游泳池控制系統(tǒng)及算法設(shè)計

肖清, 王琪, 李豐, 李劍(.江西理工大學 應(yīng)用科學學院,江西 贛州　34000; .贛州德業(yè)電子科技有限公司,江西 贛州　34000)

0　引　言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，近年來城市建設(shè)的迅速發(fā)展以及人民生活水平的日益提高，游泳運動已經(jīng)深入到人民的日常生活中，尤其是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，私家泳池的建設(shè)量與日俱增。與泳池相關(guān)設(shè)備功能需求更是隨著用戶對生活品質(zhì)要求的提高。目前市場的游泳池一般都具備水循環(huán)控制、水過濾、藥物投加、恒溫控制、室內(nèi)濕度控制、SPA控制等功能，單從設(shè)備實現(xiàn)功能來說，市場上都有相應(yīng)的設(shè)備能夠滿足要求，但是這些設(shè)備都為不同廠家生產(chǎn)，相互之間沒有能夠做到無縫對接，泳池控制系統(tǒng)的集成度較低、可操作性差、綜合性能差[1]。

本文介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的游泳池控制系統(tǒng)設(shè)計，闡述了SOC單片機的在游泳池數(shù)據(jù)采集和控制硬件實現(xiàn)方案及系統(tǒng)功能，其兼容性較強，其可滿足國內(nèi)外大部分游泳池控制需求。

1　系統(tǒng)功能及動作原理

根據(jù)控制需求分類，系統(tǒng)包含了水循環(huán)、水過濾、藥物投加、臭氧消毒、水溫恒溫控制、SPA控制、水下燈控制等功能。但實際的泳池系統(tǒng)循環(huán)泵的數(shù)量、砂缸數(shù)量、SPA按摩數(shù)量、藥物投加、水下燈等可根據(jù)實際規(guī)模和需要進行組態(tài)，本設(shè)計可滿足市場上90%以上泳池控制的需要。泳池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　泳池結(jié)構(gòu)圖

1.1　水循環(huán)

水循環(huán)最大能控制八路循環(huán)水泵，在實際使用時，可根據(jù)系統(tǒng)需要控制的循環(huán)水泵數(shù)量進行設(shè)置。系統(tǒng)使用前需要對循環(huán)泵開啟的IO點選擇，沒有選中的將不會工作；在選中IO端口可接入循環(huán)泵，還需自動分配一臺循環(huán)泵作為備用泵。

循環(huán)泵的運行有“自動/手動”兩種模式，系統(tǒng)還需設(shè)置自動運行的時間，當處于自動模式下，狀態(tài)只有進入了運行時間段，循環(huán)泵才自動啟動。當沙缸要進行切換時，循環(huán)泵停止運行，直到狀態(tài)切換完成，再次啟動。

系統(tǒng)還設(shè)有夜間循環(huán)功能，進入夜間循環(huán)工作模式后，泳池夜間低功耗循環(huán)，避免了次日要啟用時，泳池溫度、水質(zhì)都不能及時調(diào)節(jié)好，這樣能真正做到24小時快速投入使用,同時又能做到節(jié)能。

1.2　水過濾

系統(tǒng)設(shè)計有六路IO用于控制沙缸的六個工作狀態(tài)，并預(yù)留RS485通信接口，既可通過IO也可通過通信方式切換工作狀態(tài)。其工作狀態(tài)分別是“過濾、排水、反沖洗、循環(huán)、關(guān)閉、沖洗”，系統(tǒng)具有定時反沖洗、壓力檢測自動反沖洗兩種工作模式。

1.2.1定時反沖洗

在選擇定時反沖洗模式下，用戶還需進一步設(shè)定反沖洗的時間,需先設(shè)定啟動反沖洗的日(選擇周一、周二、……周七，可多選)，再設(shè)定啟動反沖洗的具體時間段。

1.2.2自動反沖洗

系統(tǒng)在自動控制方式下，能夠自動切換沙缸的工作狀態(tài)。在砂缸進出口壓差超過管理員設(shè)定的進出口壓力差設(shè)定值時，將啟動反沖洗狀態(tài)，反沖時間一般為30分鐘。

