PLC智慧家庭自動節水系統的設計與實現

張軒浩 馮京曉 秦宇龍 徐曉陽

摘 要：水是人們生產生活必不可少的資源，會直接影響人們的衣食住行各方面。但由于淡水資源的逐漸減少，用水形勢日益嚴峻，這就使節約用水顯得非常重要。筆者所設計的家用自動節水系統，通過對家用廢水進行合理處理和存儲，使廢水實現再利用。通過查閱相關文獻、走訪實地調研，深入了解家庭用水的循環方式、智慧家庭自動節水的原理，完成智慧家庭自動節水系統的設計與實現。

關鍵詞：PLC;智慧家庭;節水

中圖分類號：TP273.5 ? ?文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2022）7-0024-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.005

Abstract： Water is an essential resource， which directly affects People's Daily life， at the same time， the household water is more important. Due to the gradual reduction of fresh water resources， the water situation is becoming increasingly severe， which makes it very important to save water. The household automatic water-saving system designed in this study can reuse the wastewater through reasonable treatment and storage of the wastewater. Through referring to relevant literature and visiting field research， we have an in-depth understanding of the household water circulation mode and the principle of automatic water-saving in the smart home， so as to complete the design and implementation of automatic water-saving system in the smart home.

Keywords： PLC; smart home; water saving

0 引言

節約資源是我國的基本國策。淡水作為人類生存的必需資源，在生產生活中發揮著極其重要的作用。然而，隨著世界經濟的快速發展，全球生態環境持續惡化，可用淡水資源逐漸減少，人居環境異常嚴峻。在此背景下，節約用水就顯得尤為重要。目前，家庭節水一般都是由政府勸導民眾節約、循環用水，但卻收效甚微。基于此，本研究設計一種基于PLC的智慧家庭節水系統，可將部分家庭用水進行收集，并將收集到的水用于沖洗馬桶或拖地板等[1]。如通過對家用凈水器、洗衣、洗澡、洗菜、洗臉等產生的廢水進行合理處理和存儲，用于洗抹布、擦地板、沖馬桶、澆花等，使廢水再利用，降低家庭用水成本，響應國家政策。

1 系統設計思路

根據自動節水系統的總目標，需要實現優質水和劣質水循環，設計核心是系統控制部分，需要和執行層設備共同協作，控制自動節水系統的穩定運行。為了方便人工監控、調試和控制，系統還需設計人機交互的系統組態，按照系統功能，在交互界面設定可對系統參數進行讀和寫的輸入模塊，方便對不同環境下的參數設定。在系統功能部分確定后，按照設計思路，挑選合適型號的上位機和設備組態，主要包括觸摸屏（人機交互主要設備）、可編程控制器（系統控制核心）和水泵、電磁閥、傳感器等基本元器件。最后，按照設計理念和功能要求，根據系統設計的總目標搭建系統總體框架，在經過實地調研后決定設備布局和走線，進行仿真調試運行，最終實現自動節水系統功能[2]。

2 系統方案設計

2.1 系統構成

自動節水系統由可編程控制器、上位水箱、下位水箱、電磁閥門、過濾管道、水泵、報警器、指示燈、液位傳感器組成，如圖1所示。貯水箱可以像空調室外機一樣外掛墻壁，也可以懸掛房屋內。當可回收的廢水流入下水箱時，過濾網可以過濾掉比較明顯的臟東西。此外，系統有8個電磁閥門分別控制廢水外排或流入上、下水箱，按系統控制要求進行打開或關閉操作。管道上有5個壓差發訊器，安裝在過濾器旁，用于檢測濾網是否堵塞，并可將報警信息上傳到上位機觸摸屏，以提醒用戶更換濾網。下水箱主要用來存儲被處理的洗衣機、洗臉盆和洗菜盆中的水，并經過二次過濾，再由水泵將水送入上水箱;上水箱中的水經過管道送至拖把池或馬桶，供日常生活使用。上、下水箱分別設有多個液位開關，用于水位控制，根據液位差異控制1～8號等閥門開關，確保水箱液位正常，為生活用水提供保障。下位機由可編程控制器負責系統整體信號的接收、數據的處理、工藝的控制和信號的輸出。馬桶和拖把池管道上安裝有手動閥門，當需要用水時手動打開閥門即可。報警器在系統發生故障時會報警提醒。將指示燈、傳感器結合起來，用來采集水位信號，分別向控制器和監控設備傳遞信號，實現水位的實時監控。

2.2 系統設計要求

智慧家庭節水系統通過水泵、電磁閥、液位傳感器、手動閥門以及相配套管道，控制下水箱進水及上、下水箱內水循環，達到節水的目的。具體設計要求如下。

①水箱能夠自動控制水位，保持有足夠的儲水，使用戶用水方便。

②數據監控實時更新，確保數據準確，盡量將誤差影響控制在可接受范圍內。

③具有故障報警能力，當液位達到上限或下限時發出報警指示;當水泵過載時發出報警信號，并關停水泵;濾網堵塞時發出報警信號等。

④為了使下水箱起到過濾作用，可以在進下水箱前進行第一次過濾，將大塊的雜質濾除。在上水箱輸送通道內可以進行二次過濾沉淀，定期手動更換濾網。

2.3 系統控制方案設計

通過控制水泵的啟停來間接控制水位，進而達到循環用水。系統分自動控制和手動控制兩種方式。在自動控制方式下，當下水箱水位未達上限時，進水閥處于打開狀態，隨時接收家用廢水，當水位達到上限時關閉進水閥;當上水箱水位未達上限，水泵可以隨時供水，直至上限，時刻為用水做好準備。手動模式下可以單獨對水泵、電磁閥進行操作。但不管是自動還是手動模式，水泵的運行必須滿足工作條件，否則禁止啟泵。在操作中通過現場傳感器、電磁閥、壓差發訊器、水泵的良好配合，各個設備的狀態都通過觸摸屏顯示出來，方便用戶對系統的操作、監控，實現系統出現故障時的報警功能，達到期待的人機交互效果[3]。

