基于西門子DDC控制的給排水系統實驗裝置設計

伍文馳，馮維慶，周紅鍇，陸生鮮，譚澤寧

（桂林理工大學南寧分校，廣西崇左，532100）

0 引言

目前，建筑設備智能化控制與人們的生活息息相關，為了適應建筑設備智能化控制課程的教學需要，設計一款小型的給排水系統實驗裝置，進行教學演示，開展驗證性、綜合性、創新性的給排水實驗[1]，該裝置可以進行創新思維訓練，培養學生獨立思考、解決問題的能力，對提高學生的綜合實踐能力起到積極作用。

1 給排水系統原理

1.1 給水系統原理

給水系統由蓄水池、水泵和高位集水箱等組成，即在屋頂設高位集水箱，在低處（地面）設蓄水池，設置水泵給高位集水箱供水[2]。自來水廠的水流入蓄水池，蓄水池中的水通過水泵抽取到高位集水箱儲存，然后再從高位集水箱中流出供用戶使用。當高位集水箱水位到達啟泵水位時，啟動水泵抽水工作，水位到達停泵水位時，停止所有水泵抽水工作，設置低水位報警和溢出水位報警顯示。給水系統原理圖如圖1所示。

圖1 給水系統原理圖

1.2 排水系統原理

排水系統由集水坑、水泵、排污管道等組成，將廢水收集到集水坑中，再通過水泵抽到市政排污管道進行排放[3]。當集水坑水位到達啟泵水位時，啟動水泵排水工作，水位降低到停泵水位時，停止所有水泵排水工作，設置溢出水位報警顯示。排水系統原理圖如圖2所示。

圖2 排水系統原理圖

2 給排水系統整體設計

裝置由西門子PXC16型DDC、水泵、水位檢測傳感器、蓄水池、高位集水箱、集水坑、指示燈、轉換開關、按鈕、繼電器、水管、水閥組成。通過計算機編寫程序下載到DCC，DCC根據采集的水位情況控制水泵啟停。裝置上設置有指示燈，表示水位高度，水泵的運行狀態。設置有轉換開關，對給水系統、排水系統進行切換。在組態監控界面上對給排水系統過程監控顯示，對異常水位進行報警提示。本實驗裝置水泵采用兩用一備的方式工作，使用兩個水泵作為主水泵，當其中一個不能正常工作時，備用水泵進入工作狀態。系統原理圖如圖3所示，系統結構圖如圖4所示。

圖3 系統原理圖

圖4 系統結構圖

3 硬件電路設計

3.1 水位檢測電路設計

水位檢測電路原理圖如圖5所示，采用電阻、晶體三極管等組成水位檢測電路，當高位集水箱無水時，三極管處于截止狀態，水位高度LED指示燈全滅。當水位到達啟動水泵水位時，三極管Q2導通，表示啟泵水位LED2指示燈點亮，繼電器2線圈得電，常開觸點閉合，輸入啟泵信號給DDC，DDC根據啟泵信號發送指令控制水泵啟動。水位到達停泵水位時，三極管Q3導通，表示停泵水位LED3指示燈點亮，繼電器3線圈得電，常開觸點閉合，輸入停泵信號給DDC，DDC根據停泵信號發送指令控制水泵停止。水位到達溢出水位報警時，表示溢出水位報警LED4指示燈點亮和組態監控界面進行溢出水位報警顯示。水位降低到低水位報警時，表示低水位報警LED1指示燈點亮和組態監控界面進行低水位報警顯示。設計的水位檢測電路經過Proteus軟件仿真測試驗證后，進行安裝調試。Proteus仿真水位檢測電路圖如圖6所示。

