基于PLC的污水檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試研究摘要在水質(zhì)檢測領(lǐng)域，目前主流的方法大多采用通過現(xiàn)場提取污水樣品進(jìn)行化驗(yàn)，存在耗費(fèi)大量人力的弊端，一旦水質(zhì)發(fā)生變化，無法立即識別，因此需要對污水檢測進(jìn)行研究，避免人工提取檢測消耗大量人力，提升污水檢測的效率。本文以PLC為核心控制器的污水檢測系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以快速識別水質(zhì)的改變，并以報(bào)警進(jìn)行提醒。污水檢測系統(tǒng)將采集的污水溫度、PH值、渾濁度等模擬信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為無線電信號傳遞給PLC核心控制器，PLC核心控制器對其進(jìn)行分析判斷得出水質(zhì)各個參數(shù)是否符合預(yù)先設(shè)定的數(shù)值范圍并做出反應(yīng)。驗(yàn)證表明本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)污水水質(zhì)檢測功能，符合設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：污水檢測；PLC控制器；中心處理器CPU目錄TOC\o"1-3"\h\u31338一、緒論 135781.1研究背景及意義 1244971.1.1課題來源 198651.1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀 1149711.2研究的主要方法 3122591.3主要研究內(nèi)容 3153261.4本章小結(jié) 44999二、總體設(shè)計(jì)方案 564472.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 592102.1.1設(shè)計(jì)要求 5110752.1.2系統(tǒng)總體方案 5280572.2硬件設(shè)計(jì) 7287862.2.1硬件選擇 7212572.2.2電路設(shè)計(jì) 11204332.3軟件設(shè)計(jì) 12312322.3.1總體思路 12121112.3.2流程設(shè)計(jì) 12295662.4本章小結(jié) 1615247三、系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證（仿真） 1788813.1驗(yàn)證內(nèi)容 17306463.2驗(yàn)證過程 17164113.3驗(yàn)證結(jié)果 187301四、工作總結(jié)和展望 236834.1工作總結(jié) 23188124.2工作展望 2324536參考文獻(xiàn) 26一、緒論1.1研究背景及意義1.1.1課題來源由于近年來我國社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展迅速，城鎮(zhèn)中的工業(yè)廢水和居民生活污水的綜合排放總量也在迅猛增加，全國各地區(qū)的污水、廢水綜合排放量的增加可能會威脅到全體人民的健康，制約我國的可持續(xù)發(fā)展。1988年，我國在天津創(chuàng)建了首個自動水質(zhì)檢測系統(tǒng)，隨后接連在北京、上海等地建立了自動水質(zhì)檢測站，并且在我國環(huán)境保護(hù)部的官方網(wǎng)站上實(shí)時(shí)更新檢測的相關(guān)信息，為大眾的生產(chǎn)和生活提供了基準(zhǔn)，且可以及時(shí)告誡可能發(fā)生的水污染災(zāi)難。在水質(zhì)檢測領(lǐng)域，目前主流的方法大多采用通過現(xiàn)場提取污水樣品進(jìn)行化驗(yàn)，存在耗費(fèi)大量人力的弊端，一旦發(fā)生水質(zhì)變化，無法立即識別，因此研究一種對污水情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，避免人工提取檢測消耗大量人力的設(shè)計(jì),可極大提升污水檢測的效率。。1.1.2國內(nèi)外現(xiàn)狀國外對于水質(zhì)檢測的研究工作起步較早，剛開始時(shí)主要運(yùn)用于環(huán)保方面，慢慢的又被引入到了水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域。技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個階段，最早出現(xiàn)的是水質(zhì)檢測車，里面配備了各種分析儀器并且裝配了自動采水裝置,可以進(jìn)行多組項(xiàng)目的現(xiàn)場檢測和分析；在1940年到1950年之間，出現(xiàn)了比水質(zhì)檢測車更加輕便的水質(zhì)分析箱，被廣泛的應(yīng)用到野外現(xiàn)場檢測，美國HACH公司研發(fā)的DREL系列水質(zhì)分析箱是其中典型代表，它可以現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)多個參數(shù)的檢測，但是它也有明顯的缺點(diǎn)，需攜帶大量試劑、使用非常復(fù)雜、需要有專業(yè)人員操作等；六十年代，半導(dǎo)體技術(shù)取得了巨大的進(jìn)步，從而開始了現(xiàn)場分析儀器研究的熱潮，比較重大的突破就是測試電極的出現(xiàn)，美國YSI公司率先提出了CLARK電極的設(shè)想，并且成功的研發(fā)出產(chǎn)品將CLARK電極運(yùn)用到其公司推出的溶解氧測量系統(tǒng)中，不久，Ross和Frant于1966年創(chuàng)造出氟離子選擇電極。