晁陽(yáng)

摘要：針對(duì)中國(guó)西部農(nóng)村供水系統(tǒng)自動(dòng)化程度低、設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性差、供水質(zhì)量低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套以三菱FX2N型PLC為核心的2臺(tái)水泵供水控制系統(tǒng)，具有手動(dòng)、自動(dòng)、備用自投功能，經(jīng)過(guò)模擬測(cè)試和投入運(yùn)行后觀察運(yùn)行結(jié)果。該控制系統(tǒng)穩(wěn)定性高、控制準(zhǔn)確、性能優(yōu)良，能有效提高農(nóng)村供水質(zhì)量，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：PLC；水泵；控制

中圖分類號(hào)：S224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）11-2131-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.11.035

Abstract：To solve the problem of low automation degree of water supply system， poor stability of equipment operation and low quality of water supply in Western China rural，designed two pump control system which put the Mitsubishi FX2N PLC as the core and has the functions of automatic， manual and backup. Experimental tests and operation show that the control system has high reliability， accurate control， good performance， and it can effectively improve the quality of rural water supply， meets the requirements of design.

Key words：PLC；water pump；automatic control

中國(guó)西部地區(qū)水資源匱乏，尤其在廣大農(nóng)村地區(qū)，農(nóng)田灌溉及日常飲用水控制設(shè)備簡(jiǎn)單原始，多采用泵站有人值守的供水方式，供水不穩(wěn)定、質(zhì)量低，且飲水存在安全隱患。為了經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)文明進(jìn)步的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)，多年來(lái)國(guó)家一直大力發(fā)展農(nóng)村飲水工程，農(nóng)村供水安全和供水工程成為新農(nóng)村建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，供水方式也逐漸由原始、單一、分散的模式向現(xiàn)代化、多樣化、集中化、規(guī)?；哪Ｊ睫D(zhuǎn)變[1-3]。然而，由于中國(guó)西部村鎮(zhèn)的專項(xiàng)管理資金短缺，往往無(wú)法安排專人值班，供水設(shè)施管理不到位的情況時(shí)有發(fā)生，加上農(nóng)村供水設(shè)施缺乏專業(yè)技術(shù)人員維護(hù)維修，導(dǎo)致?lián)p毀老化、設(shè)備故障、維修困難等情況的發(fā)生，這種實(shí)際情況導(dǎo)致農(nóng)村供水不正常，用水困難，嚴(yán)重影響群眾的正常生活，群眾“吃水難”、設(shè)備“維修難”的矛盾無(wú)法改善[2]。

為了提高水泵供水的穩(wěn)定性和供水質(zhì)量，設(shè)計(jì)了2臺(tái)水泵自動(dòng)供水、相互備用切換的自動(dòng)控制系統(tǒng)，并采用三菱FX型PLC為核心控制元件，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)村供水泵房的自動(dòng)控制和供水系統(tǒng)的無(wú)人值守，解決了潛水泵在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)突然發(fā)生停機(jī)，導(dǎo)致管道松動(dòng)或破裂、電機(jī)損毀、群眾用水中斷等問(wèn)題，提高供水的穩(wěn)定性和設(shè)備的使用壽命[4-6]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由水位監(jiān)測(cè)、PLC、報(bào)警系統(tǒng)、2臺(tái)水泵組成，可實(shí)現(xiàn)水塔水池內(nèi)水位的自動(dòng)檢測(cè)和水泵的自動(dòng)控制。系統(tǒng)有4種工作模式：自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、備用自投模式和停機(jī)模式[5]。4種模式可以由用戶自由選擇使用。PLC通過(guò)設(shè)置在水塔水池內(nèi)的電極監(jiān)測(cè)水位，當(dāng)水位低于設(shè)定值時(shí)2臺(tái)水泵按照一定的方式自動(dòng)抽水，當(dāng)水位高于設(shè)定值時(shí)水泵自動(dòng)停止工作并報(bào)警，PLC可以根據(jù)水位的高低實(shí)現(xiàn)某單臺(tái)水泵工作或2臺(tái)水泵備用自投工作。系統(tǒng)可以保持農(nóng)村水塔水池內(nèi)蓄水量充足，保證穩(wěn)定供水和無(wú)人值守。系統(tǒng)框架如圖1所示。

系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)村供水塔的實(shí)際使用要求，設(shè)計(jì)了如下功能：

