游泳池控制系统及算法设计

肖清, 王琪, 李丰, 李剑(.江西理工大学 应用科学学院,江西 赣州　34000; .赣州德业电子科技有限公司,江西 赣州　34000)

0　引　言

随着我国经济的发展，近年来城市建设的迅速发展以及人民生活水平的日益提高，游泳运动已经深入到人民的日常生活中，尤其是经济发达地区，私家泳池的建设量与日俱增。与泳池相关设备功能需求更是随着用户对生活品质要求的提高。目前市场的游泳池一般都具备水循环控制、水过滤、药物投加、恒温控制、室内湿度控制、SPA控制等功能，单从设备实现功能来说，市场上都有相应的设备能够满足要求，但是这些设备都为不同厂家生产，相互之间没有能够做到无缝对接，泳池控制系统的集成度较低、可操作性差、综合性能差[1]。

本文介绍了基于物联网技术的游泳池控制系统设计，阐述了SOC单片机的在游泳池数据采集和控制硬件实现方案及系统功能，其兼容性较强，其可满足国内外大部分游泳池控制需求。

1　系统功能及动作原理

根据控制需求分类，系统包含了水循环、水过滤、药物投加、臭氧消毒、水温恒温控制、SPA控制、水下灯控制等功能。但实际的泳池系统循环泵的数量、砂缸数量、SPA按摩数量、药物投加、水下灯等可根据实际规模和需要进行组态，本设计可满足市场上90%以上泳池控制的需要。泳池系统结构如图1所示。

图1　泳池结构图

1.1　水循环

水循环最大能控制八路循环水泵，在实际使用时，可根据系统需要控制的循环水泵数量进行设置。系统使用前需要对循环泵开启的IO点选择，没有选中的将不会工作；在选中IO端口可接入循环泵，还需自动分配一台循环泵作为备用泵。

循环泵的运行有“自动/手动”两种模式，系统还需设置自动运行的时间，当处于自动模式下，状态只有进入了运行时间段，循环泵才自动启动。当沙缸要进行切换时，循环泵停止运行，直到状态切换完成，再次启动。

系统还设有夜间循环功能，进入夜间循环工作模式后，泳池夜间低功耗循环，避免了次日要启用时，泳池温度、水质都不能及时调节好，这样能真正做到24小时快速投入使用,同时又能做到节能。

1.2　水过滤

系统设计有六路IO用于控制沙缸的六个工作状态，并预留RS485通信接口，既可通过IO也可通过通信方式切换工作状态。其工作状态分别是“过滤、排水、反冲洗、循环、关闭、冲洗”，系统具有定时反冲洗、压力检测自动反冲洗两种工作模式。

1.2.1定时反冲洗

在选择定时反冲洗模式下，用户还需进一步设定反冲洗的时间,需先设定启动反冲洗的日(选择周一、周二、……周七，可多选)，再设定启动反冲洗的具体时间段。

1.2.2自动反冲洗

系统在自动控制方式下，能够自动切换沙缸的工作状态。在砂缸进出口压差超过管理员设定的进出口压力差设定值时，将启动反冲洗状态，反冲时间一般为30分钟。

1.3　水质检测及药物投加

药物投加包括两大部分：检测和药物投加。系统完成相应值的检测、药桶空桶检测以及药物投加的功能。

药物投加要进行检测量有pH、ORP、余氯、浑浊度，共计四路。需要添加的药剂有碱性药剂(或酸性药剂)、ORP调节液、氯、絮凝剂。投加絮凝剂采用精制硫酸铝。在进入游池前加除藻剂，即可去除藻类，又可使水呈蓝色. 采用精制硫酸铜，絮凝剂设置为定时投加或者自动添加。

可根据设备实际需求，在投入使用前进行系统设置,设置是否启用PH、ORP、余氯、浑浊度检测。没有启用的功能将不工作，也不需要接入相关的硬件设备。此外，还需要完成相关传感器参数的设定和标定。

1.4　臭氧消毒

系统包含一个臭氧发生器，由其产生臭氧并射入循环水中：在回水管中安装一个臭氧浓度传感器。臭氧发生量由臭氧发生器内部控制器控制。臭氧浓度检测具备高、低限报警，余量臭氧通过活性炭吸附灭失，当活性炭吸附效果变差时发生报警。

1.5　SPA功能

SPA是一些私家泳池的选配功能甚至标配功能，本系统的SPA控制功能包容性强，能接入市场上大部分的SPA系统，或者本身独立控制。为实现接纳其他厂家的SPA控制器，系统设有IO控制、通信控制两种模式。按摩泵启动信号来自于安装在SPA池边的无线触摸按键，其信号将反馈给控制主机。

