泵房水箱安全供水控制系統設計

易子琛，肖 騰，鄧達

（1．湖南省豐源水務投資建設有限責任公司，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

隨著中國城市的不斷發展對供水量的需求日益增大，水作為人們生活的必備物質，關系到人們正常的生活和工作。傳統的機械式的浮球閥控制水箱的水流開關容易出現故障，從而導致水資源的浪費，同時影響了居民、企業的正常用水[1]。傳統的浮球閥已經安裝在許多自來水廠的水箱和泵房水箱供水管道上，如果將它拆除更新施工量非常大，需要耗費許多額外的資金，而且很多浮球閥依然具有良好的性能，直接拆除造成資源浪費，為了能夠節約資金、利用浮球閥已有功能，保障用戶的恒壓、持續、可靠用水。

針對主要是浮球閥動作頻繁容易被損壞和控制精度不高，導致水箱里的水外溢、供水中斷、水壓不足等問題，本文設計了一種水箱安全供水控制系統，采用各類傳感器和PLC（programmable logic controller）相結合的控制技術對供水裝置進行控制。該系統通過傳感器信號采集、PLC狀態判斷、PLC執行輸出、閥門動作等一系列的過程[2]，采用電動閥和浮球閥相結合方式控制水流的開關，使用增壓泵和水流開關保證水流的水壓正常，能夠實現水箱的水位處于正常范圍內，同時能夠保證閥門的有效、可靠的動作，從而保證了每一個家庭和企業的正常用水[3]。

1 控制系統的設計

1.1 控制系統的裝置組成

控制系統的裝置由壓力變送器、電動閥、增壓泵、水流開關、浮球閥、電磁閥和液位計組成。壓力變送器用于檢測供水水管中水流壓力值，當水管中水壓不足使用增壓泵增壓；電動閥用于控制水流的開關；當水管中水流壓力不足時，水流開關用于關閉水管水流；浮球閥用于控制水管水流開關，浮球閥的開關狀態由電磁閥和浮球共同決定；液位傳感器采集水箱的液位信號，浮球的上限位為液位2，下限位為液位3；電磁閥啟動位置為液位1和液位5，電磁閥關閉位置為液位4；水箱的上限水位為液位1，下限水位為液位6。安全供水裝置結構如圖1所示。

圖1 安全供水裝置結構示意圖Fig.1 Safe water supply device structure diagram

其中壓力變送器用于檢測水管的水流壓力值，并將采集的模擬量信號傳輸給PLC；增壓泵由PLC控制用于增加水管中的水壓，電動閥由PLC控制是水流開關的主要手段；水流開關由水流壓力自動沖開，水壓較低時能夠自動關閉；浮球閥由電磁閥和浮球共同控制開關狀態，其中電磁閥由PLC控制。

圖2 PLC控制柜內部結構圖Fig.2 PLC control cabinet internal structure diagram

控制裝置中壓力變送器、液位傳感器將采集的信號輸送給PLC，由PLC的控制電動閥、增壓泵、電磁閥的開關狀態，PLC控制柜內部結構如圖2所示。

PLC控制柜可以根據不同的實際情況選擇手動或自動方式運行，一般情況下選用自動運行方式，當出現檢修、故障等情況時可選用手動方式運行，這樣有利于系統的安全、有效運行[4]。 各泵、閥門和傳感器通過電纜與PLC通信，PLC控制柜連接圖如圖3所示。

1.2 供水系統的工作流程

安全供水系統建成時，水箱里的水位處于水箱的下限水位，閥門打開開始蓄水，隨著蓄水過程的持續，水箱水位不斷升高；當水位上升到水箱的上限水位時，閥門迅速關閉，水箱停止注水；隨著用戶用水量增加，水箱水位不斷下降，當水位下降到水箱下限位時，閥門打開，向水箱注水，循環上述過程，如圖4所示。為了讓浮球閥盡量不動作減少損壞程度，使用電動閥作為主控制閥，浮球閥作為輔助控制閥。上述控制過程分為兩種情況，當電動閥正常動作時，由電動閥控制水流開關；當電動閥不能正常動作時，方可啟用浮球閥控制水流開關。

圖3 PLC控制柜連接簡圖Fig. 3 PLC control cabinet connection diagram

圖4 供水系統的工作流程圖Fig. 4 Water supply system work flow chart

1.3 供水系統工作原理

該供水系統是從傳統機械式的控制方式轉為智能化、自動化和機械化相結合的控制方式，執行機構由電動閥、增壓泵、電磁閥組成，壓力變送器和液位計將采集的數據信號傳輸給PLC，PLC根據采集到的數據發出相應的執行信號，控制各個執行機構的動作，在執行機構動作之前需要檢測水箱水位和水管中水流壓力值大小[5]。安全供水系統實物圖如圖5所示。

1）在水箱蓄水過程中，當檢測到電動閥處于正常狀態，水流壓力值≥0.003 MPa時。開啟電動閥，由于水壓足夠沖開水流開關，水流開關打開，開始向水箱注水，水箱液位不斷上升，當液位達到液位1時，液位傳感器向PLC輸送液位信號，PLC發出信號給電動閥，電動閥關閉，停止注水。隨著用戶用水量的增加，水箱液位不斷減少，當液位下降到液位6時，液位傳感器向PLC輸送液位信號，PLC輸出信號給電動閥，電動閥啟動，開始向水箱注水，循環上述過程。

