基于三菱PLC的農(nóng)村智能供水控制系統(tǒng)的設(shè)計

晁陽

摘要：針對中國西部農(nóng)村供水系統(tǒng)自動化程度低、設(shè)備運行穩(wěn)定性差、供水質(zhì)量低的問題，設(shè)計了一套以三菱FX2N型PLC為核心的2臺水泵供水控制系統(tǒng)，具有手動、自動、備用自投功能，經(jīng)過模擬測試和投入運行后觀察運行結(jié)果。該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高、控制準確、性能優(yōu)良，能有效提高農(nóng)村供水質(zhì)量，達到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：PLC；水泵；控制

中圖分類號：S224 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）11-2131-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.11.035

Abstract：To solve the problem of low automation degree of water supply system， poor stability of equipment operation and low quality of water supply in Western China rural，designed two pump control system which put the Mitsubishi FX2N PLC as the core and has the functions of automatic， manual and backup. Experimental tests and operation show that the control system has high reliability， accurate control， good performance， and it can effectively improve the quality of rural water supply， meets the requirements of design.

Key words：PLC；water pump；automatic control

中國西部地區(qū)水資源匱乏，尤其在廣大農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)田灌溉及日常飲用水控制設(shè)備簡單原始，多采用泵站有人值守的供水方式，供水不穩(wěn)定、質(zhì)量低，且飲水存在安全隱患。為了經(jīng)濟發(fā)展和社會文明進步的長遠目標，多年來國家一直大力發(fā)展農(nóng)村飲水工程，農(nóng)村供水安全和供水工程成為新農(nóng)村建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，供水方式也逐漸由原始、單一、分散的模式向現(xiàn)代化、多樣化、集中化、規(guī)?；哪Ｊ睫D(zhuǎn)變[1-3]。然而，由于中國西部村鎮(zhèn)的專項管理資金短缺，往往無法安排專人值班，供水設(shè)施管理不到位的情況時有發(fā)生，加上農(nóng)村供水設(shè)施缺乏專業(yè)技術(shù)人員維護維修，導(dǎo)致?lián)p毀老化、設(shè)備故障、維修困難等情況的發(fā)生，這種實際情況導(dǎo)致農(nóng)村供水不正常，用水困難，嚴重影響群眾的正常生活，群眾“吃水難”、設(shè)備“維修難”的矛盾無法改善[2]。

為了提高水泵供水的穩(wěn)定性和供水質(zhì)量，設(shè)計了2臺水泵自動供水、相互備用切換的自動控制系統(tǒng)，并采用三菱FX型PLC為核心控制元件，實現(xiàn)了農(nóng)村供水泵房的自動控制和供水系統(tǒng)的無人值守，解決了潛水泵在啟動和運行時突然發(fā)生停機，導(dǎo)致管道松動或破裂、電機損毀、群眾用水中斷等問題，提高供水的穩(wěn)定性和設(shè)備的使用壽命[4-6]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)由水位監(jiān)測、PLC、報警系統(tǒng)、2臺水泵組成，可實現(xiàn)水塔水池內(nèi)水位的自動檢測和水泵的自動控制。系統(tǒng)有4種工作模式：自動模式、手動模式、備用自投模式和停機模式[5]。4種模式可以由用戶自由選擇使用。PLC通過設(shè)置在水塔水池內(nèi)的電極監(jiān)測水位，當水位低于設(shè)定值時2臺水泵按照一定的方式自動抽水，當水位高于設(shè)定值時水泵自動停止工作并報警，PLC可以根據(jù)水位的高低實現(xiàn)某單臺水泵工作或2臺水泵備用自投工作。系統(tǒng)可以保持農(nóng)村水塔水池內(nèi)蓄水量充足，保證穩(wěn)定供水和無人值守。系統(tǒng)框架如圖1所示。

系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)村供水塔的實際使用要求，設(shè)計了如下功能：

1）2臺水泵各自具有自動/手動/備用自投/停機4種工作模式，由萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1、SA2對各自控制的水泵進行切換。

2）手動工作模式在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或維修調(diào)試時使用，是備用狀態(tài)，2臺水泵在手動工作模式下各自通過SB1、SB3（啟動按鈕）和SB2、SB4（停止按鈕）對其進行手動、停止控制。

3）在自動工作模式下2臺水泵可各自獨立自動運行，也可進入自動備投模式聯(lián)機運行，系統(tǒng)檢測到低水位時自動啟動水泵，高水位時自動停止。

4）在備用自投模式下，其中1號泵為主泵，2號泵為備用泵，并進行定期輪換以避免單一水泵長時間工作或長期停止而導(dǎo)致使用壽命降低。系統(tǒng)檢測到水塔水位達到低水位時自動開啟主泵抽水，檢測到水塔水位達到高水位時自動停止主泵，如此循環(huán)工作以保證水塔在無人值守的情況下自動工作，保證水塔時刻有水。當出現(xiàn)用水高峰期時，水塔水位快速下降，水位達到低水位后主泵自動開始工作，但仍然無法滿足供水需要，水位繼續(xù)下降，當水位到達超低水位時，備用泵自動投入工作，水位隨后逐漸上升。當水位到達高水位后2臺泵同時停止工作。

