水箱進(jìn)水智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫曉 ，肖騰 ，楊帆 ，謝知航

（1.湖南工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲412007）

0 引言

隨著工業(yè)發(fā)展和生活水平的提高，人們對供水品質(zhì)提出了更高的要求，傳統(tǒng)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(tǒng)向智能化控制方向發(fā)展，且有助于水務(wù)行業(yè)智慧化的建設(shè)[1-2]。傳統(tǒng)的箱式變頻加壓設(shè)備在水箱補(bǔ)水過程中，因自由出流而造成市政管網(wǎng)壓降和水資源浪費(fèi)的問題。特別是未采用雙水源、環(huán)形管網(wǎng)的，且市政直供用戶、加壓用戶共一根進(jìn)水管的小區(qū)，一旦水箱自動(dòng)補(bǔ)水，直接導(dǎo)致小區(qū)內(nèi)部分市政直供用戶出現(xiàn)無水可用的現(xiàn)象，對城市居民的生產(chǎn)生活造成了很大影響。因此如何實(shí)現(xiàn)供水水箱進(jìn)水智能化控制和報(bào)警機(jī)制一直是水務(wù)行業(yè)研究的重點(diǎn)。針對水箱自由出流而造成市政管網(wǎng)壓降的問題，本文設(shè)計(jì)了水箱進(jìn)水智能控制系統(tǒng)，采用多種傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)和PLC（programmable logic controller）結(jié)合實(shí)現(xiàn)對水箱分時(shí)錯(cuò)分補(bǔ)水的智能控制方式，在廣泛推廣使用后，在一定程度上穩(wěn)定市政管網(wǎng)壓力，降低管網(wǎng)壓力波動(dòng)范圍，減少水廠機(jī)組的頻繁調(diào)配，降低能耗以及市政管網(wǎng)爆管的機(jī)率；同時(shí)還可以在一定程度上解決同一管網(wǎng)上市政直供用戶、管網(wǎng)末梢用戶，在用水高峰時(shí)、幾個(gè)水箱同時(shí)進(jìn)水時(shí)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(jié)約人工成本，提高服務(wù)質(zhì)量及客戶的滿意度，保證居民優(yōu)質(zhì)安全用水[3-4]。

圖1 水箱進(jìn)水智能控制裝置結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the water tank water inlet intelligent control device

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 裝置結(jié)構(gòu)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(dòng)球閥、水箱、分水器、集水器、積水容器、報(bào)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(wǎng)水壓，并將采集的數(shù)據(jù)傳輸給PLC；超聲波傳感器監(jiān)測水箱水位高度和水位變化速度，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送給控制器；電動(dòng)球閥安裝在水箱進(jìn)水管、用戶直通管和水箱出水管上，根據(jù)管徑的不同選用對應(yīng)尺寸的電動(dòng)球閥，對應(yīng)電動(dòng)球閥的編號分別為A、B、C、D和E；水箱液位高度設(shè)定為5個(gè)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(bào)警裝置由3部分組成，分別是水箱水位達(dá)到報(bào)警水位e處時(shí)，報(bào)警裝置1發(fā)出聲光報(bào)警信號，當(dāng)漏水傳感器檢測信號時(shí)，報(bào)警裝置2發(fā)出聲光報(bào)警信號，當(dāng)壓力變送器采集壓力值小于0.02 MPa時(shí)，報(bào)警裝置3發(fā)出聲光報(bào)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(jìn)水智能控制裝置結(jié)構(gòu)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(dòng)球閥作為PLC的信號輸出執(zhí)行裝置，也采用RS485有線通信方式[5]。根據(jù)采集的壓力值、液位高度、水位變化速度和預(yù)先在PLC中設(shè)定的時(shí)段，控制器控制電動(dòng)球閥的開關(guān)狀態(tài)，調(diào)節(jié)水箱進(jìn)水速度并且穩(wěn)定管網(wǎng)壓力，達(dá)到智能調(diào)節(jié)水箱水位高度的目的；報(bào)警裝置安裝在監(jiān)控室，當(dāng)水位異常時(shí)報(bào)警裝置立即啟動(dòng)。PLC控制柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 PLC控制柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Internal structure of the PLC control cabinet

1.2 控制系統(tǒng)的工作原理

水箱進(jìn)水智能控制系統(tǒng)工作主要過程分為4個(gè)部分，即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、判斷輸出和目標(biāo)執(zhí)行，其中傳感器對數(shù)據(jù)采集，控制器作數(shù)據(jù)分析和判斷輸出，電動(dòng)球閥實(shí)施目標(biāo)控制。PLC接線部分端子圖如圖3所示。

（1）程序開始時(shí)，PLC首先判斷輸入信號是否滿足當(dāng)前水位H1=d、管網(wǎng)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(dòng)球閥D經(jīng)直通管向用戶供水。若條件不滿足，執(zhí)行接下來的步驟，超聲波傳感器將采集的當(dāng)前液位數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器，PLC控制器判斷當(dāng)前液位數(shù)據(jù)的范圍，然后PLC自行判斷當(dāng)前所處時(shí)段，緊接著壓力傳感器將采集的管網(wǎng)水壓數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器，PLC控制器判斷管網(wǎng)水壓數(shù)據(jù)的范圍，最后PLC控制器根據(jù)輸入信號，輸出信號給電動(dòng)球閥控制各個(gè)電動(dòng)球閥的開關(guān)狀態(tài)，從而改變水箱進(jìn)水量。