2）在水箱蓄水過程中，當檢測到電動閥處于正常狀態，水流壓力值＜0.003 MPa時。關閉電動閥，開啟增壓泵，增加水管水流壓力，當水壓足夠時，水流開關被沖開，開始向水箱注水。當壓力傳感器檢測到水流壓力達到0.003 MPa時，增壓泵繼續運行20 S后，增壓泵停止運行（在保證水壓的同時，盡量減少能耗），同時開啟電動閥，繼續向水箱注水，循環過程1）。在此過程蓄水中，當水壓＜0.003 MPa時，再次啟動增壓泵進行壓，保證蓄水過程的正常進行。隨著用戶用水量的增加，水箱液位不斷減少，當液位下降到液位6時，液位傳感器向PLC輸送液位信號，PLC輸出信號給電動閥，電動閥啟動，開始向水箱注水，循環上述過程。

3）在水箱蓄水過程中，當檢測到電動閥處于故障狀態不能正常關閉，水流壓力值≥0.003 MPa時。水流沖開水流開關，開始向水箱注水，當液位達到4處，液位計把液位信號輸送給控制柜，控制柜輸出信號使電磁閥關閉，液位繼續上升，當液位達到2處，浮球達到最高點，此時浮球處于關閉浮球閥狀態，液位繼續上升到液位1處，液位計將液位信號輸送給控制柜，控制柜輸出開啟電磁閥控制信號使電磁閥開啟，此時，由浮球和電磁閥共同控制使浮球閥關閉，控制水箱水位不再上升。在用戶不斷用水，水箱液位不斷下降，當液位下降到液位3處，浮球到達最低位置，隨著用戶用水，液位繼續下降到液位5處，液位計把液位信號輸送給控制柜，控制柜輸出控制信號控制電磁閥打開，由浮球和電磁閥共同控制使浮球閥打開，當液位繼續下降到6處，液位計把液位信號輸送給控制柜，控制柜輸出控制信號，啟動蓄水過程。

4）在水箱蓄水過程中，當檢測到電動閥處于故障狀態不能正常打開，水流壓力值＜0.003 MPa時。只通過增壓泵抽水，流沖開水流開關，開始向水箱注水，當液位達到4處，液位計把液位信號輸送給控制柜，控制柜輸出信號使電磁閥關閉，液位繼續上升，當液位達到2處，浮球達到最高點，此時浮球處于關閉浮球閥狀態，液位繼續上升到液位1處，液位計將液位信號輸送給控制柜，控制柜輸出開啟電磁閥控制信號使電磁閥開啟，此時，由浮球和電磁閥共同控制使浮球閥關閉，控制水箱水位不再上升，增壓泵停止運行。在用戶不斷用水，水箱液位不斷下降，當液位下降到液位3處，浮球到達最低位置，隨著用戶用水，液位繼續下降到液位5處，液位計把液位信號輸送給控制柜，控制柜輸出控制信號控制電磁閥打開，由浮球和電磁閥共同控制使浮球閥打開，當液位繼續下降到6處，液位計把液位信號輸送給控制柜，控制柜輸出控制信號，啟動蓄水過程。

圖5 安全供水系統實物圖Fig. 5 Safe water supply system physical map

2 供水裝置PLC控制系統的設計

2.1 硬件配置和I/O表分配

根據供水裝置的實際需求輸入/輸出，考慮供水裝置的性能要求和實際需求，結合江川FX2N系列PLC的特性[6]，本文選用FX2N系列的FX2N-20MR的PLC,其可以為工廠自動化生產提供很大的靈活性和較強的控制要求，對PLC的I/O地址進行分配，如表1所示。

表1 I/O地址分配表Table1 I / O address allocation table

表2 I/O繼電器對照表Table 2 I / O relay table

由表1、表2可以看出，本文將控制裝置的啟動方式、啟動和停止的開關、各個傳感器的采集信號作為輸入信號，將電磁閥、電動閥、休眠燈、報警裝置作為輸出信號。PLC控制系統按照供水裝置的工作流程進行相關的動作。

2.2 控制系統梯形圖

IEC中的PLC編程語言標準中有5種編程語言：梯形圖編程語言、順序功能圖編程語言、指令語句表編程語言、功能塊圖編程語言、結構文本編程語言。其中，梯形圖編程語言也稱為梯形圖。梯形圖繼承了繼電器控制電路的形式，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，是目前使用的最多的一種PLC編程語言，下圖給出部分梯形圖如圖6所示[7]。

圖6 部分梯形圖Fig. 6 Partial ladder diagram

2.3 系統控制流程圖

江川PLC具有豐富的編程指令、良好的軟件設計環境等優點[8-9]，順序功能圖(sequential function chart, SFC)、可采用梯形圖（ladder diagram, LD）、和指令表(intermediate language, IL)等基本匯編語言。本文采用了梯形圖編程，編程軟件為GX Dveloper。先利用計算機進行編程和調試，調試成功以后，將計算機上編輯好的程序下載至PLC中。

圖7 控制流程圖Fig.7 Control flow chart

3 結語

本文根據泵房水箱不同水位和設備狀態作為控制條件，設計和研制了“傳感器-PLC-執行機構”組成典型的機電一體控制系統，即泵房水箱安全供水控制系統。控制器采用的國產江川FX2N-20 MR的PLC。該系統從根本上解決了機械式的傳統閥門關水不嚴的問題，保證了企業和家庭持續、可靠的用水，杜絕了水資源未經使用浪費不易被發現的現象，為正在進行的智慧城市、智慧水務建設墓定了堅實的基礎。

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