(cè)雨水的酸堿度，形成閉環(huán)反饋系統(tǒng)，自動(dòng)投藥中和酸度。

3號(hào)水箱：二次沉淀過濾。

4號(hào)水箱：存儲(chǔ)已凈化水。

1.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用三菱FX3U系列PLC為核心控制模塊。該型號(hào)的PLC有很好的擴(kuò)展性和豐富的新型功能。此外，該控制系統(tǒng)還包括FX3U-4A/D、FX3U-4D/A轉(zhuǎn)化模塊，人機(jī)控制界面GOT100觸摸屏，三菱A700變頻器，電源等。本設(shè)計(jì)采用上位機(jī)控制可編程控制器來實(shí)現(xiàn)雨水回收的處理功能與實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。PLC編程采用SFC的形式?？刂葡到y(tǒng)中的通信協(xié)議有兩種方式，分別是無(wú)通訊協(xié)議和MODBUS RTU通訊。MODBUS RTU通訊協(xié)議是用于自動(dòng)澆灌的土壤濕度傳感器與PLC通訊。所有系統(tǒng)的控制情況可以由GOT100觸摸屏實(shí)時(shí)顯示并控制，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)操作控制屋外雨水回收系統(tǒng)。

1.3 PID控制算法

PID控制原理是根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值之間的偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量。

在本系統(tǒng)中，被控對(duì)象為2號(hào)水箱中的酸堿度，設(shè)定酸堿度值SV為7.5，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)整控制。

PID指令必須通過A/D將模擬量測(cè)定值轉(zhuǎn)化成為數(shù)字量PLC，A/D模塊的初始化和采樣程序是必不可缺的。PID的指令設(shè)定值SV及PID控制參數(shù)群參數(shù)必須在指令執(zhí)行之前送入相關(guān)的存儲(chǔ)器。所以PID指令的初始化程序必須在執(zhí)行PID指令前完成。用PID指令對(duì)設(shè)定值SV和測(cè)試紙PV的差值進(jìn)行PID運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果送入到MV寄存器。如果是模擬量輸出，則還需要經(jīng)過D/A模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量送到執(zhí)行器中，因此D/A模塊的初始化和氣數(shù)據(jù)的讀取程序也是不可缺少的。經(jīng)過PID調(diào)試，PID的參數(shù)值分別為：P=3，I=5，D=1時(shí)，控制曲線最理想。

1.4 模糊控制算法

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）簡(jiǎn)稱“模糊控制（Fuzzy Control）”，是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。模糊控制實(shí)質(zhì)上是一種非線性控制，從屬于智能控制的范疇。模糊控制的一大特點(diǎn)是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實(shí)際應(yīng)用背景。

模糊控制系統(tǒng)通常由模糊控制器、輸入/輸出接口、廣義對(duì)象和傳感器四個(gè)部分組成。輸入/輸出接口主要包括向前通道中的A/D轉(zhuǎn)換電路和向后的D/A轉(zhuǎn)換電路等兩個(gè)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。廣義對(duì)象包括執(zhí)行機(jī)構(gòu)和被控對(duì)象。傳感器是監(jiān)測(cè)裝置，它負(fù)責(zé)把被控對(duì)象的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。

本設(shè)計(jì)中使用模糊控制的被控對(duì)象為水箱的流量，控制要求水箱流量控制在100 cm3/s。利用模糊控制的規(guī)則，將流量誤差與流量變化率作為流量控制器的輸入，使得被控變量在一定范圍內(nèi)可控。

2 總結(jié)

本設(shè)計(jì)基本完成了預(yù)定任務(wù)，達(dá)到了過程控制效果。但由于時(shí)間關(guān)系，在以下兩個(gè)方面還可以更加完善：①在遠(yuǎn)程控制方面，可以考慮加入以太網(wǎng)；②在雨水使用的功能上，除了使用基本的灌溉功能，還可以與智能家居相結(jié)合，將循環(huán)雨水用于沖馬桶、洗車等中。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：王霞〕