基于PLC控制的水塔供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉杰 LIU Jie

（重慶文理學(xué)院總務(wù)處，重慶 402160）

（General Affairs Office，Chongqing University of Arts and Sciences，Chongqing 402160，China）

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)大部分城市供水系統(tǒng)仍采用較為傳統(tǒng)的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式。傳統(tǒng)的供水方式存在著許多缺陷，特別是多臺(tái)水泵供水系統(tǒng)尤為嚴(yán)重。因此，采用PLC控制的新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設(shè)備的投資，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，都引起國(guó)內(nèi)幾乎所有供水設(shè)備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術(shù)產(chǎn)品。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機(jī)控制方向發(fā)展。追求高度智能化、系列標(biāo)準(zhǔn)化是未來供水設(shè)備適應(yīng)城鎮(zhèn)建設(shè)成片開發(fā)智能樓宇、網(wǎng)絡(luò)供水調(diào)度和體規(guī)劃要求的必然趨勢(shì)。

1 水塔供水系統(tǒng)的原理分析及裝置

傳統(tǒng)的水塔自動(dòng)供水系統(tǒng)一般都是用水泵從水池向水塔中供水，本文設(shè)置了三臺(tái)電機(jī)，其中電機(jī)1和電機(jī)2在正常情況下均投入使用，電機(jī)三作為備用電機(jī)。當(dāng)電機(jī)1或者2出現(xiàn)故障時(shí)備用電機(jī)3啟動(dòng)投入使用。

考慮到各設(shè)備使用的安全性可靠性等重要原則，在系統(tǒng)中應(yīng)滿足以下要求：

①水塔水位變化范圍為2.2m，以滿足小區(qū)內(nèi)居民的對(duì)水量的需求。②根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在用水高峰期時(shí)，每戶居民一天用水量大約24升，水塔高40m，故算出電動(dòng)機(jī)功率需要40kW，考慮到要留有裕量，故選用兩臺(tái)22kW電機(jī)。因此，電動(dòng)機(jī)功率較大，為減小啟動(dòng)電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響，電動(dòng)機(jī)采用星-三角形降壓?jiǎn)?dòng)方式，并錯(cuò)開啟動(dòng)時(shí)間，間隔時(shí)間5s。③在自動(dòng)控制狀態(tài)下如果電機(jī)1和電機(jī)2出現(xiàn)故障，電機(jī)自動(dòng)3投入使用，若電機(jī)三也出現(xiàn)故障，系統(tǒng)停止運(yùn)行，以保護(hù)系統(tǒng)。④每臺(tái)電機(jī)都有運(yùn)行指示燈。⑤按下啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)自動(dòng)首先檢測(cè)水池、水塔水位，水位均達(dá)到要求（水塔水位低于最高限位，水池水位高于最低限位），電機(jī)才可啟動(dòng)。

2 主電路

如圖1所示，M1、M2、M3均為電機(jī)，并采用星-三角接法。JL表示JL-200電動(dòng)機(jī)智能保護(hù)器（每臺(tái)電機(jī)各一臺(tái)），以起到保護(hù)電動(dòng)機(jī)和檢測(cè)電動(dòng)機(jī)是否故障的作用。KM1、KM3、KM5分別是三臺(tái)電動(dòng)機(jī)的Y啟動(dòng)方式的接觸器，KM2、KM4、KM6控制三臺(tái)電機(jī)的三角形啟動(dòng)方式接觸器。KM7、KM8、KM9分別為三臺(tái)電動(dòng)機(jī)主干線上的接觸器，以控制三臺(tái)電動(dòng)機(jī)是否允許得電。

