劉杰 LIU Jie

（重慶文理學院總務處，重慶 402160）

（General Affairs Office，Chongqing University of Arts and Sciences，Chongqing 402160，China）

0 引言

目前，國內(nèi)大部分城市供水系統(tǒng)仍采用較為傳統(tǒng)的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式。傳統(tǒng)的供水方式存在著許多缺陷，特別是多臺水泵供水系統(tǒng)尤為嚴重。因此，采用PLC控制的新型供水方式與過去的水塔或高位水箱以及氣壓供水方式相比，不論是設備的投資，運行的經(jīng)濟系統(tǒng)的這些優(yōu)越性，都引起國內(nèi)幾乎所有供水設備廠家的高度重視，并不斷投入開發(fā)、生產(chǎn)這一高新技術產(chǎn)品。目前該產(chǎn)品正向著高可靠性、全數(shù)字化微機控制方向發(fā)展。追求高度智能化、系列標準化是未來供水設備適應城鎮(zhèn)建設成片開發(fā)智能樓宇、網(wǎng)絡供水調(diào)度和體規(guī)劃要求的必然趨勢。

1 水塔供水系統(tǒng)的原理分析及裝置

傳統(tǒng)的水塔自動供水系統(tǒng)一般都是用水泵從水池向水塔中供水，本文設置了三臺電機，其中電機1和電機2在正常情況下均投入使用，電機三作為備用電機。當電機1或者2出現(xiàn)故障時備用電機3啟動投入使用。

考慮到各設備使用的安全性可靠性等重要原則，在系統(tǒng)中應滿足以下要求：

①水塔水位變化范圍為2.2m，以滿足小區(qū)內(nèi)居民的對水量的需求。②根據(jù)統(tǒng)計，在用水高峰期時，每戶居民一天用水量大約24升，水塔高40m，故算出電動機功率需要40kW，考慮到要留有裕量，故選用兩臺22kW電機。因此，電動機功率較大，為減小啟動電流對電網(wǎng)的沖擊影響，電動機采用星-三角形降壓啟動方式，并錯開啟動時間，間隔時間5s。③在自動控制狀態(tài)下如果電機1和電機2出現(xiàn)故障，電機自動3投入使用，若電機三也出現(xiàn)故障，系統(tǒng)停止運行，以保護系統(tǒng)。④每臺電機都有運行指示燈。⑤按下啟動按鈕后，系統(tǒng)自動首先檢測水池、水塔水位，水位均達到要求（水塔水位低于最高限位，水池水位高于最低限位），電機才可啟動。

2 主電路

如圖1所示，M1、M2、M3均為電機，并采用星-三角接法。JL表示JL-200電動機智能保護器（每臺電機各一臺），以起到保護電動機和檢測電動機是否故障的作用。KM1、KM3、KM5分別是三臺電動機的Y啟動方式的接觸器，KM2、KM4、KM6控制三臺電機的三角形啟動方式接觸器。KM7、KM8、KM9分別為三臺電動機主干線上的接觸器，以控制三臺電動機是否允許得電。

圖1 傳統(tǒng)水塔供水系統(tǒng)主電路電氣原理圖

2.1 水塔供水系統(tǒng)使用的電器元件及部分器件說明本論文設計的水塔供水系統(tǒng)所用到的電器元件及設備如表1所示。

2.2 JL-200系列電機保護器 JL-200系列電機保護器以微電腦控制器（MCU）為核心元件，通過高精度CT檢測電流，電機保護器具有自動線性修正功能，在寬電流范圍內(nèi)仍具有較高的測量精度。該產(chǎn)品在過載保護、短路保護、堵轉保護、欠載保護、缺相保護、三相電流不平衡保護、過壓保護、欠壓保護、相序保護等方面具有可靠的保護作用；并可實現(xiàn)報警和事件記錄。而且還具有性價比高、功能齊全、工作穩(wěn)定可靠、精度高、保護動作準確、安裝、參數(shù)設定簡單方便等特點?？蓮V泛適用于機械、冶金、建材、化工、紡織行業(yè)等工業(yè)三相電動機及其它電器的保護與監(jiān)測。當電機出現(xiàn)故障時其對應的控制電路中的常閉觸點斷開，常開觸點閉合。若是用可編程控制器控制的系統(tǒng)，則會給可編程控制器一個高頻信號。

表1

2.3 PTH601投入式液位傳感器 PTH601投入式液位傳感器采用擴散硅壓阻芯體或陶瓷壓阻芯體,全不銹鋼結構,主要適用于河流、地下水位、水庫、水塔及容器等的液位測量與控制。此類傳感器通常也稱為：投入式液位傳感器、投入式液位變送器、液位傳感器、液位變送器、地下水位傳感器、地下水位變送器。