1.3　水質(zhì)檢測及藥物投加

藥物投加包括兩大部分：檢測和藥物投加。系統(tǒng)完成相應(yīng)值的檢測、藥桶空桶檢測以及藥物投加的功能。

藥物投加要進行檢測量有pH、ORP、余氯、渾濁度，共計四路。需要添加的藥劑有堿性藥劑(或酸性藥劑)、ORP調(diào)節(jié)液、氯、絮凝劑。投加絮凝劑采用精制硫酸鋁。在進入游池前加除藻劑，即可去除藻類，又可使水呈藍色. 采用精制硫酸銅，絮凝劑設(shè)置為定時投加或者自動添加。

可根據(jù)設(shè)備實際需求，在投入使用前進行系統(tǒng)設(shè)置,設(shè)置是否啟用PH、ORP、余氯、渾濁度檢測。沒有啟用的功能將不工作，也不需要接入相關(guān)的硬件設(shè)備。此外，還需要完成相關(guān)傳感器參數(shù)的設(shè)定和標定。

1.4　臭氧消毒

系統(tǒng)包含一個臭氧發(fā)生器，由其產(chǎn)生臭氧并射入循環(huán)水中：在回水管中安裝一個臭氧濃度傳感器。臭氧發(fā)生量由臭氧發(fā)生器內(nèi)部控制器控制。臭氧濃度檢測具備高、低限報警，余量臭氧通過活性炭吸附滅失，當活性炭吸附效果變差時發(fā)生報警。

1.5　SPA功能

SPA是一些私家泳池的選配功能甚至標配功能，本系統(tǒng)的SPA控制功能包容性強，能接入市場上大部分的SPA系統(tǒng)，或者本身獨立控制。為實現(xiàn)接納其他廠家的SPA控制器，系統(tǒng)設(shè)有IO控制、通信控制兩種模式。按摩泵啟動信號來自于安裝在SPA池邊的無線觸摸按鍵，其信號將反饋給控制主機。

1.5.1IO控制

在IO控制模式下，為較為簡單的控制，直接輸出四路繼電器控制，可最多啟停4臺按摩泵，其按摩輸出力度為固定值，不可更改。

1.5.2通信控制

為了外接SPA水泵變頻器，本系統(tǒng)預(yù)留通信控制接口，通過該接口與變頻器通信，從而達到控制SPA目的。

系統(tǒng)主機通過通信來設(shè)置SPA變頻器的工作檔位及相應(yīng)檔位的工作頻率從而達到調(diào)節(jié)按摩力度的目的，共分4檔，每個按摩位的檔位都可獨立設(shè)置。

1.6　恒溫控制

泳池水溫加熱是通過三集一體熱泵、主加熱器調(diào)節(jié)水溫，主加熱器有板換加熱、燃氣加熱等。主加熱器由主機直接控制啟停并自動調(diào)節(jié)溫度，輔助加熱的三集一體熱泵自身具備溫度調(diào)節(jié)控制功能，主控制器通過串口通信發(fā)給輔助加熱器運行參數(shù)。

2　主機硬件電路

系統(tǒng)硬件核心控制器主要為C8051F580，人機交互采用24位彩色安卓屏(像素點800×600)，系統(tǒng)硬件建構(gòu)如圖2所示。

圖2　主機結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)可檢測多路模擬量，形成閉環(huán)控制，適用于受控設(shè)備相對集中，且需閉環(huán)控制的環(huán)節(jié)較多。設(shè)備用戶及調(diào)試人員可通過該監(jiān)控主機完成本機房、池水循環(huán)及處理工藝流程、環(huán)境溫度及水溫調(diào)節(jié)等的監(jiān)控。泳池水溫、液位、水質(zhì)(pH、濁度、余氯、ORP)、藥桶低液位、水泵狀態(tài)及其他運行參數(shù)、報警信號等數(shù)據(jù)信息均能匯總至該控制器，并能上傳至泳池信息平臺。

