基于PLC的智能控制沖水系統設計

摘 ? ?要：基于PLC的智能控制沖水系統，是在分析目前學校公共衛生間所使用的兩種沖水系統優缺點的基礎上設計完成的。與目前所使用的兩種沖水系統相比，基于PLC的智能控制沖水系統能夠根據學校學生作息時間進行忙時和閑時的設定，并由PLC控制忙時和閑時使用不同的沖水方式。這種分時段采用不同沖水方式的設計，既能更好地控制用水量以達到節約用水的目的，又能根據學校作息時間進行人性化設計，體現了以人為本的思想。

關鍵詞：PLC;沖水系統;紅外傳感器;忙時;閑時

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? 文章編號：2095-7394（2020）02-0061-06

我國是水資源大國，但是由于人口基數的龐大使得人均水資源占有量還不到世界平均數的四分之一，節約用水形勢嚴峻。[1]學校作為人口較為密集的場所，對于節約用水的要求應該更高。本文針對學校廁所的用水情況，設計了一種基于PLC的智能控制沖水系統。

1 ? 概述

目前，學校公共衛生間坑位通常采取兩種形式：一種是采用浮球閥等控制沖水系統的長蹲位式，如幼兒園、中小學、高中及部分高校公共衛生間;另一種是采用紅外傳感器或人工控制沖水系統的單蹲位式，如多數高校衛生間。總的來說，浮球閥等控制的沖水系統不管是在白天還是黑夜，只要水的壓力滿足要求，水箱上滿水就會沖水，這樣不僅無法做到有效地節約用水，也會影響到學生夜晚的正常休息;紅外傳感器或人工控制的沖水系統能夠根據有無人員如廁進行自動或者手動控制沖水，但是，這種沖水方式不適用于目前大多數學校所采用的長蹲位式廁所，且每次沖水用水量較大，不如長蹲位式廁所節約用水。當然，目前也有一些長蹲位式廁所使用紅外傳感器控制的沖水系統，這種僅僅使用紅外傳感器的沖水系統，只要有人就會沖水，一次有效沖水的用水量過大，也不能達到節約用水的目的。

基于PLC的智能控制沖水系統能夠根據學生作息時間設定忙時和閑時，并由PLC控制在忙時使用類似浮球閥等控制的沖水方式，只要水的壓力夠大水箱上滿水就能夠進行沖水;而在閑時采用紅外傳感器控制的沖水方式，只有在一定數量的人如廁，或者從首次有人如廁開始計時的時間到后，系統才會控制沖水。另外，該系統還設置了報警指示燈進行故障信號報警指示。這種分時段采用不同沖水方式的設計，使得基于PLC的智能控制沖水系統既能更好地控制用水量，又能根據作息時間進行人性化設計。系統設置的報警指示燈也可以實時對整個系統進行監控，從而便于進行設備保養及維修。

2 ? 系統設計

基于PLC的智能控制沖水系統總體架構如圖1所示，整個系統由PLC擔任主角，擔負核心控制作用。PLC的輸入端信號來源于紅外傳感器和壓力傳感器。PLC的輸出端用來驅動電磁閥、中間繼電器、指示燈等輸出設備。本文以一棟6層教學樓，每層設有男女公共衛生間各1個共計12個衛生間為例，來進行系統設計。

2.1 ?系統硬件設計

PLC在整個系統中占據著核心的地位，該系統PLC選用的是西門子S7-200系列CPU224 AC/DC/RLY的PLC[2]。這款PLC采用的是交直流負載通用的RLY輸出模式，14輸入10輸出，產品標號是6ES7 214-1BD23-0XB0。另外，擴展一個數字量輸入輸出模塊EM223 DC/RLY（交直流負載通用的RLY輸出模式，16輸入16輸出），用來彌補CPU224本身輸入輸出點數的不足。

PLC的輸入信號來源于紅外傳感器和壓力傳感器，這里，紅外傳感器和壓力傳感器均選用歐姆龍公司DC24 V的傳感器，要求紅外傳感器安裝在每個衛生間的合適位置，壓力傳感器安裝于每個衛生間沖水水箱的底部。二者的接線[3]如圖2所示。

PLC的輸出端驅動設備電磁閥用于控制水箱沖水，選用的是山野品牌生產的型號為2W-160-15（額定電壓是220 V）的電磁閥。報警指示燈用于故障信號指示，選擇的是浙江啟晟有限公司生產的多層警示燈紅色LTA504-1WJ，額定電壓是DC24 V，它能夠在有故障信號時發出紅色閃亮的光，并能夠使內部蜂鳴器發出報警聲音。中間繼電器主要用于電磁閥信號的轉接。因為實際連線時PLC是固定在某一層的衛生間中的控制箱內，其他樓層的電磁閥安裝在各自衛生間的水箱中，與PLC之間有一定的距離;因此，當距離較遠時，電磁閥可能會因為信號傳輸過程中的衰減導致無法接收到信號，不能正常工作。此時，需要中間繼電器作為中間過渡的橋梁來轉換一下，以解決遠距離傳輸的問題。這里選用的是歐姆龍DC24 V的中間繼電器，要求全部安裝在PLC的控制箱中。

PLC的輸入端用來連接每個衛生間的紅外傳感器和壓力傳感器，輸出端用來驅動每個衛生間的中間繼電器和報警指示燈。系統PLC的I/O分配表如表1所示，系統硬件接線如圖3所示。

2.2 ?系統軟件設計

基于PLC的智能控制沖水系統最大的特點是：可以根據學生的作息時間來設定忙時和閑時的時段，并采用不同的沖水方式，從而達到節約用水的目的。表2是某學校初中生的作息時間表。