從此，離子選擇性電極出現(xiàn)了飛躍性的發(fā)展，離子選擇電極是一種使用膜的電勢來測量溶液中離子濃度的電極，它具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)快、體積小、靈敏度高和價(jià)格便宜等優(yōu)勢，使用電極進(jìn)行水質(zhì)測試時(shí)無需預(yù)處理樣品，從而極大地推進(jìn)了水質(zhì)檢測儀器的小型化；七十年代歐美等發(fā)達(dá)國家就已經(jīng)開始使用便攜式水質(zhì)檢測儀，八十年代出現(xiàn)了連續(xù)多參數(shù)水質(zhì)檢測，到了九十年代，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微控制技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，全自動化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化以及微型化成為了水質(zhì)檢測的發(fā)展趨勢。多年來，我國的水質(zhì)檢測技術(shù)一直以傳統(tǒng)的手動采樣和實(shí)驗(yàn)室儀器分析為基礎(chǔ)。我國的水質(zhì)檢測器嚴(yán)重依賴進(jìn)口并且自2000年以來成熟的本地化設(shè)備才剛開始在全國范圍內(nèi)廣泛推廣開來。目前，國家環(huán)境保護(hù)總局設(shè)立的水質(zhì)檢測段基本分布于用水量較大，檢測相對嚴(yán)格的大河或大河干流，與其他主要河流相比支流的檢測始終都是個空缺。在村落及小城鎮(zhèn)地區(qū)，污水實(shí)際排放量和支流、內(nèi)河等地區(qū)對土壤和河道造成的污染很有可能更為嚴(yán)重。水質(zhì)檢測的發(fā)展現(xiàn)狀已經(jīng)揭示了當(dāng)前我國對于水污染防治的嚴(yán)重性和水質(zhì)檢測體系建設(shè)滯后性。所以，要想有效控制環(huán)境中的水質(zhì)污染，首先就需要具備良好的水質(zhì)檢測系統(tǒng)。在污水檢測系統(tǒng)研究領(lǐng)域，我國的研究工作開展較晚，技術(shù)遠(yuǎn)落后于西方發(fā)達(dá)國家，到了八十年代末，手工采樣然后再帶到實(shí)驗(yàn)室分析仍是我國水質(zhì)檢測工作的主要技術(shù)路線，所使用的儀器也主要是實(shí)驗(yàn)室分析儀器，其特點(diǎn)是采樣率低，操作繁瑣且工作量大。2003年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國所使用的水質(zhì)分析儀中有73%由國外進(jìn)口。直到九十年代中期，中國的水質(zhì)檢測系統(tǒng)已經(jīng)開始本地化，一開始，我國開發(fā)的大多數(shù)水質(zhì)檢測系統(tǒng)都是單參數(shù)產(chǎn)品。最近幾年，在多參數(shù)水質(zhì)檢測系統(tǒng)的研究和相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)方面，我國取得了一些進(jìn)展。在國產(chǎn)水質(zhì)檢測系統(tǒng)領(lǐng)域，研發(fā)產(chǎn)品走在最前端的當(dāng)屬上海雷茲儀器廠。1.2研究的主要方法本文在分析了國內(nèi)外水質(zhì)檢測系統(tǒng)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對污水的溫度、PH值、渾濁度進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)一款基于PLC的污水檢測系統(tǒng)。為了更好的設(shè)計(jì)出該系統(tǒng)，不光要了解水質(zhì)參數(shù)，還要學(xué)習(xí)它的相關(guān)檢測方法，學(xué)習(xí)如何用PLC去仿真實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。需要在實(shí)際硬件性能參數(shù)和軟件編程研究體系下，去實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)要求。為了完成這些任務(wù)，需要進(jìn)行一些相關(guān)資料文獻(xiàn)的查詢。查詢文件的主要方法有：（1）學(xué)習(xí)相關(guān)資料文獻(xiàn)的方法：去圖書館查閱與之有關(guān)的書籍，或者在相關(guān)的學(xué)術(shù)網(wǎng)頁瀏覽有記錄的學(xué)術(shù)報(bào)告或者研究報(bào)告。（2）進(jìn)行硬件模塊的對比：根據(jù)已有的污水檢測系統(tǒng)的硬件要求以及性能比較來確定本文設(shè)計(jì)的污水檢測系統(tǒng)的硬件需要什么要求和預(yù)期其可能的功能。因本文研究系統(tǒng)需要通過傳感器傳輸信號，所以重點(diǎn)對比傳感器的性能和特點(diǎn)。（3）進(jìn)行仿真驗(yàn)證：完成硬件選擇和數(shù)據(jù)的處理后，需要編寫不同程序的編程，來實(shí)現(xiàn)每一個模塊的特定性能，并且實(shí)現(xiàn)模塊功能的驗(yàn)證工作，以此來保證每一個模塊在投入運(yùn)行時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)正常的功能。