基于组态王的游泳池水处理系统设计

任 伟 ，欧美英，谷胜伟 ，邹国柱

游泳作为备受公众喜欢的运动方式，最近几年得到了广泛推广。由一开始的简单娱乐休闲到对健康生活的运动追求，人们对游泳池水质处理等各方面的要求越来越高。保障泳池环境的最重要工作就是提高泳池池水的水质，所以泳池池水处理技术也在不断地进步。

人们在游泳过程中，会有大量废物（汗液、口水、皮屑、毛发等）排到水里，严重影响水体质量，易滋生细菌、传播疾病，因此需要采取措施去控制水质。对于游泳池水体的控制处理，主要是针对水体温度、液位，以及水中余氯、pH值、臭氧、浊度的控制。对于这些变量的控制要求主要有：（1）水温需要控制在23～30℃，其原因是这个温度范围比较适合人体在水中的运动，还可以很好地控制水体菌群的生长。（2）余氯需要控制在0.3～0.5 mg/L范围内，这样不仅可以保证消毒效果，消灭病菌病毒，使游泳池水中细菌数量控制在规定范围内，而且可以抑制藻类生长，防止水体变绿，但水中余氯过高将会伤害人体，刺激皮肤。（3）游泳池水体pH值控制在7.2～7.6范围内，因为控制在这个区域里，水对人体皮肤、眼睛不会产生刺激，比较舒适，且可以促进余氯和臭氧作用的充分发挥。（4）臭氧控制在0.1～0.5 mg/L，具有很强的杀菌性及灭活病毒的作用［1］，能够有效防止传染性疾病传播，但当臭氧含量过高时，会强烈刺激人的呼吸道，造成胸闷、咳嗽，还会引起神经衰弱和头晕。（5）作为游泳的水体应该是清澈透明的，因此浑浊度不应大于5度。直观上判断池水透明度时，人们应站在水深1.5 m的岸边能清楚看到第4、5泳道水底的泳道标志线。（6）池水深度主要控制在1.6～2 m范围内，此时比较适合人群活动，水位过高会造成一定的安全隐患。

当游泳池水中臭氧、余氯、pH值、浊度等指标不达标时，需要对池水进行相关的物理或化学处理，使其达到正常值，从而达到改善水质、健康娱乐的目的。

本文主要是利用组态王软件对设计的相关功能进行模拟仿真，实现检测调试并能实时监控的功能。在水处理系统设计中，组态王拥有不可替代的地位。组态王开发监控系统软件是新型的工业自动控制系统，它以标准的工业计算机软硬件平台构成的集成系统具有提供可视化操作界面、自动建立I/O点、分布式存储报警和历史数据、设备集成能力强等优点。这些优势使得组态王软件在模拟仿真设计中发挥着越来越重要的作用。

1 系统架构设计

1.1 主要结构图

本系统采用的是以西门子S7-200 PLC为下位机，组态王仿真软件为上位机的控制方案［2］。主要结构如图1所示。利用组态王发出命令信息，将控制信息传给PLC，通过PLC去控制继电器，然后便可以根据需要去启动或关闭相应的电机，达到相关控制的目的。

图1 结构图

1.2 主要流程图

池水处理系统主要由循环水泵、反冲洗、加投泵控制和水位水温控制四个部分组成，系统设计主要流程如图2所示。

图2 主要流程图

设计思路是先利用循环水泵将池中的水抽出，然后主要对余氯值、臭氧含量、pH值、水质浊度等水质指标进行检测，再通过相应化学方法和物理方法进行加投泵控制等处理，同时对水位水温进行相应控制。设计的最终目的就是对这些水质指标进行同时控制调节，使其值控制在所设定的正常范围里，形成一个稳定的动态运动系统。例如当检测到水体pH值过高，浊度也过高时，立即启动稀盐酸加投泵和絮凝剂加投泵，使pH值和浊度值降低。其他变量变化和调节与之相类似。

2 主要部分设计介绍

2.1 循环水泵控制

在本设计里，需要利用两个循环水泵，分别命名为循环水泵1和循环水泵2。设计两个水泵的原因是：一方面避免了单个水泵的长时间运行；另一方面保证了一旦其中一个水泵故障，另一个可以切换使用。这样，可以提高整个系统的效率。

循环水泵1和循环水泵2的动作设定思路：启动循环水泵1有两种情况：一种是循环水泵1运行时间超过切换时间，并且循环水泵2出现故障；另一种是循环水泵2工作时间超过切换时间且循环水泵1未出现故障。启动循环水泵2也有两种情况：一种是循环水泵2运行时间超过切换时间，并且循环水泵1出现故障；另一种循环水泵1运行时间超过切换时间，循环水泵2正常。