圖5 水位檢測電路原理圖

圖6 Proteus仿真水位檢測電路圖

3.2 水泵控制電路設計

水泵控制電路設計圖如圖7所示，采用電阻、晶體三極管、繼電器等組成水泵控制電路，DDC輸出高電平，三極管導通，繼電器線圈得電，常開觸點閉合，水泵啟動。水泵正極端串入一個1kΩ電阻連接到DDC輸入端，進行監控水泵動作。電路中三極管的基極串入10kΩ基極限流電阻，防止燒壞管腳。串入220kΩ電阻接地，防止干擾時，輸入小電流，導致三極管導通，繼電器線圈得電，水泵誤動作。DDC輸入端口的電壓范圍為0~10V,需要串入電阻降壓后，接入到DDC輸入端。電路設置有轉換開關QS，在自動模式下，給水系統、排水系統共用DO輸出端口，通過轉換開關QS進行功能切換。在手動模式下，通過手動按鈕啟動水泵工作。水泵控制電路經過Proteus軟件仿真測試驗證后，進行安裝調試。Proteus仿真水泵控制電路圖如圖8所示。

圖7 水泵控制電路設計圖

圖8 Proteus仿真水泵控制電路圖

4 程序設計

4.1 DDC程序流程圖

給水、排水系統流程圖，分別如圖9、圖10所示。

圖9 給水系統流程圖

圖10 排水系統流程圖

4.2 DDC的I/O地址分配

給水系統的高位集水箱設置有4個水位檢測，分別是低水位報警檢測、啟泵水位檢測、停泵水位檢測和溢出水位報警檢測。排水系統的集水坑設置有3個水位檢測，分別是啟泵水位檢測、停泵水位檢測和溢出水位檢測。設置有3個水泵，其中2個作為主水泵，1個作為備用水泵。DDC的I/O地址分配如表1所示。

表1 DDC的I/O地址分配表

4.3 裝置狀態定義及控制邏輯

裝置狀態定義如表2所示，裝置控制邏輯表如表3所示。

表2 裝置狀態定義

表3 裝置控制邏輯表

4.4 給、排水系統監控程序例程

(1)給水系統監控程序

(到達低水位報警水位時啟動給水泵1和給水泵2)

(到達啟泵水位時啟動給水泵1和給水泵2）

(到達啟泵水位且檢測到給水泵1發生故障時關閉給水泵1）

(到達低水位報警水位且檢測到給水泵1發生故障時關閉給水泵1）

(當給水泵1關閉時啟動備用給水泵3）

(到達停泵水位時關閉所有的水泵）

(到達啟泵水位且檢測到給水泵2發生故障時關閉給水泵2）

(到達低水位報警水位且檢測到給水泵2發生故障時關閉給水泵2）

(當給水泵2關閉時啟動備用給水泵3）

(檢測到備用水泵3發生故障時關閉備用水泵3）

（2）排水系統監控程序

(到達啟泵水位時啟動排水泵1和排水泵2）

(到達停泵水位時關閉所有的水泵）

(到達溢出水位報警水位時啟動排水泵1和排水泵2并且報警）

(檢測到排水泵1發生故障時關閉排水泵1）

(排水泵1發生故障停泵時啟動備用排水泵3）

(檢測到排水泵2發生故障時關閉排水泵2）

(排水泵2發生故障停泵時啟動備用排水泵3）

(檢測到備用排水泵3發生故障時關閉備用排水泵3）

采用Insight軟件編寫、下載上述程序到實驗裝置中，繪制給、排水系統組態監圖，實驗過程結合給、排水系統組態圖觀察實驗效果，組態監控界面圖如圖11所示。

5 結束語

實驗裝置具有體積小、成本低、實驗內容豐富，是一款與建筑智能化專業知識緊密結合的實驗裝置，能較好地用于《建筑智能化技術》、《建筑設備自動化系統》等課程的教學演示及學生自主實驗，具有實驗展示直觀、實驗內容豐富，可開展驗證性、綜合性、創新性給排水實驗等特點，此外可拓展到消防系統中消防水箱的給水、暖通空調系統中供給水箱的給水、農林灌溉系統中水池的給排水等實驗，該實驗裝置具有很好的實用性。