基于PLC的雨水回收过程控制系统设计

龚君+王磊+王丽

摘 要：随着全球经济化的发展，污染问题、资源短缺问题越发的严重。我国面临的问题同样严峻，水资源分布不均衡，长江、黄河流域中下游地区降雨丰富但多为酸雨。为此，在实验室设计了以PLC为控制核心的一套模拟雨水回收过程控制系统，通过该系统自动收集雨水、自动净化、智能除酸、智能灌溉与存储。整个控制过程由触摸屏实时显示，系统操作简单，可以长期、连续、稳定地在无人监控状态下工作。

关键词：雨水回收；PLC；过程控制；模糊控制

中图分类号：TP273 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.24.117

雨水回收利用系统是将雨水根据需求进行收集后，对收集的雨水进行处理，使其符合设计使用标准的系统。目前多数由弃流过滤系统、蓄水系统、净化系统组成。在国外，特别是一些欧洲城市，很早之前雨水回收与利用就已经开始实施了，通过城市的建设设计，比如道路材料、铺设设计、下水道的设计等，将整个城市的雨水资源集中，通过一系列的天然过滤，形成天然的循环系统。我国也在积极地研究雨水回收办法和相关产品，以更好地利用雨水，实现资源的有效利用。通过国内外雨水回收系统的对比，考虑到本设计是以家庭为基础，兼顾我国酸雨的特点，所以采用整体自动循环控制，智能除酸。触摸屏可在室内操作，简单直观，该雨水回收系统可以长期、稳定地循环工作。

1 系统总体设计

1.1 系统硬件设计

雨水回收过程控制系统的硬件架构主要由四个水箱、离心泵、搅拌器、投药器、液体酸碱传感器、液位传感器、流量传感器等组成，如图1所示。四个水箱从左往右依次完成雨水存储和弃流、雨水自动除酸、沉淀过滤、已净化水的存储四个过程。四个水箱的硬件结构及控制要求如下：

1号水箱：存储雨水和弃流，水箱内如果有泥沙沉淀，可以通过水箱下管道抽走。当该水箱水位高于设定值时，由离心泵抽水至2号水箱。

2号水箱：检测雨水的酸碱度，形成闭环反馈系统，自动投药中和酸度。

3号水箱：二次沉淀过滤。

4号水箱：存储已净化水。

1.2 控制系统设计

控制系统采用三菱FX3U系列PLC为核心控制模块。该型号的PLC有很好的扩展性和丰富的新型功能。此外，该控制系统还包括FX3U-4A/D、FX3U-4D/A转化模块，人机控制界面GOT100触摸屏，三菱A700变频器，电源等。本设计采用上位机控制可编程控制器来实现雨水回收的处理功能与实时监控系统。PLC编程采用SFC的形式。控制系统中的通信协议有两种方式，分别是无通讯协议和MODBUS RTU通讯。MODBUS RTU通讯协议是用于自动浇灌的土壤湿度传感器与PLC通讯。所有系统的控制情况可以由GOT100触摸屏实时显示并控制，可以实现室内操作控制屋外雨水回收系统。

1.3 PID控制算法

PID控制原理是根据设定值与实际值之间的偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量。

在本系统中，被控对象为2号水箱中的酸碱度，设定酸碱度值SV为7.5，对被控对象进行调整控制。

PID指令必须通过A/D将模拟量测定值转化成为数字量PLC，A/D模块的初始化和采样程序是必不可缺的。PID的指令设定值SV及PID控制参数群参数必须在指令执行之前送入相关的存储器。所以PID指令的初始化程序必须在执行PID指令前完成。用PID指令对设定值SV和测试纸PV的差值进行PID运算，并将运算结果送入到MV寄存器。如果是模拟量输出，则还需要经过D/A模块将数字量转化为模拟量送到执行器中，因此D/A模块的初始化和气数据的读取程序也是不可缺少的。经过PID调试，PID的参数值分别为：P=3，I=5，D=1时，控制曲线最理想。

1.4 模糊控制算法

模糊逻辑控制（Fuzzy Logic Control）简称“模糊控制（Fuzzy Control）”，是以模糊集合论、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制技术。模糊控制实质上是一种非线性控制，从属于智能控制的范畴。模糊控制的一大特点是既有系统化的理论，又有大量的实际应用背景。

模糊控制系统通常由模糊控制器、输入/输出接口、广义对象和传感器四個部分组成。输入/输出接口主要包括向前通道中的A/D转换电路和向后的D/A转换电路等两个信号转换电路。广义对象包括执行机构和被控对象。传感器是监测装置，它负责把被控对象的输出信号转换为对应的电信号。

本设计中使用模糊控制的被控对象为水箱的流量，控制要求水箱流量控制在100 cm3/s。利用模糊控制的规则，将流量误差与流量变化率作为流量控制器的输入，使得被控变量在一定范围内可控。

2 总结

本设计基本完成了预定任务，达到了过程控制效果。但由于时间关系，在以下两个方面还可以更加完善：①在远程控制方面，可以考虑加入以太网；②在雨水使用的功能上，除了使用基本的灌溉功能，还可以与智能家居相结合，将循环雨水用于冲马桶、洗车等中。

参考文献

[1]李长在.雨水回收利用系统在建筑中的应用[J].施工技术，2013，42（6）：493-495.

[2]闫宇飞，张仁慧，解宏.生态小区水资源利用系统研究[J].地下水，2012，34（1）：67-69.

[3]赵寅，卢渊.城市居民小区雨水回收利用系统的应用[J].施工技术，2015（14）：78-81.

〔编辑：王霞〕