2.2 反冲洗设定

反冲洗整个过程为：正常运行—反冲洗运行—过渡过程—正常运行。这个过程主要是通过控制阀门的开启和关闭去控制通过砂滤罐的水流方向来实现的。正常运行的水流方向是从上向下，而反冲洗是使水流方向从下向上来实现的。系统设置了2个启动反冲洗的条件：其一是通过检测砂滤罐入口和砂滤罐出口的压力，计算压差，压差大于或者等于设定的启动反冲洗压差，则自动启动反冲洗；其二是手动反冲洗，通过按手动反冲洗按钮，执行反冲洗操作。

2.3 加投泵部分设定

加投泵或阀门和水质检测变量是一一对应的，余氯值对应消毒剂加投泵，浊度值对应絮凝剂加投泵，pH值对应稀盐酸加投泵，臭氧值对应臭氧阀等。仿真中水质检测处理部分设计的主要内容是使检测变量的值控制在一个范围内，一旦检测到的值不在这个范围里，就启动或停止相应的加投泵或阀门工作。

在实际运行中，之所以其中的变量如浊度、pH值、臭氧等会变高或变低，还能控制在一定范围里，主要是因为整个系统是在不停地运行，不停地调节，相互之间会受到影响。例如：当浊度变高时系统会进行絮凝剂加投处理，使其变低，一旦低于限定值即关闭相应调节泵，但由于游泳池中人群的活动，浊度又会提高；由于游泳池水中添加了消毒剂、漂白粉等，水体呈现碱性，当pH值低于7.2时，关闭稀盐酸加投泵，由于水中添加剂、浊物和新注入一部分水等原因又会使水体pH值提高，使其恢复到7.2以上的控制范围中；对于水中臭氧量和余氯量的变化控制也是如此，当水中臭氧或余氯含量过高时，关闭臭氧阀或消毒剂加投泵，水中臭氧或余氯含量会随着池水不断更新而降低，直至降低到控制范围。这个系统是一个动态稳定的过程，通过不断地控制调节来维系它的稳定。

2.4 水位水温控制

液位对应清水加注阀、温度对应蒸汽调节阀。水位的高低变化是由反冲洗过程排出污水和清水注入等所导致。而水体温度变化是由于水体不停散热和蒸汽调节阀打开通蒸汽导致的。因此设计控制也是保证其液位和温度在正常范围内，一旦测量到的值不在正常范围内，将会反馈到其对应阀门，控制其打开和关闭。

3 通信和变量建立

3.1 通信建立

利用安装的组态王软件，在设备管理里面找到COM，对其相应参数进行设置。一般情况下不需要改动，尽量使数据与S7-200 PLC设定的值相一致，这样才有利于软件的正常使用。

新建设备连接时，从设备中选择PLC，找到西门子S7-200系统，选择 PPI［3］。 设定设备名称时使用预设的“新IO设备”。对于相应通信端口，不能直接决定类型，需要跟电脑实际使用端口一致，故先查到电脑端口类型再选好其串口号。设定PLC的地址时设定值需要跟实际PLC的地址相一致。

3.2 变量建立

本文对于游泳池水处理设计主要包括各类加投泵、循环水泵、清水加注阀、蒸汽调节阀，以及关于pH、浊度、臭氧和余氯的读取值和控制范围值等。为了建立组态王与PLC的通信和组态王动画，这里需要先建立相应变量，对于变量具体的设置内容包括变量名、变量类型、初始值和最大最小值等［4］。图3是变量余氯值的设定，其他变量的设定与之类似。

图3 定义变量

4 组态王监控界面设计

基于组态王的界面设计主要建立了主监控画面、参数设定画面、实时曲线画面、历史曲线画面、报表画面、报警画面等［5］。通过设计的画面，能够对游泳池水运行进行仿真模拟、实时监控和数据采集存储。

4.1 主监控画面

根据设计思路，利用组态王仿真的主监控画面如图4所示。其中辅助添加了报警闪烁指示，用来判断测量值是否超过预定值范围，一旦超出范围，将闪烁提醒，具有良好的人机交互功能。

图4 主监控画面

4.2 循环泵监控

设计中加入循环水泵，是为了将泳池水抽出，便于后面的检测和处理。在实际使用中，考虑到循环水泵单独长期使用可能会出现机体温度过高或高负荷运作带来的损坏等故障，因此需要利用两个循环水泵交替使用来提高系统的高效性和稳定性。

循环水泵的实际运行如图4所示。当系统正常运行时，循环水泵按照切换时间计时顺序交替使用；当系统中一个循环水泵出现故障时，将立即切换另一个循环水泵使用，不再考虑切换时间，不影响系统的继续运行。

