基于PLC的雨水回收過程控制系統設計

龔君+王磊+王麗

摘 要：隨著全球經濟化的發展，污染問題、資源短缺問題越發的嚴重。我國面臨的問題同樣嚴峻，水資源分布不均衡，長江、黃河流域中下游地區降雨豐富但多為酸雨。為此，在實驗室設計了以PLC為控制核心的一套模擬雨水回收過程控制系統，通過該系統自動收集雨水、自動凈化、智能除酸、智能灌溉與存儲。整個控制過程由觸摸屏實時顯示，系統操作簡單，可以長期、連續、穩定地在無人監控狀態下工作。

關鍵詞：雨水回收；PLC；過程控制；模糊控制

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.117

雨水回收利用系統是將雨水根據需求進行收集后，對收集的雨水進行處理，使其符合設計使用標準的系統。目前多數由棄流過濾系統、蓄水系統、凈化系統組成。在國外，特別是一些歐洲城市，很早之前雨水回收與利用就已經開始實施了，通過城市的建設設計，比如道路材料、鋪設設計、下水道的設計等，將整個城市的雨水資源集中，通過一系列的天然過濾，形成天然的循環系統。我國也在積極地研究雨水回收辦法和相關產品，以更好地利用雨水，實現資源的有效利用。通過國內外雨水回收系統的對比，考慮到本設計是以家庭為基礎，兼顧我國酸雨的特點，所以采用整體自動循環控制，智能除酸。觸摸屏可在室內操作，簡單直觀，該雨水回收系統可以長期、穩定地循環工作。

1 系統總體設計

1.1 系統硬件設計

雨水回收過程控制系統的硬件架構主要由四個水箱、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。四個水箱從左往右依次完成雨水存儲和棄流、雨水自動除酸、沉淀過濾、已凈化水的存儲四個過程。四個水箱的硬件結構及控制要求如下：

1號水箱：存儲雨水和棄流，水箱內如果有泥沙沉淀，可以通過水箱下管道抽走。當該水箱水位高于設定值時，由離心泵抽水至2號水箱。

2號水箱：檢測雨水的酸堿度，形成閉環反饋系統，自動投藥中和酸度。

3號水箱：二次沉淀過濾。

4號水箱：存儲已凈化水。

1.2 控制系統設計

控制系統采用三菱FX3U系列PLC為核心控制模塊。該型號的PLC有很好的擴展性和豐富的新型功能。此外，該控制系統還包括FX3U-4A/D、FX3U-4D/A轉化模塊，人機控制界面GOT100觸摸屏，三菱A700變頻器，電源等。本設計采用上位機控制可編程控制器來實現雨水回收的處理功能與實時監控系統。PLC編程采用SFC的形式。控制系統中的通信協議有兩種方式，分別是無通訊協議和MODBUS RTU通訊。MODBUS RTU通訊協議是用于自動澆灌的土壤濕度傳感器與PLC通訊。所有系統的控制情況可以由GOT100觸摸屏實時顯示并控制，可以實現室內操作控制屋外雨水回收系統。

1.3 PID控制算法

PID控制原理是根據設定值與實際值之間的偏差，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量。

在本系統中，被控對象為2號水箱中的酸堿度，設定酸堿度值SV為7.5，對被控對象進行調整控制。

PID指令必須通過A/D將模擬量測定值轉化成為數字量PLC，A/D模塊的初始化和采樣程序是必不可缺的。PID的指令設定值SV及PID控制參數群參數必須在指令執行之前送入相關的存儲器。所以PID指令的初始化程序必須在執行PID指令前完成。用PID指令對設定值SV和測試紙PV的差值進行PID運算，并將運算結果送入到MV寄存器。如果是模擬量輸出，則還需要經過D/A模塊將數字量轉化為模擬量送到執行器中，因此D/A模塊的初始化和氣數據的讀取程序也是不可缺少的。經過PID調試，PID的參數值分別為：P=3，I=5，D=1時，控制曲線最理想。

1.4 模糊控制算法

模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control）簡稱“模糊控制（Fuzzy Control）”，是以模糊集合論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的一種計算機數字控制技術。模糊控制實質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是既有系統化的理論，又有大量的實際應用背景。

模糊控制系統通常由模糊控制器、輸入/輸出接口、廣義對象和傳感器四個部分組成。輸入/輸出接口主要包括向前通道中的A/D轉換電路和向后的D/A轉換電路等兩個信號轉換電路。廣義對象包括執行機構和被控對象。傳感器是監測裝置，它負責把被控對象的輸出信號轉換為對應的電信號。

本設計中使用模糊控制的被控對象為水箱的流量，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可控。

2 總結

本設計基本完成了預定任務，達到了過程控制效果。但由于時間關系，在以下兩個方面還可以更加完善：①在遠程控制方面，可以考慮加入以太網；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合，將循環雨水用于沖馬桶、洗車等中。

參考文獻

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〔編輯：王霞〕