1）2臺(tái)水泵各自具有自動(dòng)/手動(dòng)/備用自投/停機(jī)4種工作模式，由萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA1、SA2對(duì)各自控制的水泵進(jìn)行切換。

2）手動(dòng)工作模式在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或維修調(diào)試時(shí)使用，是備用狀態(tài)，2臺(tái)水泵在手動(dòng)工作模式下各自通過(guò)SB1、SB3（啟動(dòng)按鈕）和SB2、SB4（停止按鈕）對(duì)其進(jìn)行手動(dòng)、停止控制。

3）在自動(dòng)工作模式下2臺(tái)水泵可各自獨(dú)立自動(dòng)運(yùn)行，也可進(jìn)入自動(dòng)備投模式聯(lián)機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)檢測(cè)到低水位時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)水泵，高水位時(shí)自動(dòng)停止。

4）在備用自投模式下，其中1號(hào)泵為主泵，2號(hào)泵為備用泵，并進(jìn)行定期輪換以避免單一水泵長(zhǎng)時(shí)間工作或長(zhǎng)期停止而導(dǎo)致使用壽命降低。系統(tǒng)檢測(cè)到水塔水位達(dá)到低水位時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟主泵抽水，檢測(cè)到水塔水位達(dá)到高水位時(shí)自動(dòng)停止主泵，如此循環(huán)工作以保證水塔在無(wú)人值守的情況下自動(dòng)工作，保證水塔時(shí)刻有水。當(dāng)出現(xiàn)用水高峰期時(shí)，水塔水位快速下降，水位達(dá)到低水位后主泵自動(dòng)開(kāi)始工作，但仍然無(wú)法滿足供水需要，水位繼續(xù)下降，當(dāng)水位到達(dá)超低水位時(shí)，備用泵自動(dòng)投入工作，水位隨后逐漸上升。當(dāng)水位到達(dá)高水位后2臺(tái)泵同時(shí)停止工作。

5）停止模式用于系統(tǒng)檢修或長(zhǎng)期不運(yùn)行時(shí)[1]。

6）系統(tǒng)設(shè)置必要的信號(hào)裝置，分別對(duì)應(yīng)2臺(tái)水泵的手動(dòng)/自動(dòng)/備用自投/停止4種模式和低水位、超低水位、高水位、超高水位4種狀態(tài)進(jìn)行信號(hào)指示，并對(duì)超高水位時(shí)進(jìn)行報(bào)警；系統(tǒng)還具有必要的短路、過(guò)載、欠壓保護(hù)等功能。

水位變化和2臺(tái)泵工作的關(guān)系如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

水泵電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)電氣原理的設(shè)計(jì)如圖3所示。

2.1 主回路

L1、L2、L3為三相電源，HL7、HL8為接在AB、BC相之間的電源監(jiān)視信號(hào)燈；低壓斷路器QF作為系統(tǒng)的總開(kāi)關(guān)及各支路的開(kāi)關(guān)，起短路保護(hù)作用；交流接觸器KM用于接收控制回路信號(hào)，對(duì)水泵電機(jī)實(shí)現(xiàn)接通、斷開(kāi)控制；熱繼電器FR對(duì)水泵電機(jī)進(jìn)行過(guò)載保護(hù)；水泵電機(jī)M的功率要求與系統(tǒng)和實(shí)際使用情況配套。

2.2 控制回路

根據(jù)分析控制要求，系統(tǒng)共需PLC點(diǎn)數(shù)為17點(diǎn)，故選擇三菱FX2N--48MR型PLC；萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA用于切換2個(gè)支路的4種工作模式，1、2觸點(diǎn)，5、6觸點(diǎn)，9、10觸點(diǎn)（SA1、SA2）分別為2臺(tái)水泵電機(jī)的手動(dòng)、自動(dòng)、備用自投模式，11、12觸點(diǎn)（SA1、SA2）空接作為停止模式，故選擇正泰LW5系列四位萬(wàn)能轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)；HL1～HL3（HL4～HL6）分別為1號(hào)（2號(hào)）水泵電機(jī)各種工作模式的信號(hào)指示燈（3個(gè)指示燈都滅為停止模式）；HL7為超高水位報(bào)警指示燈，并可加裝蜂鳴器，按鈕SB為2臺(tái)水泵運(yùn)行和停止的主令電器。

2.3 液位電極布設(shè)

