水箱進水智能控制系統設計

孫曉 ，肖騰 ，楊帆 ，謝知航

（1.湖南工業大學機械工程學院，湖南 株洲 412007；2.湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南 株洲412007）

0 引言

隨著工業發展和生活水平的提高，人們對供水品質提出了更高的要求，傳統的供水方式不能滿足安全可靠的供水要求，從而促使而水箱供水系統向智能化控制方向發展，且有助于水務行業智慧化的建設[1-2]。傳統的箱式變頻加壓設備在水箱補水過程中，因自由出流而造成市政管網壓降和水資源浪費的問題。特別是未采用雙水源、環形管網的，且市政直供用戶、加壓用戶共一根進水管的小區，一旦水箱自動補水，直接導致小區內部分市政直供用戶出現無水可用的現象，對城市居民的生產生活造成了很大影響。因此如何實現供水水箱進水智能化控制和報警機制一直是水務行業研究的重點。針對水箱自由出流而造成市政管網壓降的問題，本文設計了水箱進水智能控制系統，采用多種傳感器實時采集數據和PLC（programmable logic controller）結合實現對水箱分時錯分補水的智能控制方式，在廣泛推廣使用后，在一定程度上穩定市政管網壓力，降低管網壓力波動范圍，減少水廠機組的頻繁調配，降低能耗以及市政管網爆管的機率；同時還可以在一定程度上解決同一管網上市政直供用戶、管網末梢用戶，在用水高峰時、幾個水箱同時進水時無水可用、水壓過低的難題，降低類似客戶投訴率，減少維修人員的出警率，節約人工成本，提高服務質量及客戶的滿意度，保證居民優質安全用水[3-4]。

圖1 水箱進水智能控制裝置結構原理圖Fig.1 Schematic diagram of the water tank water inlet intelligent control device

1 控制系統設計

1.1 裝置結構組成

控制裝置由壓力變送器、超聲波傳感器、漏水傳感器、電動球閥、水箱、分水器、集水器、積水容器、報警裝置、連通器和PLC控制箱組成。壓力變送器用于采集分支管網水壓，并將采集的數據傳輸給PLC；超聲波傳感器監測水箱水位高度和水位變化速度，將采集的數據實時發送給控制器；電動球閥安裝在水箱進水管、用戶直通管和水箱出水管上，根據管徑的不同選用對應尺寸的電動球閥，對應電動球閥的編號分別為A、B、C、D和E；水箱液位高度設定為5個等級，由低到高分別為低水位a、注水水位b、中水位c、停止注水水位d和上限水位e；報警裝置由3部分組成，分別是水箱水位達到報警水位e處時，報警裝置1發出聲光報警信號，當漏水傳感器檢測信號時，報警裝置2發出聲光報警信號，當壓力變送器采集壓力值小于0.02 MPa時，報警裝置3發出聲光報警信號；連通器的主要作用是方便人工巡檢和故障排查。水箱進水智能控制裝置結構如圖1所示。

其中壓力變送器、超聲波傳感器、漏水傳感器作為控制器的信號輸入裝置，采用RS485有線通信方式；電動球閥作為PLC的信號輸出執行裝置，也采用RS485有線通信方式[5]。根據采集的壓力值、液位高度、水位變化速度和預先在PLC中設定的時段，控制器控制電動球閥的開關狀態，調節水箱進水速度并且穩定管網壓力，達到智能調節水箱水位高度的目的；報警裝置安裝在監控室，當水位異常時報警裝置立即啟動。PLC控制柜內部結構圖如圖2所示。

圖2 PLC控制柜內部結構圖Fig.2 Internal structure of the PLC control cabinet

1.2 控制系統的工作原理

水箱進水智能控制系統工作主要過程分為4個部分，即數據采集、數據分析、判斷輸出和目標執行，其中傳感器對數據采集，控制器作數據分析和判斷輸出，電動球閥實施目標控制。PLC接線部分端子圖如圖3所示。

（1）程序開始時，PLC首先判斷輸入信號是否滿足當前水位H1=d、管網水壓P＞0.24 MPa、昨日最低水位H2≤b的條件，若條件滿足，開電動球閥D經直通管向用戶供水。若條件不滿足，執行接下來的步驟，超聲波傳感器將采集的當前液位數據傳輸給PLC控制器，PLC控制器判斷當前液位數據的范圍，然后PLC自行判斷當前所處時段，緊接著壓力傳感器將采集的管網水壓數據傳輸給PLC控制器，PLC控制器判斷管網水壓數據的范圍，最后PLC控制器根據輸入信號，輸出信號給電動球閥控制各個電動球閥的開關狀態，從而改變水箱進水量。

（2）PLC對如下條件依次判斷：即水箱水位高度、用水時段、管網水壓和水位下降速度。水箱水位高于補水水位b處時，不對水箱補水；水箱水位達到補水水位b處時，PLC對用水時段進行判斷，用水時段分為高峰時段和閑時時段，高峰時段為每天 6：00-8:00、11：00-13:00、17：00-19:00、21：00-23:00，其他時段為閑時時段，通過控制電動浮球閥使水箱補水時間主要集中在閑時時段。