5）停止模式用于系統(tǒng)檢修或長期不運行時[1]。

6）系統(tǒng)設(shè)置必要的信號裝置，分別對應(yīng)2臺水泵的手動/自動/備用自投/停止4種模式和低水位、超低水位、高水位、超高水位4種狀態(tài)進行信號指示，并對超高水位時進行報警；系統(tǒng)還具有必要的短路、過載、欠壓保護等功能。

水位變化和2臺泵工作的關(guān)系如圖2所示。

2 硬件設(shè)計

水泵電機自動控制系統(tǒng)電氣原理的設(shè)計如圖3所示。

2.1 主回路

L1、L2、L3為三相電源，HL7、HL8為接在AB、BC相之間的電源監(jiān)視信號燈；低壓斷路器QF作為系統(tǒng)的總開關(guān)及各支路的開關(guān)，起短路保護作用；交流接觸器KM用于接收控制回路信號，對水泵電機實現(xiàn)接通、斷開控制；熱繼電器FR對水泵電機進行過載保護；水泵電機M的功率要求與系統(tǒng)和實際使用情況配套。

2.2 控制回路

根據(jù)分析控制要求，系統(tǒng)共需PLC點數(shù)為17點，故選擇三菱FX2N--48MR型PLC；萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)SA用于切換2個支路的4種工作模式，1、2觸點，5、6觸點，9、10觸點（SA1、SA2）分別為2臺水泵電機的手動、自動、備用自投模式，11、12觸點（SA1、SA2）空接作為停止模式，故選擇正泰LW5系列四位萬能轉(zhuǎn)換開關(guān)；HL1～HL3（HL4～HL6）分別為1號（2號）水泵電機各種工作模式的信號指示燈（3個指示燈都滅為停止模式）；HL7為超高水位報警指示燈，并可加裝蜂鳴器，按鈕SB為2臺水泵運行和停止的主令電器。

2.3 液位電極布設(shè)

水塔中液體為自然水，富含各種礦物質(zhì)，安裝在水塔中的各個位置電極通過各種礦物質(zhì)導(dǎo)通電流來檢測液位的變化，向PLC發(fā)出高水位或低水位的指令。電極兩兩之間絕不能通過水之外的回路導(dǎo)通，必須都淹沒在水中才能導(dǎo)通。液位電極的連接線采用1 mm2的外包絕緣套的銅芯硬線，為使電極避免外界影響移動位置而誤發(fā)出信號，應(yīng)在上端將其懸空固定，4根入水電極線垂直插入高位水箱（水塔） 中，入水部分線端剝除5 mm絕緣皮露出銅芯即可作為電極[1]，5根電極分別為水池電極、超低水位、低水位、高水位、超高水位電極，電極布置如圖3所示。

入水的4根電線禁止固定在水塔壁上，防止因水位降低但墻壁濕潤而造成誤導(dǎo)通；禁止將4根電線扎困在一起下水，防止因水位降低但電極間的殘留水珠而造成誤導(dǎo)通；電極之間的相對距離應(yīng)合理布設(shè)，以便縮短電極間回路的路徑，但應(yīng)避免距離過近而導(dǎo)致誤動作。

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)程序流程如圖4所示。當系統(tǒng)處于檢修、維護、調(diào)試期間，應(yīng)當開啟手動模式，由工作人員按下手動按鈕，單獨或同時使2臺水泵工作直至水塔水箱水位到達高水位停止。當系統(tǒng)處于極度缺水或某些特殊情況時，應(yīng)當開啟自動模式，此時2臺水泵單獨或同時工作直至到達高水位停止。當系統(tǒng)處于日常運行狀態(tài)時，需開啟備用自投模式，由其中一臺水泵擔任主泵角色，另一臺水泵擔任備用泵角色，普通用水情況下，只需主泵開啟，即可給水塔水箱抽水，但當用水高峰期時，雖然主泵滿負荷運行，抽水量仍然不能滿足用水需求，此時備用泵啟動，直至到達高水位停止。2臺水泵互換角色，分別在不同時期擔任主泵和備用泵工作，以免備用泵長期不工作而造成磨損[6]。

3.2 I/O分配表

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，計算I/O點數(shù)，并分配I/O地址，輸入口、輸出口地址如表1、表2所示。

3.3 程序

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，水泵電機自動控制系統(tǒng)程序設(shè)計如圖5所示[7]。

4 模擬測試結(jié)果

控制系統(tǒng)制作完成后進行模擬測試，分別以手動、自動、備用自投3種模式為對象，觀察2臺水泵的運行情況及指示燈的變化；在備用自投模式的測試中，分別以1號泵和2號泵為主泵，另一臺為備用泵進行4個水位的測試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能良好、穩(wěn)定，符合設(shè)計的要求，測試結(jié)果如表3所示。

2015年將該系統(tǒng)安裝在楊凌示范區(qū)某村進行為期30 d的試運行和調(diào)試，結(jié)果如表4所示。測試結(jié)果顯示，在為期30 d的測試中，1號泵、2號泵、報警系統(tǒng)都達到了100%的工作準確率，系統(tǒng)工作可靠。

5 小結(jié)

水泵電機自動控制系統(tǒng)于2015年投入楊凌示范區(qū)某村運行，該系統(tǒng)運行情況良好，該村未出現(xiàn)意外水泵停機導(dǎo)致群眾用水中斷的現(xiàn)象。本套基于PLC的農(nóng)村供水控制設(shè)備穩(wěn)定性高、控制準確、性能優(yōu)良，有效地提高了農(nóng)村供水質(zhì)量。

參考文獻：

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