圖1 傳統(tǒng)水塔供水系統(tǒng)主電路電氣原理圖

2.1 水塔供水系統(tǒng)使用的電器元件及部分器件說明本論文設(shè)計(jì)的水塔供水系統(tǒng)所用到的電器元件及設(shè)備如表1所示。

2.2 JL-200系列電機(jī)保護(hù)器 JL-200系列電機(jī)保護(hù)器以微電腦控制器（MCU）為核心元件，通過高精度CT檢測(cè)電流，電機(jī)保護(hù)器具有自動(dòng)線性修正功能，在寬電流范圍內(nèi)仍具有較高的測(cè)量精度。該產(chǎn)品在過載保護(hù)、短路保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、欠載保護(hù)、缺相保護(hù)、三相電流不平衡保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、相序保護(hù)等方面具有可靠的保護(hù)作用；并可實(shí)現(xiàn)報(bào)警和事件記錄。而且還具有性價(jià)比高、功能齊全、工作穩(wěn)定可靠、精度高、保護(hù)動(dòng)作準(zhǔn)確、安裝、參數(shù)設(shè)定簡(jiǎn)單方便等特點(diǎn)?？蓮V泛適用于機(jī)械、冶金、建材、化工、紡織行業(yè)等工業(yè)三相電動(dòng)機(jī)及其它電器的保護(hù)與監(jiān)測(cè)。當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)其對(duì)應(yīng)的控制電路中的常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合。若是用可編程控制器控制的系統(tǒng)，則會(huì)給可編程控制器一個(gè)高頻信號(hào)。

表1

2.3 PTH601投入式液位傳感器 PTH601投入式液位傳感器采用擴(kuò)散硅壓阻芯體或陶瓷壓阻芯體,全不銹鋼結(jié)構(gòu),主要適用于河流、地下水位、水庫(kù)、水塔及容器等的液位測(cè)量與控制。此類傳感器通常也稱為：投入式液位傳感器、投入式液位變送器、液位傳感器、液位變送器、地下水位傳感器、地下水位變送器。

3 基于PLC水塔供水電氣控制系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)

此次水塔供水電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案主要包括兩個(gè)部分，其一為電氣控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，主要包括PLC的機(jī)型的確定和元器件的選型；其二是電氣控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，主要就是PLC控制程序的編寫。

3.1 PLC的基本結(jié)構(gòu)以及工作方式 PLC實(shí)質(zhì)是一種專用于工業(yè)控制的計(jì)算機(jī)，其硬件結(jié)構(gòu)基本上與微型計(jì)算機(jī)相同。

3.1.1 中央處理單元（CPU） 中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲(chǔ)從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲(chǔ)器、I/O以及警戒定時(shí)器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語(yǔ)法錯(cuò)誤。當(dāng)PLC投入運(yùn)行時(shí)，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場(chǎng)各輸入裝置的狀態(tài)。

3.1.2 存儲(chǔ)器 存放系統(tǒng)軟件的存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器。存放應(yīng)用軟件的存儲(chǔ)器稱為用戶程序存儲(chǔ)器。

PLC常用的存儲(chǔ)器類型：

①RAM（Random Assess Memory）。這是一種讀/寫存儲(chǔ)器(隨機(jī)存儲(chǔ)器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。

②EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除的只讀存儲(chǔ)器。在斷電情況下，存儲(chǔ)器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變（在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲(chǔ)器內(nèi)容）。

③EEPROM（Electrical Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種電可擦除的只讀存儲(chǔ)器，使用編程器就能很容易地對(duì)其所存儲(chǔ)的內(nèi)容進(jìn)行修改。

3.1.3 輸入/輸出模塊 輸入/輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的接口?，F(xiàn)場(chǎng)的輸入信號(hào)，如按鈕開、，行程開關(guān)、限位開關(guān)以及傳感輸出的開關(guān)量或模擬量（壓力、流量、溫度、電壓、電流）等，都要通過輸入模塊送到PLC。

3.1.4 擴(kuò)展模塊 當(dāng)一個(gè)PLC中心單元的1/0點(diǎn)數(shù)不夠用時(shí)，就要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展接口就是用于連接中心基本單元與擴(kuò)展單元的。模塊隨著可編程控制器在工業(yè)控制中的廣泛應(yīng)用和發(fā)展，各可編程控制器制造廠家已經(jīng)開發(fā)出一系列的智能接口模塊，使可編程控制器的功能更加強(qiáng)大和完善。智能1/0接口模塊種類很多，例如高速技術(shù)模塊、PLCA控制模塊、數(shù)字位基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)置譯碼模塊、閥門控制模塊、中斷控制模塊、智能存貯模塊以及智能1/0模塊等。