（3）PLC判斷用水時段為高峰時段時，PLC通過壓力變送器輸送的信號判斷壓力值范圍，當壓力值P≤0.12 MPa時，電動球閥A、B、C、D均關閉，聲光報警3發出報警信號；當壓力值0.12 MPa＜P≤0.2 MPa時，PLC發出控制信號只打開電動球閥B向水箱注水；當壓力值0.2 MPa＜P時，PLC發出控制信號關閉電動球閥B、打開電動球閥C向水箱注水；當水位下降至低水位a處時，進入緊急補水狀態，PLC發出控制信號打開電動球閥A、B、C同時向水箱注水；當水位達到上限水位d時，PLC發出控制信號關閉電動球閥停止向水箱注水。PLC判斷時段為閑時時段時，PLC通過壓力變送器輸送信號判斷壓力值范圍，當壓力值P≤0.12 MPa時，電動球閥A、B、C、D均關閉，聲光報警3發出報警信號；當壓力值0.12 MPa＜P≤0.2 MPa時，超聲波傳感器檢測水箱水位下降速度v≤0.2 m/s，只開電動球閥A向水箱注水，超聲波傳感器檢測水箱水位下降速度0.2 m/s＜v≤0.4 m/s，只開電動球閥B向水箱注水，超聲波傳感器檢測水箱水位下降速度v＜0.4 m/s，只開電動球閥C向水箱注水，當水位下降至低水位a處時，進入緊急補水狀態，PLC發出信號打開電動球閥A、B、C均打開向水箱補水；當壓力值0.12 MPa＜P≤0.24 MPa時，超聲波傳感器檢測水箱水位下降速度v≤0.2 m/s，只開電動球閥B向水箱注水，超聲波傳感器檢測水箱水位下降速度0.2 m/s＜v≤0.4 m/s，開電動球閥A、B向水箱注水，超聲波傳感器檢測水箱水位下降速度v＜0.4 m/s，開電動球閥B、C向水箱注水，當水位下降至低水位a處時，進入緊急補水狀態，PLC發出控制信號打開電動球閥A、B、C同時向水箱注水。在注水過程中，當水箱水位達到停止注水水位d處時，電動球閥A、B、C均關閉。

（4）水箱水位達到報警水位e處時，報警裝置1發出聲光報警信號；漏水傳感器檢測信號時，報警裝置2發出聲光報警信號；壓力變送器采集壓力值小于0.02 MPa時，報警裝置3發出聲光報警信號。水箱檢漏實物圖如圖4所示。

圖3 PLC接線部分端子圖Fig.3 PLC wiring part terminal diagram

圖4 水箱檢漏實物圖Fig.4 Water tank leak detection physical map

2 水箱進水裝置PLC智能控制系統的設計

2.1 硬件配置和I/O表分配

根據水箱智能控制裝置的實際輸入/輸出點數，從水箱智能控制裝置的要求、實際需求和經濟性考慮，結合三菱FX2N系列PLC特點，本文選用FX2N系列FX3U-32MR的PLC,為水箱的智能控制提供了很大的靈活性和穩定的控制要求，對PLC的I/O地址進行分配[6]，如表1所示。

表1 I/O地址分配表Table 1 I/O address allocation table

圖6 控制流程圖Fig.6 Control flow chart

表2 I/O繼電器對照表Table 2 I / O relay comparison table

由表1、表2可以看出，本文將啟動、停止和傳感器輸入信號作為輸入信號，將智能控制系統的電動球閥和報警裝置作為輸出信號。PLC控制器根據輸入信號和已設定的時段控制電動閥的開關狀態，調節水箱的進水速度，實現錯峰補水和保證管網壓力穩定。

2.2 控制系統的梯形圖

常用的PLC編程語言有3種：梯形圖編程語言、功能塊圖編程語言和順序功能圖編程語言。其中，梯形圖編程語言使用最為廣泛。梯形圖使用繼電器控制電路的方式，提高了編程人員的可操作性，也可以說成是，梯形圖編程語言是由電氣控制系統中常用的繼電器、接觸器等邏輯控制原件的基礎上簡化符號后演變而來的。它直觀、形象、實用，電氣技術人員容易理解和接受，是目前最常用的一種PLC編程語言，下面給出部分梯形圖如圖5所示[7]。

圖5 部分梯形圖Fig.5 Partial ladder diagram

2.3 智能控制系統流程圖

三菱PLC具有性能穩定、操作簡單、指令豐富和環境優良等特點，編程人員可以根據個人習慣選用不同的方式進行編程，提高了編程效率和降低了錯誤率。本文采用了梯形圖（ladder diagram,LD）編程，編程軟件為GX Works2[8-9]。先使用計算軟件機編程，再進行調試，最后將調試好的程序下載至PLC中現場調試，現場調試完成后水箱智能控制設備方可投入使用。控制流程圖如圖6所示。

3 結語

本文根據所在城市不同區域、不同時段的用水特點，設計了“傳感器-PLC-執行機構”組成的經典機電一體化控制系統，即水箱進水智能控制系統，選用三菱FX3U-32MR作為控制器。系統通過壓力-流量控制和分時錯峰補水的方式，智能調節水箱的進水量和進水時間，通過RS-485通訊，實現中控和水廠的遠程監控功能。在發生故障時，工作人員能夠第一時間接收到報警信號并查找問題的原因。盡量避免在用水高峰時期對水箱補水對管網壓力造成影響，在用水低峰時期對水箱進行補水。避免了管網壓力不穩定的情況，因水箱在補水過程中自由出流而造成的水資源浪費，保證了城市生產生活的安全可靠、高效經濟用水的智慧水務建設的目標。