智能雨水回收處理系統(tǒng)的控制與研究

(正德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，江蘇 南京 211106)

1 概述

水是人類生存必不可少的能源，也是制約當(dāng)今社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要資源，伴隨著現(xiàn)代社會科技與經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步，我國的用水量在逐步增加，我國是一個(gè)水資源較為匱乏的國家，人均水資源量僅占世界人均的1/4。通過對雨水的回收利用，不僅可以在一定程度上避免旱澇災(zāi)害，減輕市政管網(wǎng)壓力，也可以在一定程度上解決雨水中所摻雜的雜質(zhì)造成污染與堵塞的問題?；谏鲜鲈?，設(shè)計(jì)出一個(gè)可以集對雨水的收集，過濾，存儲和應(yīng)用于一體的可循環(huán)智能系統(tǒng)，來幫助實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約和再利用

2 雨水回收系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)目前國內(nèi)雨水回收站的設(shè)計(jì)方案，可以把整個(gè)系統(tǒng)分為4個(gè)裝置，雨水的收集與存儲，雨水的初次處理與沉淀，二次處理與沉淀和處理后雨水的存儲與應(yīng)用。每個(gè)水箱內(nèi)都含有一個(gè)液位傳感器，實(shí)時(shí)記錄水箱內(nèi)的雨水量。

1號水箱用來作為雨水收集和存儲，為雨水過濾靜置的第一道工序。

2號水箱其中含有中和pH的裝置和電機(jī)攪拌裝置，這是進(jìn)行酸堿中和反應(yīng)的重要加工場所。

3號水箱為第二道靜置工序，再一次將雨水沉淀。

4號水箱連接著電機(jī)，用來進(jìn)行灌溉雨水的存儲。

2.2 控制設(shè)備的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)由可編程控制器，變頻器，A/D,D/A拓展模塊等部件組成。

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)。第一步，由4個(gè)水箱內(nèi)放置的液位傳感器所反饋的數(shù)據(jù)來控制著整個(gè)雨水處理系統(tǒng)的進(jìn)程。系統(tǒng)啟動后，液位傳感器和pH檢測裝置將數(shù)據(jù)傳到可編程控制器內(nèi)，通過已經(jīng)設(shè)計(jì)好的工作條件來輸出相應(yīng)的信號，信號傳達(dá)到推進(jìn)電機(jī)進(jìn)行雨水的中和處理。

第二步，處理完成后靜置一段時(shí)間，將產(chǎn)生的沉淀抽離出去，再將雨水排放到3號水箱進(jìn)行二次處理和沉淀，過程與2號水箱一致。

第三步，將處理后的雨水存儲到4號水箱，由土壤溫度濕度傳感器所反饋的數(shù)據(jù)來作為信號，自行進(jìn)入灌溉程序，并有變頻器控制電機(jī)調(diào)節(jié)輸出水量的多少與停止。

3 雨水回收的軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的選用

本設(shè)計(jì)主要使用了3種軟件來進(jìn)行所需程序、圖形的編程和繪制，GX Works/ FX3U程序編程. GT Designer3/GOT人機(jī)界面、Office Visio/制圖。

3.2 PLC程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要工作流程是以PLC中SFC的形式所編程,用通訊協(xié)議來進(jìn)行PLC與其他設(shè)備的信息交換,使用的是特殊拓展模塊，用來進(jìn)行識字量和模擬量的相互轉(zhuǎn)換。

4 實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 觸摸屏的選型

此次設(shè)計(jì)選用的監(jiān)控屏幕是GOT1000，1000型號的觸摸品雖然尺寸較小，但完全可以勝任所需的監(jiān)控任務(wù)要求。出于經(jīng)濟(jì)和時(shí)間的限制，選用此型號。

4.2 控制界面的設(shè)計(jì)

控制界面是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，其內(nèi)部包含有啟動，復(fù)位，停止三個(gè)按鈕，每個(gè)按鈕上方的電子燈，與按鈕相關(guān)聯(lián)，可以顯示按鈕是否在工作狀態(tài)。

啟動按鈕是整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行按鈕，復(fù)位按鈕則是在ON狀態(tài)后所有的繼電器，開關(guān)和電磁閥會在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行一周后全部跳到OFF狀態(tài)，此時(shí)再按啟動按鈕可以重新啟動。停止按鈕，則是為了預(yù)防突發(fā)情況所設(shè)計(jì)的立即停止按鈕，當(dāng)停止按鈕為ON時(shí)，系統(tǒng)將立即停止運(yùn)行所有的開關(guān)。

4.3 PID控制界面的設(shè)計(jì)

PID調(diào)節(jié)控制界面是整個(gè)系統(tǒng)控制中最復(fù)雜的內(nèi)容，當(dāng)需要進(jìn)行雨水灌溉的時(shí)候我們需要先設(shè)定所需的恒定的雨水輸出速率，在按啟動按鈕才能啟動PID調(diào)節(jié)程序，圖中的PID值的設(shè)定應(yīng)在事先調(diào)節(jié)完畢存儲進(jìn)入。

4.4 土壤濕度監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

土壤濕度傳感器發(fā)回的檢測數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)中白色線條代表著經(jīng)過雨水灌溉前后的適度趨勢，下方也有當(dāng)前濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)量。

4.5 監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，不斷的與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，從而把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反映在觸摸屏上，設(shè)計(jì)中折線的變化趨勢表明了監(jiān)控系統(tǒng)目的得以實(shí)現(xiàn)，紅色線代表設(shè)定值，白色線代表實(shí)時(shí)輸出的速率值，當(dāng)兩個(gè)值之間相差越小，表明輸出的速率越平穩(wěn)，從而實(shí)現(xiàn)了對雨水的調(diào)速控制。

5 結(jié) 語

整個(gè)設(shè)計(jì)中仍然存在一些不足的地方，比如算法中值采用了最簡單的PID算法，讓調(diào)節(jié)系統(tǒng)還不夠快速，精準(zhǔn)。希望在后面不斷的修改中，可以實(shí)現(xiàn)高級算法的加入，讓整個(gè)調(diào)控的速度，準(zhǔn)確度更加突出其次，程序上可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)水箱的自動獨(dú)立控制，讓各個(gè)水箱可以同時(shí)進(jìn)行不同的運(yùn)行方式，這樣可以使整個(gè)系統(tǒng)更加的穩(wěn)定，同時(shí)也節(jié)省相應(yīng)的時(shí)間。還比如硬件上，酸堿中和里推料裝置的進(jìn)一步升級，使得更加的專業(yè)化，智能化，線路設(shè)計(jì)上還可以進(jìn)一步的優(yōu)化。