1.3主要研究內(nèi)容本文的章節(jié)安排如下：第一章：緒論，分析國內(nèi)外水環(huán)境現(xiàn)狀，說明水質(zhì)檢測的重要性，深入研究國內(nèi)外水質(zhì)檢測系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，并且分析了其目前存在的不足。第二章：總體設(shè)計(jì)方案，研究了各參數(shù)檢測常用方法的測量原理，分析對比后，為本文設(shè)計(jì)選擇適宜的測量方法，最后，在此基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)。硬件電路設(shè)計(jì)方面完成PLC控制系統(tǒng)的選擇、各種傳感器的選擇并說明理由。軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成了下位機(jī)和上位機(jī)設(shè)計(jì)，下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)的采集、處理和顯示，上位機(jī)主要完成人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)信息的傳輸、顯示和存儲。第三章：完成系統(tǒng)的調(diào)試與驗(yàn)證。第四章：工作總結(jié)和展望，總結(jié)本文的主要工作內(nèi)容，并對本系統(tǒng)的不足提出了改進(jìn)的。1.4本章小結(jié)本章由我國水環(huán)境現(xiàn)狀入手，說明水質(zhì)檢測的必要性。然后介紹了國內(nèi)外水質(zhì)檢測系統(tǒng)發(fā)展歷程及現(xiàn)狀，并分析了其存在的不足，表明研究水質(zhì)檢測系統(tǒng)的必要性。最后介紹了本文所研究的主要內(nèi)容。二、總體設(shè)計(jì)方案2.1設(shè)計(jì)方案2.1.1設(shè)計(jì)要求本文主要針對污水的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，可以防止人工檢測耗費(fèi)大量人力。再此基礎(chǔ)上還要實(shí)現(xiàn)以下幾個要求：（1）經(jīng)濟(jì)性要求：本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在完成所有功能的基礎(chǔ)上，需要選擇一個合適的設(shè)計(jì)方案。以節(jié)省成本為目的，來做出一個最適合該系統(tǒng)的選擇，在設(shè)計(jì)硬件連接以及軟件的程序編寫時(shí)，盡可能的選擇簡單合適的編程語言以及較為單一的編程環(huán)境。從而達(dá)到本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型要求。（2）實(shí)時(shí)性要求：污水檢測應(yīng)在準(zhǔn)確檢測的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測及信號處理時(shí)間短的要求，及時(shí)發(fā)現(xiàn)水質(zhì)的變化情況，保證污水水質(zhì)檢測高效率，使本系統(tǒng)更加具有競爭力。（3）可靠性要求：為了實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，整個方案都是圍繞設(shè)計(jì)的要求來展開的，系統(tǒng)必須穩(wěn)定性強(qiáng)，測量結(jié)果準(zhǔn)確。因此在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的全過程中，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為主要研發(fā)目的，包括各個模塊的性能也是系統(tǒng)開發(fā)過程中非常需要關(guān)注的指標(biāo)。（4）精確性要求：因?yàn)槲鬯|(zhì)樣本存在差異性，所以本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)使用參數(shù)必須保證精確。2.1.2系統(tǒng)總體方案本文提出一種以PLC為核心控制器的污水檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。一旦出現(xiàn)水質(zhì)變化，將使用系統(tǒng)終端的檢測算法來快速地識別水質(zhì)的改變。然后，水質(zhì)的改變以報(bào)警信號的形式傳輸?shù)较鄳?yīng)的網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)最終傳輸給相關(guān)監(jiān)督人員。污水檢測系統(tǒng)將采集的污水溫度、PH值、渾濁度等模擬信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)換為無線電信號傳遞給PLC核心控制器，PLC核心控制器對其進(jìn)行分析判斷得出水質(zhì)各個參數(shù)是否符合預(yù)先設(shè)定的數(shù)值范圍并做出反應(yīng)。此外，本文還提供了基于可編程控制器的污水檢測系統(tǒng)的硬件控制設(shè)計(jì)以及各個部分的軟件設(shè)計(jì)。