水塔中液體為自然水，富含各種礦物質(zhì)，安裝在水塔中的各個(gè)位置電極通過(guò)各種礦物質(zhì)導(dǎo)通電流來(lái)檢測(cè)液位的變化，向PLC發(fā)出高水位或低水位的指令。電極兩兩之間絕不能通過(guò)水之外的回路導(dǎo)通，必須都淹沒(méi)在水中才能導(dǎo)通。液位電極的連接線采用1 mm2的外包絕緣套的銅芯硬線，為使電極避免外界影響移動(dòng)位置而誤發(fā)出信號(hào)，應(yīng)在上端將其懸空固定，4根入水電極線垂直插入高位水箱（水塔） 中，入水部分線端剝除5 mm絕緣皮露出銅芯即可作為電極[1]，5根電極分別為水池電極、超低水位、低水位、高水位、超高水位電極，電極布置如圖3所示。

入水的4根電線禁止固定在水塔壁上，防止因水位降低但墻壁濕潤(rùn)而造成誤導(dǎo)通；禁止將4根電線扎困在一起下水，防止因水位降低但電極間的殘留水珠而造成誤導(dǎo)通；電極之間的相對(duì)距離應(yīng)合理布設(shè)，以便縮短電極間回路的路徑，但應(yīng)避免距離過(guò)近而導(dǎo)致誤動(dòng)作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)流程

系統(tǒng)程序流程如圖4所示。當(dāng)系統(tǒng)處于檢修、維護(hù)、調(diào)試期間，應(yīng)當(dāng)開(kāi)啟手動(dòng)模式，由工作人員按下手動(dòng)按鈕，單獨(dú)或同時(shí)使2臺(tái)水泵工作直至水塔水箱水位到達(dá)高水位停止。當(dāng)系統(tǒng)處于極度缺水或某些特殊情況時(shí)，應(yīng)當(dāng)開(kāi)啟自動(dòng)模式，此時(shí)2臺(tái)水泵單獨(dú)或同時(shí)工作直至到達(dá)高水位停止。當(dāng)系統(tǒng)處于日常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，需開(kāi)啟備用自投模式，由其中一臺(tái)水泵擔(dān)任主泵角色，另一臺(tái)水泵擔(dān)任備用泵角色，普通用水情況下，只需主泵開(kāi)啟，即可給水塔水箱抽水，但當(dāng)用水高峰期時(shí)，雖然主泵滿負(fù)荷運(yùn)行，抽水量仍然不能滿足用水需求，此時(shí)備用泵啟動(dòng)，直至到達(dá)高水位停止。2臺(tái)水泵互換角色，分別在不同時(shí)期擔(dān)任主泵和備用泵工作，以免備用泵長(zhǎng)期不工作而造成磨損[6]。

3.2 I/O分配表

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，計(jì)算I/O點(diǎn)數(shù)，并分配I/O地址，輸入口、輸出口地址如表1、表2所示。

3.3 程序

根據(jù)系統(tǒng)的控制要求，水泵電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)如圖5所示[7]。

4 模擬測(cè)試結(jié)果

控制系統(tǒng)制作完成后進(jìn)行模擬測(cè)試，分別以手動(dòng)、自動(dòng)、備用自投3種模式為對(duì)象，觀察2臺(tái)水泵的運(yùn)行情況及指示燈的變化；在備用自投模式的測(cè)試中，分別以1號(hào)泵和2號(hào)泵為主泵，另一臺(tái)為備用泵進(jìn)行4個(gè)水位的測(cè)試，結(jié)果表明，該系統(tǒng)性能良好、穩(wěn)定，符合設(shè)計(jì)的要求，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

2015年將該系統(tǒng)安裝在楊凌示范區(qū)某村進(jìn)行為期30 d的試運(yùn)行和調(diào)試，結(jié)果如表4所示。測(cè)試結(jié)果顯示，在為期30 d的測(cè)試中，1號(hào)泵、2號(hào)泵、報(bào)警系統(tǒng)都達(dá)到了100%的工作準(zhǔn)確率，系統(tǒng)工作可靠。

5 小結(jié)

水泵電機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)于2015年投入楊凌示范區(qū)某村運(yùn)行，該系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，該村未出現(xiàn)意外水泵停機(jī)導(dǎo)致群眾用水中斷的現(xiàn)象。本套基于PLC的農(nóng)村供水控制設(shè)備穩(wěn)定性高、控制準(zhǔn)確、性能優(yōu)良，有效地提高了農(nóng)村供水質(zhì)量。

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