從學生的作息表中可以看出，他們的上廁所時間集中在兩節課的中間休息時間和課外活動時間，即每天上午8：45—8：55、9：40—10：10、10：55—11：05，共計50 min，下午時間會根據季節的不同而稍微有所變化，也是40～50 min，這些時間段就是本文中所述的忙時。在這段時間內，學生會集中上廁所，所以采用的是類似浮球閥的沖水方式，由壓力傳感器檢測水箱水壓是否正常即水箱是否上滿水，如果上滿則PLC驅動電磁閥打開進行實時沖水，如果沒有則電磁閥關閉，系統控制水箱不會沖水。

除了上述的忙時，一天中的其他時間為閑時時段。在這些時間段內，因為是上課時間或者其他沒有學生的時間，所以上廁所的人數會相對較少。閑時，根據廁所中紅外傳感器檢測到的如廁的人數、首次有人如廁時開始計時的時間長短、壓力傳感器檢測水箱水壓是否正常即水箱是否上滿水這三個條件的狀態，系統通過PLC控制是否驅動電磁閥打開并進行沖水。[3]

系統程序流程如圖4所示，系統首先由PLC來判定忙時和閑時，然后選擇相應的沖水方式進行沖水。（1）忙時，采用的是類似浮球閥的沖水方式，由壓力傳感器檢測水箱水壓是否正常即水箱是否上滿水，如果上滿，PLC則驅動電磁閥打開并進行實時沖水;如沒有則電磁閥關閉，系統控制水箱不會沖水。（2）閑時，根據紅外傳感器檢測到的如廁人數、從首次有人如廁開始計時的時間長短及水箱是否上滿水這三個條件的狀態，通過PLC程序共同協作完成沖水狀態的控制。當如廁人數達到設定值且水箱水位上滿或者從首次有人如廁開始計時且計時時間到時，系統通過PLC控制電磁閥打開進行沖水;否則，系統控制水箱不會沖水。[4]

除了上述沖水方式的控制，系統還設置了報警指示燈用于故障信號顯示與診斷。當系統出現紅外傳感器長時間不能接通沒有信號;壓力傳感器始終沒有閉合狀態，進水出現問題;電磁閥故障不能正常打開;各個中間繼電器不能正常工作等故障時，通過PLC控制各個衛生間的報警指示燈HL1至HL12發出紅色閃亮的光，并使內部蜂鳴器發出報警聲音，從而根據指示燈的位置可以確定是哪個衛生間出現故障，可以提示工作人員前去維修。

3 ? ?結語

基于PLC的智能控制沖水系統能夠更好地控制用水量以達到節約用水的目的。（1）教室的忙時和閑時時段和學生宿舍的忙時和閑時時段，可以通過PLC程序較為方便地進行設置。（2）系統通過設置報警指示燈進行故障報警，可以對設備加以實時監控，以便于進行設備的保養及維修。（3）系統使用中間繼電器作為中間過渡的橋梁，解決了遠距離傳輸的問題，同時，還可以很方便地通過增加PLC擴展模塊進行I/O點數的增加，來擴充控制公共衛生間的個數，升級改造十分簡單。（4）該系統不僅適用于學校公共衛生間，對于景區等公共場所衛生間也具有一定的適用性[5]，只需根據客流高峰時段和低峰時段做相應的忙時和閑時設定，即可滿足要求。

綜上所述，該系統能夠通過PLC根據忙時和閑時時段設置不同的沖水控制方式，可以更加有效地節約用水;也能夠根據不同的作息時間或者客流高低峰時段，進行人性化的設計，體現了以人為本的思想。該系統可適用于各種公共場所衛生間，具有一定的推廣價值。[6]

參考文獻：

[1] 何智娥.基于CGA的水資源優化調度研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2015.

[2] 王小陽，杜愛麗.檸條顆粒飼料包裝機控制系統設計[J].農業工程，2016（4）：26-28.

[3] 陳鴻桂，付斌，朱秋平，等.公共衛生間自動沖水裝置的PLC控制[J].武漢工程職業技術學院學報，2015（4）：47-49.

[4] 劉力郡.基于PLC公廁自動節水控制系統的設計[J].寧波職業技術學院學報，2016（6）：84-86.

[5] 夏玉紅.基于PLC的景區衛生間智能控制系統設計[J].電腦編程技巧與維護，2015（24）：103-104.

[6] 朱艷青.淺談如何用PLC實現公共衛生間的自動沖水控制[J].數字技術與應用，2015（3）：5.

責任編輯 ? ?盛 ? ?艷

Design of Intelligent Control Flushing System Based on PLC

LI Mei

（Engineering Institute of Technology，Fuyang Institute of Technology，Fuyang 236031，China）

Abstract： Based on the analysis of the advantages and disadvantages of two kinds of flush systems used in school public toilets，the intelligent control flushing system based on PLC is designed. Compared with the two kinds of flushing systems used at present，the system can set the free time and idle time according to the work and rest time of school students，and use different flushing methods by PLC to control the free time and free time. This kind of design with different flushing methods in different periods can not only better control water consumption to achieve the purpose of water conservation，but also humanize the design according to the school work and rest time，reflecting the idea of people oriented.

Key ?words： PLC;flushing system;infrared sensor;busy time;idle time

收稿日期：2020-02-11

基金項目：安徽省教育廳2018年高等學校省級質量工程項目“西門子控制實習實訓中心”（2018sxzx03）;安徽省高校 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?自然科學研究項目“虛擬仿真技術在工業機器人系統開發中的應用”（KJ2019A1022）

作者簡介：李梅，講師，主要研究方向為機電一體化技術、自動控制。