該方案所要求的污水檢測系統(tǒng)能夠有效地檢測到水質(zhì)的變化并向監(jiān)督人員反饋信息，取得令人滿意的效果。PLC控制系統(tǒng)有著實(shí)時(shí)、高性能、安全和靈活的系統(tǒng)設(shè)備配置、操作方便、維護(hù)容易等優(yōu)勢。按照設(shè)計(jì)要求，本文采用西門子S7-200型號PLC作為污水檢測控制中心，設(shè)計(jì)一款適合多種條件下能夠進(jìn)行污水檢測的系統(tǒng)。根據(jù)PLC的特點(diǎn)、功能、結(jié)構(gòu)、工作原理，本設(shè)計(jì)需要用到硬件和軟件兩部分，硬件主要完成對溫度、PH值、渾濁度這三個參數(shù)的檢測，軟件部分主要完成檢測數(shù)據(jù)的處理分析、顯示以及存儲等。設(shè)計(jì)大致分為水質(zhì)信息采集、PLC信號處理和顯示三個部分組成：（1）水質(zhì)信息的采集包括溫度傳感器檢測采集的水質(zhì)溫度、PH值傳感器檢測采集的水質(zhì)PH值和濁度傳感器檢測采集的水質(zhì)渾濁度，將這些信息傳輸?shù)絇LC中心控制器中。使其經(jīng)過分析處理后，對執(zhí)行部件做出命令判斷其水質(zhì)狀況是否合格。（2）PLC信號處理部分以PLC控制器為核心。根據(jù)信息采集部分傳遞過來的信息進(jìn)行分析、運(yùn)算，與預(yù)先設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較后傳輸?shù)綀?zhí)行部分。（3）顯示部分包括兩種功能，功能一是指示燈，功能二是數(shù)值顯示。若PLC信息處理部分分析得出該水質(zhì)符合預(yù)先設(shè)定的國家水質(zhì)檢測規(guī)范數(shù)值，系統(tǒng)將檢測出的渾濁度、溫度、PH值數(shù)值顯示到LED觸摸屏上。并且當(dāng)渾濁度在0～3時(shí)則合格LED燈亮起，反之，不合格LED燈點(diǎn)亮；當(dāng)溫度在14～15時(shí)，則合格LED燈亮起，反之，不合格LED燈點(diǎn)亮；當(dāng)PH值在6～7時(shí)，則合格LED燈亮起，反之，不合格LED燈點(diǎn)亮。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示。主要包括電源板塊、傳感器板塊、信號調(diào)理電路、PLC控制板塊、LED顯示電路。硬件主要包括：溫度傳感器、PH值傳感器、渾濁度傳感器、LED顯示燈、PLC核心控制器和顯示屏。圖2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖圖2.1各個模塊的功能如下：（1）電源模塊，為其它模塊電路提供所需的電源。（2）傳感器模塊，包括溫度傳感器、PH值傳感器、濁度傳感器，測量時(shí)它們將分別對待測水體的溫度、PH值、渾濁度這三個參數(shù)進(jìn)行信號采集。（3）信號調(diào)理電路，因傳感器采集來的信號非常小，為提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，在輸入A/D轉(zhuǎn)化電路之前需要經(jīng)過信號調(diào)理電路的處理，主要包括信號的放大、整流和濾波。（4）LED燈顯示電路，用于將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示是否合格。硬件各功能如下：（1）溫度傳感器：感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號。（2）PH值傳感器：感受PH值并轉(zhuǎn)換為可用輸出信號。（3）濁度傳感器：感受污水渾濁度并轉(zhuǎn)換為可用輸出信號。（4）PLC核心控制器：將傳感器輸入的信號進(jìn)行檢測分析。（5）LED顯示燈：通過PLC核心控制器檢測分析后執(zhí)行部分顯示污水水質(zhì)是否合格。（6）觸摸屏：通過PLC核心控制器檢測分析后執(zhí)行部分顯示三個參數(shù)的對應(yīng)數(shù)值。2.2硬件設(shè)計(jì)2.2.1硬件選擇（1）PLC核心控制器水質(zhì)檢測核心控制器的選擇是硬件設(shè)計(jì)過程中最為重要的一個步驟﹐正確的選擇核心控制器對硬件的控制有著極其重要的影響。水質(zhì)分析系統(tǒng)在應(yīng)用過程中需要保存大量的數(shù)據(jù)﹐需要控制的外圍設(shè)備也很多，承擔(dān)著較大的控制運(yùn)算任務(wù)﹐因此核心硬件的選擇對于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和處理力度有著比較大的影響，必須得到重視，以PLC為核心硬件的管理系統(tǒng)成為首選的核心控制器。因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的污水檢測系統(tǒng)的檢測參數(shù)較少，計(jì)算不是特別復(fù)雜，對控制器的硬性要求不是很高，西門子S7-200產(chǎn)品具有豐富的指令、快速且較強(qiáng)的通信能力特點(diǎn)，屬于小型PLC，主機(jī)結(jié)構(gòu)為整體式。該系統(tǒng)PLC緊湊而功能強(qiáng)大，有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)性能，響應(yīng)快，并且其獲取難度比較容易，成本較低。所以西門子S7-200型號PLC控制器可完全滿足系統(tǒng)的控制要求，本文所設(shè)計(jì)的水質(zhì)檢測系統(tǒng)采用西門子S7-200系統(tǒng)（圖2.2所示）作為控制核心。