4.3 反冲洗监控

反冲洗设计，主要是依靠砂滤罐的过滤作用，通过控制阀门控制水流方向的方法，完成对水体中固体物的过滤功能。

过滤过程的设计如图4所示，设计内容如下：过滤工作正常运行时，水流的方向是从YV5流入，从YV8流出，其他的阀门关闭。反冲洗工作时，水流从YV6流入，从YV7流出，其他阀门关闭，砂滤罐中的废物被反向的水流带走，从污水管道中排出去。通过设定反冲洗持续时间，控制反冲洗的过程。从反冲洗运行完成到正常过滤运行开始这段时间属于过渡过程，因为当反冲洗时间到达时，流出的水中仍然含有残余污物，所以这个过程产生的水不能回注入泳池。因此，需要YV8关闭，使水从YV5流入，从YV9流出，流入污水管道。通过对这个过程的时间进行设定，去控制过渡阶段进程。结束这个过渡过程后，进入正常过滤工作过程，使 YV9阀门关闭，YV8阀门打开，过滤后的水注入游泳池。

4.4 加投泵监控与水位水温监控

对于pH值等变量变化时，加投泵监控设计如图4所示。如设置pH值为7.2～7.6，当pH值低于7.2时，过低红点闪烁，显示pH值过低，此时将关闭稀盐酸加投泵；而当pH高于7.6时，过高红点闪烁，此时启动稀盐酸加投泵。其他变量的监控画面与pH值的监控画面相似。

对于水位监控主要是将水位设置在120～125 cm，如图4所示。当水位低于120 cm时，过低红点闪烁，清水加注阀YV4打开；当水位正常后，红点不出现；当水位高于125 cm时，过高红点闪烁，清水加注阀关闭。通过这样的设置，可以将水位很好地控制在规定范围内。对于水温的控制与水位控制类似，当水温高于温度设定值时，将进行加冷凝水操作［6］；当温度过低时，将控制蒸汽调节阀将水温提高。

首先，要准确调节各变量，就需要提高各传感器元件和加投泵（例如温度传感器、臭氧检测传感器、稀盐酸加投泵等）的灵敏性，只有其足够敏感，才能在变量变化超出范围时，迅速作出判断。其次，系统的准确控制，还需依靠所设计的动态平衡系统本身，内部变量的变化，相互影响，相互制约，使其能够完美地配合运行。

4.5 实时曲线画面

系统设计出来的实时曲线画面如图5所示，为了更容易区分图表里的曲线类型，在图表右侧标出了相应线所代表的变量。通过折线式的图表，能够很清楚地看到相应变量的变化趋势，同时右侧文字下方的数据实时更新，这样能够更加方便观察和研究。

图5 实时曲线画面

4.6 报表画面和报警画面

在报表画面里，清楚地记录着在具体时间点相应变量（包括余氯、浊度、pH值、臭氧、水温等）的值。制作这个画面的目的是为了让我们能够对系统运行的相关数据进行汇总，这样更有利于我们对系统运行状况准确把握。

系统运行过程中，可以将采集到的数据和初步设定数据进行比较，判断其是否超出设定范围，然后进行监控报警，形成报警画面。

5 结束语

本文主要是利用组态王6.55建立模拟工程，该工程实现了对游泳池水水质相关变量指标进行检测并处理，所设计的整个运行系统是一个动态稳定过程，各变量变化波动，会触发相应的处理机制去维系它的稳定状态，使系统有条不紊地运行。利用设计的相应画面来实现实时监控，并通过曲线画面和报表数据的形成，以数形结合的方式清晰直接地反映系统运行状况。这种设计方法不仅很好地实现了游泳池水处理过程的自动监控，而且有效地解决了人工操作中效率不高等问题，同时还提高了水处理过程的可靠性和高效性，达到了预期的效果。

参考文献：

［1］ 王宏伟.臭氧发生器在游泳池水处理中的应用［J］.工程技术（全文版），2016（7)：276-277.

［2］ 赵涛，虎恩典，丁晓军.组态王和西门子S7-200PLC在双储液罐水位/温度自动控制系统中的应用［J］.煤矿机械，2012，33（6）：196-197.

［3］ 张文明，刘志军.组态软件控制技术［M］.北京：清华大学出版社，2006：15-18.

［4］ 徐航.基于GPRS的水库水位实时监测系统的研究［D］.赣州：江西理工大学，2012.

［5］ 柯宇.大型燃煤机组电除尘系统的控制设计［D］.阜新：辽宁工程技术大学，2011.

［6］ 陈有文.热泵水箱的定温补水控制方式［J］.河南科技，2014（11）：162-162.