1.5.1IO控制

在IO控制模式下，为较为简单的控制，直接输出四路继电器控制，可最多启停4台按摩泵，其按摩输出力度为固定值，不可更改。

1.5.2通信控制

为了外接SPA水泵变频器，本系统预留通信控制接口，通过该接口与变频器通信，从而达到控制SPA目的。

系统主机通过通信来设置SPA变频器的工作档位及相应档位的工作频率从而达到调节按摩力度的目的，共分4档，每个按摩位的档位都可独立设置。

1.6　恒温控制

泳池水温加热是通过三集一体热泵、主加热器调节水温，主加热器有板换加热、燃气加热等。主加热器由主机直接控制启停并自动调节温度，辅助加热的三集一体热泵自身具备温度调节控制功能，主控制器通过串口通信发给辅助加热器运行参数。

2　主机硬件电路

系统硬件核心控制器主要为C8051F580，人机交互采用24位彩色安卓屏(像素点800×600)，系统硬件建构如图2所示。

图2　主机结构图

系统可检测多路模拟量，形成闭环控制，适用于受控设备相对集中，且需闭环控制的环节较多。设备用户及调试人员可通过该监控主机完成本机房、池水循环及处理工艺流程、环境温度及水温调节等的监控。泳池水温、液位、水质(pH、浊度、余氯、ORP)、药桶低液位、水泵状态及其他运行参数、报警信号等数据信息均能汇总至该控制器，并能上传至泳池信息平台。

主控板MCU采用C8051F580，如图3所示，主控板留有3路通信接口UART0、UART1、CAN，其中UART0、UART1经过ADM2582芯片进行电平转换为RS485信号[2-3]，其中一路UART连接显示屏，另一路UART连接现场总线设备，用于扩展通信连接的设备，如SPA、三集一体热泵等；CAN总线接口用于主控板与数据采集板的数据通信，将采集板获取的pH、ORP、余氯、浊度等值。主控板上设有三十六路开关量输出，用于控制循环泵、沙缸、气泵、水下灯、加药泵、SPA等。

3　主要控制系统原理

3．1　主要技术指标控制[4-5]

游泳池的水质的主要指标为酸碱度(pH)、ORP值、浑浊度(浊度值)、余氯值等。系统对回水取样并分析泳池水质指标。

3.1.1回水水质检测

检测：在泳池回流管中放置pH、ORP、浊度、余氯温度等传感器，pH、ORP、浊度、余氯温度等均由传感变送器将测量值传送至数据采集板。

3.1.2pH控制

pH目标值：7.2～7.6，通过安卓触摸屏修改该值，采用计量泵于泳池进水总管处投加pH调整剂实现pH的调节，或者通过调节普通加药泵的开机时间实现pH的调节。该泵由泳池主控板控制，控制算法见本文第5小节。

泳池循环泵停止时，该加药泵停止。

图3　主控板MCU

3.1.3余氯控制

余氯目标值：0.3～0.6 mg/L，通过安卓触摸屏修改该值，将计量泵安装于游泳池进水总管处，并投加长效消毒剂进而实现池水中余氯浓度的调节，或者通过控制普通加药泵的开停时间实现余氯值的调节。回水测量值作为目标值，进水测量值为控制过程值。计量泵由泳池主控板控制，采用模糊规则库法则+ PID算法进行控制，由系统软件程序计算得出控制值，控制调整剂投加量。

泳池循环泵停止时，该加药泵停止。

3.1.4ORP值控制

ORP目标值：≥700 mV,ORP值作为辅助参数，通过安卓触摸屏修改该值，采用计量泵于泳池进水总管处投加ORP调整剂实现ORP值的调节，或者通过调节普通加药泵的开机时间实现ORP值的调节。根据回水测量ORP值由计算得出控制值，其控制算法参照本文第5节。

泳池循环泵停止时，该加药泵停止。

3.1.5温度控制

温度目标值：28±1 ℃，通过安卓触摸屏修改该目标值，回水温度值作为系统控制过程的控制值。其值由主控制板通过RS485发出温度参数给空气热泵加热，从而实现水温调节。若水温低于温度低限(调试时确定)，空气能热泵全频运行。泳池进水温度配合泳池进水循环总量用以计算换热所需热量。