按照I/O點(diǎn)數(shù)不同其CPU拓展有五種不同的配置，分別為：CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP、CPU226。本設(shè)計(jì)的PLC程序用到了4個輸入和4個輸出，CPU221、222都不滿足此條件，CPU224則需要插入模擬量，綜上所述，本設(shè)計(jì)應(yīng)用到CPU226。圖2.2PLC控制核心（2）溫度傳感器溫度傳感器是指能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。溫度傳感器各式各樣，功能各不相同，本系統(tǒng)選用的溫度傳感器型號為：DHT11溫度傳感器如圖2.3所示。因設(shè)有固定螺旋孔，安裝方便，價(jià)格低廉，使用更方便程序設(shè)計(jì)，并且測量范圍符合本設(shè)計(jì)要求，固選用此傳感器。該傳感器參數(shù)如下：①溫度測量范圍：零下20℃-60℃，溫度誤差：＋－2℃②工作電壓：3.3V-5V③輸出形式：數(shù)字輸出圖2.3溫度傳感器（3）PH值傳感器PH值傳感器是指感受PH值并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的傳感器。PH值傳感器是PH值測量儀器的核心部分。PH值傳感器是高度智能的在線連續(xù)檢測器，所以選擇時(shí)應(yīng)當(dāng)注意其性能要求。本設(shè)計(jì)選用的PH值傳感器型號為：RS485數(shù)字PH電極探頭如圖2.4所示。該傳感器無需連接儀表，無需連接控制器。安裝方便，反應(yīng)靈敏，穩(wěn)定性好，自動溫度補(bǔ)償，常用作地表水檢測，因本文需要測量出PH值在6～7之間，固傳感器測量范圍符合本設(shè)計(jì)要求，采用此傳感器。該傳感器參數(shù)如下：①測量范圍：0-14PH②溫度：零下20℃-85℃③壓力：0-6BAR④信號輸出：4-20mA圖2.4PH值傳感器（4）濁度傳感器濁度傳感器是指感受水質(zhì)渾濁度并轉(zhuǎn)換為可用輸出信號的傳感器。其原理是由于渾濁度是由水中的懸浮顆粒引起的，因此懸浮顆粒將會漫反射入射光。通常，將90度散射光用作測試信號。傳感器選擇有各種各樣，如Remond智慧型傳感器、上海雷磁傳感器、RS485濁度電子數(shù)字傳感器，本文采用RS485濁度電子數(shù)字傳感器。此傳感器的原理是當(dāng)光通過一定量的水時(shí)，透射的光量取決于水的污染程度。水越臟，其透射的光線越少。本設(shè)計(jì)采用的濁度傳感器型號為：RS485濁度電極數(shù)字傳感器如圖2.5。該傳感器安裝方便，價(jià)格低廉，測量范圍廣，適用于各種條件下的水質(zhì)檢測系統(tǒng)，測量數(shù)據(jù)精確、穩(wěn)定。固采用此濁度傳感器。該傳感器參數(shù)如下：①測量范圍：0-1000NTU②分辨率：0.01％③信號輸出：4-20mA④工作溫度：零下25℃-60℃圖2.5濁度傳感器本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總體框圖如圖2.6所示。硬件設(shè)計(jì)分為五部分：開關(guān)、上位機(jī)（觸摸屏）、傳感器、PLC控制器及指示燈。圖2.6系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)總框圖2.2.2電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)若以試驗(yàn)箱集成按鈕開關(guān)為人機(jī)交互界面則一共用到一個開關(guān)、一個溫度傳感器、一個PH值傳感器、一個濁度傳感器、三個LED燈，一個電源燈。其I/O引腳分配如下表2.2表2.2I/O分配表I/O分配表輸入輸出接口設(shè)備意義接口設(shè)備意義I0.0開關(guān)控制程序啟動裝置Q0.0電源燈程序啟動顯示裝置AIW0溫度傳感器將模擬信號轉(zhuǎn)換為電信號Q0.1LED燈顯示污水溫度是否合格AIW2PH值傳感器將模擬信號轉(zhuǎn)化為電信號Q0.2LED燈顯示污水PH值是否合格AIW4濁度傳感器將模擬信號轉(zhuǎn)化為電信號Q0.3LED燈顯示污水渾濁度是否合格本次設(shè)計(jì)的硬件電路主要包括PLC控制器、溫度傳感器、PH值傳感器、濁度傳感器、觸摸屏、電源以及A/D轉(zhuǎn)化電路燈。仿真硬件電路的設(shè)計(jì)是本次研究重要的一部分。所以本次在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，盡量使用一些經(jīng)典電路或熟悉的硬件設(shè)備，這樣不僅節(jié)省時(shí)間，而且使用比較熟悉的電路使設(shè)計(jì)更加穩(wěn)定，也不容易出現(xiàn)電路上的錯誤，即使出現(xiàn)了，尋找解決錯誤的時(shí)間也會大大縮短。電路設(shè)計(jì)如圖2.7所示。圖2.7電路設(shè)計(jì)圖2.3軟件設(shè)計(jì)2.3.1總體思路軟件的設(shè)計(jì)是本次系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重要部分，在完成了硬件電路的設(shè)計(jì)后，接下來將進(jìn)行的是軟件設(shè)計(jì)的部分。