3 基于PLC水塔供水電氣控制系統(tǒng)硬件部分的設計

此次水塔供水電氣控制系統(tǒng)的設計方案主要包括兩個部分，其一為電氣控制系統(tǒng)的硬件設計，主要包括PLC的機型的確定和元器件的選型；其二是電氣控制系統(tǒng)的軟件設計，主要就是PLC控制程序的編寫。

3.1 PLC的基本結構以及工作方式 PLC實質是一種專用于工業(yè)控制的計算機，其硬件結構基本上與微型計算機相同。

3.1.1 中央處理單元（CPU） 中央處理單元（CPU）是PLC的控制中樞。它按照PLC系統(tǒng)程序賦予的功能接收并存儲從編程器鍵入的用戶程序和數(shù)據(jù)，檢查電源、存儲器、I/O以及警戒定時器的狀態(tài)，并能診斷用戶程序中的語法錯誤。當PLC投入運行時，首先它以掃描的方式接收現(xiàn)場各輸入裝置的狀態(tài)。

3.1.2 存儲器 存放系統(tǒng)軟件的存儲器稱為系統(tǒng)程序存儲器。存放應用軟件的存儲器稱為用戶程序存儲器。

PLC常用的存儲器類型：

①RAM（Random Assess Memory）。這是一種讀/寫存儲器(隨機存儲器)，其存取速度最快，由鋰電池支持。

②EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種可擦除的只讀存儲器。在斷電情況下，存儲器內(nèi)的所有內(nèi)容保持不變（在紫外線連續(xù)照射下可擦除存儲器內(nèi)容）。

③EEPROM（Electrical Erasable Programmable Read Only Memory）這是一種電可擦除的只讀存儲器，使用編程器就能很容易地對其所存儲的內(nèi)容進行修改。

3.1.3 輸入/輸出模塊 輸入/輸出模塊是可編程控制器與工業(yè)生產(chǎn)設備或工業(yè)生產(chǎn)過程連接的接口?，F(xiàn)場的輸入信號，如按鈕開、，行程開關、限位開關以及傳感輸出的開關量或模擬量（壓力、流量、溫度、電壓、電流）等，都要通過輸入模塊送到PLC。

3.1.4 擴展模塊 當一個PLC中心單元的1/0點數(shù)不夠用時，就要對系統(tǒng)進行擴展，擴展接口就是用于連接中心基本單元與擴展單元的。模塊隨著可編程控制器在工業(yè)控制中的廣泛應用和發(fā)展，各可編程控制器制造廠家已經(jīng)開發(fā)出一系列的智能接口模塊，使可編程控制器的功能更加強大和完善。智能1/0接口模塊種類很多，例如高速技術模塊、PLCA控制模塊、數(shù)字位基于PLC的變頻恒壓供水系統(tǒng)的設計置譯碼模塊、閥門控制模塊、中斷控制模塊、智能存貯模塊以及智能1/0模塊等。

3.1.5 編程器 它的作用是供用戶進行程序的編制、編輯、調(diào)試和監(jiān)視。有的編程器還可與打印機或磁帶機相連，以將用戶程序和有關信息打印出來或存放在磁帶上，磁帶上的信息可以重新裝入PLC。目前編程器主要有以下三種類型:便攜式編程器(也叫簡易編程器)，圖形編程器及其兼容機的編程器。

3.1.6 電源 PLC中的電源一般有三類：

①+5V、±15V直流電源：供PLC中TTL芯片和集成運放使用；

②供輸出接口使用的高壓大電流的功率電源；

③鋰電池及其充電電源。

考慮到系統(tǒng)的可靠性以及光電隔離器的使用，不同類型的電源其地線也不同。

3.2 PLC的工作方式 PLC大多采用成批輸入/輸出的周期掃描方式工作，按用戶程序的先后次序逐條運行。一個完的期可分為三個階段：

①輸入采樣階段。程序開始時，監(jiān)控程序使機器以掃描方式逐個所有輸入端口上的信號，并依次存入對應的輸入映象寄存器。

②用戶程序執(zhí)行階段。所有的輸入端口采樣結束后，即開始進行邏輯運算處理，根據(jù)用戶輸入的控制程序，從第一條開始，逐條加以執(zhí)行，并將相應的邏輯運行結果，存入對應的中間元件和輸出元件映象寄存器，當最后一條控制程序執(zhí)行完畢后，即轉入輸出刷新處理。