泳池循环泵停机及反冲洗时，空气能热泵停机。

3.1.6浊度控制

浊度目标值：< 0.1FTU,通过安卓触摸屏修改该值，采用计量泵于泳池进水总管处投加絮凝剂实现浊度值的调节，或者通过调节普通加药泵的开机时间实现浊度值的调节。该泵由泳池主控板控制，采用模糊规则库法则+PID进行控制，根据回水测量浊度值，由主控板软件程序计算得出控制值。

泳池循环泵停机时，该加药泵停机。

3．2　模式控制

系统在运行上有自动运行和手动运行两种控制模式，在自动模式下，沙缸过滤根据用户选择采取压力检测自动反冲洗或者定时自动反冲洗，在人工模式下进入手动操作模式。自动模式下，当砂过滤器上的压差传感器压差达到设定值，且系统设置为压差启动时，自动转入反冲洗程序。

4　设备扩展及通信协议

为兼容市场上的其他厂家具备及自研的配套设备，系统预留了RS485接口，用于连接沙缸、空气能热泵、三集一体热泵、臭氧发生器、余氯机、SPA等设备。

自研的配套设备通信协议如表1所示。

表1　通信协议

帧头：0x5AA5；

帧尾：0x6996；

设备ID：自动沙缸-0x01,空气能热泵-0x02,三集一体热泵-0x03,臭氧发生器-0x04,SPA-0x05；

命令：

沙缸过滤：过滤-0x00,排水-0x01,反冲洗-0x02,循环-0x03,关闭-0x04,冲洗-0x05;

其他：关机-0x00，开机-0x01；

5　控制算法[6]

泳池对水质、水温的控制是个大滞后的系统，调节运行过程具有大时滞、非时变和线性等特点，因此采用了以工程经验为基础的模糊PID算法实现对池水pH、ORP、浑浊度以及水温等的控制。

模糊控制规则库的模糊参数，自整定PID控制器采用工程经验来建立，最终达到减小系统的超调量，提高泳池控制系统的自适应能力的目的。控制器结构如图4所示。

图4　控制器结构图

这里仅介绍以pH的调控为目标的算法。系统采用二维模糊控制，系统给定值(既pH设为7.2)，其与实际测量值的偏差为e，相应的偏差变化率为ec，E和EC分别为对e和ec模糊化后的模糊量，模糊论域均取[-5，+5]。继而输出控制量为ΔKp、ΔKi和ΔKd。Ke、Kec分别为e和ec的量化因子，Kpu、Kiu、Kdu分别为ΔKp、ΔKi和ΔKd的比例因子。结合工程实际经验，取ΔK的模糊论域为[-5,+5]，控制系统论域量化级数为11，而ΔKi和ΔKd的模糊论域为[-3，+3]，论域量化级数均为7。模糊语言变量的模糊子集均取[NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB]。得到控制规则表后，再根据Mamdani模糊推理法运算求出的模糊关系R，进而针对每条控制规则求出与之相对应模糊关系R0，R1，…,R121，进一步求出控制量的模糊集ΔKp=(E×EC),如表2所示。

表2　KP模糊控制查询表

此时得到模糊向量是一个反映E和EC取不同的语言值时的值，在输出执行前要进行模糊解析得到精确值。ΔKi、ΔKd的查询表可由同样方法得到。

6　结束语

本系统的设计将循环运行控制、水质调节控制、水温控制、环境温度控制等集于一体，稳定可靠且控制算法符合泳池水处理需求。池水水质稳定、水温控制平稳。药品消耗得到大幅度下降。系统可由工程商根据需要配置系统的大小和功能进行组态，通用性强，自动化程度运行达到国内领先水平，实现了泳池设备集中控制，便于工程商的调试和用户的使用。

参考文献：

[1] 韩庆瑶,王建英,袁兴华.PLC在水处理控制系统中的应用[J].机械设计与制造，2007,21(9)：157-158.

[2] 潘琢金. C8051 F x x x高速 SoC单片机原理及应用[M]． 北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[3] 潘琢金. C8051 F580/1/2/3/4/5/6/7全速USB FLASH微控制器数据手册[Z]．深圳：新华龙电子有限公司，2006.

[4] 王宝贞，王琳. 水与废水的深度氧化处理技术[M]. 南京：河海大学，2000.

[5] 范懋功.游泳池水臭氧消毒系统设计[J].给水排水,1999,25(10):51-52.

[6] 朱斌,罗益民,袁启昌,等.基于模糊PID控制的循环水自动加药与监测系统[J].计算机测量与控制,2008,16(6):796-798.