任 偉 ，歐美英，谷勝偉 ，鄒國柱

游泳作為備受公眾喜歡的運動方式，最近幾年得到了廣泛推廣。由一開始的簡單娛樂休閑到對健康生活的運動追求，人們對游泳池水質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，所以泳池池水處理技術也在不斷地進步。

人們在游泳過程中，會有大量廢物（汗液、口水、皮屑、毛發(fā)等）排到水里，嚴重影響水體質量，易滋生細菌、傳播疾病，因此需要采取措施去控制水質。對于游泳池水體的控制處理，主要是針對水體溫度、液位，以及水中余氯、pH值、臭氧、濁度的控制。對于這些變量的控制要求主要有：（1）水溫需要控制在23～30℃，其原因是這個溫度范圍比較適合人體在水中的運動，還可以很好地控制水體菌群的生長。（2）余氯需要控制在0.3～0.5 mg/L范圍內，這樣不僅可以保證消毒效果，消滅病菌病毒，使游泳池水中細菌數(shù)量控制在規(guī)定范圍內，而且可以抑制藻類生長，防止水體變綠，但水中余氯過高將會傷害人體，刺激皮膚。（3）游泳池水體pH值控制在7.2～7.6范圍內，因為控制在這個區(qū)域里，水對人體皮膚、眼睛不會產生刺激，比較舒適，且可以促進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，但當臭氧含量過高時，會強烈刺激人的呼吸道，造成胸悶、咳嗽，還會引起神經衰弱和頭暈。（5）作為游泳的水體應該是清澈透明的，因此渾濁度不應大于5度。直觀上判斷池水透明度時，人們應站在水深1.5 m的岸邊能清楚看到第4、5泳道水底的泳道標志線。（6）池水深度主要控制在1.6～2 m范圍內，此時比較適合人群活動，水位過高會造成一定的安全隱患。

當游泳池水中臭氧、余氯、pH值、濁度等指標不達標時，需要對池水進行相關的物理或化學處理，使其達到正常值，從而達到改善水質、健康娛樂的目的。

本文主要是利用組態(tài)王軟件對設計的相關功能進行模擬仿真，實現(xiàn)檢測調試并能實時監(jiān)控的功能。在水處理系統(tǒng)設計中，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)自動控制系統(tǒng)，它以標準的工業(yè)計算機軟硬件平臺構成的集成系統(tǒng)具有提供可視化操作界面、自動建立I/O點、分布式存儲報警和歷史數(shù)據(jù)、設備集成能力強等優(yōu)點。這些優(yōu)勢使得組態(tài)王軟件在模擬仿真設計中發(fā)揮著越來越重要的作用。

1 系統(tǒng)架構設計

1.1 主要結構圖

本系統(tǒng)采用的是以西門子S7-200 PLC為下位機，組態(tài)王仿真軟件為上位機的控制方案［2］。主要結構如圖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)需要去啟動或關閉相應的電機，達到相關控制的目的。

圖1 結構圖

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部分組成，系統(tǒng)設計主要流程如圖2所示。

圖2 主要流程圖

設計思路是先利用循環(huán)水泵將池中的水抽出，然后主要對余氯值、臭氧含量、pH值、水質濁度等水質指標進行檢測，再通過相應化學方法和物理方法進行加投泵控制等處理，同時對水位水溫進行相應控制。設計的最終目的就是對這些水質指標進行同時控制調節(jié)，使其值控制在所設定的正常范圍里，形成一個穩(wěn)定的動態(tài)運動系統(tǒng)。例如當檢測到水體pH值過高，濁度也過高時，立即啟動稀鹽酸加投泵和絮凝劑加投泵，使pH值和濁度值降低。其他變量變化和調節(jié)與之相類似。

2 主要部分設計介紹

2.1 循環(huán)水泵控制

在本設計里，需要利用兩個循環(huán)水泵，分別命名為循環(huán)水泵1和循環(huán)水泵2。設計兩個水泵的原因是：一方面避免了單個水泵的長時間運行；另一方面保證了一旦其中一個水泵故障，另一個可以切換使用。這樣，可以提高整個系統(tǒng)的效率。