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)只針對溫度、PH值、渾濁度進(jìn)行檢測，所以軟件設(shè)計(jì)的代碼量相對較少，但是本設(shè)計(jì)需要分別對這三種參數(shù)進(jìn)行檢測，因此本次軟件的設(shè)計(jì)更傾向模塊化的設(shè)計(jì)方式，該設(shè)計(jì)方式讓整個程序的結(jié)構(gòu)變得清晰明朗，方便后期的閱讀修改，極大程度提高了程序設(shè)計(jì)的效率，同時(shí)該方式降低了各功能設(shè)計(jì)的耦合性，在保證功能可以實(shí)現(xiàn)完整性的情況下，將一個大功能的實(shí)現(xiàn)最大化地分割成各小模塊功能的實(shí)現(xiàn)，因此，在編輯一個功能模塊的邏輯時(shí)，另外的功能模塊也不會到影響，這保證了程序設(shè)計(jì)中的可靠性和高質(zhì)量性。確定設(shè)計(jì)方法后，下一步是詳細(xì)說明每個系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。本次系統(tǒng)涉及到主程序的編寫、數(shù)據(jù)采集程序的編寫、數(shù)據(jù)傳輸?shù)木帉?、各功能方法的編寫等，在設(shè)計(jì)的過程中要注意同步定義到硬件連接的端口，當(dāng)主程序調(diào)用不成功時(shí)，要從出現(xiàn)的錯誤日志中去尋找報(bào)錯的地方，分析報(bào)錯的原因，并尋求解決的方法。如果硬件是該系統(tǒng)的基礎(chǔ)，則軟件部分是該系統(tǒng)的靈活，它決定了系統(tǒng)功能是否可以實(shí)現(xiàn)。使用良好的設(shè)計(jì)方式去編寫出結(jié)構(gòu)優(yōu)良的程序，不僅是對本次系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的重要保障，同時(shí)也方便了后期的擴(kuò)展和移植。2.3.2流程設(shè)計(jì)（1）軟件設(shè)計(jì)程序程序的設(shè)計(jì)是本次系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)條件，選擇合適的編譯工具可以大大縮減編程的時(shí)間，提高軟件設(shè)計(jì)的效率。當(dāng)硬件被選為西門子S7-200核心控制器時(shí)，其控制器必須使用STEP7-Micro/WIN32編程軟件進(jìn)行編程。所以，軟件程序采用STEP7-Micro/WIN32進(jìn)行編程主流程設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行工作就是對數(shù)據(jù)的檢測和處理，首先各模塊會實(shí)現(xiàn)初始化管腳信息，這有利于系統(tǒng)的后續(xù)操作以及機(jī)器自檢工作。當(dāng)系統(tǒng)開啟檢測模式，系統(tǒng)立即啟動，信號燈顯示運(yùn)行狀態(tài)，開始進(jìn)行獲取信號，獲取信號后傳輸?shù)綔囟葌鞲衅鳌H值傳感器、濁度傳感器中進(jìn)行轉(zhuǎn)換信號，由模擬信號轉(zhuǎn)換為電信號，轉(zhuǎn)換信號后由傳感器傳輸?shù)絇LC核心控制器中進(jìn)行檢測電信號和處理電信號，檢測分析出污水水質(zhì)是否合格傳輸給觸摸屏及LED指示燈上。在PLC核心控制器中進(jìn)具體流程圖如下圖2.8所示。圖2.8主流程設(shè)計(jì)流程細(xì)節(jié)圖系統(tǒng)開啟后，進(jìn)入初始化模式。信號轉(zhuǎn)化為電信號首先進(jìn)入溫度檢測，檢測出數(shù)值由屏幕顯示，若溫度在14°～15°，說明合格，進(jìn)入下一個檢測環(huán)節(jié)，若不合格，則不合格LED燈亮。進(jìn)入PH值檢測后，檢測出數(shù)值由屏幕顯示，若PH值符合6～7，說明合格，進(jìn)入下一個檢測環(huán)節(jié)，若不合格，則不合格LED燈顯示。進(jìn)入渾濁度檢測后，檢測出的數(shù)值由屏幕顯示，若渾濁度小于3NTU，說明該水質(zhì)合格，LED合格燈亮，若不小于3NTU，則LED不合格燈亮。細(xì)節(jié)流程如圖2.9所示。圖2.9流程細(xì)節(jié)圖（4）軟件流程圖本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為基于PLC的污水檢測系統(tǒng)，首先進(jìn)行采集參數(shù)設(shè)置，將國家標(biāo)準(zhǔn)水質(zhì)輸入該系統(tǒng)中。然后通過污水信號獲取，由虛擬信號轉(zhuǎn)化為電信號傳入中心處理器和儲存器中，進(jìn)行對污水的檢測，檢測最終得出水質(zhì)渾濁度示數(shù)以及通過LED顯示燈表明水質(zhì)是否合格。軟件流程圖如圖2.10所示。2.10軟件流程圖2.4本章小結(jié)本章從硬件和軟件兩個方面介紹了本系統(tǒng)。硬件方面：確定了各種傳感器和PLC型號選擇及原因，并且設(shè)計(jì)了硬件整體設(shè)計(jì)框圖和外圍電路流程圖。分配了I/O表。軟件方面：設(shè)計(jì)了一套可實(shí)行的軟件程序，可通過數(shù)據(jù)分析得出水質(zhì)是否符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)呢。