③輸出刷新階段。將輸出元件映象寄存器的內(nèi)容，從第一個輸出端口開始，到最后一個結束，依次讀入對應的輸出鎖存器，從而驅動輸出器件形成可編程的實際輸出。

3.3 PLC的I/O分配及選型 PLC在本設計中起到很重要的作用，因此PLC的選型也至關重要。而選用PLC的型號最關鍵還是要看系統(tǒng)的輸入輸出點的多少。

3.4 PLC的I/O電氣接線圖的設計 根據(jù)PLC的I/O分配，制定氣接線圖如圖2所示。

其中輸入點 X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7 共接一 COM端，并使用 24v 直流電源。輸出口 Y0，Y1，Y2，Y3，Y4，Y5，Y6，Y7，Y10，Y11，Y12，Y14，Y15，Y16 和 Y13 是接觸器線圈與電磁閥對應線圈DT1的輸出口，共接一個COM2端，而表示幾個信號燈的輸出口共接另一個COM1端。

4 水塔供水電氣控制系統(tǒng)軟件部分的設計

PLC的軟件部分設計主要是程序的編寫，包括啟動程序、電動機1、2的啟動程序，故障備用電機3的啟動程序、電磁閥開啟向水池供水程序等幾個部分。因為所選PLC為三菱FX0N系列的，故采用Windows環(huán)境下運行的GX Developer的編程軟件來編程設計，用可編程控制器仿真裝置來進行模擬調(diào)試。

圖2 4PLC的I/O接線圖

4.1 PLC梯形圖程序的優(yōu)化設計及程序調(diào)試

圖3

4.2 系統(tǒng)啟動程序 其中X001為啟動輸入接口，連接SB1；X002為停車輸入口，連接SB2。當啟動按鈕按下，M11得電，完成自鎖，系統(tǒng)開始運行。當按下停車系統(tǒng)斷電停止運行。

圖4

4.3 電動機1的啟動控制程序 X003、X004分別是水塔和水池中液位傳感器的輸入點，在理想狀態(tài)下時X003處于閉合狀態(tài)，X004得電也會處于閉合狀態(tài)，電機1主干線的此時控制電機1Y啟動的接觸器M1得電，電機開始Y啟動。經(jīng)定時器T1的5s延時以后。M2得電，電機換接到三角啟動方式。

4.4 電動機2的啟動控制程序 當M2通電以后，定時器T2得電開始計時，5s以后M3得電，電動機2開始Y啟動，再經(jīng)T3的5s延時以后，電機開始換接到三角啟動。

圖5

4.5 備用電機3的啟動控制程序 當電機1或者電機2出現(xiàn)故障時，會使控制電機3的主干線上的接觸器M9得電，然后電機3開始Y-三角切換啟動。

圖6

5 程序的仿真調(diào)試以及結果說明

采用Windows環(huán)境下運行的GX Developer的編程軟件來來進行模擬調(diào)試。當X或Y變黃色時，表示其正在工作。

5.1 水池水位未達到要求仿真 當按下X1時（X1在實際中是開關按鈕，在按下后會自動彈起，需要對其自鎖，為模擬實際情況，在按下X1后迅速斷開使其失電），系統(tǒng)便開始運行，Y7得電表示電源啟動指示燈亮起。此時水池水位若低于最低限位，X4便不會得電，電磁閥對應輸出口Y13得電，電磁閥常開閉合，正向水池供水，而其對應的指示燈Y6亮起。

5.2 水塔水池水位達到要求仿真結果 若水池水位達到要求，即X4處于高電平，此時Y7得電，說明電源啟動指示燈亮起。而電機1、2均開始延時換接啟動，Y14、Y15得電說明電機1和電機2的主干線上的接觸器KM7、KM8通電，Y1、Y3得電表示與電機 1、2對應的接觸器線圈KM2、KM4得電正在以三角接法運行。Y10、Y11得電表示電機1、2對應的指示燈亮起，表示運行正常。

5.3 正常情況啟動仿真 ①電機1Y啟動后（Y0）延時5s進行三角啟動(Y1)。②經(jīng)5s延時后電機2Y啟動（Y2），再經(jīng)5s延時三角啟動（Y3）。

5.4 電機1故障啟動仿真 當電機1出現(xiàn)故障時，電機1的保護器（X5）便會發(fā)出信號，電機1停止工作，而備用電機電機3便會開始換接啟動（Y4-Y5）。

6 結語

本課題研究了基于PLC的水塔供水系統(tǒng)設計，通過對系統(tǒng)控制要求的分析，系統(tǒng)原理圖的繪制，PLC程序的編寫等方面基本完成了設計任務。能夠供應一般小區(qū)供水需求，且配備的備用電機在電機出現(xiàn)故障時可以投入使用。采用PLC進行控制，系統(tǒng)抗干擾能力強，穩(wěn)定性好。但由于時間精力有限，還有許多功能有待擴展、完善。比如本設計只設計了兩臺電機正常使用，一臺備用，若是需要三臺或者更多臺電機同時投入使用該如何解決。這類問題待今后進一步研究開發(fā)。

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