循環(huán)水泵1和循環(huán)水泵2的動作設定思路：啟動循環(huán)水泵1有兩種情況：一種是循環(huán)水泵1運行時間超過切換時間，并且循環(huán)水泵2出現(xiàn)故障；另一種是循環(huán)水泵2工作時間超過切換時間且循環(huán)水泵1未出現(xiàn)故障。啟動循環(huán)水泵2也有兩種情況：一種是循環(huán)水泵2運行時間超過切換時間，并且循環(huán)水泵1出現(xiàn)故障；另一種循環(huán)水泵1運行時間超過切換時間，循環(huán)水泵2正常。

2.2 反沖洗設定

反沖洗整個過程為：正常運行—反沖洗運行—過渡過程—正常運行。這個過程主要是通過控制閥門的開啟和關閉去控制通過砂濾罐的水流方向來實現(xiàn)的。正常運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現(xiàn)的。系統(tǒng)設置了2個啟動反沖洗的條件：其一是通過檢測砂濾罐入口和砂濾罐出口的壓力，計算壓差，壓差大于或者等于設定的啟動反沖洗壓差，則自動啟動反沖洗；其二是手動反沖洗，通過按手動反沖洗按鈕，執(zhí)行反沖洗操作。

2.3 加投泵部分設定

加投泵或閥門和水質檢測變量是一一對應的，余氯值對應消毒劑加投泵，濁度值對應絮凝劑加投泵，pH值對應稀鹽酸加投泵，臭氧值對應臭氧閥等。仿真中水質檢測處理部分設計的主要內容是使檢測變量的值控制在一個范圍內，一旦檢測到的值不在這個范圍里，就啟動或停止相應的加投泵或閥門工作。

在實際運行中，之所以其中的變量如濁度、pH值、臭氧等會變高或變低，還能控制在一定范圍里，主要是因為整個系統(tǒng)是在不停地運行，不停地調節(jié)，相互之間會受到影響。例如：當濁度變高時系統(tǒng)會進行絮凝劑加投處理，使其變低，一旦低于限定值即關閉相應調節(jié)泵，但由于游泳池中人群的活動，濁度又會提高；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pH值低于7.2時，關閉稀鹽酸加投泵，由于水中添加劑、濁物和新注入一部分水等原因又會使水體pH值提高，使其恢復到7.2以上的控制范圍中；對于水中臭氧量和余氯量的變化控制也是如此，當水中臭氧或余氯含量過高時，關閉臭氧閥或消毒劑加投泵，水中臭氧或余氯含量會隨著池水不斷更新而降低，直至降低到控制范圍。這個系統(tǒng)是一個動態(tài)穩(wěn)定的過程，通過不斷地控制調節(jié)來維系它的穩(wěn)定。

2.4 水位水溫控制

液位對應清水加注閥、溫度對應蒸汽調節(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致。而水體溫度變化是由于水體不停散熱和蒸汽調節(jié)閥打開通蒸汽導致的。因此設計控制也是保證其液位和溫度在正常范圍內，一旦測量到的值不在正常范圍內，將會反饋到其對應閥門，控制其打開和關閉。

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，在設備管理里面找到COM，對其相應參數(shù)進行設置。一般情況下不需要改動，盡量使數(shù)據(jù)與S7-200 PLC設定的值相一致，這樣才有利于軟件的正常使用。

新建設備連接時，從設備中選擇PLC，找到西門子S7-200系統(tǒng)，選擇 PPI［3］。 設定設備名稱時使用預設的“新IO設備”。對于相應通信端口，不能直接決定類型，需要跟電腦實際使用端口一致，故先查到電腦端口類型再選好其串口號。設定PLC的地址時設定值需要跟實際PLC的地址相一致。

3.2 變量建立

本文對于游泳池水處理設計主要包括各類加投泵、循環(huán)水泵、清水加注閥、蒸汽調節(jié)閥，以及關于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)王動畫，這里需要先建立相應變量，對于變量具體的設置內容包括變量名、變量類型、初始值和最大最小值等［4］。圖3是變量余氯值的設定，其他變量的設定與之類似。

圖3 定義變量

4 組態(tài)王監(jiān)控界面設計

基于組態(tài)王的界面設計主要建立了主監(jiān)控畫面、參數(shù)設定畫面、實時曲線畫面、歷史曲線畫面、報表畫面、報警畫面等［5］。通過設計的畫面，能夠對游泳池水運行進行仿真模擬、實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集存儲。