三、系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證3.1驗(yàn)證內(nèi)容為了驗(yàn)證污水檢測系統(tǒng)對溫度、PH值、渾濁度這三個水質(zhì)參數(shù)的檢測性能，本文設(shè)計(jì)了準(zhǔn)確性驗(yàn)證這個實(shí)驗(yàn)。準(zhǔn)確性驗(yàn)證是為了驗(yàn)證系統(tǒng)對于各個水質(zhì)參數(shù)測量的精確度，本文采用和國家頒布的《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中溫度、PH值和渾濁度要求相比對的方法。對污水的PH值、水溫、渾濁度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證。因?qū)嶒?yàn)室設(shè)備有限，無法做出實(shí)物進(jìn)行模擬仿真，而且實(shí)驗(yàn)室設(shè)備為西門子S7-200CPU224沒有模擬量拓展模塊，只能夠驗(yàn)證水質(zhì)是否符合預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，不能得出其溫度、渾濁度、PH值相對應(yīng)數(shù)值。因此，這里主要驗(yàn)證內(nèi)容為：當(dāng)污水進(jìn)入系統(tǒng)后，判斷是否符合標(biāo)準(zhǔn)。本文設(shè)計(jì)中各參數(shù)的電極都是選用現(xiàn)成的，各個參數(shù)電極的測量范圍以及測量的精度如下：水溫電極的測量范圍是零下20℃～60℃，精確度是0.1℃;PH電極的測量范圍是О～14，精確度是0.1;渾濁度電極的測量范圍是0～1000NTU，精確度是0.1NTU。3.2驗(yàn)證過程首先先做準(zhǔn)確性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)將關(guān)于地表水的PH值、溫度、渾濁度數(shù)據(jù)記錄下來，得出地表水的相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)入PLC控制器中，從而使污水檢測系統(tǒng)得到參考值，便于之后運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行污水檢測。準(zhǔn)確性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用本文設(shè)計(jì)的污水檢測系統(tǒng)和國家頒布的溫度、PH值和渾濁度參數(shù)比對測試數(shù)據(jù)。下面對水溫、PH值和渾濁度這三個參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。接下來準(zhǔn)備PC機(jī)一臺，編程電纜一根，導(dǎo)線若干，PLC試驗(yàn)箱一臺。傳感器作為輸入、指示燈和觸摸屏作為輸出和可編程主機(jī)相連接。使用下載電纜將計(jì)算機(jī)的串行端口連接到S7-200CPU224主機(jī)的端口1PORT1，然后將試驗(yàn)箱通電并打開24V電源開關(guān)，主機(jī)和24V電源指示燈亮起，表示可以正常進(jìn)行工作。打開電腦軟件Micro/WinV4.0，將軟件部分設(shè)計(jì)好的主程序和子程序全部用梯形圖寫入軟件中，進(jìn)入編譯環(huán)境，點(diǎn)擊編譯，查看錯誤，再軟件提示錯誤為零的情況下，將程序通過編程電纜下載到PLC中。按照I/O分配表連接導(dǎo)線，確認(rèn)導(dǎo)線無誤后，將PLC調(diào)整到RUN狀態(tài)即開啟狀態(tài)。由于實(shí)驗(yàn)室只有S7-200CPU224型號的PLC且沒有模擬量輸入輸出模塊，也沒有模擬量拓展模塊，所以用手動開關(guān)來代替?zhèn)鞲衅魉鶄鞒龅拈_關(guān)信號。流程如下：（1）：先按下I0.0按鈕使得程序啟動，進(jìn)入開機(jī)模式。（2）：按下AWI0來代替溫度傳感器。測量該水質(zhì)溫度是否符合相關(guān)規(guī)定。（3）：關(guān)閉AWI0，開啟AIW2來代替PH值傳感器，測量該水質(zhì)PH值是否符合相關(guān)規(guī)定。（4）：關(guān)閉AIW2，開啟AIW4來代替濁度傳感器，測量該水質(zhì)渾濁度是否符合相關(guān)規(guī)定。3.3驗(yàn)證結(jié)果開啟程序，指示燈1亮。指示燈1為開關(guān)顯示燈，點(diǎn)亮后，開始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。如圖3.1所示。圖3.1程序啟動裝置圖（1）當(dāng)按下AWI0時(shí)，Q0.0輸出為高電平，溫度不合格顯示燈亮，則說明該水質(zhì)不符合預(yù)先設(shè)定好的相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，溫度不合格。指示燈1為開關(guān)顯示燈，指示燈2為溫度不合格顯示燈。如圖3.2。3.2污水溫度檢測（2）：改變數(shù)值后，當(dāng)按下AWIO時(shí)，Q0.1輸出為高電平，溫度合格顯示燈亮，則說明該水質(zhì)符合預(yù)先設(shè)定好的相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，溫度合格。如圖3.3。圖3.3污水溫度檢測（3）：關(guān)閉AIWO，開啟AIW2，Q0.6輸出為高電平，PH值不合格顯示燈亮起，則說明該數(shù)值不符合預(yù)先設(shè)定好的相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，PH值不合格。指示燈1為開關(guān)顯示燈，指示燈4為PH不合格顯示燈。