主控板MCU采用C8051F580，如圖3所示，主控板留有3路通信接口UART0、UART1、CAN，其中UART0、UART1經(jīng)過ADM2582芯片進行電平轉(zhuǎn)換為RS485信號[2-3]，其中一路UART連接顯示屏，另一路UART連接現(xiàn)場總線設(shè)備，用于擴展通信連接的設(shè)備，如SPA、三集一體熱泵等；CAN總線接口用于主控板與數(shù)據(jù)采集板的數(shù)據(jù)通信，將采集板獲取的pH、ORP、余氯、濁度等值。主控板上設(shè)有三十六路開關(guān)量輸出，用于控制循環(huán)泵、沙缸、氣泵、水下燈、加藥泵、SPA等。

3　主要控制系統(tǒng)原理

3．1　主要技術(shù)指標控制[4-5]

游泳池的水質(zhì)的主要指標為酸堿度(pH)、ORP值、渾濁度(濁度值)、余氯值等。系統(tǒng)對回水取樣并分析泳池水質(zhì)指標。

3.1.1回水水質(zhì)檢測

檢測：在泳池回流管中放置pH、ORP、濁度、余氯溫度等傳感器，pH、ORP、濁度、余氯溫度等均由傳感變送器將測量值傳送至數(shù)據(jù)采集板。

3.1.2pH控制

pH目標值：7.2～7.6，通過安卓觸摸屏修改該值，采用計量泵于泳池進水總管處投加pH調(diào)整劑實現(xiàn)pH的調(diào)節(jié)，或者通過調(diào)節(jié)普通加藥泵的開機時間實現(xiàn)pH的調(diào)節(jié)。該泵由泳池主控板控制，控制算法見本文第5小節(jié)。

泳池循環(huán)泵停止時，該加藥泵停止。

圖3　主控板MCU

3.1.3余氯控制

余氯目標值：0.3～0.6 mg/L，通過安卓觸摸屏修改該值，將計量泵安裝于游泳池進水總管處，并投加長效消毒劑進而實現(xiàn)池水中余氯濃度的調(diào)節(jié)，或者通過控制普通加藥泵的開停時間實現(xiàn)余氯值的調(diào)節(jié)?；厮疁y量值作為目標值，進水測量值為控制過程值。計量泵由泳池主控板控制，采用模糊規(guī)則庫法則+ PID算法進行控制，由系統(tǒng)軟件程序計算得出控制值，控制調(diào)整劑投加量。

泳池循環(huán)泵停止時，該加藥泵停止。

3.1.4ORP值控制

ORP目標值：≥700 mV,ORP值作為輔助參數(shù)，通過安卓觸摸屏修改該值，采用計量泵于泳池進水總管處投加ORP調(diào)整劑實現(xiàn)ORP值的調(diào)節(jié)，或者通過調(diào)節(jié)普通加藥泵的開機時間實現(xiàn)ORP值的調(diào)節(jié)。根據(jù)回水測量ORP值由計算得出控制值，其控制算法參照本文第5節(jié)。

泳池循環(huán)泵停止時，該加藥泵停止。

3.1.5溫度控制

溫度目標值：28±1 ℃，通過安卓觸摸屏修改該目標值，回水溫度值作為系統(tǒng)控制過程的控制值。其值由主控制板通過RS485發(fā)出溫度參數(shù)給空氣熱泵加熱，從而實現(xiàn)水溫調(diào)節(jié)。若水溫低于溫度低限(調(diào)試時確定)，空氣能熱泵全頻運行。泳池進水溫度配合泳池進水循環(huán)總量用以計算換熱所需熱量。

泳池循環(huán)泵停機及反沖洗時，空氣能熱泵停機。

3.1.6濁度控制

濁度目標值：< 0.1FTU,通過安卓觸摸屏修改該值，采用計量泵于泳池進水總管處投加絮凝劑實現(xiàn)濁度值的調(diào)節(jié)，或者通過調(diào)節(jié)普通加藥泵的開機時間實現(xiàn)濁度值的調(diào)節(jié)。該泵由泳池主控板控制，采用模糊規(guī)則庫法則+PID進行控制，根據(jù)回水測量濁度值，由主控板軟件程序計算得出控制值。