4.1 主監(jiān)控畫面

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

圖4 主監(jiān)控畫面

4.2 循環(huán)泵監(jiān)控

設計中加入循環(huán)水泵，是為了將泳池水抽出，便于后面的檢測和處理。在實際使用中，考慮到循環(huán)水泵單獨長期使用可能會出現(xiàn)機體溫度過高或高負荷運作帶來的損壞等故障，因此需要利用兩個循環(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)水泵的實際運行如圖4所示。當系統(tǒng)正常運行時，循環(huán)水泵按照切換時間計時順序交替使用；當系統(tǒng)中一個循環(huán)水泵出現(xiàn)故障時，將立即切換另一個循環(huán)水泵使用，不再考慮切換時間，不影響系統(tǒng)的繼續(xù)運行。

4.3 反沖洗監(jiān)控

反沖洗設計，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，完成對水體中固體物的過濾功能。

過濾過程的設計如圖4所示，設計內容如下：過濾工作正常運行時，水流的方向是從YV5流入，從YV8流出，其他的閥門關閉。反沖洗工作時，水流從YV6流入，從YV7流出，其他閥門關閉，砂濾罐中的廢物被反向的水流帶走，從污水管道中排出去。通過設定反沖洗持續(xù)時間，控制反沖洗的過程。從反沖洗運行完成到正常過濾運行開始這段時間屬于過渡過程，因為當反沖洗時間到達時，流出的水中仍然含有殘余污物，所以這個過程產生的水不能回注入泳池。因此，需要YV8關閉，使水從YV5流入，從YV9流出，流入污水管道。通過對這個過程的時間進行設定，去控制過渡階段進程。結束這個過渡過程后，進入正常過濾工作過程，使 YV9閥門關閉，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

對于pH值等變量變化時，加投泵監(jiān)控設計如圖4所示。如設置pH值為7.2～7.6，當pH值低于7.2時，過低紅點閃爍，顯示pH值過低，此時將關閉稀鹽酸加投泵；而當pH高于7.6時，過高紅點閃爍，此時啟動稀鹽酸加投泵。其他變量的監(jiān)控畫面與pH值的監(jiān)控畫面相似。

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

首先，要準確調節(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，迅速作出判斷。其次，系統(tǒng)的準確控制，還需依靠所設計的動態(tài)平衡系統(tǒng)本身，內部變量的變化，相互影響，相互制約，使其能夠完美地配合運行。

4.5 實時曲線畫面

系統(tǒng)設計出來的實時曲線畫面如圖5所示，為了更容易區(qū)分圖表里的曲線類型，在圖表右側標出了相應線所代表的變量。通過折線式的圖表，能夠很清楚地看到相應變量的變化趨勢，同時右側文字下方的數(shù)據(jù)實時更新，這樣能夠更加方便觀察和研究。

圖5 實時曲線畫面

4.6 報表畫面和報警畫面

在報表畫面里，清楚地記錄著在具體時間點相應變量（包括余氯、濁度、pH值、臭氧、水溫等）的值。制作這個畫面的目的是為了讓我們能夠對系統(tǒng)運行的相關數(shù)據(jù)進行匯總，這樣更有利于我們對系統(tǒng)運行狀況準確把握。

系統(tǒng)運行過程中，可以將采集到的數(shù)據(jù)和初步設定數(shù)據(jù)進行比較，判斷其是否超出設定范圍，然后進行監(jiān)控報警，形成報警畫面。

5 結束語

本文主要是利用組態(tài)王6.55建立模擬工程，該工程實現(xiàn)了對游泳池水水質相關變量指標進行檢測并處理，所設計的整個運行系統(tǒng)是一個動態(tài)穩(wěn)定過程，各變量變化波動，會觸發(fā)相應的處理機制去維系它的穩(wěn)定狀態(tài)，使系統(tǒng)有條不紊地運行。利用設計的相應畫面來實現(xiàn)實時監(jiān)控，并通過曲線畫面和報表數(shù)據(jù)的形成，以數(shù)形結合的方式清晰直接地反映系統(tǒng)運行狀況。這種設計方法不僅很好地實現(xiàn)了游泳池水處理過程的自動監(jiān)控，而且有效地解決了人工操作中效率不高等問題，同時還提高了水處理過程的可靠性和高效性，達到了預期的效果。

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