基于三菱PLC的農村智能供水控制系統的設計

晁陽

摘要：針對中國西部農村供水系統自動化程度低、設備運行穩定性差、供水質量低的問題，設計了一套以三菱FX2N型PLC為核心的2臺水泵供水控制系統，具有手動、自動、備用自投功能，經過模擬測試和投入運行后觀察運行結果。該控制系統穩定性高、控制準確、性能優良，能有效提高農村供水質量，達到了設計要求。

關鍵詞：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

中國西部地區水資源匱乏，尤其在廣大農村地區，農田灌溉及日常飲用水控制設備簡單原始，多采用泵站有人值守的供水方式，供水不穩定、質量低，且飲水存在安全隱患。為了經濟發展和社會文明進步的長遠目標，多年來國家一直大力發展農村飲水工程，農村供水安全和供水工程成為新農村建設的重要基礎設施，供水方式也逐漸由原始、單一、分散的模式向現代化、多樣化、集中化、規模化的模式轉變[1-3]。然而，由于中國西部村鎮的專項管理資金短缺，往往無法安排專人值班，供水設施管理不到位的情況時有發生，加上農村供水設施缺乏專業技術人員維護維修，導致損毀老化、設備故障、維修困難等情況的發生，這種實際情況導致農村供水不正常，用水困難，嚴重影響群眾的正常生活，群眾“吃水難”、設備“維修難”的矛盾無法改善[2]。

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

1 系統總體設計

系統由水位監測、PLC、報警系統、2臺水泵組成，可實現水塔水池內水位的自動檢測和水泵的自動控制。系統有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通過設置在水塔水池內的電極監測水位，當水位低于設定值時2臺水泵按照一定的方式自動抽水，當水位高于設定值時水泵自動停止工作并報警，PLC可以根據水位的高低實現某單臺水泵工作或2臺水泵備用自投工作。系統可以保持農村水塔水池內蓄水量充足，保證穩定供水和無人值守。系統框架如圖1所示。

系統根據農村供水塔的實際使用要求，設計了如下功能：

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，由萬能轉換開關SA1、SA2對各自控制的水泵進行切換。

2）手動工作模式在系統出現故障或維修調試時使用，是備用狀態，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機運行，系統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致使用壽命降低。系統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）停止模式用于系統檢修或長期不運行時[1]。

6）系統設置必要的信號裝置，分別對應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種狀態進行信號指示，并對超高水位時進行報警；系統還具有必要的短路、過載、欠壓保護等功能。

水位變化和2臺泵工作的關系如圖2所示。

2 硬件設計

水泵電機自動控制系統電氣原理的設計如圖3所示。

2.1 主回路

L1、L2、L3為三相電源，HL7、HL8為接在AB、BC相之間的電源監視信號燈；低壓斷路器QF作為系統的總開關及各支路的開關，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的功率要求與系統和實際使用情況配套。

2.2 控制回路

根據分析控制要求，系統共需PLC點數為17點，故選擇三菱FX2N--48MR型PLC；萬能轉換開關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系列四位萬能轉換開關；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

水塔中液體為自然水，富含各種礦物質，安裝在水塔中的各個位置電極通過各種礦物質導通電流來檢測液位的變化，向PLC發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通，必須都淹沒在水中才能導通。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出信號，應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通；電極之間的相對距離應合理布設，以便縮短電極間回路的路徑，但應避免距離過近而導致誤動作。

3 軟件設計

3.1 系統流程

系統程序流程如圖4所示。當系統處于檢修、維護、調試期間，應當開啟手動模式，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。當系統處于極度缺水或某些特殊情況時，應當開啟自動模式，此時2臺水泵單獨或同時工作直至到達高水位停止。當系統處于日常運行狀態時，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

根據系統的控制要求，計算I/O點數，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

根據系統的控制要求，水泵電機自動控制系統程序設計如圖5所示[7]。

4 模擬測試結果

控制系統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，結果表明，該系統性能良好、穩定，符合設計的要求，測試結果如表3所示。

2015年將該系統安裝在楊凌示范區某村進行為期30 d的試運行和調試，結果如表4所示。測試結果顯示，在為期30 d的測試中，1號泵、2號泵、報警系統都達到了100%的工作準確率，系統工作可靠。

5 小結

水泵電機自動控制系統于2015年投入楊凌示范區某村運行，該系統運行情況良好，該村未出現意外水泵停機導致群眾用水中斷的現象。本套基于PLC的農村供水控制設備穩定性高、控制準確、性能優良，有效地提高了農村供水質量。

參考文獻：

[1]朱佩玲.JYB-714型液位繼電器在農村供水工程中的應用[J].水利與建筑工程學報，2012，10（3）：182-184.

[2] 龍建明，郭東平，李雅茹.應用歐姆龍CPM1A型PLC實現水泵電機的自動控制[J].楊凌職業技術學院學報，2009，8（1）：22-24.

[3] 李秀忠.PLC在供水控制系統中的應用[J].煤礦機電，2005（4）：66-68.

[4] 郭英芳.單片機技術在農田節水灌溉系統中的應用[J].陜西農業科學，2015，61（6）：93-95.

[5] 熊 剛.基于PID算法的溫室溫度控制器的設計[J].自動化與儀器儀表，2015（11）：38-40.

[6] 周 敏，韓宇光，王軍安，等.基于西門于PLC的智能溫室控制系統設計[J].實驗室研究與探索，2014，33（12）：99-101，125.

[7] 何國榮，郭東平.電氣控制與PLC應用[M].鄭州：黃河水利出版社，2013.