3.1.5 編程器 它的作用是供用戶進(jìn)行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。有的編程器還可與打印機(jī)或磁帶機(jī)相連，以將用戶程序和有關(guān)信息打印出來或存放在磁帶上，磁帶上的信息可以重新裝入PLC。目前編程器主要有以下三種類型:便攜式編程器(也叫簡(jiǎn)易編程器)，圖形編程器及其兼容機(jī)的編程器。

3.1.6 電源 PLC中的電源一般有三類：

①+5V、±15V直流電源：供PLC中TTL芯片和集成運(yùn)放使用；

②供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源；

③鋰電池及其充電電源。

考慮到系統(tǒng)的可靠性以及光電隔離器的使用，不同類型的電源其地線也不同。

3.2 PLC的工作方式 PLC大多采用成批輸入/輸出的周期掃描方式工作，按用戶程序的先后次序逐條運(yùn)行。一個(gè)完的期可分為三個(gè)階段：

①輸入采樣階段。程序開始時(shí)，監(jiān)控程序使機(jī)器以掃描方式逐個(gè)所有輸入端口上的信號(hào)，并依次存入對(duì)應(yīng)的輸入映象寄存器。

②用戶程序執(zhí)行階段。所有的輸入端口采樣結(jié)束后，即開始進(jìn)行邏輯運(yùn)算處理，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始，逐條加以執(zhí)行，并將相應(yīng)的邏輯運(yùn)行結(jié)果，存入對(duì)應(yīng)的中間元件和輸出元件映象寄存器，當(dāng)最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉(zhuǎn)入輸出刷新處理。

③輸出刷新階段。將輸出元件映象寄存器的內(nèi)容，從第一個(gè)輸出端口開始，到最后一個(gè)結(jié)束，依次讀入對(duì)應(yīng)的輸出鎖存器，從而驅(qū)動(dòng)輸出器件形成可編程的實(shí)際輸出。

3.3 PLC的I/O分配及選型 PLC在本設(shè)計(jì)中起到很重要的作用，因此PLC的選型也至關(guān)重要。而選用PLC的型號(hào)最關(guān)鍵還是要看系統(tǒng)的輸入輸出點(diǎn)的多少。

3.4 PLC的I/O電氣接線圖的設(shè)計(jì) 根據(jù)PLC的I/O分配，制定氣接線圖如圖2所示。

其中輸入點(diǎn) X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7 共接一 COM端，并使用 24v 直流電源。輸出口 Y0，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y10，Y11，Y12，Y14，Y15，Y16 和 Y13 是接觸器線圈與電磁閥對(duì)應(yīng)線圈DT1的輸出口，共接一個(gè)COM2端，而表示幾個(gè)信號(hào)燈的輸出口共接另一個(gè)COM1端。

4 水塔供水電氣控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)

PLC的軟件部分設(shè)計(jì)主要是程序的編寫，包括啟動(dòng)程序、電動(dòng)機(jī)1、2的啟動(dòng)程序，故障備用電機(jī)3的啟動(dòng)程序、電磁閥開啟向水池供水程序等幾個(gè)部分。因?yàn)樗xPLC為三菱FX0N系列的，故采用Windows環(huán)境下運(yùn)行的GX Developer的編程軟件來編程設(shè)計(jì)，用可編程控制器仿真裝置來進(jìn)行模擬調(diào)試。

圖2 4PLC的I/O接線圖

4.1 PLC梯形圖程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)及程序調(diào)試

圖3

4.2 系統(tǒng)啟動(dòng)程序 其中X001為啟動(dòng)輸入接口，連接SB1；X002為停車輸入口，連接SB2。當(dāng)啟動(dòng)按鈕按下，M11得電，完成自鎖，系統(tǒng)開始運(yùn)行。當(dāng)按下停車系統(tǒng)斷電停止運(yùn)行。

圖4

4.3 電動(dòng)機(jī)1的啟動(dòng)控制程序 X003、X004分別是水塔和水池中液位傳感器的輸入點(diǎn)，在理想狀態(tài)下時(shí)X003處于閉合狀態(tài)，X004得電也會(huì)處于閉合狀態(tài)，電機(jī)1主干線的此時(shí)控制電機(jī)1Y啟動(dòng)的接觸器M1得電，電機(jī)開始Y啟動(dòng)。經(jīng)定時(shí)器T1的5s延時(shí)以后。M2得電，電機(jī)換接到三角啟動(dòng)方式。

