基于液位的自動(dòng)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張正勇

（91999部隊(duì)，山東青島 266071）

0 引言

供水系統(tǒng)在各行各業(yè)都起著至關(guān)重要的作用，如何保證供水系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)、可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行是很多行業(yè)都關(guān)注的問題[1-2]。在供水系統(tǒng)工作過程中，保障供水管的末端壓力和供水始端的壓力正常尤其重要。通常，供水系統(tǒng)全天各時(shí)段用水量變化較大，如果不及時(shí)對供水水量及供水壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，會(huì)使整個(gè)供水管網(wǎng)的壓力處在波動(dòng)狀態(tài)，嚴(yán)重的還會(huì)引起管網(wǎng)失壓或爆管事故，惡化供水質(zhì)量[3-4]。傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)是利用高處的儲水罐，不但增加了水泵的揚(yáng)程，而且使用傳統(tǒng)的電器控制設(shè)備啟動(dòng)頻繁、電流和水壓沖擊嚴(yán)重及設(shè)備維修量大，附加設(shè)備多，浪費(fèi)資源，最終還影響供水質(zhì)量，供水成本高，不容易控制供水的壓力，需人工對出口閥進(jìn)行操作[5-7]。隨著新技術(shù)、新理論的不斷發(fā)展，新型控制技術(shù)逐漸應(yīng)用到供水系統(tǒng)[8-11]。

當(dāng)前某單位蓄水池采用時(shí)間控制的供水模式，設(shè)定每日2個(gè)時(shí)間段工作，且不同季節(jié)用水量不同需設(shè)置不同的供水時(shí)間，大大增加了運(yùn)行維護(hù)工作量。若供水時(shí)間設(shè)定過長，則易出現(xiàn)水溢現(xiàn)象，造成大量的水資源、電能浪費(fèi)；若供水時(shí)間設(shè)定過短，則易出現(xiàn)缺水問題，需設(shè)為手動(dòng)模式進(jìn)行供水，增加了一定的勞動(dòng)量。此外，該單位水井水源為地下水，受環(huán)境影響較大，采用固定時(shí)間供水的模式顯然不符合潮汐的規(guī)律。為此，本文綜合考慮單位現(xiàn)有單泵供水存在可靠性低、傳統(tǒng)供水造成的水資源利用的不合理以及供水井的潮汐現(xiàn)象等實(shí)際，提出了一種基于液位的自動(dòng)供水系統(tǒng)改進(jìn)方案，該方案以西門子PLC為控制核心，具有自動(dòng)化程度高、安裝調(diào)試及維護(hù)方便、供水可靠性強(qiáng)、水資源利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于液位的自動(dòng)供水系統(tǒng)主要由系統(tǒng)硬件和軟件組成，硬件以西門子PLC CPU224為控制核心，并配置EM235擴(kuò)展模塊，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。該系統(tǒng)是由控制器、信號指示燈、壓力傳感器、電磁閥、液位計(jì)等組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，其工作原理如圖2所示。擴(kuò)展模塊將采集到的液位信號傳輸至PLC控制器，并與設(shè)定的液位值進(jìn)行比較。當(dāng)液位計(jì)檢測到液位低于設(shè)定下限值時(shí)，滿足管路壓力正常條件后，電磁閥打開，抽水泵啟動(dòng)；當(dāng)液位計(jì)檢測到1號樓水池液位高于設(shè)定上限值時(shí)，1號電磁開關(guān)閥關(guān)閉，當(dāng)液位計(jì)檢測到2號樓水池液位仍低于設(shè)定上限值時(shí)，水泵繼續(xù)供水，直到2號樓水池液位高于設(shè)定上限值，2號電磁開關(guān)閥關(guān)閉，水泵停止供水；反之亦然。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 工作原理圖

2 硬件選型及軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

PLC控制器是供水系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分，其種類繁多，功能也因廠家不同而不同。本文選用西門子S7-200PLC CPU224作為控制器，該模塊具有支持6路高速數(shù)字量輸入和兩路高速數(shù)字量輸出，主要用以實(shí)現(xiàn)信號甄別、定值處理、輸出信號以及控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)；模擬量輸入擴(kuò)展模塊為EM235型，該模塊含有12位A/D轉(zhuǎn)化器，適用于多種輸入輸出范圍，不用添加放大器即可直接與傳感器、執(zhí)行器相連，主要負(fù)責(zé)采集液位及壓力信號；開關(guān)電源為輸入110/220 VAC，輸出24 VDC；液位測量選用聯(lián)測投入式液位變送器，輸出信號4～20 mA，量程0～1 m，供電電源24 VDC；壓力測量選用美控壓力變送器，輸出信號4～20 mA，量程0～0.6 MPa，供電電源24 VDC；電磁閥選用德力西型可長時(shí)間工作電磁閥，供電電源220 VAC。