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

（3）PLC判斷用水時(shí)段為高峰時(shí)段時(shí)，PLC通過壓力變送器輸送的信號判斷壓力值范圍，當(dāng)壓力值P≤0.12 MPa時(shí)，電動(dòng)球閥A、B、C、D均關(guān)閉，聲光報(bào)警3發(fā)出報(bào)警信號；當(dāng)壓力值0.12 MPa＜P≤0.2 MPa時(shí)，PLC發(fā)出控制信號只打開電動(dòng)球閥B向水箱注水；當(dāng)壓力值0.2 MPa＜P時(shí)，PLC發(fā)出控制信號關(guān)閉電動(dòng)球閥B、打開電動(dòng)球閥C向水箱注水；當(dāng)水位下降至低水位a處時(shí)，進(jìn)入緊急補(bǔ)水狀態(tài)，PLC發(fā)出控制信號打開電動(dòng)球閥A、B、C同時(shí)向水箱注水；當(dāng)水位達(dá)到上限水位d時(shí)，PLC發(fā)出控制信號關(guān)閉電動(dòng)球閥停止向水箱注水。PLC判斷時(shí)段為閑時(shí)時(shí)段時(shí)，PLC通過壓力變送器輸送信號判斷壓力值范圍，當(dāng)壓力值P≤0.12 MPa時(shí)，電動(dòng)球閥A、B、C、D均關(guān)閉，聲光報(bào)警3發(fā)出報(bào)警信號；當(dāng)壓力值0.12 MPa＜P≤0.2 MPa時(shí)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)球閥C向水箱注水，當(dāng)水位下降至低水位a處時(shí)，進(jìn)入緊急補(bǔ)水狀態(tài)，PLC發(fā)出信號打開電動(dòng)球閥A、B、C均打開向水箱補(bǔ)水；當(dāng)壓力值0.12 MPa＜P≤0.24 MPa時(shí)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)球閥B、C向水箱注水，當(dāng)水位下降至低水位a處時(shí)，進(jìn)入緊急補(bǔ)水狀態(tài)，PLC發(fā)出控制信號打開電動(dòng)球閥A、B、C同時(shí)向水箱注水。在注水過程中，當(dāng)水箱水位達(dá)到停止注水水位d處時(shí)，電動(dòng)球閥A、B、C均關(guān)閉。

（4）水箱水位達(dá)到報(bào)警水位e處時(shí)，報(bào)警裝置1發(fā)出聲光報(bào)警信號；漏水傳感器檢測信號時(shí)，報(bào)警裝置2發(fā)出聲光報(bào)警信號；壓力變送器采集壓力值小于0.02 MPa時(shí)，報(bào)警裝置3發(fā)出聲光報(bào)警信號。水箱檢漏實(shí)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(shí)物圖Fig.4 Water tank leak detection physical map

2 水箱進(jìn)水裝置PLC智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 硬件配置和I/O表分配

根據(jù)水箱智能控制裝置的實(shí)際輸入/輸出點(diǎn)數(shù)，從水箱智能控制裝置的要求、實(shí)際需求和經(jīng)濟(jì)性考慮，結(jié)合三菱FX2N系列PLC特點(diǎn)，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(wěn)定的控制要求，對PLC的I/O地址進(jìn)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(dòng)、停止和傳感器輸入信號作為輸入信號，將智能控制系統(tǒng)的電動(dòng)球閥和報(bào)警裝置作為輸出信號。PLC控制器根據(jù)輸入信號和已設(shè)定的時(shí)段控制電動(dòng)閥的開關(guān)狀態(tài)，調(diào)節(jié)水箱的進(jìn)水速度，實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰補(bǔ)水和保證管網(wǎng)壓力穩(wěn)定。

2.2 控制系統(tǒng)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(tǒng)中常用的繼電器、接觸器等邏輯控制原件的基礎(chǔ)上簡化符號后演變而來的。它直觀、形象、實(shí)用，電氣技術(shù)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(tǒng)流程圖

三菱PLC具有性能穩(wěn)定、操作簡單、指令豐富和環(huán)境優(yōu)良等特點(diǎn)，編程人員可以根據(jù)個(gè)人習(xí)慣選用不同的方式進(jìn)行編程，提高了編程效率和降低了錯(cuò)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(jì)算軟件機(jī)編程，再進(jìn)行調(diào)試，最后將調(diào)試好的程序下載至PLC中現(xiàn)場調(diào)試，現(xiàn)場調(diào)試完成后水箱智能控制設(shè)備方可投入使用。控制流程圖如圖6所示。

3 結(jié)語

本文根據(jù)所在城市不同區(qū)域、不同時(shí)段的用水特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了“傳感器-PLC-執(zhí)行機(jī)構(gòu)”組成的經(jīng)典機(jī)電一體化控制系統(tǒng)，即水箱進(jìn)水智能控制系統(tǒng)，選用三菱FX3U-32MR作為控制器。系統(tǒng)通過壓力-流量控制和分時(shí)錯(cuò)峰補(bǔ)水的方式，智能調(diào)節(jié)水箱的進(jìn)水量和進(jìn)水時(shí)間，通過RS-485通訊，實(shí)現(xiàn)中控和水廠的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。在發(fā)生故障時(shí)，工作人員能夠第一時(shí)間接收到報(bào)警信號并查找問題的原因。盡量避免在用水高峰時(shí)期對水箱補(bǔ)水對管網(wǎng)壓力造成影響，在用水低峰時(shí)期對水箱進(jìn)行補(bǔ)水。避免了管網(wǎng)壓力不穩(wěn)定的情況，因水箱在補(bǔ)水過程中自由出流而造成的水資源浪費(fèi)，保證了城市生產(chǎn)生活的安全可靠、高效經(jīng)濟(jì)用水的智慧水務(wù)建設(shè)的目標(biāo)。