泳池循環(huán)泵停機時，該加藥泵停機。

3．2　模式控制

系統(tǒng)在運行上有自動運行和手動運行兩種控制模式，在自動模式下，沙缸過濾根據(jù)用戶選擇采取壓力檢測自動反沖洗或者定時自動反沖洗，在人工模式下進入手動操作模式。自動模式下，當砂過濾器上的壓差傳感器壓差達到設(shè)定值，且系統(tǒng)設(shè)置為壓差啟動時，自動轉(zhuǎn)入反沖洗程序。

4　設(shè)備擴展及通信協(xié)議

為兼容市場上的其他廠家具備及自研的配套設(shè)備，系統(tǒng)預(yù)留了RS485接口，用于連接沙缸、空氣能熱泵、三集一體熱泵、臭氧發(fā)生器、余氯機、SPA等設(shè)備。

自研的配套設(shè)備通信協(xié)議如表1所示。

表1　通信協(xié)議

幀頭：0x5AA5；

幀尾：0x6996；

設(shè)備ID：自動沙缸-0x01,空氣能熱泵-0x02,三集一體熱泵-0x03,臭氧發(fā)生器-0x04,SPA-0x05；

命令：

沙缸過濾：過濾-0x00,排水-0x01,反沖洗-0x02,循環(huán)-0x03,關(guān)閉-0x04,沖洗-0x05;

其他：關(guān)機-0x00，開機-0x01；

5　控制算法[6]

泳池對水質(zhì)、水溫的控制是個大滯后的系統(tǒng)，調(diào)節(jié)運行過程具有大時滯、非時變和線性等特點，因此采用了以工程經(jīng)驗為基礎(chǔ)的模糊PID算法實現(xiàn)對池水pH、ORP、渾濁度以及水溫等的控制。

模糊控制規(guī)則庫的模糊參數(shù)，自整定PID控制器采用工程經(jīng)驗來建立，最終達到減小系統(tǒng)的超調(diào)量，提高泳池控制系統(tǒng)的自適應(yīng)能力的目的?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　控制器結(jié)構(gòu)圖

這里僅介紹以pH的調(diào)控為目標的算法。系統(tǒng)采用二維模糊控制，系統(tǒng)給定值(既pH設(shè)為7.2)，其與實際測量值的偏差為e，相應(yīng)的偏差變化率為ec，E和EC分別為對e和ec模糊化后的模糊量，模糊論域均取[-5，+5]。繼而輸出控制量為ΔKp、ΔKi和ΔKd。Ke、Kec分別為e和ec的量化因子，Kpu、Kiu、Kdu分別為ΔKp、ΔKi和ΔKd的比例因子。結(jié)合工程實際經(jīng)驗，取ΔK的模糊論域為[-5,+5]，控制系統(tǒng)論域量化級數(shù)為11，而ΔKi和ΔKd的模糊論域為[-3，+3]，論域量化級數(shù)均為7。模糊語言變量的模糊子集均取[NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB]。得到控制規(guī)則表后，再根據(jù)Mamdani模糊推理法運算求出的模糊關(guān)系R，進而針對每條控制規(guī)則求出與之相對應(yīng)模糊關(guān)系R0，R1，…,R121，進一步求出控制量的模糊集ΔKp=(E×EC),如表2所示。

表2　KP模糊控制查詢表

此時得到模糊向量是一個反映E和EC取不同的語言值時的值，在輸出執(zhí)行前要進行模糊解析得到精確值。ΔKi、ΔKd的查詢表可由同樣方法得到。

6　結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計將循環(huán)運行控制、水質(zhì)調(diào)節(jié)控制、水溫控制、環(huán)境溫度控制等集于一體，穩(wěn)定可靠且控制算法符合泳池水處理需求。池水水質(zhì)穩(wěn)定、水溫控制平穩(wěn)。藥品消耗得到大幅度下降。系統(tǒng)可由工程商根據(jù)需要配置系統(tǒng)的大小和功能進行組態(tài)，通用性強，自動化程度運行達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，實現(xiàn)了泳池設(shè)備集中控制，便于工程商的調(diào)試和用戶的使用。

參考文獻：

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