龔君+王磊+王麗

摘 要：隨著全球經(jīng)濟化的發(fā)展，污染問題、資源短缺問題越發(fā)的嚴(yán)重。我國面臨的問題同樣嚴(yán)峻，水資源分布不均衡，長江、黃河流域中下游地區(qū)降雨豐富但多為酸雨。為此，在實驗室設(shè)計了以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(tǒng)操作簡單，可以長期、連續(xù)、穩(wěn)定地在無人監(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：TP273 文獻標(biāo)識碼：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)需求進行收集后，對收集的雨水進行處理，使其符合設(shè)計使用標(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)開始實施了，通過城市的建設(shè)設(shè)計，比如道路材料、鋪設(shè)設(shè)計、下水道的設(shè)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(huán)系統(tǒng)。我國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，實現(xiàn)資源的有效利用。通過國內(nèi)外雨水回收系統(tǒng)的對比，考慮到本設(shè)計是以家庭為基礎(chǔ)，兼顧我國酸雨的特點，所以采用整體自動循環(huán)控制，智能除酸。觸摸屏可在室內(nèi)操作，簡單直觀，該雨水回收系統(tǒng)可以長期、穩(wěn)定地循環(huán)工作。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

雨水回收過程控制系統(tǒng)的硬件架構(gòu)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(jié)構(gòu)及控制要求如下：

1號水箱：存儲雨水和棄流，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，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(huán)反饋系統(tǒng)，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(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)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(tǒng)還包括FX3U-4A/D、FX3U-4D/A轉(zhuǎn)化模塊，人機控制界面GOT100觸摸屏，三菱A700變頻器，電源等。本設(shè)計采用上位機控制可編程控制器來實現(xiàn)雨水回收的處理功能與實時監(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，分別是無通訊協(xié)議和MODBUS RTU通訊。MODBUS RTU通訊協(xié)議是用于自動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觸摸屏實時顯示并控制，可以實現(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，被控對象為2號水箱中的酸堿度，設(shè)定酸堿度值SV為7.5，對被控對象進行調(diào)整控制。

PID指令必須通過A/D將模擬量測定值轉(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指令對設(shè)定值SV和測試紙PV的差值進行PID運算，并將運算結(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，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(chǔ)的一種計算機數(shù)字控制技術(shù)。模糊控制實質(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是既有系統(tǒng)化的理論，又有大量的實際應(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(zhuǎn)換電路和向后的D/A轉(zhuǎn)換電路等兩個信號轉(zhuǎn)換電路。廣義對象包括執(zhí)行機構(gòu)和被控對象。傳感器是監(jiān)測裝置，它負(fù)責(zé)把被控對象的輸出信號轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電信號。

本設(shè)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(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。但由于時間關(guān)系，在以下兩個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

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〔編輯：王霞〕