2.2 電路設(shè)計(jì)

圖3 電路原理圖

根據(jù)單位現(xiàn)有實(shí)際資源，在滿足穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，考慮實(shí)際可能出現(xiàn)的多種情況，分別設(shè)計(jì)手動(dòng)、時(shí)控、自動(dòng)模式，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，其電路設(shè)計(jì)如圖3所示。當(dāng)線路設(shè)定為自動(dòng)供水模式時(shí)，系統(tǒng)將根據(jù)液位傳感器采集信號與PLC控制器內(nèi)設(shè)定的上下極限值進(jìn)行比較后完成自動(dòng)供水。若液位處于設(shè)定的上下極限值之間，且單位此時(shí)需大量用水，可將系統(tǒng)由自動(dòng)模式切換為手動(dòng)模式，以確保能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)供水。同時(shí)，考慮在自動(dòng)供水系統(tǒng)處于維護(hù)調(diào)試或液位傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，則可將系統(tǒng)切換為時(shí)控模式，以避免單位用水受到影響。基于以上3種模式，從而有效保障了單位用水，系統(tǒng)的可靠性大大提高。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

PLC控制過程包括采集信號輸入、掃描運(yùn)算和輸出執(zhí)行3個(gè)部分?？刂破鰿PU依次讀取I/O輸入接口單元的狀態(tài)，經(jīng)過掃描運(yùn)算后，更新PLC鎖存電路，再由輸出電路驅(qū)動(dòng)外部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的整個(gè)控制過程。

本文的控制系統(tǒng)程序采用模塊化編程，基于S7-200編程軟件STEP 7-Micro WIN完成設(shè)計(jì)，根據(jù)功能、控制對象的不同，系統(tǒng)分為液位檢測模塊、壓力檢測模塊、運(yùn)算模塊、故障識別處理模塊、停機(jī)模塊。各功能模塊在設(shè)計(jì)之前需確認(rèn)接口變量的數(shù)量及類型，在此基礎(chǔ)上根據(jù)功能需求進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)及編譯，程序設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。系統(tǒng)自檢包括檢測模塊I/O端口是否正常以及是否處于故障報(bào)警狀態(tài)。初始化程序包括對全局變量地址配置、各參數(shù)定義進(jìn)行初始化。待完成初始化運(yùn)行后，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的指令進(jìn)行對應(yīng)功能的控制。

圖4 程序流程圖

3 應(yīng)用效果

以西門子PLC控制器為核心的蓄水池自動(dòng)供水系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)供水方式的可靠性差、自動(dòng)化水平低、水資源利用不合理等諸多缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了全天候不間斷自動(dòng)供水，在保證單位人員正常用水的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高效、節(jié)能、可靠供水，從而取得了良好的應(yīng)用效果。在硬件設(shè)備改造升級方面，基于液位的自動(dòng)供水系統(tǒng)無需新建水池，投資少、節(jié)能效果顯著、改造方便。在系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，采用自動(dòng)、時(shí)控、手動(dòng)3種模式控制，且互不影響、互為補(bǔ)充，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

4 結(jié)束語

本文主要針對單位現(xiàn)有單泵供水系統(tǒng)存在可靠性低、時(shí)控模式下水資源利用不合理、維護(hù)保養(yǎng)不方便等問題提出了一種基于液位的水池自動(dòng)系統(tǒng)的改進(jìn)方案。該方案以西門子PLC控制器為核心，充分利用先進(jìn)傳感器的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了采集信號到輸出控制的閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了日常供水的自動(dòng)化控制，進(jìn)一步提高了供水的穩(wěn)定性，有效降低了供水能耗，節(jié)資、節(jié)能效果顯著，同時(shí)滿足了單位人員的用水需求?？蔀槠渌麊挝坏墓┧到y(tǒng)的改造提供一定的參考價(jià)值。