如圖3.4圖3.4污水PH值檢測（4）改變數(shù)值后，開啟AIW2，Q0.4輸出為高電平，PH值合格顯示燈亮起，則說明該數(shù)值符合預(yù)先設(shè)定好的相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，PH值合格。指示燈1為開關(guān)顯示燈，指示燈5為PH值合格顯示燈。如圖3.5圖3.5污水PH值檢測（5）關(guān)閉AIW2，開啟AIW4，Q0.5輸出為高電平，渾濁度不合格顯示燈亮起，則說明該數(shù)值不符合預(yù)先設(shè)定號的相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，渾濁度不合格。指示燈1為開關(guān)顯示燈，指示燈6為渾濁度不合格顯示燈。如圖3.6圖3.6污水渾濁度檢測（6）：改變數(shù)值后，開啟AIW4，Q0.3輸出為高電平，渾濁度合格顯示燈亮起，則說明該數(shù)值符合預(yù)先設(shè)定好的相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，渾濁度合格。指示燈1為開關(guān)顯示燈，指示燈7為渾濁度合格顯示燈。如圖3.7圖3.7污水渾濁度檢測因此我們可以看到只要按照規(guī)定開啟程序運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)均可以應(yīng)對范圍之內(nèi)的不同數(shù)值出現(xiàn)的情況，做出相對應(yīng)的動作。由于實(shí)驗(yàn)室物資短缺，所以無法模擬實(shí)際使用時(shí)，溫度、PH值及渾濁度數(shù)值的顯示。3.4本章總結(jié)本章主要介紹用于調(diào)試系統(tǒng)的軟件和硬件，并通過調(diào)試來驗(yàn)證出本文研究的污水檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)已達(dá)到其預(yù)期的目標(biāo)和基本功能。四、工作總結(jié)和展望4.1工作總結(jié)本文在分析了國內(nèi)外水質(zhì)檢測儀發(fā)展現(xiàn)狀和有待改進(jìn)的問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款以西門子S7-200作為核心控制器的系統(tǒng)。完成了對溫度、PH值、濁度這三個水質(zhì)參數(shù)的檢測，并能夠在LED燈上顯示是否合格，最后對系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試和性能驗(yàn)證。本文的主要研究工作包括以下幾個方面：（1）分析國內(nèi)外水質(zhì)檢測儀研究現(xiàn)狀及歷程，在研究了目前現(xiàn)有溫度、PH值、濁度傳感器測量原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了檢測，并提出了污水檢測系統(tǒng)的水質(zhì)參數(shù)采集、處理、存儲、顯示和傳輸?shù)南到y(tǒng)設(shè)計(jì)方案;（2）以STEP7-Micro/WIN為控制核心，完成對污水溫度、PH值、渾濁度這三個水質(zhì)參數(shù)的檢測電路設(shè)計(jì)，另外也完成了周圍一些相關(guān)電路的設(shè)計(jì)。（3）對本文設(shè)計(jì)的環(huán)保水質(zhì)檢測儀進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試與驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明水溫、PH值和渾濁度這三個水質(zhì)參數(shù)達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。盡管本文設(shè)計(jì)的污水檢測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對污水溫度、PH值、渾濁度這三個水質(zhì)參數(shù)的檢測、顯示以及傳輸?shù)裙δ埽怯捎诒鞠到y(tǒng)研究所設(shè)計(jì)的知識領(lǐng)域比較廣泛，而研究的時(shí)間以及作者開發(fā)經(jīng)驗(yàn)的限制，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還存在著一些不足。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還值得進(jìn)一步研究、探討和驗(yàn)證。4.2工作展望雖然本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了污水檢測的功能，但由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及的知識領(lǐng)域比較廣泛，而作者研究經(jīng)驗(yàn)不足，且研究時(shí)間有限，本次設(shè)計(jì)中還是存在著一些不足之處，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。本次設(shè)計(jì)主要針對污水溫度、PH值、渾濁度的檢測和采集，但實(shí)際檢測中情況復(fù)雜多變，如水質(zhì)電導(dǎo)率不同，檢測出的數(shù)值也各有不同，把這些情況都考慮進(jìn)去，將會使系統(tǒng)更加智能化，檢測過程更加有保障。參考文獻(xiàn)[1]楊立福，趙靜生，張公度.給水排水自動化技術(shù)(SCADA)綜述[J].給水排水，2003，26(3):76~80.[2]李道霖.