4.4 電動(dòng)機(jī)2的啟動(dòng)控制程序 當(dāng)M2通電以后，定時(shí)器T2得電開始計(jì)時(shí)，5s以后M3得電，電動(dòng)機(jī)2開始Y啟動(dòng)，再經(jīng)T3的5s延時(shí)以后，電機(jī)開始換接到三角啟動(dòng)。

圖5

4.5 備用電機(jī)3的啟動(dòng)控制程序 當(dāng)電機(jī)1或者電機(jī)2出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)使控制電機(jī)3的主干線上的接觸器M9得電，然后電機(jī)3開始Y-三角切換啟動(dòng)。

圖6

5 程序的仿真調(diào)試以及結(jié)果說明

采用Windows環(huán)境下運(yùn)行的GX Developer的編程軟件來來進(jìn)行模擬調(diào)試。當(dāng)X或Y變黃色時(shí)，表示其正在工作。

5.1 水池水位未達(dá)到要求仿真 當(dāng)按下X1時(shí)（X1在實(shí)際中是開關(guān)按鈕，在按下后會(huì)自動(dòng)彈起，需要對(duì)其自鎖，為模擬實(shí)際情況，在按下X1后迅速斷開使其失電），系統(tǒng)便開始運(yùn)行，Y7得電表示電源啟動(dòng)指示燈亮起。此時(shí)水池水位若低于最低限位，X4便不會(huì)得電，電磁閥對(duì)應(yīng)輸出口Y13得電，電磁閥常開閉合，正向水池供水，而其對(duì)應(yīng)的指示燈Y6亮起。

5.2 水塔水池水位達(dá)到要求仿真結(jié)果 若水池水位達(dá)到要求，即X4處于高電平，此時(shí)Y7得電，說明電源啟動(dòng)指示燈亮起。而電機(jī)1、2均開始延時(shí)換接啟動(dòng)，Y14、Y15得電說明電機(jī)1和電機(jī)2的主干線上的接觸器KM7、KM8通電，Y1、Y3得電表示與電機(jī) 1、2對(duì)應(yīng)的接觸器線圈KM2、KM4得電正在以三角接法運(yùn)行。Y10、Y11得電表示電機(jī)1、2對(duì)應(yīng)的指示燈亮起，表示運(yùn)行正常。

5.3 正常情況啟動(dòng)仿真 ①電機(jī)1Y啟動(dòng)后（Y0）延時(shí)5s進(jìn)行三角啟動(dòng)(Y1)。②經(jīng)5s延時(shí)后電機(jī)2Y啟動(dòng)（Y2），再經(jīng)5s延時(shí)三角啟動(dòng)（Y3）。

5.4 電機(jī)1故障啟動(dòng)仿真 當(dāng)電機(jī)1出現(xiàn)故障時(shí)，電機(jī)1的保護(hù)器（X5）便會(huì)發(fā)出信號(hào)，電機(jī)1停止工作，而備用電機(jī)電機(jī)3便會(huì)開始換接啟動(dòng)（Y4-Y5）。

6 結(jié)語(yǔ)

本課題研究了基于PLC的水塔供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過對(duì)系統(tǒng)控制要求的分析，系統(tǒng)原理圖的繪制，PLC程序的編寫等方面基本完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。能夠供應(yīng)一般小區(qū)供水需求，且配備的備用電機(jī)在電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)可以投入使用。采用PLC進(jìn)行控制，系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好。但由于時(shí)間精力有限，還有許多功能有待擴(kuò)展、完善。比如本設(shè)計(jì)只設(shè)計(jì)了兩臺(tái)電機(jī)正常使用，一臺(tái)備用，若是需要三臺(tái)或者更多臺(tái)電機(jī)同時(shí)投入使用該如何解決。這類問題待今后進(jìn)一步研究開發(fā)。

[1]承遠(yuǎn).工廠電氣控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[2]劉新宇.S7-300/400PLC入門和用戶應(yīng)用分析[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[3]肖峰.PLC編程100例[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[4]付家才.電氣CAD工程實(shí)踐技術(shù)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[5]束長(zhǎng)寶.PLC應(yīng)用實(shí)踐[M].東南大學(xué)出版社,2008.

[6]劉介才.工廠供電[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2011.