3 控制系統的電路設計及I/O分配

3.1 控制系統電路設計

根據現場執行層設備及控制系統的要求，對系統控制回路電路圖進行設計。系統控制核心為西門子S7-200PLC，通過輸入、輸出通道檢測外部液位、壓差等信號。在經過程序處理后，通過數字量輸出模塊通道和中間繼電器發出信號給執行層的電磁閥、水泵等設備帶上電，以完成相應工藝動作。控制系統如圖2所示。

3.2 PLC I/O地址分配

I/O模塊是PLC進行信息交換和數據傳遞的最主要硬件通道。I/O模塊分為四部分，分別是數字輸入（DI）、數字輸出（DO）、模擬輸入（AI）、模擬輸出（AO），可以根據不同的應用場合進行具體使用。但模塊的多少是由I/O端口數量決定的。該控制系統的I/O端口分配如表1所示。

4 中間控制層軟件設計

以PLC為控制核心，用合理設計的運行程序建立中間控制層。根據電磁閥、水泵、壓差發訊器、液位計等現場執行層的反饋信號，來對上位機觸摸屏畫面實現對系統的操作和監控[4]。根據控制系統目標要求，對智慧家庭節水系統軟件程序進行設計編寫。該程序主要包括系統自動和系統手動兩種控制方式。

4.1 系統自動控制

自動控制模式需要系統能夠自行控制水位高低，能夠及時響應水位的變化，其主要分為水泵的自動控制和電磁閥的自動控制兩部分，主要控制流程如下。

4.1.1 水泵自動控制。該部分對自動模式下的水泵工作情況進行描述，通過同上水箱液位傳感器和下水箱液位傳感器的配合，完成控制系統對水泵工作的自動控制。在自動模式下，液位傳感器自動檢測上水箱水位，當上水箱水位低時，水泵啟動并開始工作;當上水箱水位高時，水泵停止工作;水位正常，則系統循環檢測判斷。對于下水箱來說，液位低，不允許水泵工作;液位正常水泵才可以啟動。具體控制流程如圖3所示。

4.1.2 電磁閥自動控制。系統對進水電磁閥進行控制，主要根據下水箱液位情況來控制進水閥的開關。自動模式下，當下水箱液位低時，2、3、4號閥門關閉，6、7、8號電磁閥打開;當下水箱液位高時，2、3、4號閥門打開，6、7、8號閥門關閉（見圖4）。

4.2 系統手動控制

在手動模式下，用戶能夠通過觸摸屏對系統進行操作，通過觸摸屏向PLC發出控制信號，切斷自動控制程序部分的循環，實現點動式觸發，具體操作分為水泵的手動控制和電磁閥的手動控制。

4.2.1 水泵手動控制。在手動模式下，上水箱液位高，水泵無法啟動;上水箱液位低，且下水箱液位不低的情況下，點擊水泵啟動按鈕，水泵啟動后進入工作狀態;點擊水泵停止，水泵停止工作。

4.2.2 電磁閥手動控制。在手動模式下，點擊打開/關閉閥門按鈕，閥門會轉為打開/關閉狀態。

5 上位機畫面設計

監視與控制通用系統（Monitor and Control Generated System，MCGS）是一套基于Windows平臺的，用以快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統。觸摸屏控制界面窗口主要包括畫面監控、系統控制、參數設置三個基本模塊，需要實現實時監控、實時反饋、精準控制、數據處理等基本功能。除基本功能外，可根據個人需要，在設備窗口和用戶窗口添加動畫以及各種開關按鈕，可以點擊產品型號按鈕來選擇不同品牌型號的產品，能夠更加靈活地更改挑選設備。主監控畫面如圖5所示。

6 結語

從水循環利用促進節約水資源的目的來看，節水控制系統最終實現了預定的設計功能，且系統設計中控制系統的構成、硬件設計和軟件設計都符合國家對相關產業的要求和規定。該產品采用水循環式的處理辦法，并根據不同的用水需求將水循環利用，減少了普通家庭日常用水的浪費，體現了可持續發展理念，可以很大程度上減少居民在使用水資源時所產生的浪費。

參考文獻：

[1] 田楊，楊岸，孔龍，等.基于PLC的家庭節水控制系統的設計[J].黑龍江科技信息，2016（8）：160.

[2] 趙輝.基于PLC的礦井水泵自動化控制系統探究[J].機械管理開發，2021（12）：263-264，269.

[3] 趙忠厚，趙輝，劉俊清.家庭自動循環節水系統的設計[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2014（3）：256-259.

[4] 喬鴻云，楊雄，張善彪，等.智能節水系統的設計[J].科技創新導報，2009（28）：91-92.