基于液位的自動供水系統設計

張正勇

（91999部隊，山東青島 266071）

0 引言

供水系統在各行各業都起著至關重要的作用，如何保證供水系統的安全、經濟、可靠、穩定地運行是很多行業都關注的問題[1-2]。在供水系統工作過程中，保障供水管的末端壓力和供水始端的壓力正常尤其重要。通常，供水系統全天各時段用水量變化較大，如果不及時對供水水量及供水壓力進行調節，會使整個供水管網的壓力處在波動狀態，嚴重的還會引起管網失壓或爆管事故，惡化供水質量[3-4]。傳統的供水系統是利用高處的儲水罐，不但增加了水泵的揚程，而且使用傳統的電器控制設備啟動頻繁、電流和水壓沖擊嚴重及設備維修量大，附加設備多，浪費資源，最終還影響供水質量，供水成本高，不容易控制供水的壓力，需人工對出口閥進行操作[5-7]。隨著新技術、新理論的不斷發展，新型控制技術逐漸應用到供水系統[8-11]。

當前某單位蓄水池采用時間控制的供水模式，設定每日2個時間段工作，且不同季節用水量不同需設置不同的供水時間，大大增加了運行維護工作量。若供水時間設定過長，則易出現水溢現象，造成大量的水資源、電能浪費；若供水時間設定過短，則易出現缺水問題，需設為手動模式進行供水，增加了一定的勞動量。此外，該單位水井水源為地下水，受環境影響較大，采用固定時間供水的模式顯然不符合潮汐的規律。為此，本文綜合考慮單位現有單泵供水存在可靠性低、傳統供水造成的水資源利用的不合理以及供水井的潮汐現象等實際，提出了一種基于液位的自動供水系統改進方案，該方案以西門子PLC為控制核心，具有自動化程度高、安裝調試及維護方便、供水可靠性強、水資源利用率高等優點。

1 系統設計

基于液位的自動供水系統主要由系統硬件和軟件組成，硬件以西門子PLC CPU224為控制核心，并配置EM235擴展模塊，其控制系統結構設計如圖1所示。該系統是由控制器、信號指示燈、壓力傳感器、電磁閥、液位計等組成的閉環控制系統，其工作原理如圖2所示。擴展模塊將采集到的液位信號傳輸至PLC控制器，并與設定的液位值進行比較。當液位計檢測到液位低于設定下限值時，滿足管路壓力正常條件后，電磁閥打開，抽水泵啟動；當液位計檢測到1號樓水池液位高于設定上限值時，1號電磁開關閥關閉，當液位計檢測到2號樓水池液位仍低于設定上限值時，水泵繼續供水，直到2號樓水池液位高于設定上限值，2號電磁開關閥關閉，水泵停止供水；反之亦然。

圖1 控制系統結構圖

圖2 工作原理圖

2 硬件選型及軟件設計

2.1 硬件選型

PLC控制器是供水系統關鍵組成部分，其種類繁多，功能也因廠家不同而不同。本文選用西門子S7-200PLC CPU224作為控制器，該模塊具有支持6路高速數字量輸入和兩路高速數字量輸出，主要用以實現信號甄別、定值處理、輸出信號以及控制執行機構；模擬量輸入擴展模塊為EM235型，該模塊含有12位A/D轉化器，適用于多種輸入輸出范圍，不用添加放大器即可直接與傳感器、執行器相連，主要負責采集液位及壓力信號；開關電源為輸入110/220 VAC，輸出24 VDC；液位測量選用聯測投入式液位變送器，輸出信號4～20 mA，量程0～1 m，供電電源24 VDC；壓力測量選用美控壓力變送器，輸出信號4～20 mA，量程0～0.6 MPa，供電電源24 VDC；電磁閥選用德力西型可長時間工作電磁閥，供電電源220 VAC。

2.2 電路設計

圖3 電路原理圖

根據單位現有實際資源，在滿足穩定性的基礎上，考慮實際可能出現的多種情況，分別設計手動、時控、自動模式，增強系統的可靠性，其電路設計如圖3所示。當線路設定為自動供水模式時，系統將根據液位傳感器采集信號與PLC控制器內設定的上下極限值進行比較后完成自動供水。若液位處于設定的上下極限值之間，且單位此時需大量用水，可將系統由自動模式切換為手動模式，以確保能夠實現連續供水。同時，考慮在自動供水系統處于維護調試或液位傳感器出現故障時，則可將系統切換為時控模式，以避免單位用水受到影響。基于以上3種模式，從而有效保障了單位用水，系統的可靠性大大提高。

2.3 軟件設計

PLC控制過程包括采集信號輸入、掃描運算和輸出執行3個部分。控制器CPU依次讀取I/O輸入接口單元的狀態，經過掃描運算后，更新PLC鎖存電路，再由輸出電路驅動外部執行機構，從而實現了系統的整個控制過程。

本文的控制系統程序采用模塊化編程，基于S7-200編程軟件STEP 7-Micro WIN完成設計，根據功能、控制對象的不同，系統分為液位檢測模塊、壓力檢測模塊、運算模塊、故障識別處理模塊、停機模塊。各功能模塊在設計之前需確認接口變量的數量及類型，在此基礎上根據功能需求進行程序的設計及編譯，程序設計流程圖如圖4所示。系統自檢包括檢測模塊I/O端口是否正常以及是否處于故障報警狀態。初始化程序包括對全局變量地址配置、各參數定義進行初始化。待完成初始化運行后，系統根據設定的指令進行對應功能的控制。

圖4 程序流程圖

3 應用效果

以西門子PLC控制器為核心的蓄水池自動供水系統克服了傳統供水方式的可靠性差、自動化水平低、水資源利用不合理等諸多缺點，實現了全天候不間斷自動供水，在保證單位人員正常用水的基礎上實現了高效、節能、可靠供水，從而取得了良好的應用效果。在硬件設備改造升級方面，基于液位的自動供水系統無需新建水池，投資少、節能效果顯著、改造方便。在系統穩定性方面，采用自動、時控、手動3種模式控制，且互不影響、互為補充，大大增強了系統運行的可靠性。

4 結束語

本文主要針對單位現有單泵供水系統存在可靠性低、時控模式下水資源利用不合理、維護保養不方便等問題提出了一種基于液位的水池自動系統的改進方案。該方案以西門子PLC控制器為核心，充分利用先進傳感器的優勢，設計了采集信號到輸出控制的閉環系統，實現了日常供水的自動化控制，進一步提高了供水的穩定性，有效降低了供水能耗，節資、節能效果顯著，同時滿足了單位人員的用水需求。可為其他單位的供水系統的改造提供一定的參考價值。