Stacja uzdatniania wody - magisterka

W ramach pracy magisterskiej wykonałem dedykowany sterownik do stacji uzdatniania wody, jako alternatywę dla sterowników PLC. Sam temat pracy został zaproponowany przeze mnie. Promotorowi bardzo się to spodobało i nie było żadnego problemu aby przystąpić do tego zagadnienia.

Pewnie niektórzy się zastanowią dlaczego akurat stacja uzdatniania wody? Było to ok 2011 roku i w tamtym czasie pracowałem w automatyce przemysłowej, gdzie głównie robiliśmy właśnie takie obiekty.

Zawsze były one robione na sterownikach PLC, są to drogie zabawki. Pomyślałem, że można zrobić prototyp takiego dedykowanego sterownika do tego rodzaju pracy, a w przyszłości dostosować go do różnych obiektów, gdzie jest różna ilość zaworów, pomp, zbiorników itp, ale zawsze jest ta sama część wspólna czyli sterowanie samym procesem uzdatniania.

Sterownik został oparty o procesor Atmega128, a wszystko zostało dopasowane do obudowy na szynę DIN Z104J.

Podstawowe cechy to:

• 32 wejścia cyfrowe
• 16 wyjść cyfrowych
• 5 wejść analogowych
• zegar RTC
• RS485
• zdalny dostęp przez przeglądarkę www

Sam procesor ma zbyt małą ilość wyprowadzeń aby obsłużyć wszystkie sygnały sterujące. Aby zwiększyć ilości wejść/wyjść wykorzystałem ekspandery na I2C - PCF8574. Podzieliłem całość na logiczne moduły, podobnie jak to jest w sterownikach PLC:

• 4 moduły DI - cyfrowe sygnały wejściowe
• 2 moduły DO - cyfrowe sygnały wyjściowe
• 1 moduł AI - analogowe sygnały wejściowe
• moduł RS485

Na wejściach cyfrowych do zabezpieczenia zastosowałem optoizolatory. Na poniższym schemacie przedstawiony jest jeden taki blok. Masy są rozdzielone, co może w prost nie wynika ze schematu.

 Układ wyjściowy jest zrealizowany w oparciu o UDN2987.

Moduł Analogowy został skonstruowany tak aby przyjmować sygnały prądowe 4..20mA. Jest to przemysłowy standard najczęściej wykorzystywany w czujnikach. Cechuje go prostota obsługi i uniwersalność, a fakt, że dolny zakres pomiarowy to 4mA ułatwia to detekcję wadliwego czujnika.

W celu pokazania całego procesu uzdatniania wody wykonałem model o wymiarach 100cm x 50cm ukazujący różne etapy pracy takiej stacji, jak:

• uzdatnianie
• płukanie zbiorników ze złożem uzdatniającym
• napowietrzanie zbiorników
• napełnianie zbiornika retencyjnego
• chlorowanie układu w celu dezynfekcji
• dostarczanie uzdatnionej wody do odbiorców

Na makiecie umieszczone zostały diody sygnalizujące otwarcie poszczególnych zaworów, co pozwala w łatwy sposób zaobserwować jak zachodzi cały proces pracy takiej stacji. 

Zamontowane są również potencjometry przy przepływomierzach, są one wpięte w pętle prądową aby zachować zgodność z prawdziwymi czujnikami przepływu. Na tej podstawie można zliczać ile wody zostało uzdatnionej, dobierać interwały pracy i wyznaczać potrzebę płukania filtrów. 

Całe sterowanie wykonałem w oparciu o web serwer z wykorzystaniem ASP.NET, tworząc taką mini SCADe. Wizualizacja wiernie odzwierciedla cały model.

Serwer to aplikacja na system Windows, do którego podpięty jest moduł USB ↔ RS485 zapewniający komunikację ze sterownikiem. Mamy podgląd na żywo całego procesu, dane są odświeżane automatycznie na bieżąco. 

W aplikacji możemy ustawić wszystkie parametry pracy sterownika, podglądać alarmy i włączać na żądanie wybrane etapy takie jak płukanie filtrów czy pobieranie wody ze studni głębinowej.

Sam proces uzdatniania wody może nie jest technologicznie skomplikowany, ale jest bardzo ciekawy od strony automatyki. Jako ciekawostkę dodam, że złoże które znajduje się w zbiornikach filtrujących to po prostu odpowiednie kruszywo wiążące konkretne cząsteczki z wody, najczęściej jest to odżelaziacz i odmanganiacz.